水箱液位控制系统毕业设计.doc

昌吉学院毕业设计题目 水箱液位控制系统的设计 系 别 物理系 专 业 能源工程及自动化 班 级 物理系B1105班 学 生 陈希嘉 学 号 1125862019 指 导 教 师 李斌 目 录摘 要31 绪 论41.1过程控制的发展41.2液位控制系统实际应用中的意义41.3液位串级控制系统的介绍51.4 PLC的发展现状51.4.1 PLC的定义51.4.2 PLC的发展现状52 水箱液位控制系统总体方案的设计72.1液位控制系统组成72.2 流量液位串级控制系统的工作原理82.3 PID控制算法102.3.1 PLC中的PID算法102.3.2PID控制的各种常见的控制规律如下：112.4 串级控制系统的PID整定方法142.5选择适合本系统的控制规律143 PLC系统的硬件配置163.1 S7-200的工作原理163.2PLC硬件配置173.2.1CPU的选择173.2.2检测装置173.2.3执行机构183.2.4执行单元194 监控系统MCGS214.1实验过程224.2 实验结果分析234.2.1 整定过程分析234.3 实验结果23总结25摘 要随着生产水平和科学技术的不断发展，现代控制系统的规模日趋大型化、复杂化，控制对象变得越来越复杂，应用常规PID控制，系统的精度和鲁棒性较差。为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，PID控制器便是其中之一。这篇论文的目的是设计一个水箱液位串级控制系统，为了实现对水箱液位的串级控制，采用了计算机技术，通讯技术，自动化仪表技术和自动控制技术。首先我们要对被控对象进行分析，根据被控对象和被控过程特性设计一个串级控制系统。通过毕业设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动控制原理以及过程控制的基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础1 绪 论 1.1过程控制的发展自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数液位，温度，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。随着工业技术的进步，工业自动化技术在各领域已百花齐放，过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。1.2液位控制系统实际应用中的意义为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，尤其是在石油化工环保水处理冶金等行业，液位是过程控制系统的重要被控量，在实际工业生产过程中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，系统的液位是否稳定，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，影响工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 水箱液位控制实验系统是一个研究和开发先进的控制方法、策略的平台，它具有体积小、功耗小、灵活安全等诸多优点，它不仅能够完成控制系统的设计，还可以通过大量的实验来对系统进行优化。它是专门针对于过程控制中液位控制研究的实验研究系统，它包含有温度、压力、液位等多种被控变量，通过 PLC 上位机软件设计控制器，可实现多种控制方式。同时也可以对液位控制系统的控制策略进行设计、验证与研究。水箱液位控制系统的研究与设计为解决实际工程应用提供了良好的研发平台。1.3液位串级控制系统的介绍在单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。但是也有另外一些情况，譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对调节质量的要求又很高；或者调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务却比较特殊，则单回路控制系统就无能为力了，而串级控制系统可以改善和提高控制品质。单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。1.4 PLC的发展现状1.4.1 PLC的定义国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.4.2 PLC的发展现状20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2 水箱液位控制系统总体方案的设计液位控制系统实际是通过控制流量对液位进行控制的，液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用液位做为反馈信号进行单一回路控制，控制质量难以达到要求。而串级控制系统可以将流量纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，能够对液位实行较快的控制。本系统的设计将在SUPCON高级过程控制实验装置的基础上，通过PLC及各传感、执行单元、上位机，以流量液位串级控制策略和的PID控制算法，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。但它们较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制。2.1液位控制系统组成液位控制系统的构成如下图2.1中所示，开度调节阀流量调节器流量测量变送器液位对象U储水箱液位调节器液位测量变送器水泵上位机PLC图2.1液位控制系统的组成结构该水箱流量和液位串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、电动调节阀、液位传感器、涡轮流量计、可编程控制器及其输入（检测）输出（控制）通道电路构成。系统包括3路信号，测量信号有2个分别是上水箱液位和管道流量，变送过来以后是标准的模拟信号控制信号，有1个用来控制电动阀门的开度。PLC的模拟量输入模块SM235相连，SM235和CPU直接相连。系统接通电源后，水泵开始工作，将储水箱里的水泵送至管道，水流经管道后进入水箱。管道里连接流量变送器检测管道水的流量，水箱底部连接液位传感器检测液位，并转换成模拟信号后传送给的模拟量输入接口。通过上位机组态界面设置液位给定值，PLC采用PID算法得出电动调节阀开度调节电动调节阀控制流量，实现流量的控制，最终能够控制水箱内水的液位。2.2 流量液位串级控制系统的工作原理该系统有主调节器、副调节器两个控制回路串接工作，液位控制是外回路（主调节器）负责液位的定值控制，流量控制是随动控制的内回路（副调节器）。，串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，图2.2是串级控制系统的方框图。副调节器电动阀流量水箱液位流量变送器液位变送器h（液位）一次干扰二次干扰给定值+-+-Q1主调节器调节器图2.2串级控制系统方框图主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。本系统的主控量为上水箱的液位高度H，副控量为气动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。1克服被控过程较大的容量滞后在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。2克服被控过程的纯滞后被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。3抑制变化剧烈幅度较大的扰动串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。4.克服被控过程的非线性在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。2.3 PID控制算法2.3.1 PLC中的PID算法常规的PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。PID算法的输入量e是设定值r和检测值y的偏差量，即 ，经过运算，并输出控制信号u。PID控制算法的理想形式为 式中 控制器比例增益；积分时间； 微分时间。PLC对PID控制算法计算需要得到它的离散表达式。由连续的PID算法换算成离散的表达式如下： 其中， 为采样周期。S7-200 PLC中用的是PID控制的增量算法落实是增量还是未知为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即 S7-200 PLC的PID指令中，PID控制算法是基于理想PID控制算法的改进得到的。其微分项采用微分先行改进，积分项采用抗积分饱和法改进。微分先行，是指只对被控量微分，而对偏差无微分作用，这样避免了当改变设定值时对系统产生冲击。抗饱和积分，是指对计算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中，积分项的积分公式为式中第n次采样的积分项数值；第n次采样的设定值数值；第n次采样的检测值数值第n-1次采样的积分项数值。对控制量的限幅为式中第n次采样的比例计算输出数值；第n次采样的积分计算输出数值；第n次采样的PID控制量计算输出数值。通过按照上述方式调节，一旦计算输出返回适当范围即可实现系统应答能力的改善。控制量也被固定在0.01.0。2.3.2PID控制的各种常见的控制规律如下：一、比例调节（P调节）在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即 （3.1） 式中Kc称为比例增益（视情况可设置为正或负）, 为调节器的输出，是对调节器起始值的增量，的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系： （3.2）其中称为比例带。比例调节的显著特点就是有差调节。比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。二、积分调节（I调节）的特点在I调节中，调节器的输出信号的变化速度(t)/t与偏差信号e成正比，即 （或 （3.4）式中KI称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。式（3.3）表明，只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值。这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P调节则被控对象须提供180相角滞后。若采用I调节则被控对象只须提供90相角滞后。这就说明用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度KI成正比。因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。因为KI愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有余差，这是I调节的特点。三、比例积分调节（PI调节）PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除余差。它的调节规律为： (3.5)或 (3.6)式中为比例带，可为积分时间。和是PI调节器的两个重要参数。图3.1是PI调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e/的阶跃，然后以固定速度e/TI变化。当t=TI时，调节器的总输出为2e/。这样，就可以根据图3.1确定和TI的数值。还可以注意到，当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI愈小，积分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)图3.11PI调节器引入积分动作带来消除余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大，这样会使调节时间ts增大，最大偏差也会增大。四、微分调节的特点比例调节和积分调节都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，而不管那时被控对象中流入量与流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正决定着此后被调量将如何变化的趋势。由于被调量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡情况，因此，如果调节器能够根据被调量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节的效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性，这种调节动作称为微分调节。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 (3.7)然而，单纯按上诉规律动作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作。但是经过相当长时间以后，被调量偏差却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种情况当然是不能允许的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD和PID调节动作。2.4 串级控制系统的PID整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：1、逐步逼近法：在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足动态品质指标要求为止。2、两步整定法：两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为： (1) 在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度2S和振荡周期T2S。(2) 将副调节器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振荡周期T1S。(3) 根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。(4) 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。3、一步整定法：一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：(1) 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/20.5这一关系式，通过副回路的放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。(2) 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。(3) 改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态品质指标最佳。(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数TI，即可得到改善。2.5选择适合本系统的控制规律一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。而对副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。因此，主调节器通常都选用比例积分规律。有时，对象控制通道容量滞后比较大（像温度对象和成分对象等），为了克服容量滞后，选用比例积分微分三作用的调节器作为主调节器。副调节器的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需用比例作用就可以了。本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。3 PLC系统的硬件配置SIMATIC S7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。3.1 S7-200的工作原理S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。 输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200 CPU有两种操作模式：STOP模式和RUN模式。对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序。PLC包括中央处理单元(CPU)、存储器、电源，采用循环扫描的工作方式1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样并对输出信号进行刷新。 2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。 3.2PLC硬件配置3.2.1CPU的选择S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元如表2.1所示。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。表2.1 S7-200系列CPU22X单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本论文采用的是CPU222： 8路输入、6路输出。可连接2个扩展模块， 26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.2.2检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度图3.1测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用420mADC、15VDC的电流（电压）信号，或20100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以实验室选用的是压力液位变送器。液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，DBYG扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。压力测量头的核心部件是扩散硅压力传感器，因此没有可动部件，抗震性能优良。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体或蒸气的压力，并将被测参量转换成420mADC的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。因此，本设计采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，如图2.4所示。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 AIW0+ AQW0+ AIW0- AQW0_AIW1+ AIW1- Em235管道流量传感器水箱液位传感器电动调节阀PLCI0.0+I0.0-3.2.3执行机构电动调节阀对控制回路流量进行调节。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制与转实现对压力流量温度压力等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为010KPa，精度为，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为420mA直流。3.2.4执行单元执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的，来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。系统中用到的调节阀是QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。来自PLC的模拟量输出DC420mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连接在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。液位是否符合要求水箱检测液位是否符合要求调节主控面板调节SV1YNNY手动/自动控制起动返回4 监控系统MCGS本章介绍工业自动化控制组态软件MCGS( Monitor and Control Generated System，通用监控系统)的基本组成部分及其功能。MCGS组态通用监控系统软件是集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与设备输出，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际问题的方案，在自动化的各个领域起着极其重要的作用。4.1实验过程本实验选择上水箱和气动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3.3所示。图3.3 实验界面3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。4、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。5、整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：(1) 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；(2) 将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；(3) 将阀F1-5、F1-13开至适当开度；以上几种干扰均要求扰动量为控制量的515，干扰过大可能造成水箱中水溢出。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定于新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图3.4所示。图3.4 上水箱液位阶跃响应曲线7、适量改变调节器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。4.2 实验结果分析4.2.1 整定过程分析3.5 主调节器设定(1) 如图3.5所示，在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。置副调节时间为最大值，微分时间为0，比例带为较大值，将系统投入运行。待系统稳定之后，做设定值阶跃扰动，观察响应，若系统衰减太快，则减小比例带；若过慢，则增大比例带。如此反复直到系统出现4：1衰减震荡过程。记下相应的比例度2S和振荡周期T2S。(2) 将副调节器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振荡周期T1S。(3) 根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。(4) 按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。上述过程为根据图形进行的理论计算，在试实验中用试凑法进行整定。其方法为设置几组参数，分别投入运行，观察系统的响应曲线。原则为先整定副回路再整定主回路，先进行比例积分最后进行微分，比较各个步骤的曲线找出每组最优。将所得的各个参数结合起来，得到最终的整定参数。4.3 实验结果实验将目标液位设定为30mm，起始时间为零，起始液位为零。系统经一段时间运行后观察历史曲线图如下图6-2图6-2通过本次课程设计,加深对PLC知识的理解；了解力基于PLC的过程控制工程设计流程及方法；重点掌握PLC的I/O地址分配、信号采集、PID控制算法、程序编辑以及调试运行方法。结合课程设计的内容，熟悉过程控制工程中需要编写的技术文档；加强对PLC编程能力；培养全面、周到的考虑实际问题的习惯；学会查阅有关专业技术资料及设计手册，提高进行独立设计的能力并完成课程设计相关任务。（1）了解水箱液位控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。（2）逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调节电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。（3）逐一明确PLC到各执行机构的输入通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。（4）绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O口地址分配表。（5）编制PLC的程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽可能多地在实验设备上演示控制过程。总结可编程序控制器PLC具有通用性强，可靠性高、适应性强、编程方法简单易学、系统安装调试方便等特点，使其在各行各业中得到广泛应用 。组态软件所具备的实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样，以及运行可靠等特点使运用工控组态软件来实现系统的监控任务已成为工业发展中的必然趋势。本论文采用了可编程序控制器结合组态软件监控的控制方法，即采用SIEMENS公司的 S7-200系列PLC和MCGS组态软件相结合的方法。通过设计和应用后可以得到以下结论：（1）工业控制组态软件MCGS是利用其设计的监控画面具有的动态效果制作水箱的液位显示图，还可以在上面对参数值进行设定和修改，用实时曲线的动态显示变化曲线观看水箱的液位控制状态的变化。（2）S7-200系列PLC的使用简化了水箱的控制系统。（3）MCGS组态软件与PLC合用的控制系统，合理地分担了水位监控和现场数据采集和控制的任务，充分发挥不同设备各自的优势，大幅度降低了工程时间和人力物力的消耗。本课题许多工作完成得不尽圆满，尚需进一步完善深入，特别是软件的数据处理功能有待加强。在保证实时性、可靠性的基础上探索一些创新的、更有潜力的方案以提高系统控制的精确性和可靠性，进一步完善系统的其他功能。