双闭环管道流量比值控制系统设计报告.docx
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双闭环管道流量比值控制系统设计报告.docx
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双闭环管道流量比值控制系统设计报告
PLC控制技术实训评分表
课程名称:
PLC控制技术实训
设计题目:
单容液位变频器PID单回路控制,比值控制系统
班级:
学号:
姓名:
项目
评分比例
得分
平时表现
25%
综合实训报告
45%
综合实训答辩
30%
综合实训总成绩
指导老师:
年月日
常熟理工学院
电气及自动化工程学院
《PLC控制技术实训》报告
题目:
单容液位变频器PID单回路控制
比值控制系统设计
姓名:
李良、何龙太
莫勇、高虎
学号:
160112109、160112106
160112113、160112104
班级:
自动化121
指导教师:
刘叔军
起止日期:
2015.6.29~7.12
摘要
本课题针对液位控制系统系统作初步设计和基本研究,该系统能对水箱液位信号进行采集,以PLC为下位机,以工控组态软件组态王设计上位机监控画面,实现PID对水箱液位的控制。
针对比值控制系统进行模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究,该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进行信号采集,以工控组态软件组态王上位机监控P画面并对PID参数调节,实现对比值系统的控制。
关键词:
PLCPID控制液位控制比值控制组态王流量
单容液位单回路控制、比值控制系统设计
1、引言
1.1主要内容
本课程设计是针对学习完PLC课程后的一个应用性实践环节。
通过本课程设计的训练,对PLC在工程中的实际应用有完整地了解,同时培养综合应用基础课、专业课所学知识及工程实际知识的能力。
通过对PLC软件设计及过程控制系统的分析及设计,获得面向工业生产过程系统分析及设计的实践知识,初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。
基于单容液位单回路控制、比值控制系统设计,结合实验室已有设备,通过组态王软件实现上位机对下位机的控制。
按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用双闭环控制结构和PID控制规律,通过流量传感器将检测到的流量及设定比值送入计算机,计算机运用PID算法得到相应的控制信号,并将其输出给执行器,然后执行器输出不同的电流信号控制变频器工作,以达到调节流量的控制目的。
流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛,它能使系统稳定,精确地输出,更能实现自动化控制,是过程控制系统的一个典型。
本设计针对生产中两种液体的流量的控制,对其设计了单闭环流量比值控制系统,将通道2流量作为主流量,通道1流量为副流量进行设计,设计中用到了多个硬件设备,并基于计算机实现过程的自动控制。
1.2任务要求
本课题针对液位控制系统系统作初步设计和基本研究,该系统能对水箱液位信号进行采集,以PLC为下位机,以工控组态软件组态王设计上位机监控画面,实现PID对水箱液位的控制。
针对比值控制系统进行模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究,该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进行信号采集,以工控组态软件组态王上位机监控P画面并对PID参数调节,实现对比值系统的控制。
(1)了解流量比值控制系统的物理结构,闭环调节系统的数学结果和PID控制算法。
(2)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,引入PLC的接线以及PLC中的编址。
(3)明确从PLC到各执行机构的输出通道,包括各执行机构的种类和工作原理,PLC输出信号的种类和地址。
(4)绘制出比值流量控制系统的电路原理图,编制I/O地址分配表。
(5)编制PLC的程序结合过程控制实验室的现有设备进行调试,要求达到PID闭环控制,并对实际的控制过程用matalab仿真。
2、设计方案
2.1设计原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制系统和变比值控制系统。
开环比值控制是最简单的控制方案。
单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制在系统运行过程中其比值系数是不变的。
串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的需求而变化。
变比值控制系统最终目的是生产过程的结果,物料按比值输出不是关键。
根据设计要求,本系统采用单闭环比值控制或双闭环比值控制,本系统采取双环控制方案。
2.2设计方案论证
本系统采用双闭环系统控制,由于副流量回路可以采用流量控制电动调节阀的开度或采用水箱液位对电动调节阀的开度进行控制。
通过我们的实际操作证明了实验室的设备无法实现流量控制电动调节阀的开度,因为电动调节阀太滞后于流量检测以至于PID闭环无法控制电动调节阀的开度。
最后副回路采用液位控制电动调节阀的开度。
由于PLC连接的EM235外部拓展模块只有1路模拟量输出口,我们最终使用了设备上的PID智能调节仪,通过实验得到了一组较好的PID参数,并将其输入到调节仪中,使用智能仪表及副流量回路形成闭环系统。
对于主流量回路的流量,通过副流量的实际检测值比上设定的比值,这就是主回路输入的给定值,通过PID调节输出的电流值给变频器,变频器控制水泵工作,从而控制了水流量的输出值。
结合主流量回路和副流量回路的双闭环系统,使系统更加的稳定,精确地输出,达到实现自动化控制的比值系统。
2.3系统原理图
图1比值控制系统原理图
2.4系统结构图
图2系统方框图
通过副流量回路给定液位值来控制电动调节阀的开度,从而控制副回路的管道流量。
副流量回路管道的流量比上给定比值,作为主流量回路的输入给定值,通过主流量、副流量回路两个闭环回路,这样就可以形成一个具有自动调节功能的系统。
2.5系统工艺流程图
图6工艺流程图
3、硬件设计
3.1流量计(涡轮流量计、电磁流量计)
1)、涡轮流量计:
输出信号:
频率,测量范围:
0~0.6m3/h
接线如图所示:
图7涡轮流量计
接线说明:
传感器的供电电源由24VDC开关电源提供,负载为流量积算变送仪。
注:
使用涡轮流量计时,必须将24VDC开关电源打开。
2)、电磁流量计:
输出信号:
4~20mA,测量范围:
0~0.4m3/h
图8电磁流量计
接线说明:
转换器为交流220V供电,X、Y和A、B、C为传感器和转换器之间的连线,输出信号线直接接控制台上的电磁流量计信号输出端。
3.2电动调节阀
QSVP20-15N智能电动单座调节阀
主要技术参数:
执行机构型式:
智能型直行程执行机构
输入信号:
0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC
输入阻抗:
250Ω/500Ω
输出信号:
4~20mADC
输出最大负载:
<500Ω
信号断电时的阀位:
可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值。
电源:
220V±10%/50Hz。
调节阀特性:
单座阀,螺纹连接,线性流量。
图9电动调节阀
3.3变频器面板
本系统采用西门子变频器MicroMaster420。
西门子变频器MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。
它友好的用户界面,让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。
全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。
变频器主要特征:
1、200V-240V±10%,单相/三相,交流,0.12kW-5.5kW;
2、380V-480V±10%,三相,交流,0.37kW-11kW;
3、模块化结构设计,具有最多的灵活性;
4、标准参数访问结构,操作方便。
主要控制功能:
1、线性v/f控制,平方v/f控制,可编程多点设定v/f控制;
2、磁通电流控制(FCC),可以改善动态响应特性;
3、最新的IGBT技术,数字微处理器控制;
4、数字量输入3个,模拟量输入1个,模拟量输出1个,继电器输出1个;
5、集成RS485通讯接口,可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板;
6、具有7个固定频率,4个跳转频率,可编程。
现场系统上的西门子变频器一般包括三个部分:
变频器主体,BOP面板,DP接口。
图10西门子BOP面板
西门子BOP面板包括一个液晶显示屏,8个按钮。
其中左上角是运行启动,左下角是停止。
西门子变频器可以BOP面板操作,可以4-20mA控制,也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。
不需要增加任何硬件就可以进行这些模式的操作。
3.4百特自整定PID调节器
现场装置上的智能调节器适用于温度、压力、液位、流量等各种工业过程参数测量,显示和精确控制。
该装置具有万能信号输入、多种给定方式可选、多种控制输出方式可选择等多种特点。
系统设计中利用实验得出的PID参数对电动调节阀实现闭环控制,使得实际输出的水位值稳定在设定值。
图11百特自整定PID调节器
3.5EM235拓展模块
EM235是最常用的模拟量扩展模块,它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
图12EM235拓展模块接线图
图11演示了模拟量扩展模块的接线方法,对于电压信号,按正、负极直接接入X+和X-;对于电流信号,将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端;未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
EM235的常用技术参数:
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压(单极性)0~10V0~5V0~1V0~500mV0~100mV0~50mV
电压(双极性)±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV
电流0~20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000~+32000单极性全量程范围0~32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
信号范围
电压输出±10V电流输出0~20mA
数据字格式
电压-32000~+32000电流0~32000
分辨率电流
电压12位电流11位
3.6硬件接线图
图13系统硬件接线图
图14涡轮流量计接线图
图15电动调节阀及智能仪表接线图
3.7I/O分配表
信号名称
地址名称
I/O口分配
说明
通道1流量(主流量)传感器输入
AIW0
AI0
16位
通道2流量(副流量)传感器输入
AIW2
AI1
16位
下水箱液位输入
仪表上的AI0
16位
阀门开度控制输出
仪表上的AO0
16位
变频器信号输入
AQW0
AO0
16位
4、软件设计
4.1程序流程图
图16程序流程图
4.2程序分析
1)PID参数初始化
图17PID参数初始化
该程序主要是初始化PID0参数,设置参数P=10、I=3、D=0,并设置采样时间0.1秒,同时还将PID调节器设置成自动状态。
2)使能中断函数
图18使能中断函数
该程序使能定时中断0,并设置终端周期为Time_0_Intrvl=100毫秒。
3)比值控制系统函数的构建
图19比值控制系统函数构建图
程序中主要是先对模拟量采集通道0进行判断,有采集信号则对主、副流量使用除法指令,并乘上相应的系数就得到了PID0调节器的测量值,通过判断当前是自动调节还是手动调节,输出相应PID0调节器输出值。
若无采集信号,则直接给定相应的PID0调节器测量值,通过判断当前是手动调节还是自动调节,输出相应的PID0调节器输出值。
4)数模转换(将读入的数据6400-32000转换成0-1的模拟量)
图20数据数模转换图
首先若输入的数据大于32000,则默认其为32000;若小于6400,则默认其为6400;
6400-32000之间相差25600,将数据减去6400之后,在除以25600,即可得到相关模拟量。
5)模数转换(把0-1转换成6400-32000的数字量)
图21数据模数转换图
首先若模拟量数值大于1,则默认其为1;若模拟量数值小于0,则默认其为0;
将模拟量数值乘以25600,在加上6400,即可得到6400-32000之间的数字量。
6)中断处理
图22数据采集及数据输出图
图23PID调节函数图
1.读入采集口AIW0数据到AIN0,AIW1数据到AIN1;
2.若PID0调节器的状态为自动,则进行PID调节,VB100为起始地址,0为回路号。
5、系统建模及MATALAB仿真调试
5.1副流量回路建模及仿真
图23副流量回路系统图
红色曲线即为水箱液位的变化曲线,黄色曲线为设定值。
以两条曲线为根据建立一阶惯性环节系统。
即闭环传递函数为:
由图3知K=1,稳态值的63.2%处在该曲线的位置即为时间T。
设定水位为13cm的条件下,然后让系统处于自动调节的状态下,得到上图的曲线,通过响应曲线法近似求得其传递函数为:
=
同时记录下此时的PI参数为:
P=6,I=4,得到其PID传递函数为:
因为液位传感器的电信号为4-20mA,其高度变化范围为0-100cm,故其比例系数为
;
根据以上分析结果:
利用Simulink,搭建相关模块得:
图24副流量回路仿真图
仿真结果为:
图25副流量回路仿真结果图
因为控制参数对系统影响较大。
如若P过大容易造成系统不稳定,过小则不能减小余差;I过小,容易造成系统振荡,过大则到达稳定的时间延长。
由于曲线受PID参数影响较大,因而我们针对PI参数进行了具体的修改,最终确定P=10,I=3时的效果为最佳。
2.5.2主流量回路建模和仿真
由于上位机系统只能显示比值曲线,不能显示主、副回路的曲线图,因而我们采用记录数据,自己画出曲线的方法来建模。
主流量
0
9.32
13.65
19.78
25.46
30.12
35.06
37.84
39.05
副流量
0
5.43
7.86
11.42
15.26
19.63
24.87
26.34
28.36
主流量
41.63
44.95
47.25
49.65
50.82
52.11
53.53
55.03
56.40
副流量
29.50
31.02
30.42
30.80
30.98
31.04
31.19
31.25
30.56
主流量
56.80
56.88
副流量
31.54
31.52
根据上位机的标度值,6个数据为1格,5格为1s。
根据图表我们绘制曲线图,从曲线图我们求得副流量的传递函数之前求得的传递函数近似,都为:
=
而通过图表绘制的主流量回路曲线,求得的传递函数为:
建立仿真图:
副流量回路的输出流量乘上设定比值的倒数,即为主流量回路的给定值。
图26比值控制系统仿真图
仿真结果为:
图27主、副流量回路仿真结果图
上图红色曲线为副流量回路的流量曲线图给定PID参数为P=10、I=3,蓝色曲线为主流量回路的流量曲线图给定参数P=3、I=1,黄色的为液位给定值。
通过曲线图能看到主、副流量的比值最终近似稳定在
,达到了比值控制系统的要求。
6、遇到的困难及心得体会
1)遇到的困难
在本次系统设计中,我们一共更改了3次方案,通过不断的实验得出最终方案。
首先,我们直接连线测试,发现我们忽略了对电动调节阀的调节,导致副流量通道的流量无法控制,达不到实验要求,并且整个回路没有形成良好的闭环效果,我们只能更换方案。
紧接着我们试图通过检测副流量回路的流量来控制电动调节阀的开度,给定设定值流量,然后通过检测当前值的流量,加上PID控制实现闭环,但实验证明了调节阀的控制太滞后于流量的检测,导致无法实现PID控制,就没有起到控制调节阀开度的作用,从而流量无法保持在可控范围内。
最后我们采用了液位控制调节阀开度,通过检测当前水箱液位及给定水箱液位值比较来控制阀门的开度,保持输出水位稳定在设定值。
通过实验发现将PID参数适当的修改就能达到液位控制调节阀的作用。
通过三次不断的修改方案,最终确定了最后一种方案可行,实现了副流量回路的控制。
然后我们将主、副流量回路连接起来构成一个完整的比值控制系统,副流量回路通过智能仪表控制电动调节阀开度。
主流量回路是通过检测副流量回路的流量然后乘上设定比值的倒数作为主流量回路的流量设定值,然后通过PID控制,输出电流值给变频器并控制其工作,从而控制水泵的输出流量。
在设计过程中,不仅仅是大方案遇到了比较大的困难,在小的方面的遇到不少困难。
比如:
智能仪表的PID参数的修改及水位设定值的修改,我们之前不了解其特性,只能去网上查阅相关资料,然后不断尝试操作,慢慢才学会修改。
其次变频器控制水泵上面,开始是变频器频率出现问题,总是在0或50不断的跳,没有一个上升过程,也没有下降过程。
然后通过询问老师才发现是我们没有将正反转按钮打开,才导致出现这样的情况。
然后还有数据不断的出现零漂现象,导致上位机的图像显示不能满足要求,我们最终只能采取手动的记录数据,自己绘制图表,得出曲线,然后建立模型。
2)心得体会
李良(软件方面):
通过初期的不断修改大程序,提炼我们系统设计需要的小程序的过程中,我不断的去翻看书籍去查找相关数据的资料,通过翻阅书记熟悉不同的指令含义,达到从了解程序到理解程序的一个过程。
然后下载程序到PLC中运行程序发现根本就出来不了我们需要的曲线,达不到要求的曲线就无法构建模型,然后我只能不断去检测硬件和软件的问题,查找问题的来源,发现软件单方面问题并不是很大,问题主要是出现在软件和硬件的匹配问题上面。
然后我只能通过不断的修改硬件连线,修改回路来适应我的程序,通过这个过程让我收获的不仅仅是软件上面的喜悦,同时也通过了解连线,懂得了一些相关的硬件知识,通过遇到问题解决问题,让我整个实训过程都比较的充实,收获的不仅仅是文化知识方面的内容,也提升了解决问题的能力。
莫勇、高虎(硬件方面):
本次PLC实训我负责的项目是硬件方面的,因为对仪器的不了解,一开始就遇到了难题,如水箱控制系统的组成,通道的选择,仪器的运行原理,PLC系统中信号的输入输出等等.所以前期进展很慢,幸好有刘老师的耐心指导,还有同组伙伴的帮助加上自己广泛的查阅资料,才能度过难关。
工艺流程图和电气原理图也是让我很吃力的地方,因为对AUTOCAD软件的不熟悉加上图略微有点复杂,所以也遇到了困难,但是通过自己的坚持和努力也顺利将其克服。
本次PLC实训对我的帮助是非常大的,对PLC这门编程语言有了更深的了解,为今后的学习奠定了一定的基础。
何龙太(系统分析及建模):
课程设计过程中,在建模的时候一开始是无从下手的,通过查阅资料等方式,运用过程控制的建模方式,从而求当所需的传递函数。
然而在matlab仿真中,首先去了解了软件使用,然后逐步搭好仿真图。
不过调节过程中实验得出的PI参数并不能得出比较完善的仿真曲线,因而需要对PI参数进行调整,最终得出满足系统需求的仿真曲线。
不过在对主流量回路建模的时候,由于无法得出所需曲线,因为只能是比值的对应图,因此通过记录数据来绘制曲线(记录的数据中会出现“零漂”现象,其原因可能是系统内部串口通信时发生短暂故障没有采集到数据,也有可能是系统本身的问题。
),然而此过程中则存在一定的误差。
总而言之,此次课程设计我们所达到的系统效果并不是完全准确,系统建模以及系统本身都存在一定的误差,因而只是在系统设计及建模中只能尽最大能力去满足其需求,来实现系统控制。
所以需要继续努力,在今后的学习中完善这方面的知识,来为今后打下基础。
参考文献
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