基于plc的液位控制系统课程设计1组论文.docx
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基于plc的液位控制系统课程设计1组论文
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中国计量学院《过程控制工程设计课程设计》报告书写说明书
基于PLC的PID液位控制系统
中国计量学院
二0一一年五月二十四日
摘要
本次课程设计的课题是基于PLC的PID液位控制系统的设计。
本文的主要内容包括:
PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析,西门子SIEMENSS7-300PLC的硬件掌握,PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较,应用PID控制算法所得到的实验曲线分析,整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。
经过比较,发现西门子的PLC结构简单,使用灵活且易于维护。
它采用模块化设计,本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
,我们选择西门子。
本份报告主要针对系统控制方案的设计和硬件选型,其余部分由其他组员负责。
附录软件程序。
除去附录目录等共13页。
关键词:
西门子SIEMENSS7-300PLC,控制对象特性,PID控制算法,硬件选型。
目录
摘要
1绪论
1.1PLC的定义
1.2本文研究的主要目的
1.3本文研究的主要内容
2西门子SIEMENSS7-300PLC和控制对象介绍
2.1西门子SIEMENSS7-300介绍
2.1.1CPU模块
2.1.2IO模块
2.1.3电源模块
2.2控制对象介绍
2.2一阶单容上水箱对象特性
2.3二阶双容下水箱对象特性
3串级控制系统
3.1串级控制
3.1.1串级控制系统的结构
3.1.2串级控制系统的特点
3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定
3.2PID参数
3.2.1扩充临界比例度法
4控制方案设计
4.1系统设计
4.1.1上水箱液位的自动调节
4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统
4.2硬件设计
4.2.1检测元件
4.2.2控制元件
4.2.3控制单元
4.2.4软件连接
4.3软件涉及
附录软件程序
参考文献
1绪论
1.1PLC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。
1.2本文研究的主要目的
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,一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定,直接影响到了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,一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求,所以我们就又引入了可编程逻辑控制(又称PLC)。
引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。
它使在控制中更加的安全,节约了更多的劳动力,更多的时间。
在我国随着社会的发展,很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛,特别在锅炉液位控制,水箱液位控制。
还在黄河治水中也的到了利用,通过液位控制系统检测黄河的水位的高低,以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下,给我们人民带来生命危险和财产损失。
1.3本文研究的主要内容
一、一阶单容上水箱特性。
二、二阶双容水箱对象特性。
三、PID串级控制系统的设计
2西门子SIEMENSS7-300介绍
2.1西门子SIEMENSS7-300介绍
简介:
●模块化中小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用
●大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务
●由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力,使得应用十分灵活
●方便用户和简易的无风扇设计
●当控制任务增加时,可自由扩展
●由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲
S7-300是模块化中小型PLC系统,它能满足中等性能要求的应用。
结构示意图
PLC的原理图
2.1.1CPU模块
CPU是PLC的核心组成部分,与通用微机的CPU一样,它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢,故称为“电脑”。
其功能是:
1、PLC中系统程序赋予的功能,接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
2、用扫描方式接受现场输入装置的状态,并存入映像寄存器。
3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
在PLC进入运行状态后,从存储器中逐条读去用户程序,按指令规定的任务,产生相应的控制信号,去起闭有关控制电路。
2.1.2IO模块
IO模块是CPU与现成IO装置或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平与驱动能力的IO模块和各种用途IO元件供用户选用。
如输入输出电平转换、电气隔离、串并行转换、数据传送、误码校验、AD或DA变换以及其他功能模块等。
IO模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号,或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象,以确保整个系统正常的工作。
其中输入信号要通过光电隔离,通过滤波进入CPU控制板,CPU发出输出信号至输出端。
输出方式有三种:
继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
2.1.3电源模块
根据PLC的设计特点,它对电源并无特殊需求,它可使用一般工业电源。
2.2一阶单容上水箱对象特性
所谓单容过程,是指只有一个贮蓄容量的过程。
单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。
一、自衡过程的建摸
所谓自衡过程,是指过程在扰动作用下,其平衡状态被破坏后,不需要操作人员或仪表等干预,依靠起自身重新恢复平衡的过程。
液位过程,图2.2所示为一个单容液位被控过程,其流入量,改变阀1的开度可以改变的大小。
其流出量为,它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。
液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控过程的输入变量,,增益),Ti(积分时间常数),Td(微分时间常数),Ts(采样时间),在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。
通过定时(按照采样时间)执行PID功能块,按照PID运算规律,根据当时的给定、反馈、比例-积分-微分数据,计算出控制量。
也就说这些参数是通过PLC的功能块实现的.
PID控制器调节输出,保证偏差(e)为零,使系统达到稳定状态。
偏差(e)是设定值(SP)和过程变量(PV)的差。
输出=比例项+积分项+微分项
为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式,才能用来计算输出值。
数字计算机处理的算式如下:
输出=比例项 +积分项 +微分项
输出=比例项+积分项+微分项。
4控制方案设计
4.1系统设计
4.1.1上水箱液位的自动调节
在这个部分中控制的是上水箱的液位。
系统原理图如图4.1所示。
单相泵正常运行,打开阀1和阀2,打开上水箱的出水阀,电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量,调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入PLC中,经过AD变换成数字信号,送入数字PID调节器中,经PID算法后将控制量经过DA转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水流量。
当上水箱的液位小于设定值时,压力变送器检测到的信号小于设定值,设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。
经过运算后即输出控制信号给电动调节阀,使其开度增大,以使通道里的水流量变大,增加水箱里的储水量,液位升高。
当液位升高到设定高度时,设定值与控制变量平衡,PID调节器的输入偏差信号为零,电动调节阀就维持在那个开度,流量也不变,同时水箱的液位也维持不变。
系统的控制框图如图4.2所示。
其中SP为给定信号,由用户通过计算机设定,PV为控制变量,它们的差是PID调节器的输入偏差信号,经过PLC的PID程序运算后输出,调节器的输出信号经过PLC的DA转换成4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度,以控制水的流量,使水箱的液位保持设定值。
水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口,再经过AD转换成控制量PV,给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e,又输入到PID调节器中,又开始了新的调节。
所以系统能实时地调节水箱的液位。
4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统
上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后,外界环境的扰动较大,要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值,用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果,所以采用串级闭环反馈系统。
上水箱下水箱液位控制系统图如图4.2所示,该系统中,上水箱液位作为副调节器调节对象,下水箱液位作为主调节器调节对象。
这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动,有时是认为的因素,有时是机械的因素,扰动总是不可避免的。
主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。
在这里,执行机构仍然是电动调节阀,依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量,控制两个水箱的水位。
它有两个PID回路,分别是PID1和PID2。
PID1为外环,控制下水箱的液位,它的输出值作为PID2的设定值,PID2控制上水箱的液位。
4.2硬件设计
4.2.1检测单元
在过程控制系统中,检测环节是比较重要的一个环节。
液位是指密封容器或开口容器中液位的高低,通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量,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SP3051SP型高精度负压力变送器。
过压极限:
施加0~14MPa(绝压)压力到变送器任意一侧,变送器不损坏,法兰可承受60MPa压力,正常工作大于3.45kPa(绝对压力),精度等级:
0.075%,量程比:
100:
1。
SP3051SP型高精度负压力变送器压力传感器
4.2.2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。
执行器的工作原理,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DC4-20mA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。
4.2.3控制单元
控制单元是整个系统的心脏。
在系统中,PLC是控制的中心元件,它的选择是控制单元设计的重要部分。
系统应用的是西门子S7-300的PLC,其结构简单,使用灵活且易于维护。
它采用模块化设计,本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
4.2.4元件连线图(注:
只是用组态软件显示下过程控制不涉及组态软件)
4.3软件设计
现在以上水箱的液位控制系统为例,画出其控制流程图
附录
单容水箱PID液位制系统设计程序
6结论
通过本次毕业论文的创作,我知道了液位控制系统在生活中的重要性。
基于PLC的PID液位控制系统能让我们在生活中遇到比较危险的场合中变得安全化、智能化。
对于前人以前的所做的液位控制系统本系统更加的人性化,可以随时修改液位的设定值。
但本论文有许多不足之处,在PLC的编程方面做得不够理想,希望大家指正。
参考文献
[1]王庭有等编著,《可编程控制器原理及应用》,国防工业出版社,北京,2008
[2]李国勇编著,《过程控制系统》,电子工业出版社,北京2009
[3]孙洪程利大宇编著,《过程控制工程设计》,化学工业出版社,北京,2008
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