单容水箱液位控制系统论文

1、 学 院物理与电气工程学院课程名称过程控制系统设计题目单容水箱液位FX2n-32MR控制系统设计专 业自动化班 级四组 员 及学 号 指导教师时 间2014.6.21 摘要：本设计中，利用PLC与MCGS组态软件进行组态构成水箱液位计算机控制系统。使用FX2n-32MR PLC为控制系统的提供控制与检测通道，利用MCGS组态软件完成对系统的控制参数的设定与实时状态的监控，有效的提高了控制系统的控制效率。在液位控制方面，构成了使用PID控制算法的液位定值控制系统，通过PID参数的整定设定了适当的控制参数，完成对上水箱液位的精确控制。关键词：液位控制，PLC，MCGSAbstract：In thi

2、s design, using PLC and MCGS configuration software configuration consisting of tank level computer control system. The use of FX2n-32MR PLC provides control and detection of access control systems, monitoring and control parameters on the system by using the MCGS configuration software setting with

3、 real state, and effectively improve the efficiency of control control system. In the liquid level control, a liquid level using PID control algorithm of the constant value control system, through the tuning of PID parameters setting the proper control parameters, the accurate control of tank level.

4、Keywords：Liquid level control，PLC,MCGS目录摘要1一前言3二单容水箱液位控制系统及仿真42.1系统原理42.2 被控对象42.3 水箱建模42.4系统仿真6三. 硬件设计73.1三菱FX2n-32MR系列73.2 PLC系统组成及各部分的功能73.3上位机监控系统83.3.1MCGS通用监控系统的构成93.3.2MCGS通用监控系统主要功能93.3.3 MCGS组态软件画面的制作9四软件设计114.1 PID控制原理114.2 PLC的基本工作原理及梯形图13五结论13参考文献14附：PLC源程序15一前言可编程程序控制器（简称PLC）具有可靠性高、抗干扰能

5、力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，许多开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的PLC产品生产出来，PLC控制系统越来越开放。但由于PLC的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给

6、在PLC上实现先进控制算法带来了困难。FX2n-32MR(三菱)在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在PLC上得到较好的实现。本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。本课题的设计是先通过工控组态软件MCGS在组态环境下做出一个关于上水箱液位控制的动态连接界面，接着应用FX2n-32MR（三菱)进行程序的编写，在MCGS组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的PLC程序进行动态连接。在通讯接口设备通讯状况良好的

7、条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据的操作和改动就可以达到对上水箱液位控制的目的。操作人员可随时通过动画界监测到上水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义。二单容水箱液位控制系统及仿真2.1系统原理 如下图所示，被控变量为中水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值，将压力传感器检测到的的中水箱的液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节阀的开度，以达到控制中水箱的液位的目的。上水箱电动阀调节器设定值

8、h（液位） 液位变送器 图1 上水箱单容液位控制系统方框图2.2 被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象上水箱的结构和特性。可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图2 单容水箱结构图2.3 水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模

9、型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图1-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有 （1-1）将式（1-1）表示为增量形式 （1-2）式中，、分别为偏离某一平衡状态、的增量； C水箱底面积。 在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处

10、理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即 或 （1-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（1-3）代入式（1-2）可得 （1-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： （1-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量=，为常量，则输出液位的高度为： (1-6)即 （1-7）当t时， 因而有 （1-8） 当t=T时，则有 （1-9）式（1-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2所示。由式（1-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通

11、过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 图3 阶跃响应曲线2.4系统仿真用Matlab软件建立模型进行仿真，如图4所示。 图4 Matlab仿真模型图Matlab仿真结果波形图，如图5所示。 图5 Matlab仿真结果波形图 三. 硬件设计3.1三菱FX2n-32MR系列三菱PLC是三菱电机在大连生产的主力产品。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。S7-200系列出色表现在以下几个方面：(1)系统配置即固定又灵活；(2)编程简

12、单；(3)备有可自由选择，丰富的品种；(4)令人放心的高性能；(5)高速运算；(6)使用于多种特殊用途；(7)外部机器通讯简单化；(8)共同的外部设备。3.2 PLC系统组成及各部分的功能1 CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成

13、：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上

14、变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过

15、，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。3.3上位机监控系统本章介绍工业自动化控MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统)

16、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。3.3.1MCGS通用监控系统的构成MCGS监控系统包括组态环境和运行环境两个部分，用户所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态

17、设计的目标和功能。运行环境必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据库进行可视化处理。（1）实时数据库是MCGS监控系统的核心。MCGS用实时数据库来管理所有实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。实时数据库采用面向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。（2）主控

18、窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。（3）设备窗口是MCGS监控系统与外部设备联系的媒介。专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。它通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。（4）用户窗口实现了数据和流程的“可视化”。用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。 (5)运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略。3.3.2MCGS通用监控系统主要功能（1）良好的

19、可维护性和可扩充性。三种基本类型的构件(设备构件、动画构件、策略构件)完成了MCGS系统三大部分(设备驱动、动画显示和流程控制)的所有工作。（2）MCGS系统可以与广泛的数据源交换数据，有强大的数据库连接能力，可以和更多的自动化设备相连接；与其它应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源。（3）强大的网络功能。（4）多样化的报警功能。3.3.3 MCGS组态软件画面的制作使用MCGS完成一个实际的应用系统，首先必须在MCGS系统的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在MCGS运行环境下运行。本设计是在MCGS组态环境下进行的液位控制系统的制作。首先将MCGS组态软件安装在所要使用

20、的计算机中，安装MCGS组态软件的通用版本即可。安装成功后，即可进入到组态环境中进行画面制作。进入到组态环境中，首先要先建立一个新建的工程对象。在新建工程对象成功后，单击进入主控窗口。主控窗口负责调度设备窗口的工作、管理用户窗口的打开和关闭、驱动动画图形和调度用户策略的运行等。主控窗口组态包括菜单的设计和系统属性的设置。主控窗口所建立的菜单命令可以执行指定的运行策略，打开、关闭、隐藏和打印指定的用户窗口，退出运行系统，数据对象操作和执行指定的脚本程序等工作。在组态界面上打开主控窗口，此窗口组态见如下图所示： 图6主控窗口示意图然后打开设备窗口，设备窗口是MCGS系统与作为测控对象的外部设备建立

21、联系的后台作业环境，负责驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。进入设备窗口，从设备构件工具箱里选择相应的构件，配置到窗口内，建立接口与通道的连接关系，设置相关的属性，即完成了设备窗口组态。单击设备组态按键，将所要用到的通用串口父设备0-通用串口父设备、设备0-三菱_FX系列编程口通讯设备添加在设备窗口中。图6设备组态的添加接着在用户窗口下进行对水箱液位控制界面图的制作。用户窗口用来放置各种图形对象，不同的图形对象对应不同的功能。图7

22、 组态监控界面四软件设计数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。4.1 PID控制原理 一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图8所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。积分比例微分被控对象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)图8 模拟PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 (3-1) 将偏差的比例（P）、积分（

23、I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 (3-2)写成传递函数形式为 (3-3)式中 比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2、积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初

24、期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。4.2 PLC的基本工作原理及梯形图一PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中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

25、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。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。二PLC与继电器控制系统、微机区别1PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点：1每个梯形图由多个梯级组成。2梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。3继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。4每一梯级的运算