双容下水箱液位变频器PID单回路控制

1、 电气与电子信息工程学院自动化综合实训设计题目：双容下水箱液位变频器pid单回路控制 专业班级： 自动化2009（1）班 学号： 200940230126 姓 名： 谈金辉 指导教师： 汤立刚 皮大能 设计时间： 2012/4/282012/5/11 设计地点： k2314 自动化综合实验室 自动化技术综合实训任务书2011 2012 学年第2学期学生姓名： 谈金辉 专业班级： 2009级自动化 同组人: 唐隆 方一明 杨杰 余元初 吴飞 仉云燕指导教师：汤立刚 皮大能 工作部门： 电气学院电气自动化教研室 一、自动化技术综合实训题目： 1、单容下水箱液位变频器pid单回路控制2、双容下水箱液

2、位变频器pid单回路控制3、流量变频器pid单回路控制4、液位和进口流量串级控制5、流量-液位前馈反馈控制二、自动化技术综合实训内容1.通过查阅资料掌握所选课题的原理、结构、并根据任务书用cad设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、plc系统硬件配置图、i/o地址分配表、i/o接线图等。2.自学西门子s7-300系统的硬件知识和step7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和i/o口地址分配、用户程序编写等工作。3.自学和利时macs v系统的硬件知识和软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和i/o口地址分配

3、、用户程序编写等工作。4.自学wincc.或组态王组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、pid手动/自动调节界面、趋势曲线等的设计。5.掌握在a3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。6.掌握西门子mm420变频器的使用方法。7.掌握profibus-dp现场总线的配置方法。8.掌握判断故障及处理故障的方法。9.每个学生必须独立完成设计,写出综合自动化技术综合实训报告并参加答辩。通过答辩考察学生对整个项目设计和实施过程的掌握程度,并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析及解决能力给出一个综合评

4、价。三、自动化技术综合实训进度安排1自动化技术综合实训安排时间为二周。题目在自动化技术综合实训之前约1个月公布，学生在拿到题目以后即可学习相关知识、查阅有关资料，做好前期准备工作。自动化技术综合实训时间分配如下表：序 号内 容学时安排（天）1布置任务，查阅资料及调研(前期工作)，分析控制要求，总体方案设计12系统选型及硬件设计13软件设计24程序及系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告26设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：k3自动化综合实验室2执行要求本次实训的设计与制作5个选题，每组不超过8人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、自动化技术综合实训基本要求设计报告：不

5、少于8000字，幅面，统一复印封面。（1） 封面、自动化技术综合实训任务书（2） 摘要，关键词（中英文）目录（3） 根据要求确定方案选择，并进行方案论证（4） 论述系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）（5） 各模块的功能，原理，器件选择。（6） 编写梯形图并进行程序设计和调试。（7） 结果分析（8） 对设计进行全面总结，写出自动化技术综合实训报告。（9） 附录-参考文献五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况

6、50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、自动化技术综合实训参考资料1张李冬主编.过程控制技术及其应用.北京：机械工业出版社2刘玉梅.过程控制技术.北京: 机械工业出版社3孙洪程、翁唯勤编. 过程控制工程设计.北京: 化学工业出版社，2001,34刘锴、周海主编. 深入浅出西门子s7-300plc.北京航空航天大学出版社，2004，85梁锦鑫编.wincc基础及应用开发指南.北京：机械工业出版社，2009，46王廷才主编.变频器原理及应用.北京：机械工业出版社，2012，17阳宪惠主编.现场总线及应用.北京：清华大学

7、出版社，2008，10指导教师： 汤立刚 皮大能 2012年4月9日 教研室主任签名： 胡学芝 2012年4月9日目录第1章 ：控制系统总体构架1.1、s7-300 plc 简介62.2、数字量输入输出模块 92.3、西门子变频器mm420112.4、dp设备的接线122.5、传感器和执行器122.6、调节阀接线和操作13第2章 、控制系统的软件与通信设计 2.1、s7-300的程序设计14 2.2、profibus-dp通信17第3章 、控制系统的上位机组态 3.1、变量定义19 3.2、上位画面19第四章、双容下水箱液位变频器pid单回路控制系统的调试 4.1、测试题目描述 20 4.2、

8、上位组态要求 20 4.3、操作过程和调试 21 4.4、测试结果及记录 23第五章、总结心得与成绩评定 第一章 控制系统总体架构 测试平台基本上适应所有的控制系统。本书介绍西门子s7-300 plc。cpu为 313c-2dp，几乎所有内容同样适用于312c，315-2dp。 1.1、 s7-300 plc 简介 s7-300是模块化的通用型plc，适用于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对plc进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的 通信联网能力，使其应用十分灵活。 s7-300的cpu模块（简称

9、为cpu）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个mpi（多点接口）网络。如果有profibus-dp接口，可以建立一个dp网络。s7-300可大范围扩展各种功能模块，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。产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。指令集功能强大，可用于复杂控制。无需电池备份，免维护。 1.2、 1s7-300 plc 系统组成 simatic s7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间 可进行广泛组合以用于扩展。 系统组成： 中央处理单元 (cpu) ：各种cp

10、u 有各种不同的性能，例如，我们通常所配的cpu 313c-2dp集成了数字量输入和输出，以及profibus dp主站/从站接口。 带有与过程相关的功能，可以连接标准i/o设备。cpu运行时需要微存储器卡。 信号模块 (sm) ：用于数字量和模拟量输入/输出。 负载电源模块 (ps) ：用于将simatic s7-300 连接到120/230v ac电源。 根据客户要求，还可以提供以下设备： 通讯处理器 (cp) ：用于连接网络和点对点连接。 功能模块 (fm) ：用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。 接口模块 (im) ：用于多机架配置时连接主机架(cr)和扩展机架 (

11、er) 。 s7-300通过分布式的主机架(cr)和3个扩展机架(er)，可以操作多达32个模块。 运行时无需风扇。我们使用比较多的配置是：s7-300 plc控制系统包含电源模块ps307、中央处理器cpu 313c-2dp、模拟量i/o模块sm334。其中cpu 313c-2dp 自带 16di/16do，内含40针前连接器一个，配一个64k存储卡。sm334内含20针前连 接器一个。如图1.1.1 图1.1 s7-300 cpu 其他还可能有的配置是： ps307 电源，cpu312c，sm334，flash卡，20针前连接器。如果增加cp342 dp模块可以支持dp。 ps307 电源

12、，cpu315-2dp, sm321, sm322，sm331，sm332，flash卡， 连接器。1.1.2、 系统功能特性 s7-300 plc有多种模块部件所组成，各种模块能以不同的方式组合在一起， 从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安装在din标准 导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总 线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线连成一体。 在一个机架上最多可并排安装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块（不包 括cpu模块和电源模块）。如果系统任务需要的这些模块超过8块，则可以增加 扩展机架。除了带cpu的中央机

13、架（cr），最多可以增加3个扩展机架（er），每个机 架可以插8个模块（不包括电源模块、cpu模块和接口模块im），4个机架最多可以安装32个模块。 机架的最左边是1号槽，最右边是11号槽，电源模块总是在1号槽的位置。中 央机架（0号机架）的2号槽上是cpu模块，3号槽是接口模块。这3个槽号被固定 占用，信号模块、功能模块或通信处理器使用411号槽。如图1.1.2所示。 实际上这些都是逻辑位置，系统可以没有电源模块而使用外部开关电源，而接口模块基本上很少用。s7-300有各种不同性能档次的cpu模块可供使用。标准cpu提供范围广泛的 基本功能，如指令执行、i/o读写、通过mpi和cp模块的通讯

14、，紧凑型cpu本机 集成i/o，并带有高速计数、频率测量、定位和pid调节等技术功能。部分cpu还 集成了点到点或profibus通讯接口。 s7-300的指令集包含350多条指令，包括了位指令、比较指令、定时指令、 计数指令、整数和浮点数运算指令等。cpu的集成系统功能提供了中断处理和诊 断信息等这样一类系统功能。由于它们是集成在cpu的操作系统中，因此也省了 很多ram空间。 使用step 7 软件可对s7-300进行编程。而且，能简单方便地将s7-300全部 功能加以利用。step 7 包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试、服务， 每一阶段所需的全部功能。 step 7 是用于si

15、matic plc组态和编程的基本软件包。它包括功能强大、 适用于各种自动化项目任务的工具。 step 7 主要包括以下组件： simatic 管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据。 程序编辑器，用于以lad、fbd 和 stl 语言生成用户程序。 符号编辑器，用于管理全局变量。 硬件组态，用于组态和参数化硬件。 硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态。 netpro，用于组态mpi 和profibus 等网络连接。 step 7 支持iec-61131-3标准的开发环境。iec-61131-3标准定义了多种规范化的语言，统一了现场自动化系统中的不同概念。变化多样的控制概念使得不同的控制

16、平台和供应商互不兼容。结果是巨大的成本投入到软件、硬件和训练上。iec-61131-3定义了5种编程语言，规定一些能在不同语言中使用的概念和表示方法。1.3、 数字量输入输出模块 1、数字量输入模块 数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式 光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转 换为plc 内部的信号电平。 输入电路中一般设有rc滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉 冲引起的错误输人信号，输人电流一般为数毫安。 图2.2.1是直流输人模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输人电 路，m和n是同一输入组内各输入信号的公共点

17、。cpu 313c-2dp集成的就是直流 输入模块。 当外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通； 外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板 总线接口传送给cpu模块。 交流输入模块的额定输入电压为ac 120v或230v。在图2.2.2中用电容隔离输 人信号中的直流成分，用电阻限流，交流成分经桥式整流电路转换为直流电流。 外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管和显示用的发光二极管点亮，光敏三 极管饱和导通。外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板总线接口传送给cpu模块。图2.2.1图2.2.2 直流输入电路的

18、延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输人 装置连接，dc 24v是一种安全电压。如果信号线不是很长，plc所处的物理环 境较好，电磁干扰较轻，应考虑优先选用dc 24 v的输人模块。交流输人方式适 合于在有油、雾、粉尘的恶劣环境下使用。 数字量输入模块可以直接连接两线式接近开关（bero ），两线式bero的 输出信号为0时，其输出电流（漏电流）不为0。在选型时应保证两线式bero的 漏电流小于输人模块允许的静态电流，否则将会产生错误的输入信号。 根据输人电流的流向，可将输入电路分为源输入电路和漏输入电路。 漏输入电路（见图1.2.2）输入回路的电流从模块的信号输入端进来，从模块内

19、部输入电路的公共点m流出去。pnp集电极开路输出的传感器应接到漏输入的数字量输入模块。源输入电路输入回路的电流从模块的信号输入端流出去，从模块内部输入电路的公共点m流进来。npn集电极开路输出的传感器应接到源输人的数字量输人模块。 2、数字量输出模块 数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机起动 器等负载。数字输出模块将s7-300的内部信号电平转化为所需的外部信号电平， 同时有隔离和功率放大的作用。 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管， 驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动 直流负载的小型继电器。输出电流的

20、典型值为0.5 2a，负载电源由外部现场提供。 cpu 313c-2dp和cpu312c集成的是晶体管型输出模块，只能驱动直流负载。 输出信号经光电耦合器送给输出元件，如图2.2.3所示，用一个带三角形符号的小 方框表示输出元件。输出元件的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断 开。输出电路的延迟时间小于1ms。1.4、西门子变频器mm420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。其中bop面板和dp接口不是必须的。如图常用操作模式有三种： bop 面板操作。一般先 p0010=30,p970=1，把其他参数复位，然后设定 p0010=0、p0700=

21、1、p1000=1。 4-20 毫安控制，一般先 p0010=30,p970=1 ，把其他参数复位，然后 p0010=0、p0700=2、p1000=2。 profibus 总线控制，一般先 p0010=30,p970=1，把其他参数复位，然后 p0010=0、p0700=6、p1000=6。具体操作请参考多媒体系统。 在设定好之后，并不一定需要开启正转启动钮子开关，而是可以通过p0700 的不同设置来启动，例如面板，或者总线命令。 1. 改变方向改变电动机转动的方向。用一个负号(-)或一个闪烁的小数点指示反向旋转。2. 启动变频器本按钮可以启动变频器。缺省状态下该按钮被禁止。如果要使能该按钮

22、，请将p0700 设置为1。3. 停止变频器本按钮按照p1121 设置的时间(斜坡下降时间)停止变频器。4. 电动机点动当变频器没有输出时，本按钮可以按照预置的点动频率启动和运行电动机。释放该按钮时变频器停止。5. 访问参数按下本按钮，允许用户按照选定的用户访问级别访问参数。6. 减少数值按下本按钮可减少显示值。如果要通过bop改变频率设置值，请设置p1000=1。7. 增加数值按下本按钮可增加显示值。如果要通过bop改变频率设置值，请设置p1000=1。1.5 dp设备的接线profibus dp控制网络如图所示。 dp设备包括et200s，或者et200m，执行器包括变频器。在控制箱中，a

23、3000c板专门提供了一个总线信号的连接。 1.5传感器和执行器 1、温度检测设备 温度传感器为pt100，三线制。如图 温度变送器为两线制，24v直流供电。如图2、压力和液位检测设备可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选择电容式或者应变电阻式。压 力变送器如图3 、流量检测设备 现场系统一般包括一个涡轮流量计，一个电磁流量计。涡轮流量计涡轮流量计管道里有一个叶轮随着流量转动，通过霍尔效应产生脉冲，然后 进行f/i转换为420ma信号。涡轮流量计如图 涡轮流量计 接线如图电磁流量计 电磁流量计利用法拉第电磁感应定律来测量流量。注意：不要在没有水的情况下给电磁流量计加电。加电几分钟后才能获得准

24、 确数值。电磁流量计 接线如图 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。其中bop面板和dp接口不是必须的。如图调节阀接线和操作调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。 第二章 控制系统的软件与通信设计 在测试平台的计算机中，可能配置了如下软件： 1、windows xp操作系统 2、组态软件：组态王，wincc或mcgs。 3、控制软件：step7 v5.2软件。 4、仿真软件s7-plcsim。 5、控制器实验软件、组态实验软件和多媒体软件。2.1、s7-300的程序设计 （1） 输入信号为420ma。sm334通道0 （piw256：ai0 ）作为p

25、id的过程值输入， 通道1 （piw258：ai1 ）可以用来监控某些过程值，比如流量等。建立输入转换。如图所示。流量0-3立方/小时，液位25厘米。温度0-100，注意标定值不同。 2ai模块4毫安对应0，20毫安对应32000 2rtd为温度值的10倍。 （2） pid运算 （3） 变频器控制（7） 变频器清错操作（8） 变频器输出控制。 （9） 变频器状态读取操作2.2、profibus-dp现场总线通信profibus-dp系统结构如图所示。系统由一个dp主站和一个智能dp从站构成。dp主站：由cpu315-2dp（6es7 315-2ag10-0ab0）和sm374构成。dp从站：由

26、cpu315-2dp（6es7 315-2ag10-0ab0）和sm374构成。组态智能从站进入硬件组态窗口，按硬件安装次序依次插入机架、电源、cpu和sm374（需用其他信号模块代替，如sm323 di8/do8 24vdc 0.5a）等完成硬件组态。连接从站编辑通信接口区第三章、控制系统的上位机组态使用组态王软件进行画面的组态3.1变量定义3.2上位画面第四章、双容下水箱液位变频器pid单回路控制系统的调试4.1测试题目描述 双容液位变频器pid单回路控制工艺流程图如图41所示。 图3.1.1双容水箱液位变频器pid单回路控制流程图 单容下水箱液位调节阀pid单回路控制测点清单如表3.3.

27、1所示。 表3.3.1双容下水箱液位调节阀pid单回路控制测点清单 序号 位号或代号 设备名称 用途 原始信号类型 工程量 1 lt-103 压力变送器 下水箱液位 420madc ai 2.5kpa 2 u-101 变频器 频率控制 210vdc ao 0100 4.2 上位组态要求 4.3 操作过程和调试 1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。 2、在现场系统上，打开手阀qv-115、qv-106，电磁阀xv101（直接加24v到docom，gnd到xv102控制端），调节qv-116闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。 3

28、、打开设备电源。包括变频器电源，设置变频器dp总线的工作模式，变频器直接驱动水泵p101。 4、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。 5、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。 6、设置pid控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。这里不限制使用的方法。 设置pid控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。这里不限制使 用的方法。（ 建议：由于整个系统都容易很快变热，导致无法实验，所以最好监控储水箱 温度（te105）。那么设定的冷水出口温度最好是te105加25度，否则锅炉温度 会下降很快。同时把变频器频

29、率降低，或者少量开启qv111，适当减少热水流量。最后调节阀的控制范围不是很大，有一定难度。）用经验法整定调节器的参数 经验法是依据阶跃响应曲线的形状，调整控制器参数，具有简单方便，适用 于记录曲线不规则，外界干扰频繁的控制系统等优点。缺点是参数整定花费时间 长、整定结果因人而异，没有明确的标准。 经验法的步骤如下： 1首先进行纯比例凑试。置积分时间最大ti=，微分时间为零td=0。参 考表2-1 大致选择控制器的比例增益kc （或比例度pb ）的初值。将控制器投自 动，对设定值施加一个偏移，记录响应曲线并观察曲线形状，尽量得到4:1的衰 减响应曲线。通常，加大增益 kc 响应曲线振荡加强，减

30、小kc 响应曲线振荡减 弱。每改变一次kc 都要对设定值施加一个偏移，并记录响应曲线，观察曲线形 状，直到满足要求。 2第二步进行积分作用凑试。先选择一个初始积分时间值，减小积分时间， 积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。同比例凑试，每改变一次积分时 间，都要施加阶跃干扰，并观察响应曲线。由于加入积分作用后系统稳定性有所 降低，应将比例增益kc 减小 1020%左右，以便补偿加入积分作用后导致的系 统稳定性下降。 3如果需要，最后加入微分作用。微分时间越大，微分作用越强。微分时 间td 大约是积分时间 ti 的 1/31/4。加入微分作用后，可适当加大kc，减小 ti。按照以上三个步骤，

31、经过反复凑试直到满意。经验法p.i.d.参数范围4.4测试结果及记录 曲线中pi参数设定如下p=10，i=400000，d=1。第五章 心得体会这次自动化综合实训历经两周，通过完整的操作了这个设计过程，使我更加熟悉的掌握了有关双容下水箱也为变频器pid单回路控制方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。整个设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设

32、计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明

33、白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了变频器控制的方法，也学会了如何修改pid参数。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但

34、是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。成 绩 评 定评定项目评 语成绩设计过程（20%）设计报告（50%）答 辩（30%）1、 西门子mm420变频器有哪几种工作方式，如何设置？2、 双容液位变频器控