上水箱液位及进水流量串级控制系统

1、沈阳理工大学课程设计摘 要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，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。本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水

2、泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的 自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机目录1 过程控制系统简介1 1.1 过程控制介绍1 1.2 串级控制系统的组成1 1.2.1 硬件介绍2 1.3 电源控制台3 1.4 总线控制柜3 1.5 软件介绍4 1.6 系统总貌图42 串级控制系统简介5 2.1 液位串级控制系统介绍52.2 串级控制系统的概

3、述52.3 串级控制系统的工作过程52.4 系统特点及分析62.5 串级控制系统的整定方法62.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配72.7 PID控制工作原理73 上水箱液位与进水流量串级控制系统93.1 实验设备93.2 液位-流量串级控制系统的结构框图93.3 系统工作原理93.4 控制系统流程图103.5 实验过程113.6 实验结果分析133.6.1 整定过程分析133.6.2 扰动下的响应分析143.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响144 总结185 参考文献191 过程控制系统简介1.1 过程控制介绍现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生

4、产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由

5、于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。1.2 串级控制系统的组成实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。实验装置主要包含水箱、压力变送器、流量变送器、西门子S7-300PLC控制系统、SA01电源控制屏、变频器、软件为西门子S7系列PLC编程软件、西门子WinCC监控组态软件。系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化

6、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。1.2.1 硬件介绍 1.被控对象: 水箱：供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时

7、间。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。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。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20m

8、ADC电流信号。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。3. 执行机构: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。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC2

9、20V。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。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4、控制器:控制器采用SIEMENS公司的S7-300 CPU，型号为315-2DP，西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模

10、块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5、空气压缩机1.3 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。SA-01电源控制屏面板：合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警

11、记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相、单相、单相空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。1.4 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。(3) 温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。1.5 软件介绍西门

12、子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。西门子WinCC监控组态软件：S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。1.6 系统总貌图 图1.1 实验室高级过程控

13、制系统实物仿真2 串级控制系统简介2.1 液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，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，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，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

14、义。2.2 串级控制系统的概述图2.1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，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。 图2.1 串级控制系统方框图2.3 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具

15、有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。2.4 系统特点及分析1) 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。2) 能迅速克服进入副回路的二次扰动。3) 提高了系统的工作频率。4) 对负荷变化的适应性较强2.5 串级控制系统的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，

16、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

17、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

18、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。2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过

19、高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。2.7 PID控制工作原理比列环节对过程的影响：比例度越大，放大倍数Kc越小，最大偏差增大，调节周期增长，稳定性增加；积分环节对过程的影响：Ti越小，克服余差的能力提高，最大偏差减小，调节周期缩短：但是过渡过程震振荡加剧，稳定

20、性降低，积分时间越短，振荡倾向就越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡。微分环节对过程的影响：主要是对控制系统的振荡的抑制，改善调节过程中的动态特性，克服滞后，通常和比例、比例微分配合使用。比例度越大，放大倍数越小，积分时间越长，积分作用越弱，微分时间越长，微分作用越强。3 水箱液位串级控制系统3.1 实验设备 1. THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置。 2. 计算机及相关软件。3.2 水箱液位串级控制系统的结构框图主调节器调节器副调节器气动阀上水箱中水箱液位变送器1液位变送器2h2（液位）一次干扰二次干扰给定值+-+-h1图3.1 水箱液位串级控制系统的结构框图3.3 系统工

21、作原理本设计为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动气动调节阀，从而达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、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调节器。图3.2

22、水箱液位串级控制系统3.4 控制系统流程图控制系统流程图如图3.3所示。图3.3 控制系统流程图本系统主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱和中水箱液位，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。上水箱和中水箱液位检测信号LT1和LT2为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PR

23、OFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构气动调节阀。3.5 实验过程本设计选择上水箱和中水箱串联作为被控对象（也可选择中水箱和下水箱）。实验之前先将储水箱贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（

24、要求阀F1-9稍大于阀F1-10），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，进入的主界面2、 在主界面中选择本实验项即“水箱液位串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图3.4所示。图3.4 系统监控界面 3、在上位机监控界面中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/减少主调节器的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值，且上水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。5、整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。6、待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位

25、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） 将阀F1-5、F1-12开至适当开度（改变负载）；（3）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；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或系统不稳定。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，水箱液位稳定至新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。记录此时的设定值、输出值和参数，中水箱液位的响应过程曲线将如图3.5所示。 图3.5 水箱液位的响应过程曲线7、适量改变主、副控的PID参数，重复步骤6，通过实验

26、界面下边的切换按钮，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。3.6 实验结果分析3.6.1 整定过程分析3.6 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

27、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。3.6.2 扰动下的响应分析将设定值改变之后得到如下图所示的响应曲线 图3.7 响应曲线 则系统受到设定值干扰之后，其稳态值变大。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。例如此控制系统中有一次干扰和二次干扰，则二次干扰就影响前面的调节阀，副调节器灯扰动点前的环节。3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响(1) 副调节器采用PID调节，主调节器采用PI调节和PID调节系统响应曲线如下图所示：图3.8 主调