综合实验2_第九组

1、综合实验2综合实验2设计报告题 目 基于PLC的单容液位PID控制系统的设计系 部 自动化系 专 业 自动化 班 级 自动化122班 学 号12423077 12423086 12423083 12423071 12423074 姓 名 范朋飞 付金东 曹 丰 尹济超 高祥龄 指导老师 谢新开 日 期2015年6月9日2015年6月25日 18目录绪论2第一章综合实验内容与要求分析21.1 综合实验的内容21.2 综合实验要求分析2第二章PID控制器32.1 PID控制器的基本结构32.2 PID控制器各参数的作用32.2.1比例（P）控制及调节过程42.2.2积分（I）控制及调节过程42.2

2、.3微分（D）控制及调节过程42.3过程控制中常见PID参数整定方法5第三章综合实验的方案63.1 系统框图及流程图的设计63.2 系统的硬件配置73.3 系统PLC程序的设计8第四章MCGS组态界面设计94.1 MCGS组态软件简介94.2工程创建的过程9第五章单容液位PID控制系统调试115.1 系统的联机调试11第六章综合实验总结12参考文献13附录14绪论过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水

3、；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。 在本实验中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系

4、统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于PLC的单容液位PID控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。第一章 综合实验内容与要求分析1.1 综合实验的内容针对液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，将压力传感器LT2（LT1LT3）检测到的中水箱液位（上水箱或下水箱）信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对

5、单容水箱的液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。1.2 综合实验要求分析（1） 以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 （2） PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求。 （3） 组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。 （4） 选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测

6、控界面上实时改变PID参数。 （5） 通过S7-200PLC编程软件实现PLC程序设计与调试。 （6） 分析系统基本控制特性，并得出相应的结论。第二章 PID控制器控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应用中发展起来的。PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许多改进形式的PID控制器的出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有的控制场合。PID控制器具有结构简单，鲁棒性

7、强等特点，因此，今天它已经成为应用最广泛的控制技术，在石化、化工、造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。2.1 PID控制器的基本结构最典型的反馈控制系统的方块图如图所示，此系统为单位反馈，其中偏差值e为给定值与测量值的差值，u为控制量，d为系统中的扰动量。图2.1 PID控制系统原理图PID的传递函数可以表示为：G(s)=U(s)/E(s)=kp*1+1/(TI*s)+TD*s；其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。2.2 PID控制器各参数的作用PID控制器包括比例、积分、微分三个部分，分别代表过去，现在，还有将来的控制器作用，比例增益Kp、积

8、分时间TI、微分时间TD的取值影响到系统控制效果的好坏。2.2.1比例（P）控制及调节过程比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差，即比例控制不能完全消除稳态误差。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，严重时，甚至可能造成闭环系统不稳定。2.2.2积分（I）控制及调节过程在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成

9、正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。 因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都

10、和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。2.2.3微分（D）控制及调节过程在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑

11、制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差

12、变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。2.3过程控制中常见PID参数整定方法 临界比例系数法是在比例作用下运用试验，进而得到临界比例与周期，再根据总结关系，得到控制器参数值。具体的做法是，先将控制器转化成纯比例作用，也就是将积分时间放在最大位置，微分时间放在0上。在干扰作用中，对控制器进行改变，直到整个系统出现等幅振荡，此时的比例系数又叫临界比例，周期为临界振荡周期，根据这两个系数进而得到各个参数的整定值。衰减曲线法则是在

13、纯比例作用中，让系统逐渐出现衰减振荡，进而得到比例系数与衰减周期，再根据经验总结，得到控制器各个参数值。具体做法是，在闭合系统中，先将控制器转化成纯比例作用，再将比例系数放在对应的数值上；直到满足稳定要求后，再使用整定值改变的方法，添加曲线衰减比，进而从小到大的转换比例关系；直到衰减比为4：1，记下比例系数，从中得到衰减周期，根据经验的形式，得到各个控制器参数整定值。 经验凑试法是在控制器的数值上，得到过程曲线，在凑试的过程中，得到控制器参数。具体做法是，使用纯比例凑试，当满足要求后，使用积分消除余差，增强控制质量。凑试法在实际中经常被人用到的，得到的调节效果也比较好。调节该液位控制

14、系统是也是在理论的基础上采用的经验凑试法。第三章 综合实验的方案因为液位高度和水箱底部的水压成反比，故可用一个压力传感器来检测水箱底部压力，从而确定液位高度。要控制水位恒定，可用PID算法对水位进行自动调节，把压力传感器检测到的水位信号420mA送入PLC中，在PLC中对设定值和检测值的偏差进行PID运算，用运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节水量1。系统启动后，液位变送器检测液位值,检测后将检测到的液位信号传送给PID控制器，控制器根据液位情况来控制水泵的转速。水箱液位值小于设定值时，水泵转速增加，水箱注入水量增加，水箱液位逐渐上升到设定值；水箱液位大于设定值时，调节阀开度减小，水箱注

15、入水量减小，水箱液位逐渐降低到设定值，系统原理结构图如图3.1所示。液位变送器PLC变频器 水泵 水箱 图3.1 系统原理结构图3.1 系统框图及流程图的设计系统启动，打开水箱的出水阀，水泵电机以一定的转速来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将液位传感器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D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D/A转换成水泵电机转速相对应的电信号送入水泵电机来控制通道中的水流量。当水箱的液位小于设定值时，液位传感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水泵电机，使其转速增大，以使通道

16、里的水流量变大，增加水箱里的进水量，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，水泵电机就维持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。当水箱的液位大于设定值时，液位传感器检测到的信号大于设定值，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水泵电机，使其转速减小，以使通道里的水流量减小，减小水箱里的进水量，液位降低。当液位降低到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，水泵电机就维持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位维持不变2。实际系统的流程图及方框图如图3.2所示。图3.2系统的流

17、程图及方框图3.2 系统的硬件配置本文所设计系统主要包括控制单元、检测单元和执行单元。控制单元是整个系统的心脏。在液位控制系统中一般使用的是智能仪表或可编程控制器。在这个系统应用的是西门子S7-200系列的PLC，CPU型号为224，其结构简单，使用灵活且易于维护，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3。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

18、据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。采用的液位传感器是静压力式液位变送器，量程为5030000mm，精度等级为0.05，由24V直流电源供电，输出信号为420mADC二线制4。执行器件采用的是电磁调节阀，通过变频电机调节阀门的开度，变频电机具有适应频繁变速的特点，运行平稳，噪音低。3.3 系统PLC程序的设计首先本文设计系统所需软件为STEP 7-Micro/WIN编程软件。该软件功能强大，界面友好，有联机帮助功能，主要为用户开发PLC应用程序使用；同时也可实时监控用户程序的执行状态，是SIMATIC S7-200用户不可缺的开发工具5。系统开始运行后，压力传感器检测到液位值送入PLC中，

19、在PLC中进行液位值判定,判定结果有以下两种情况：(1)当前液位值和设定值一样时，程序直接返回液位检测；(2)当前液位值和设定值不一样时，系统对检测到的液位值进行PID运算，将液位差转换成和电机转速相对应的电信号，调节电机转速，改变水箱进水量的大小，直到液位值和设定值一样6。开始系统根据情况调节水泵转速，控制水流量大小，直到液位恢复到设定值，程序流程图如图3.3所示。PLC程序7见附录。初始液位值检测Y液位是否符合设定值？启动PID运算，调节水泵转速N调节后液位检测图3.3 程序流程图第四章 MCGS组态界面设计4.1 MCGS组态软件简介MCGS(Monitor and Control Ge

20、nerated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。4.2工程创建的过程工程创建的一般过程为： （1）工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统

21、的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。 （2）工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立8。1）首先新建一个工程如图所示，设置工程的基本属性2）进行设备配置，添加工程设备，连接设备变量，注册设

22、备驱动，如图所示3）创建动画显示，设置报警窗口以及人机交互界面，如图所示。4）建立实时数据库，定义数据变量，并编写控制流程，使用功能构件，如图所示。（3）完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。编写程序调试工程，利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序，选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。第五章 单容液位PID控制系统调试5.1 系统的联机调试在完成MCGS组态的构建后，可

23、以再在计算机中，编制实时动态显示画面。最后系统联调时，在画面上可显示和修改相关参数，在完成PID参数整定后，控制精度在要求范围以内。观察实时曲线，可以看出设定的PID控制参数是否能够满足要求。改变不同的PID的参数设定值，让系统的响应达到我们的期望。可以采用之前提到过的PID的参数调节的方法，来找到合适的参数，是系统能够快速响应，控制水箱的液位达到所给的设定值。1）PID指令中主要内容比例增益P15.00积分时间I5.00微分时间D2.50设定值15.00输出值14.272）PID指令中主要内容比例增益P18.00积分时间I5.00微分时间D2.30设定值10.00输出值9.783）PID指令

24、中主要内比例增益P15.00积分时间I5.00微分时间D2.00设定值12.00输出值11.35经过不断的调试，液位的PID控制系统基本能满足设计要求，可以使水箱的液位快速准确地达到设定值。第六章 综合实验总结通过完成该系统的设计，使我们对PLC和PID控制的了解有了进一步增强，并对它们产生了浓厚的兴趣，但我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，大大地加深了我们的程序复杂程度。很多以前在学习过程中不明白的地方，在PLC调试过程中，终于得以解决。可以看出它对理论教学起到了必要的补充和拓宽作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才必不可少。在此过程中我们发现到修改完善程

25、序的重要性。当时编完一个程序后感觉是正确的。就是这样还要仔细检查自己的程序。考虑到各种可能发生的情况。经过这次实验让我们的设计能力以及全面考虑问题的能力有了很大的提升。在这次实验中，我主要研究的是系统的设计、硬件的配置和软件设计，最终系统达到了的设计的目的，和传统液位控制相比，完全实现了自动化控制，并且控制准确度高、速度快，但是系统还存在一定的缺陷，控制具有滞后性，无法进行远程控制，下一步的研究目的就是让系统实现远程控制，降低系统滞后性，使整个液位控制系统更智能化。此外，我们感觉我们对控制的方法的学习还有待加深，此次实验中运用的PID控制还是比较经典、成熟的，伴随着越来越多的控制方法的出现，比

26、如模糊控制，神经网络控制可以让系统得到更好的控制效果。参考文献1 邱士安.机电一体化技术M.西安电子科技大学出版社,2009: 22-26. 2 王恒强.S7-200 PLC液位控制系统中的应用J.探索争鸣,2009: 12-15. 3 喻学涛.基于PLC的锅炉液位控制系统J.科技信息,2010: 13-29. 4 罗宇航.流行PLC应用程序设计（西门子S7-200系列）M.西安电子科技大学出版社,2006: 10-30.5 隋媛媛,廉鸿帅,迟军.西门子系列PLC原理及应用M.人民邮电出版