双闭环管道流量比值控制系统设计报告

1、-. z.PLC控制技术实训评分表课程名称： PLC控制技术实训 设计题目： 单容液位变频器PID单回路控制,比值控制系统班级：*：工程评分比例得分平时表现25%综合实训报告45%综合实训辩论30%综合实训总成绩 指导教师： 年 月 日-. z.常 熟 理 工 学 院电气与自动化工程学院PLC控制技术实训报告 题目：单容液位变频器PID单回路控制 比值控制系统设计 姓 名： 李良、何龙太 莫勇、高虎 学 号： 160112109、160112106 160112113、160112104 班 级： 自动化121 指导教师： *叔军 起止日期： 2015.6.297.12 -. z.摘 要本课题

2、针对液位控制系统系统作初步设计和根本研究，该系统能对水箱液位信号进展采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，实现PID对水箱液位的控制。针比照值控制系统进展模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究，该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进展信号采集，以工控组态软件组态王上位机监控P画面并对PID参数调节，实现比照值系统的控制。关键词：PLC PID控制 液位控制 比值控制 组态王 流量-. z.目 录 HYPERLINK l _Toc17156 1、引言 PAGEREF _Toc17156 1 HYPERLINK l _Toc370 1.1主要内容 PAGEREF _Toc370

3、 1 HYPERLINK l _Toc27708 1.2任务要求 PAGEREF _Toc27708 1 HYPERLINK l _Toc24531 2、设计方案 PAGEREF _Toc24531 2 HYPERLINK l _Toc13984 2.1设计原理 PAGEREF _Toc13984 2 HYPERLINK l _Toc30002 2.2设计方案论证 PAGEREF _Toc30002 2 HYPERLINK l _Toc10623 2.3系统原理图 PAGEREF _Toc10623 3 HYPERLINK l _Toc20925 2.4系统构造图 PAGEREF _Toc20

4、925 3 HYPERLINK l _Toc2562 2.5系统工艺流程图4 HYPERLINK l _Toc3301 3、硬件设计4 HYPERLINK l _Toc1307 3.1流量计涡轮流量计、电磁流量计3 HYPERLINK l _Toc19980 3.2 电动调节阀5 HYPERLINK l _Toc498 3.3 变频器面板6 HYPERLINK l _Toc4034 3.4百特自整定PID调节器6 HYPERLINK l _Toc10424 3.5 EM235拓展模块7 HYPERLINK l _Toc6610 3.6 硬件接线图8 HYPERLINK l _Toc18692

5、3.7 I/O口分配表10 HYPERLINK l _Toc20640 4、软件设计 PAGEREF _Toc20640 10 HYPERLINK l _Toc25638 4.1 程序流程图 PAGEREF _Toc25638 10 HYPERLINK l _Toc11444 4.2程序分析 PAGEREF _Toc11444 11 HYPERLINK l _Toc794 5、系统建模与MATALAB仿真调试 PAGEREF _Toc794 14 HYPERLINK l _Toc870 5.1副流量回路建模与仿真 PAGEREF _Toc870 14 HYPERLINK l _Toc31995

6、 5.2主流量回路建模和仿真 PAGEREF _Toc31995 15 HYPERLINK l _Toc20988 6、遇到的困难及心得体会17 HYPERLINK l _Toc14890 6.1遇到的困难17 HYPERLINK l _Toc14890 6.1心得体会18 HYPERLINK l _Toc14890 7、参考文献19-. z.单容液位单回路控制、比值控制系统设计1、引言1.1主要内容本课程设计是针对学习完PLC课程后的一个应用性实践环节。通过本课程设计的训练，对PLC在工程中的实际应用有完整地了解，同时培养综合应用根底课、专业课所学知识与工程实际知识的能力。通过对PLC软件设

7、计与过程控制系统的分析与设计，获得面向工业生产过程系统分析与设计的实践知识，初步掌握过程控制系统开发和应用的技能。基于单容液位单回路控制、比值控制系统设计，结合实验室已有设备，通过组态王软件实现上位机对下位机的控制。按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用双闭环控制构造和PID控制规律，通过流量传感器将检测到的流量与设定比值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器输出不同的电流信号控制变频器工作，以到达调节流量的控制目的。流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，准确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设

8、计针对生产中两种液体的流量的控制，对其设计了单闭环流量比值控制系统，将通道2流量作为主流量，通道1流量为副流量进展设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于计算机实现过程的自动控制。1.2任务要求本课题针对液位控制系统系统作初步设计和根本研究，该系统能对水箱液位信号进展采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，实现PID对水箱液位的控制。针比照值控制系统进展模拟复杂控制系统设计、分析和测试研究，该系统通过涡轮流量计、电磁流量计进展信号采集，以工控组态软件组态王上位机监控P画面并对PID参数调节，实现比照值系统的控制。1了解流量比值控制系统的物理构造，闭环调节系统的数学结果和P

9、ID控制算法。2明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理，连接方法，信号种类，引入PLC的接线以及PLC中的编址。3明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，PLC输出信号的种类和地址。4绘制出比值流量控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。5编制PLC的程序结合过程控制实验室的现有设备进展调试，要求到达PID闭环控制，并对实际的控制过程用matalab仿真。2、设计方案2.1设计原理比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制系统和变比值控制系统。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量

10、间的定比值控制在系统运行过程中其比值系数是不变的。串级比值控制系统实现两种物料的比值随第三个参数的需求而变化。变比值控制系统最终目的是生产过程的结果，物料按比值输出不是关键。根据设计要求，本系统采用单闭环比值控制或双闭环比值控制，本系统采取双环控制方案。2.2设计方案论证本系统采用双闭环系统控制，由于副流量回路可以采用流量控制电动调节阀的开度或采用水箱液位对电动调节阀的开度进展控制。通过我们的实际操作证明了实验室的设备无法实现流量控制电动调节阀的开度，因为电动调节阀太滞后于流量检测以至于PID闭环无法控制电动调节阀的开度。最后副回路采用液位控制电动调节阀的开度。由于PLC连接的EM235外部拓

11、展模块只有1路模拟量输出口，我们最终使用了设备上的PID智能调节仪，通过实验得到了一组较好的PID参数，并将其输入到调节仪中，使用智能仪表与副流量回路形成闭环系统。对于主流量回路的流量，通过副流量的实际检测值比上设定的比值，这就是主回路输入的给定值，通过PID调节输出的电流值给变频器，变频器控制水泵工作，从而控制了水流量的输出值。结合主流量回路和副流量回路的双闭环系统，使系统更加的稳定，准确地输出，到达实现自动化控制的比值系统。2.3系统原理图图1 比值控制系统原理图2.4系统构造图图2系统方框图通过副流量回路给定液位值来控制电动调节阀的开度，从而控制副回路的管道流量。副流量回路管道的流量比上

12、给定比值，作为主流量回路的输入给定值，通过主流量、副流量回路两个闭环回路，这样就可以形成一个具有自动调节功能的系统。2.5系统工艺流程图图6 工艺流程图3、硬件设计3.1流量计涡轮流量计、电磁流量计1、涡轮流量计：输出信号：频率，测量*围：00.6m3/h接线如下图：图7 涡轮流量计接线说明：传感器的供电电源由24VDC开关电源提供，负载为流量积算变送仪。注：使用涡轮流量计时，必须将24VDC开关电源翻开。2)、电磁流量计： 输出信号：420mA，测量*围：00.4 m3/h图8 电磁流量计接线说明：转换器为交流220V供电，*、Y和A、B、C为传感器和转换器之间的连线，输出信号线直接接控制台

13、上的电磁流量计信号输出端。3.2 电动调节阀QSVP20-15N智能电动单座调节阀主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA/420mADC/05VDC/15VDC输入阻抗：250/500输出信号：420mADC输出最大负载：500信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值。电源：220V10%/50Hz 。调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。图9 电动调节阀3.3 变频器面板本系统采用西门子变频器MicroMaster420。西门子变频器MicroMaster420是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操

14、作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、准确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。变频器主要特征：1、200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；2、380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-11kW；3、模块化构造设计，具有最多的灵活性；4、标准参数访问构造，操作方便。主要控制功能：1、线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制；2、磁通电流控制FCC，可以改善动态响应特性；3、最新的IGBT技术，数字微处理器控制；4、数字量输入3个，模拟量输入1个，模拟量输出1个，继电器输出1个；5、集成RS485通讯接口

15、，可选PROFIBUS-DP通讯模块/Device-Net模板；6、具有7个固定频率，4个跳转频率，可编程。现场系统上的西门子变频器一般包括三个局部：变频器主体，BOP面板，DP接口。图10 西门子BOP面板西门子BOP面板包括一个液晶显示屏，8个按钮。其中左上角是运行启动，左下角是停顿。西门子变频器可以BOP面板操作，可以4-20mA控制，也可以使用PROFIBUS-DP总线控制。不需要增加任何硬件就可以进展这些模式的操作。3.4百特自整定PID调节器现场装置上的智能调节器适用于温度、压力、液位、流量等各种工业过程参数测量，显示和准确控制。该装置具有万能信号输入、多种给定方式可选、多种控制输

16、出方式可选择等多种特点。系统设计中利用实验得出的PID参数对电动调节阀实现闭环控制，使得实际输出的水位值稳定在设定值。图11 百特自整定PID调节器3.5 EM235拓展模块EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。图12 EM235拓展模块接线图图11演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入*和*；对于电流信号，将R*和*短接后接入电流输入信号的端；未连接传感器的通道要将*和*短接。EM235的常用技术参数：模拟量输入特性模拟量输入点数4输入*围电压单极性010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压双极性

17、10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程*围-32000+32000单极性 全量程*围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号*围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位3.6 硬件接线图图13 系统硬件接线图图14 涡轮流量计接线图图15 电动调节阀与智能仪表接线图3.7 I/O分配表信号名称地址名称I/O口分配说明通道1流量主流量传感器输入AIW0AI016位通道2流量副流量传感器输入AIW2AI116

18、位下水箱液位输入仪表上的AI016位阀门开度控制输出仪表上的AO016位变频器信号输入AQW0AO016位4、软件设计4.1 程序流程图图16 程序流程图4.2程序分析1PID参数初始化图17 PID参数初始化该程序主要是初始化PID0参数，设置参数P=10、I=3、D=0，并设置采样时间0.1秒，同时还将PID调节器设置成自动状态。2使能中断函数图18 使能中断函数该程序使能定时中断0，并设置终端周期为Time_0_Intrvl=100毫秒。3比值控制系统函数的构建图19 比值控制系统函数构建图程序中主要是先对模拟量采集通道0进展判断，有采集信号则对主、副流量使用除法指令，并乘上相应的系数就

19、得到了PID0调节器的测量值，通过判断当前是自动调节还是手动调节，输出相应PID0调节器输出值。假设无采集信号，则直接给定相应的PID0调节器测量值，通过判断当前是手动调节还是自动调节，输出相应的PID0调节器输出值。4数模转换将读入的数据6400-32000转换成0-1的模拟量图20 数据数模转换图首先假设输入的数据大于32000，则默认其为32000；假设小于6400，则默认其为6400；6400-32000之间相差25600，将数据减去6400之后，在除以25600，即可得到相关模拟量。5模数转换(把0-1转换成6400-32000的数字量)图21 数据模数转换图首先假设模拟量数值大于1

20、，则默认其为1；假设模拟量数值小于0，则默认其为0；将模拟量数值乘以25600，在加上6400，即可得到6400-32000之间的数字量。6中断处理图22 数据采集与数据输出图图23 PID调节函数图1.读入采集口AIW0数据到AIN0，AIW1数据到AIN1；2.假设PID0调节器的状态为自动，则进展PID调节，VB100为起始地址，0为回路号。5、系统建模与MATALAB仿真调试5.1副流量回路建模与仿真图23 副流量回路系统图红色曲线即为水箱液位的变化曲线，黄色曲线为设定值。以两条曲线为根据建立一阶惯性环节系统。即闭环传递函数为：由图3知K=1，稳态值的63.2%处在该曲线的位置即为时间

21、T。设定水位为13cm的条件下，然后让系统处于自动调节的状态下，得到上图的曲线，通过响应曲线法近似求得其传递函数为：= 同时记录下此时的PI参数为：P=6，I=4，得到其PID传递函数为：因为液位传感器的电信号为4-20mA，其高度变化*围为0-100cm，故其比例系数为；根据以上分析结果：利用Simulink，搭建相关模块得：图24 副流量回路仿真图仿真结果为：图25 副流量回路仿真结果图因为控制参数对系统影响较大。如假设P过大容易造成系统不稳定，过小则不能减小余差；I过小，容易造成系统振荡，过大则到达稳定的时间延长。由于曲线受PID参数影响较大，因而我们针对PI参数进展了具体的修改，最终确

22、定P=10，I=3时的效果为最正确。2.5.2主流量回路建模和仿真由于上位机系统只能显示比值曲线，不能显示主、副回路的曲线图，因而我们采用记录数据，自己画出曲线的方法来建模。主流量09.3213.6519.7825.4630.1235.0637.8439.05副流量05.437.8611.4215.2619.6324.8726.3428.36主流量41.6344.9547.2549.6550.8252.1153.5355.0356.40副流量29.5031.0230.4230.8030.9831.0431.1931.2530.56主流量56.8056.88副流量31.5431.52根据上位机的

23、标度值，6个数据为1格，5格为1s。根据图表我们绘制曲线图，从曲线图我们求得副流量的传递函数之前求得的传递函数近似，都为：= 而通过图表绘制的主流量回路曲线，求得的传递函数为：建立仿真图：副流量回路的输出流量乘上设定比值的倒数，即为主流量回路的给定值。图26 比值控制系统仿真图仿真结果为：图27 主、副流量回路仿真结果图上图红色曲线为副流量回路的流量曲线图给定PID参数为P=10、I=3，蓝色曲线为主流量回路的流量曲线图给定参数P=3、I=1，黄色的为液位给定值。通过曲线图能看到主、副流量的比值最终近似稳定在，到达了比值控制系统的要求。6、遇到的困难及心得体会1遇到的困难在本次系统设计中，我们

24、一共更改了3次方案，通过不断的实验得出最终方案。首先，我们直接连线测试，发现我们忽略了对电动调节阀的调节，导致副流量通道的流量无法控制，达不到实验要求，并且整个回路没有形成良好的闭环效果，我们只能更换方案。紧接着我们试图通过检测副流量回路的流量来控制电动调节阀的开度，给定设定值流量，然后通过检测当前值的流量，加上PID控制实现闭环，但实验证明了调节阀的控制太滞后于流量的检测，导致无法实现PID控制，就没有起到控制调节阀开度的作用，从而流量无法保持在可控*围内。最后我们采用了液位控制调节阀开度，通过检测当前水箱液位与给定水箱液位值比拟来控制阀门的开度，保持输出水位稳定在设定值。通过实验发现将PI

25、D参数适当的修改就能到达液位控制调节阀的作用。通过三次不断的修改方案，最终确定了最后一种方案可行，实现了副流量回路的控制。然后我们将主、副流量回路连接起来构成一个完整的比值控制系统，副流量回路通过智能仪表控制电动调节阀开度。主流量回路是通过检测副流量回路的流量然后乘上设定比值的倒数作为主流量回路的流量设定值，然后通过PID控制，输出电流值给变频器并控制其工作，从而控制水泵的输出流量。在设计过程中，不仅仅是大方案遇到了比拟大的困难，在小的方面的遇到不少困难。比方：智能仪表的PID参数的修改与水位设定值的修改，我们之前不了解其特性，只能去网上查阅相关资料，然后不断尝试操作，慢慢才学会修改。其次变频

26、器控制水泵上面，开场是变频器频率出现问题，总是在0或50不断的跳，没有一个上升过程，也没有下降过程。然后通过询问教师才发现是我们没有将正反转按钮翻开，才导致出现这样的情况。然后还有数据不断的出现零漂现象，导致上位机的图像显示不能满足要求，我们最终只能采取手动的记录数据，自己绘制图表，得出曲线，然后建立模型。2心得体会李良软件方面：通过初期的不断修改大程序，提炼我们系统设计需要的小程序的过程中，我不断的去翻看书籍去查找相关数据的资料，通过翻阅书记熟悉不同的指令含义，到达从了解程序到理解程序的一个过程。然后下载程序到PLC中运行程序发现根本就出来不了我们需要的曲线，达不到要求的曲线就无法构建模型，然后我只能不断去检测硬件和软件的问题，查找问题的来源，发现软件单方面问题并不是很大，问题主要是出现在软件和硬件的匹配问题上面。然后我只能通过不断的修改硬件连线，修改回路来适应我的程序，通过这个过程让我收获的不仅仅是软件上面的喜悦，同时也通过了解连线，懂得了一些相关的硬件知识，通过遇到问题解决问题，让我整个实训过程都比拟的充实，收获的不仅仅是文化知识方面的内容，也提升了解决问题的能力。莫勇、高虎硬件方面：本次PLC实训我负责的工程是硬件方面的，因为对仪器的不了解，一开场就遇到了难题，如水箱控制系统的组成，通道的选择，仪器的运行原理，PLC系统*号的输入输出等等.所以前期进展很慢，