水箱液位控制系统的设计

/昌吉学院

毕业设计论文题目水箱液位限制系统的设计

系别物理系专业能源工程及自动化班级物理系B1105班学生陈希嘉学号1125862019指导教师李斌

第一章 41.1过程限制的发展背景 4液位限制系统设计的意义 41.2探讨的目的和意义 41.3液位串级限制系统的介绍 51.4PLC的产生和定义 5可编程限制器的产生 5可编程限制器的定义 51.4.3PLC的发呈现状 6其次章水箱液位限制系统总体方案的设计 72.1对水箱液位限制系统的内容进行论述 72.2此限制系统的总体方框图 82.3限制算法 10算法 10中的PID实现 11限制的各种常见的限制规律如下： 12选择适合本系统的限制规律 152.4PLC的组成及原理 162.5PLC硬件配置 17的选择 17

摘要这篇论文的目的是设计一个水箱液位串级限制系统，为了实现对水箱液位的串级限制，采纳了计算机技术，通讯技术，自动化仪表技术和自动限制技术。首先我们要对被控对象进行分析，依据被控对象和被控过程特性设计一个串级限制系统通过毕业设计，加深对所学传感器技术、转换技术、电子技术、自动限制原理以及过程限制的基本原理、基本学问的理解和应用，驾驭串级限制系统的设计步骤和方法，驾驭工程整定参数方法，培育创新意识，增加动手实力，为今后工作打下肯定的理论和实践基础

第一章1.1过程限制的发展背景自本世纪30年头以来，伴随着自动限制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程限制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程限制系统采纳基地式仪表和部分单元组合仪表，过程限制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程限制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典限制理论，以保持被控参数液位，温度，压力，流量的稳定和消退主要扰动为限制目的过程。其后，串级限制，比值限制和前馈限制等困难过程限制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也起先大量采纳，同时电子技术和计算机技术起先应用于过程限制领域，实现了干脆数字限制（DDC）和设定值限制（SPC）。90年头以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程限制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程限制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、爱护环境卫生等方面起着越来越大的作用。液位限制系统设计的意义水箱液位限制试验系统是一个探讨和开发先进的限制方法、策略的平台，它具有体积小、功耗小、敏捷平安等诸多优点，它不仅能够完成限制系统的设计，还可以通过大量的试验来对系统进行优化。它是特地针对于过程限制中液位限制探讨的试验探讨系统，它包含有温度、压力、液位等多种被控变量，通过PLC下位机软件设计限制器，可实现多种限制方式。同时也可以对液位限制系统的限制策略进行设计、验证和探讨。水箱液位限制系统的探讨和设计为解决实际工程应用供应了良好的研发平台。1.2探讨的目的和意义为了解决人工限制的限制准度低、限制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化限制。在自动化限制的工业生产过程中，一个很重要的限制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，干脆影响到了工业生产的平安和否、生产效率的凹凸、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业限制的要求越来越高，一般的自动化限制已经也不能够满意工业生产限制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑限制（又称PLC）。引入PLC使限制方式更加的集中、有效、更加的刚好。液位限制系统它使我们的生活、生产都带来了不行想象的变更。它使在限制中更加的平安，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动限制。而在我国液位限制系统也利用得相当的广泛，特殊在锅炉液位限制，水箱液位限制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位限制系统检测黄河的水位的凹凸，以免由于黄河水位的过高而在不了解的状况下，给我们人民带来生命危急和财产损失。1.3液位串级限制系统的介绍 在工业实际生产中，液位是过程限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，经常须要对某些设备和容器的液位进行测量和限制。通过液位的检测和限制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调整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。通过限制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或限制容器液位，保证产品的质量和数量。假如限制系统设计欠妥，会造成生产中对液位限制的不合理，导致原料的奢侈﹑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限制系统在工业生产中有着重要的实际意义。在液位串级限制系统的设计中将以THJ-2高级过程限制试验系统为基础，绽开设计限制系统及工程实现的工作。虽然是采纳传统的串级PID限制的方法，但是将利用智能调整仪表﹑数据采集模块和计算机限制来实现限制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。1.4PLC的产生和定义可编程限制器的产生20世纪60年头，在世界技术改造的冲击下，要求找寻一种比继电器更牢靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业限制器。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代限制器应具备的十大条件后，马上引起了开发热潮。可编程限制器的定义国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程限制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了其次稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程限制器的定义是“可编程限制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采纳了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和算术计算等面对用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。可编程限制器及其有关外围设备，都按易于和工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.4.3PLC的发呈现状20世纪70年头中末期，可编程限制器进入好用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程限制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更牢靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年头初，可编程限制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程限制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程限制器的国家日益增多，产量日益上升。这标记着可编程限制器已步入成熟阶段。上世纪80年头至90年头中期，是PLC发展最快的时期，年增长率始终保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量实力、数字运算实力、人机接口实力和网络实力得到大幅度提高，PLC渐渐进入过程限制领域，在某些应用上取代了在过程限制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程限制器的发展特点是更加适应于现代工业的须要。从限制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从限制实力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种各样的限制场合；从产品的配套实力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程限制器的工业限制设备的配套更加简洁。目前，可编程限制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程限制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放起先的。最初是在引进设备中大量运用了可编程限制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程限制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床探讨所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了肯定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较闻名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深化，PLC在我国将有更广袤的应用天地。

其次章水箱液位限制系统总体方案的设计2.1对水箱液位限制系统的内容进行论述单回路限制系统是过程限制中结构最简洁的一种形式，它只用一个调整器，调整器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数状况下，这种简洁系统已经能够满意工艺生产的要求，因此，它是一种最基本的、运用最广泛的限制系统。但是也有另外一些状况，譬如调整对象的动态特性确定了它很难限制，而工艺对调整质量的要求又很高；或者调整对象的动态特性虽然并不困难，但限制的任务却比较特殊，则单回路限制系统就无能为力了。另外，随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加困难，对限制系统的精度和功能提出很多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，须要在单回路的基础上，实行其它措施，组成困难限制系统，而串级限制系统就是其中一种改善和提高限制品质的极为有效的限制系统。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行限制的装置在工业生产中应用的非常普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积拖延，假如用单回路限制系统来限制，可能无法达到较好的限制质量。而串级限制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到非常明显的提高限制质量的效果，因此往往采纳串级限制系统对液位进行限制。一般状况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行限制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的限制。当然，还有一些其它的克服大容积拖延的限制方案，例如前馈限制、大拖延滞后补偿限制。但这两种限制方案较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级限制，一般用在其它有特殊要求的限制系统中。2.2此限制系统的总体方框图被控对象的构成图被控对象为图2.1中所示液位对象。水泵变频器水泵变频器流量调整器流量测量变送器液位对象△U储水箱液位调整器液位测量变送器△f二、被控对象的工作原理、传递函数及理论推导如下：单容水箱如图2.1所示，Qi为入口流量，由调整阀开度μ加以限制，出口流量则由电磁阀限制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入和流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。明显，在任何时刻水位的变更均满意下述物料平衡方程：（2.1）其中 （2.2）（2.3）F为水箱的横截面积；是确定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；是和电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。将（2.2）、（2.3）两式代入式（2.1）得（2.4）上式是一个非线性微分方程。这个非线性给下一步的分析带来很大的困难，但假如水位始终保持在其稳态值旁边很小的范围内变更，那就可以将上式加以线性化。为此，首先把原始的平衡方程改写成增量形式，其方法如下。在过程限制中，描述各种动态环节的动态特性最常用的方式是阶跃响应，这意味着在扰动发生以前，该环节原处于稳定平衡状态，对于上述水箱来说，在起始的稳定平衡状态下，平衡方程（2.1）变为（2.5）上式说明在稳定平衡状态下，因入口流量必定等于出口流量，故水位变更速度为零。将（2.1）、（2.5）两式相减，并以增量形式表示各个量偏离其起始稳态值的程度，即，，（2.6）那么就得到（2.7）它就是平衡方程（2.1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值旁边的小范围变更，故由式（2.3）可以近似认为（2.8）则式（2.7）变为或（2.9）假如各变量都以自己的稳态值为起算点，即则可去掉上式中的增量符号，干脆写成（2.10）因假定，则对微分方程（2.10）进行拉普拉斯变换可得（2.11）将式（2.11）改写成如下形式（2.12）式（2.12）即液位对象的传递函数。2.3限制算法ID算法PID限制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。PID算法的输入量e是设定值r和检测值y的偏差量，即，经过运算，并输出限制信号u。PID限制算法的志向形式为 式中 ——限制器比例增益； ——积分时间； ——微分时间。 由志向PID限制算法连续形式可以得到其离散形式。离散PID限制算法有三种不同的形式：位置算法、增量算法、速度算法。由连续的PID算法简洁的到其位置算法，为其中，为采样周期。PID限制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即 PID限制速度算法为增量值除以采样周期，即LC中的PID实现S7-200PLC的PID指令中，PID限制算法是基于志向PID限制算法的改进得到的。其微分项采纳微分先行改进，积分项采纳抗积分饱和法改进。 微分先行，是指只对被控量微分，而对偏差无微分作用，这样避开了当变更设定值时对系统产生冲击。 抗饱和积分，是指对计算出的限制量限幅。在S7-200PLC中，积分项的积分公式为式中 ——第n次采样的积分项数值； ——第n次采样的设定值数值； ——第n次采样的检测值数值——第n-1次采样的积分项数值。对限制量的限幅为式中 ——第n次采样的比例计算输出数值； ——第n次采样的积分计算输出数值； ——第n次采样的PID限制量计算输出数值。通过依据上述方式调整，一旦计算输出返回适当范围即可实现系统应答实力的改善。限制量也被固定在0.0~1.0。ID限制的各种常见的限制规律如下：一、比例调整（P调整）在P调整中，调整器的输出信号和偏差信号成比例，即（3.1）式中Kc称为比例增益（视状况可设置为正或负）,为调整器的输出，是对调整器起始值的增量，的大小可以通过调整调整器的工作点加以变更。在过程限制中习惯用比例增益的倒数表示调整器输入和输出之间的比例关系：（3.2）其中称为比例带。比例调整的显著特点就是有差调整。比例调整的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调整系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环限制系统的首要要求，比例带的设置必需保证系统具有肯定的稳定裕度。此时，假如余差过大，则需通过其它的途径解决。很大意味着调整阀的动作幅度很小，因此被调量的变更比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调整时间也很长。减小就加大了调整阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的状况，进一步减小系统就不稳定了。二、积分调整（I调整）的特点在I调整中，调整器的输出信号的变更速度(t)/t和偏差信号e成正比，即（3.3）或（3.4）式中KI称为积分速度，可视状况取正值或负值。上式表明，调整器的输出和偏差信号的积分成正比。I调整的特点是无差调整，和P调整的有差调整形成显明对比。式（3.3）表明，只有当被调量偏差e为零时，I调整器的输出才会保持不变。然而和此同时，调整器的输出却可以停在任何数值。这意味着被控对象在负荷扰动的调整过程结束后，被调量没有余差，而调整阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。I调整的另一特点是它的稳定作用比P调整差。例如，依据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采纳P调整时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；假如采纳I调整则不行能得到稳定的系统。对于同一个被控对象，采纳I调整时其调整过程的进行总比采纳P调整时缓慢，表现在振荡频率较低。把它们各自由稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采纳P调整则被控对象须供应180°相角滞后。若采纳I调整则被控对象只须供应90°相角滞后。这就说明用I调整取代P调整就会降低系统的振荡频率。采纳I调整时，限制系统的开环增益和积分速度KI成正比。因此，增大积分速度将会降低限制系统的稳定程度，直到最终出现发散的振荡过程。因为KI愈大，则调整阀的动作愈快，就愈简洁引起和加剧振荡。但和此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最终都没有余差，这是I调整的特点。三、比例积分调整（PI调整）PI调整就是综合P、I两种调整的优点，利用P调整快速抵消干扰的影响，同时利用I调整消退余差。它的调整规律为：(3.5)或(3.6)式中为比例带，可视状况取正值或负值；为积分时间。和是PI调整器的两个重要参数。图3.1是PI调整器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调整器马上输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI变更。当t=TI时，调整器的总输出为2Δe/δ。这样，就可以依据图3.1确定δ和TI的数值。还可以留意到，当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI愈小，积分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcA△tTIOKcA2KcA△u(t)tOAe(t)图3.1[1]PI调整器引入积分动作带来消退余差之好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。为保持限制系统原来的衰减率，PI调整器比例带必需适当加大，这样会使调整时间ts增大，最大偏差也会增大。四、微分调整的特点比例调整和积分调整都是依据当时偏差的方向和大小进行调整的，而不管那时被控对象中流入量和流出量之间有多大的不平衡，而这个不平衡正确定着此后被调量将如何变更的趋势。由于被调量的变更速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间流入、流出量之间的不平衡状况，因此，假如调整器能够依据被调量的变更速度来移动调整阀，而不要等到被调量已经出现较大偏差后才起先动作，那么调整的效果将会更好，等于给予调整器以某种程度的预见性，这种调整动作称为微分调整。此时调整器的输出和被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即(3.7)然而，单纯按上诉规律动作的调整器是不能工作的。这是因为实际的调整器都有肯定的失灵区，假如被控对象的流入、流出量只相差很少以致被调量只以调整器不能察觉的速度缓慢变更时，调整器并不会动作。但是经过相当长时间以后，被调量偏差却可以积累到相当大的数字而得不到校正。这种状况当然是不能允许的。因此微分调整只能起协助的调整作用，它可以和其它调整动作结合成PD和PID调整动作。五、比例积分微分调整（PID调整）PID调整器的动作规律是(3.8)或