水槽液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　摘要  </b></p><p>　　本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。在設(shè)計(jì)中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識(shí)較少。并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。主要內(nèi)容包括：PLC的產(chǎn)生和定義、過程控制的發(fā)展

2、、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， FX2系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用PID控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。PLC在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的十分廣泛。PID控制經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中重要的控制手段。本設(shè)計(jì)就是基于PLC的PID算法對(duì)液位進(jìn)行控制。PLC經(jīng)傳感電路進(jìn)行液位高度的采集，然后經(jīng)過自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來確

3、定完P(guān)ID參數(shù)后，通過控制直流泵的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)液位的控制。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是利用提供的被控對(duì)象單容水槽和相關(guān)儀器儀表，設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)，利用組態(tài)王軟件編</p><p>　　關(guān)鍵詞：組態(tài)王，液位控制，PID算法，過程控制 </p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)3<

4、;/b></p><p><b>　　二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?</b></p><p><b>　　三、實(shí)驗(yàn)方案3</b></p><p><b>　　四、實(shí)驗(yàn)過程5</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)總結(jié)17</b></p>&l

5、t;p><b>　　參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　附錄19</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　?。?）液位監(jiān)控：完成一個(gè)液位監(jiān)控系統(tǒng)，要有流程圖畫面，報(bào)警畫面，歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)表等個(gè)畫面鍵可以靈活切換。</p>

6、<p>　?。?）通過組態(tài)軟件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用但閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的液位單回路過程控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　根據(jù)液位單回路過程控制系統(tǒng)的具體對(duì)象和控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。

7、</p><p>　　運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)液位但回路過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。</p><p><b>　　二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?lt;/b></p><p>　?。?）能根據(jù)具體對(duì)象及控制要求，獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，正確選用過程儀表。</p><p>　?。?）能夠根據(jù)過程控制系統(tǒng)A/D、D/A和開關(guān)I/O的需要

8、，正確選用模塊。</p><p>　?。?） 能根據(jù)與計(jì)算機(jī)串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉(zhuǎn)換與通訊模塊。</p><p>　　（4）能運(yùn)用組態(tài)軟件，正確設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的組態(tài)圖、組態(tài)畫面和組態(tài)控制程序。（5）控制要求超調(diào)量小于等于4%，峰值時(shí)間不超過30s。調(diào)節(jié)時(shí)間越短越好。</p><p><b>　　三、實(shí)驗(yàn)方案：</b>

9、</p><p>　　整個(gè)過程控制系統(tǒng)由控制器、調(diào)節(jié)器、測(cè)量變送、被控對(duì)象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計(jì)算機(jī)，采用算法為PID控制規(guī)律,調(diào)節(jié)器為電磁閥，測(cè)量變送為HB、FT兩個(gè)組成，被控對(duì)象為流量PV。結(jié)構(gòu)組成如下圖2.2所示。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵開始抽水，通過管道將水送到上水箱，由HB返回信號(hào)，是否還需要抽水到水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小

10、，加大流量，從而使下水箱水位達(dá)到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個(gè)流程圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 液位單回路控制系統(tǒng)圖</p><p>　　過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調(diào)節(jié)器、被控對(duì)象、測(cè)量變送。本次設(shè)計(jì)為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2.2.</p><p>　　圖2.2

11、 液位單回路控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　四、實(shí)驗(yàn)過程：</b></p><p>　　? 在組態(tài)王中，我們所建立的每一個(gè)組態(tài)稱為一個(gè)工程。每個(gè)工程反映到操作系統(tǒng)中是一個(gè)包括多個(gè)文件的文件夾。工程的建立則通過工程管理器。 </p><p>　　? 點(diǎn)擊“開始”---〉“程序”---〉“組態(tài)王6.5*”---〉“組態(tài)王6.5*”

12、 （或直接雙擊桌面上組態(tài)王的快捷方式），啟動(dòng)后的工程管理窗口 </p><p>　　? 搜索：?jiǎn)螕舸丝旖萱I，在彈出的“瀏覽文件夾”對(duì)話框中選擇某一驅(qū)動(dòng)器或某一文件夾，系統(tǒng)將搜索指定目錄下的組態(tài)王工程，并將搜索完畢的工程顯示在工程列表區(qū)中。 </p><p>　　? 刪除 ：在工程列表區(qū)中選擇任一工程后，單擊此快捷鍵刪除選中的工程。 </p><p>　

13、　? 屬性： 在工程列表區(qū)中選擇任一工程后，單擊此快捷鍵彈出工程屬性對(duì)話框，可在工程屬性窗口中查看并修改工程屬性。備份工程備份是在需要保留工程文件的時(shí)候，把組態(tài)王工程壓縮成組態(tài)王自己的“.cmp”文件。 </p><p>　　? 第一步：創(chuàng)建新工程</p><p>　　? 第二步：定義硬件設(shè)備并添加工程變量。添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量.包括內(nèi)存變量和I/O 變量 &

14、lt;/p><p>　　? 第三步：制作圖形畫面并定義動(dòng)畫連接</p><p>　　? 按照實(shí)際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對(duì)象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。 ? 第四步：編寫命令語言。通過腳本程序的編寫以完成較復(fù)雜的操作上位控制。 </p><p>　　? 第五步：進(jìn)行運(yùn)行系統(tǒng)的配置。對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)、用戶等進(jìn)行設(shè)置，是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場(chǎng)前

15、的必備工作。 </p><p>　　? 第六步：保存工程并運(yùn)行完成以上步驟后，一個(gè)可以拿到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的工程就制作完成了。 </p><p>　　1水泵的動(dòng)畫連接及其程序編寫</p><p><b>　　2水管的動(dòng)畫連</b></p><p><b>　　3啟動(dòng)按鍵的定義</b></p>

16、<p><b>　　4停止按鍵的定義</b></p><p>　　5歷史曲線的按鍵定義</p><p><b>　　6實(shí)時(shí)曲線的定義</b></p><p><b>　　7報(bào)警按鍵定義</b></p><p><b>　　命令語言 </b>&l

17、t;/p><p>　　? 組態(tài)王除了在定義動(dòng)畫連接時(shí)支持連接表達(dá)式，還允許用戶編寫命令語言來擴(kuò)展應(yīng)用程序的功能，極大地增強(qiáng)了應(yīng)用程序的可用性。 </p><p>　　? 命令語言的句法和Ｃ語言非常類似，可以說是Ｃ的一個(gè)簡(jiǎn)化子集，具有完備的詞法語法查錯(cuò)功能和豐富的運(yùn)算符、數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串函數(shù)、控件函數(shù)、SQL 函數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)。命令語言分類 </p><p>　　?

18、應(yīng)用程序命令語言：可以在程序啟動(dòng)時(shí)、關(guān)閉時(shí)或在程序運(yùn)行期間周期執(zhí)行。如果希望周期執(zhí)行，還需要指定時(shí)間間隔。 </p><p>　　? 熱鍵命令語言：被鏈接到設(shè)計(jì)者指定的熱鍵上，軟件運(yùn)行期間，操作者隨時(shí)按下熱鍵都可以啟動(dòng)這段命令語言程序。 </p><p>　　? 事件命令語言：規(guī)定在事件發(fā)生、存在、消失時(shí)分別執(zhí)行的程序。 </p><p>　　? 數(shù)據(jù)改變命令

19、語言：只鏈接到變量或變量的域。在變量或變量的域值變化到超出數(shù)據(jù)字典中所定 義的變化靈敏度時(shí)，它們就被觸發(fā)執(zhí)行一次。 </p><p>　　? 還有自定義函數(shù)命令語言，畫面、按鈕命令語言 實(shí)現(xiàn)畫面切換功能 </p><p>　　? 利用系統(tǒng)提供的“菜單”工具和ShowPicture() 函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在主畫面中切換到其他任一畫面的功能? ShowPicture("3實(shí)時(shí)曲線&q

20、uot;); 趨勢(shì)曲線 ? 趨勢(shì)曲線用來反應(yīng)變量隨時(shí)間的變化情況.趨勢(shì)曲線有兩種：實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線。 </p><p><b>　　應(yīng)用程序</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\開關(guān)轉(zhuǎn)換==1)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\Ti=8;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\Kp=15;</p&

21、gt;<p>　　\\本站點(diǎn)\Td=10;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==1 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==0)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\ek0=\\本站點(diǎn)\Sp-\\本站點(diǎn)\水箱液位;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\微分液位差=\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\ek2-2*\\本站點(diǎn)\ek1;</p>

22、<p>　　\\本站點(diǎn)\Uk=(\\本站點(diǎn)\Ti*(\\本站點(diǎn)\ek0-\\本站點(diǎn)\ek1)+\\本站點(diǎn)\Kp*\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\Td*\\本站點(diǎn)\微分液位差)/500;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位+\\本站點(diǎn)\Uk;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\液位傳遞值=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　

23、\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站點(diǎn)\ek0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek2=\\本站點(diǎn)\液位傳遞值;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液位;}</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==1 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==1)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\ek0=\\本站點(diǎn)\Sp-\

24、\本站點(diǎn)\水箱液位;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\微分液位差=\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\ek2-2*\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\Uk=(\\本站點(diǎn)\Ti*(\\本站點(diǎn)\ek0-\\本站點(diǎn)\ek1)+\\本站點(diǎn)\Kp*\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\Td*\\本站點(diǎn)\微分液位差)/500+\\本站點(diǎn)\水流;</p><p>　　\\

25、本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位+\\本站點(diǎn)\Uk-\\本站點(diǎn)\水流;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\液位傳遞值=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站點(diǎn)\ek0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek2=\\本站點(diǎn)\液位傳遞值;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水流=\\本站點(diǎn)\水箱液位/100;&l

26、t;/p><p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液位;}</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==0 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==1)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\水流=\\本站點(diǎn)\水箱液位/100;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位-\\本站點(diǎn)\水流;</p>

27、;<p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液位;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\水箱液位<1)</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水流=0;</p><p><b>　　}}</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\開關(guān)轉(zhuǎn)換==0)</p><p&g

28、t;　　{if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==1 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==0)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\ek0=\\本站點(diǎn)\Sp-\\本站點(diǎn)\水箱液位;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\微分液位差=\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\ek2-2*\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\Uk=(\\本站點(diǎn)\Ti*(\\本站點(diǎn)\ek0-\\本站

29、點(diǎn)\ek1)+\\本站點(diǎn)\Kp*\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\Td*\\本站點(diǎn)\微分液位差)/500;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位+\\本站點(diǎn)\Uk;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\液位傳遞值=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站點(diǎn)\ek0;</p><p>　　\\本

30、站點(diǎn)\ek2=\\本站點(diǎn)\液位傳遞值;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液位;}</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==1 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==1)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\ek0=\\本站點(diǎn)\Sp-\\本站點(diǎn)\水箱液位;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\微分液位差=\

31、\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\ek2-2*\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\Uk=(\\本站點(diǎn)\Ti*(\\本站點(diǎn)\ek0-\\本站點(diǎn)\ek1)+\\本站點(diǎn)\Kp*\\本站點(diǎn)\ek0+\\本站點(diǎn)\Td*\\本站點(diǎn)\微分液位差)/500+\\本站點(diǎn)\水流;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位+\\本站點(diǎn)\Uk-\\本站點(diǎn)\水流;</p&g

32、t;<p>　　\\本站點(diǎn)\液位傳遞值=\\本站點(diǎn)\ek1;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek1=\\本站點(diǎn)\ek0;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\ek2=\\本站點(diǎn)\液位傳遞值;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水流=\\本站點(diǎn)\水箱液位/100;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液

33、位;}</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==0 &&\\本站點(diǎn)\開關(guān)==1)</p><p>　　{\\本站點(diǎn)\水流=\\本站點(diǎn)\水箱液位/100;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\本站點(diǎn)\水箱液位-\\本站點(diǎn)\水流;</p><p>　　\\本站點(diǎn)\儲(chǔ)水箱液位=300-\\本站點(diǎn)\水箱液位;</

34、p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\水箱液位<1)</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水流=0;</p><p><b>　　}}</b></p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\Uk<=1)</p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk=\\本站點(diǎn)\Uk*100;</p><p&g

35、t;<b>　　else</b></p><p>　　\\本站點(diǎn)\uk=100;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\電機(jī)==0)</p><p>　　\\本站點(diǎn)\Uk=0;</p><p>　　if(\\本站點(diǎn)\水箱液位>\\本站點(diǎn)\Sp)</p><p>　　\\本站點(diǎn)\水箱液位=\\

36、本站點(diǎn)\水箱液位-\\本站點(diǎn)\水流;</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　通過此次設(shè)計(jì)，我掌握了流量單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對(duì)象和測(cè)量變松組成。</p><p>　　并且學(xué)會(huì)了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)過程控制系統(tǒng)，掌握了基本的設(shè)計(jì)步驟。了解到，一般情況下，它都要經(jīng)過一下幾個(gè)步驟：認(rèn)知被控

37、對(duì)象、設(shè)計(jì)控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖和組態(tài)圖、設(shè)計(jì)組態(tài)畫面、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詞典等，直到最后的動(dòng)畫鏈接成功，并達(dá)到控制要求。經(jīng)過以上步驟，我對(duì)整個(gè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了很深的體會(huì)，也學(xué)會(huì)了很多與設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)。</p><p>　　對(duì)組態(tài)王軟件也有了很大的了解，學(xué)會(huì)了初步的應(yīng)用。認(rèn)識(shí)到了組態(tài)王的一些應(yīng)用情況，組態(tài)王軟件的組成與功能，其應(yīng)用程序項(xiàng)目如何建立，數(shù)據(jù)詞典如何建立，動(dòng)畫如何

38、進(jìn)行鏈接，命令語言程序如何編寫，趨勢(shì)曲線如何建立，還有I/O設(shè)備的配置和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立等等一系列與組態(tài)王軟件應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中也遇到了不少麻煩，不過經(jīng)過老師的輔導(dǎo)大部分問題都得到了解決，總的來說，這次設(shè)計(jì)是一次收獲很大的設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多教學(xué)中學(xué)不到的東西，對(duì)我的動(dòng)手能力有了很大的幫助。同時(shí)也要感謝老師對(duì)我們這次課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，讓我們獲益匪淺！</p><p&

39、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]邵裕森,戴先中.過程控制工程(第2版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003 [2]崔亞嵩.過程控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（校內(nèi)） </p><p>　　[3]廖常初.PLC編程及應(yīng)用(第2版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007 </p><p>　　[4]吳作明.工業(yè)組

40、態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社.20077.</p><p>　　[5]求是教儀.過程控制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.杭州：浙江求是科教設(shè)備有限公司，2004</p><p>　　[6]邵裕森.過程控制工程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[7]俞全壽.過程自動(dòng)化儀表.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000</p><p