基于S7-200的水箱液位控制系统(含原理分析电气接线图).docx

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书 PAGE \* MERGEFORMAT27 摘 要 本次课程设计是基于水箱液位控制系统的PLC设计。本设计的内容包括：生产工艺和控制原理介绍；控制参数和被控参数选择；控制仪表及技术参数；控制流程图及控制系统方框图；水箱的特性确定与实验曲线分析，西门子S7-200可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。 关键词：S7-200西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。 水箱液位控制系统设计 1设计题目的解析 由于该课设的题目是水箱液位控制系统的设计，题目过于宽泛，没有一定的技术指标要求，不知道从哪些方面满足题目的要求，根据以下要完成的内容自己定下一个实现方案及要求去完成。 首先水箱液位控制可以使单容的也可以是双容的，单容水箱构成的是一阶对象，双容水箱构成的是二阶对象，为了便于控制和实现的简便，选用单容水箱，即一阶对象。其次是将水箱水位控制系统定义成定值控制系统，这比较符合工业上的过程控制系统，也符合实际情况。 至于控制器的选择和控制仪表的选择随意性较大，根据实际情况自己选择，在此用西门子S7-200PLC作为主控制器来完成对水箱的液位控制。具体到实现算法，则是应用PID控制算法实现，对于液位控制我们为了实现无静差控制选用PI调节算法。 2生产工艺和控制原理介绍 对于生产工艺大致的思路是水箱包含一个进水口一个出水口，通过设定值指定液位的高度，若是液位过高则通过调节器使出水阀开度调大，若是液位过低则使进水阀开度调大，供水系统由变频器控制的异步电机实现。液位的检测采用DDZ-Ⅲ仪表，检测后可以变成标准型号输入，再经过A/D变换转换成PLC能够接受的数字信号。控制系统简单组态图如下： 图2.1简易组态图 对于控制原理则是根据单回路定值控制系统进行分析。 图2.2控制系统原理图 图2.2为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2.3中的曲线①、②、③所示。 图2.3 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 3被控对象介绍及各控制量和被控量的选择 3.1被控对象的介绍 图3.1单容水槽 如图3.1所示，一个单容水槽，不断有水流入槽内，同时也有水不断由槽中流出。水流入量 QUOTE Qi Qi由调节阀开度u加以控制，流出量 QUOTE Q0 Q0则由用户根据需要通过负载阀来改变。被调量为水位h，它反映了水的流入与流出之间的平衡关系。现在分析水位调节阀开度扰动下的动态特性。设各量定义如下： 设A为液槽横截面积（ QUOTE m2 m2），R为流出侧负载阀门的阻力即液阻 QUOTE (sm2) (sm2).根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态 QUOTE Q0=Qi Q0=Qi， QUOTE h=h0 h=h 流入量与流出量之差等于液槽液体贮存量的变化率，即  式中 QUOTE 鈭哘i 鈭哘i是由控制阀开度变化 QUOTE 鈭唘 鈭唘引起的，当阀前后压差不变时， QUOTE 鈭哘i 鈭哘i与 QUOTE 鈭唘 鈭唘成正比关系，即 式中 QUOTE Ku Ku—阀门流量系数， QUOTE ms ms。 流出量与液位高度的关系为 式（3.3）是一个非线性关系，在平衡点附近进行线性化，得 将式（3.4）、（3.2）带入式（3.1