基于plc的液位控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的液位控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。 课题研究的主要内容 （ 1）一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要， 4 直接关系到控制结果的正确与否。 （ 2）控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。 （ 3）调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。 2. 控制方案设计 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 4~20mA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 [7]。 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 1所示。 图 1 系统原理结构图 系统设计 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，设定值液位变送器 PLC 变频器 水泵 水箱 5 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， 系统原理图 如图 2所示 [8]。 图 2 系统原理图 单容水箱对象特性 所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。 单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。 本文研究的是有自衡能力的贮蓄过程，以下简称自衡过程。 所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。 自衡过程的建摸： 进水口 阀门 水箱 液位传感器 水泵 PLC 变频器 出水口 6 单容水箱液位被控过程中，其流入量 1Q ，改变阀 1 的开度可以改变 1Q 的大小。 其流出量为 2Q ，它取决于用户的需要，改变阀 2 开度可以改变 2Q。 液位 h的变化反映了 1Q 与 2Q 不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程。 若 1Q 作为被控过程的输入变量 ， h 为其输出变量 ,则该被控过程的数学模型就是 h 与 1Q 之间的数学表达式， 水箱水位控制模型 如图 3所示 ，液位控制过程阶跃响应如图 4所示。 图 3 水箱水位控制模型 (a) (b) 图 4 液位被控过程及其阶跃响应 根据动态物料平 衡关系有 dtdhA  21 将公式（ 1）表示成增量式为 dthdA 21 1Q1 h 1 2 2Q X t t 0 0 h（ t） （ 1） （ 2） 7 式中： 1Q 、 2Q 、 hd —— 分别表示和某个平衡状态 10Q 、 20Q 、 0h 的偏差； A—— 贮蓄截面积。 在静态时， 21  ；当 1Q 变化的时候， h 同时也变化，水箱出口处的静压也变化， 2Q 也发生变化。 2Q 与 h成正比，与阀 2阻力 2R 成反比， 22 RdhQ  式中： 2R —— 阀 2的阻力，称为液阻。 为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量 2Q。 消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。 这里，介绍后一种方法。 将式（ 2）、式（ 3）拉氏变换后 ,画出方框图如图 5所示。 c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s ) 图 5 方框图 单容液位过程的传递函数为 11)( )()( 0 01 210  sT KCsR RsQ sHsW （ 4） 式中： 0T —— 过程的时间常数， CRT20 ； 0K —— 过程的放大系数， 20 RK ； C—— 过程的容量系数，或称过程容量。 被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。 其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。 从上述分析可知，液阻 2R 不但影响过程的时间常数 0T ，而且还影响过程的 （ 3） 8 放大系数 0K ，而容量系数 C仅影响过程的时间常数 [9]。 3. 硬件配置 一个系统硬件的选配很重要，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 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 S7200系列的 PLC， CPU型号为 224，其 结构简单，使用灵活且易于维护 ，且具有以下特点： (1) CUP芯片已升级到 Intel80486，或采用 Pentium处理器，有极快的处理速度扫描速度为 ； (2) 采用模块化设计，能够按照积木方式进行系统配置，功能扩展灵活方便； (4) 有较强的网络功能，可将多个 PLC连接成工业网络，构成完整的过程控制系统。