基于西门子s7-200的水箱液位控制课程设计(编辑修改稿)

基于西门子s7-200的水箱液位控制课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。 随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称 PLC）。 引入 PLC 使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。 目的 ： 掌握西门子 S7200 的 PID 功能（使用 PID 向导） 熟悉经典的 PID 的参数，其中包括比例 P、积分 I、微分 D，并学会通过控制结果的趋势图 对 PID 参数 进行 在线调节 熟悉温度传感器、压力传感器等传感器与模拟量模块的接线方式，以及如何构成闭环控制系统 基本任务 图 水箱液位控制图 这是一个单回路反馈控制系统 ,控制的任务是使水箱的液位等于给定值 ,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。 用液位参数为被控对象。 交流电动机带动泵通过入水阀门向上 水箱供水 ,出水阀门同时向外排水 ,令入水的速度大于出水的速度 ,达到被控参数 (液位 )的动态调整。 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 用 纸 4 第三章 设计基础储备 建模过程 系统示意图如图 31 所示： 图 单容液位水箱示意图 其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度 h 与流入量 Q1 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系，有： 12 dhQ Q A dt 写成增量形式： 12 dhQ Q A dt    …… 1 式中， 1Q 、 2Q 和 h 分别为偏离某平衡状态 10Q 、 20Q 和 0h 的增量， A 为水箱的横截面积。 静态时应有 12 ， 0dhdt。 1Q 发生变化，液位 h 也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此 2Q 也发生变化，与 h 的近似线性关系为： 2 2hQ R ………… 2 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 用 纸 5 式中， R2 为阀门 2 的阻力系数，称为液阻。 将 2 两式整理得： 2 2 1dhR A h R Qdt     经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为： 020 1 2 0()() ( ) 1 1KRHsWs Q s R C s T s  ………… 3 式中， 0K 为过程放大系数， 02KR ； 0T 为过程的时间常数， 02T RC ； C为过程容量， CA。 式 3 为一阶传递函数，可知单 容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。 实验设备介绍 PLC 系统 西门子 S7200系列 PLC以其极高的可靠性、 丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控功能。 S7— 200系列 PLC 在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围从替代继电 器 的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及 民用领域，包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施，各种机床、机械，环境保护设备及运动系统等。 SIMATIC S7— 200PLC 系统构成包括基本单元（ CPU 模块）、扩展单元（接口模块）、编程器、通信电缆、存储卡、写入器、文本显示器等。 （ 1）基本单元（ CPU） S7200 CPU 将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成了一个功能强大的 PLC。 CPU 的主要功能使进行逻辑运算及数学运算，并协调整个系统的工作。 本设计用到的 cpu 模块为 CPU 224 XP （ 2） 扩展模块 EM231 EM231是 4个模拟量输入模块，直接与液位传感器的输出端连接，实时采集液位高度。 （ 3） 扩展模块 EM232 EM232模块式 2个模拟量的输出模块，与变频器连接，将 PID 运算结果送到变频器，控制变频器频率从而控制上水电机转速。 采用 SACJGK 2型过程控制实验装置，其中用到了其中的下水箱、 HB26S 液位变送器、 LZB25转子流量计、射流式白吸泵。 PowerFlex40变频器 用于后向通道，通过控制变频器来控制电机转速，以实现对进水量的控制，从而最终实现对 液位控制的目的。 PID 控制算法 、模拟 PID 控制系统组成 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 用 纸 6 图 模拟 PID控制系统原理框图 、模拟 PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t)的偏差的比例 (P)、积分 (I)、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 PID 调节器的微分方程    t DIP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( 式中 )()()( tctrte  PID 调节器的传输函数   STSTKSE SUSD DIP11)( )()( 、 PID 调节器各校正环节的作用 1. 比例作用 (P) 比例控制作用是最基本的控制规律。 它能较快的克服扰动影响，使系统稳定下来，但有余差。 它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。 比例控制参数对系统性能的影响如下： （ 1） 对动态性能的影响 :比例控制 参数 Kc 加大，使系统的动作灵敏， 速度加快； Kc 偏大， 振荡次数加多， 调节时间加长； 当 Kc 太大时 ， 系统就会趋于不稳定； 若 Kc 太小， 又会使系统的动作缓慢。 （ 2） 对稳态性能的影响： 加大比例控制系数 Kc， 在系统稳定 的情况下， 可以减小稳态误差 Es s， 提高控制精度； 但是加大 Kc只是减少 Ess， 却不能完全消除稳态误差。 能反应偏差信号的变化趋势(变化速率 )，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 2. 积 分作用 (I) 积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用， 构成 PI 控制或 PID 控制。 其中 PI 控制规律是应用最为广泛的一种。