双容水箱串级控制系统设计

双容水箱串级控制系统设计
设计总说明
液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题, 例如在饮料、食品加工、溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。

双容水箱串级控制在工业过程控制中应用非常广泛。

在水箱水位的控制中，液体首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。

本次设计采用串级控制，可以有效调节过程动态性能，大大克服系统的容积延迟。

采用PID控制器对模型进行整定以达到理想的控制效果。

选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集和控制，通过组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。

关键词：双容水箱，PID,串级控制，组态王，PLC
Ouble Let Tank Cascade Control System Design
Design Description
Liquid level control problem is a kind of common industrial production process, For example in beverage, food processing, chemical production, the solution of the production process were industry needs to properly control level.
Cascade double-capacity water tank in industrial process control is used widely. In the control of water tank, the advanced water tank, who first and then through the second tank, compared with a tank, due to the increased a tank, is the response time is more backward step, that is, causing the delay in volume of the process is difficult to control.
This design uses cascade control, can regulate the process effectively, greatly overcome system dynamic performance of volume. Adopts PID controller in order to achieve the ideal of setting control effect to model. Choose a scene of PLC control device for data acquisition and control, Through the kingview software for setting process and the curve of the real-time monitoring, until it reaches the main circuitd and the vice loop optimal setting parameters.
Key words: Double-capacity Water Tank, PID, cascade control, kingview, PLC
目录
1绪论 (1)
1.1PLC技术 (1)
1.2组态技术 (3)
1.3 PID算法 (3)
2设计背景 (5)
2.1设计内容及原理 (5)
2.2系统软硬件组成 (5)
2.2.1硬件组成 (5)
2.2.2软件组成 (5)
3串级控制系统介绍 (6)
3.1串级控制系统的定义及组成 (6)
3.2串级控制系统的设计思路 (6)
3.3串级控制系统的参数整定 (7)
3.4串级控制系统的工业应用 (8)
4西门子s7-200系列PLC介绍 (10)
4.1西门子s7-200系列PLC简介 (10)
4.2西门子s7-200系列PLC的组成 (10)
5组态软件介绍 (12)
5.1组态的基本概念 (12)
5.1.1组态的含义 (12)
5.1.2数据采集的方式 (12)
5.1.3脚本的功能 (12)
5.1.4组态软件的开放性 (13)
5.1.5组态软件的可扩展性 (13)
5.1.6组态软件的控制功能 (13)
5.2.组态软件特点 (13)
5.3系统的设计与实现 (14)
6系统设计 (15)
6.1对象选择及其工作原理 (15)
6.2调节器的选择及其正反作用的确定 (15)
6.3传感器、变送器、执行器的选择 (16)
6.4系统的参数整定 (16)
6.5 S7-200系列PLC的CPU模块选择 (17)
6.6设备清单 (17)
7 PLC设计流程 (19)
7.1系统设计基本步骤 (19)
7.2系统设计流程图 (19)
8组态王的设计 (21)
8.1组态王的制作的基本过程 (21)
8.2组态王画面的制作 (23)
9系统调试 (27)
9.1组态软件调试 (27)
9.2整体调试 (27)
总结 (28)
致谢 (29)
附录双容水箱串级控制程序 (31)
1绪论
液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过滤、工生产等多种行业的生产加工过程当中都需要对液位进行适当的控制。

液位控制系统是由执行器、控制器和检测机构组成，而基于plc的液位控制具有结构灵活，编程简单、故障少、噪音低、维修保养方便、节能省工，抗干扰能力强，效率高，范围广，成本低等优点。

而组态王是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

随着工业自动化程度的日益提高,可编程控制器(PLC)的使用越来越普遍.使用简单方便,故障率低,对现场环境要求不高,因而倍受青睐.在目前的很多自控系统中,常常选用PLC 作为现场级的控制设备,用于数据采集和控制;而在系统上位机(通常为工控机)上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示,实现生产监控和管理等功能.本次的毕业设计是基于PID算法下的软件控制系统，通过对可编程计算器PLC的程序编写，利用计算机进行控制与监视。

1.1PLC技术
PLC英文全称（Programmable Logic Controller ）,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）
之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.2组态技术
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用[9]。

尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用。

因为现场总线的网络系统具备OSI 协议，因此可以认为它与普通网络系统具有相同的属性，这为组态软件的发展提供了更多机遇。

组态软件的发展方向之一是能够兼容多操作系统平台.随着UNIX、LINIX操作系统越来越多的被公司采用作为主机操作系统，可移植性成为组态软件的主要发展方向。

1.3 PID算法
过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。

对于PID参数的选择：
（1）比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P 太小，又会使系统的动作缓慢。

P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。

如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。

同时要注意的是，力控的策略控制器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。

（2）积分控制I对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

（3）微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较
大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

2设计背景
2.1设计内容及原理
利用组态王对双容水箱分布式控制系统进行监测与控制。

其中用串级控制来改善系统的容积延迟，利用PID算法进行工程设计，完成对下水箱液位的监控。

电机给上、下水槽供水，液位变送器将下水槽的液位变为电信号送PLC进行PID运算或送计算机进行其它运算后，其结果作为对上水槽进行控制的给定值，在PLC或计算机中对上水槽液位进行运算后，其结果用来控制固态继电器，从而控制水泵的出水量，最终达到控制下水槽液位的目的。

2.2系统软硬件组成
图2-1 双容水箱分布式串级控制系统原理图
2.2.1硬件组成
被控对象：两水槽液位,一电机转速。

检测装置：两个液位变送器，两个测速编码器。

执行机构：一个固态继电器及一台直流电机。

控制系统：西门子小型PLC S7-200。

监控系统：微型计算机。

2.2.2软件组成
PLC程序软件：STEP7-200
监控软件：组态王6.5.1
3串级控制系统介绍
3.1串级控制系统的定义及组成
两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统，称为串级控制系统。

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

串级控制系统方框图如图3.1
图3-1串级控制系统方框图
3.2串级控制系统的设计思路
（1）主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。

这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。

主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。

（2）副回路的设计
由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含
较多的扰动。

（3）主、副回路的匹配
1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配
设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。

副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。

如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。

原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间。

比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。

严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。

2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择
在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。

主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。

系统对二个回路的要求有所不同。

主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。

如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D 控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。

3) 主、副调节器正反作用方式的确定
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。

串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。

确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。

3.3串级控制系统的参数整定
串级控制系统从整体是上看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度。

但副回路是随动控制系统，要求副参数能准确，快速的跟随主调节器输出的变化。

串级控制系统主，副回路原理不同，对主，副参数的要求也不同。

通过正确的参数整定，可获得理想的控制效果。

串级控制系统主，副调节器的参数整定方法有逐步逼近法，两步整定法和一步整定法。

1.逐步逼近法
逐步逼近法是一种依次整定主回路，副回路，然后循环进行，逐步接近主，副回路最
佳整定的一种方法，其步骤如下：
1）整定副回路。

此时断开主回路，按单回路的整定方法，取得调节器的整定参数，得到第一次整定值G12。

2）整定主回路。

把刚刚整定好的副回路作为主回路的一个环节，仍按照单回路的整定方法，求取主调节器的整定参数，记作G11。

3）再次整定副回路，此时副回路，主回路都已闭合。

在主调节器的整定参数为G11的条件下，按单回路的整定方法，重新求取调节器的整定参数G22,至此已完成一个循环的整定。

4）重新整定主回路，同样是在两个回路闭合，负调节器整定参数为G22的情况下，重新整定主调节器得到G21。

5)如果调节过程仍未达到品质要求，按3，4步骤继续进行，知道控制效果满意为止。

2.两步整定法
所谓两步整定法，就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。

3.一步整定法
两步整定法随能满足主，副参数的要求，但要分两步进行，需寻求两个衰减比为4：1的衰减振荡过程，比较琐碎。

为了简化步骤，主，副调节器的参数也可以一步整定。

所谓一步整定法，就是根据所有的经验，先将副调节器参数一次调好，不需再变动，然后，按照一般单回路控制系统调节器参数的整定方法直接整定主调节器参数。

经验证明，这种整定方法对于对主参数要求较高，而对副参数要求不严的串级控制系统是一种有效的整定方法。

3.4串级控制系统的工业应用
（1）用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。

利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。

在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。

（2）用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工
艺的要求。

使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。

改善控制系统的控制质量。

（3）用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动
串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。

只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。

（4）用于克服被控过程的非线性
在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。

这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。

单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。

4西门子s7-200系列PLC介绍
4.1西门子s7-200系列PLC简介
德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC 可编程序控制器在欧洲处于领先地位。

其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。

在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。

最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。

S7--200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLC），它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。

S7--200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。

紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7--200成为各种控制应用的理想解决方案。

S7--200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，参见图4.1。

在下载了程序之后，S7--200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。

图4-1 S700微型PLC
4.2西门子s7-200系列PLC的组成
SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分组成，如图4.2所示。

图4-2 S7-200 PLC系统组成
系统基本组成：
硬件：
（1）基本单元
（2）扩展单元
（3）特殊功能模块
（4）相关设备
工业软件：
工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

5组态软件介绍
5.1组态的基本概念
5.1.1组态的含义
“组态”的概念是伴随着集散式控制系统（Distributed control system , DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟悉的。

组态软件（有时也称为监控组态软件或工控组态软件）为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具。

组态的概念最早来自英文“configuration”，组态软件就是用应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。

工控组态软件是指在数据采集和过程控制中使用的专用软件，即在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境下，为用户提供快速构建工业自动控制，系统监控功能的一种软件工具。

组态软件一般用于自动控制系统的监控层，提供了监控层的软件平台和开发环境，通过灵活的组态方式，可使用户快速构建工业自动控制系统监控功能。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

5.1.2数据采集的方式
大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以根据需要进行相应的配置。

然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，由OPC（OLE for Process Control）基金组织提出的OPC规范基于Microsoft 的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组织交互和分享数据的完整的解决方案。

在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户机的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。

同时，组态软件同样可以作为服务器为其他应用系统（如MIS等）提供数据。

5.1.3脚本的功能
脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。

因此，大多数组态软件都支持脚本语言。

具体的实现方式可分为三种类型：一是内置的类C/Basic语言，二是采用Microsoft VBA 的编程语言，三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。

类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。

微软的VBA 是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。

犹豫Visual。