恒液位控制毕业设计

第1章项目背景及要求
1.1 项目背景
在很多化工厂，如对于像蒸馏塔这样大规模连续过程，温度、压力、流量和液位这四种是常见的过程变量。

由于在设备运行过程中存在进料量和出料量的变化，从而导致液位波动。

因此，高精度地进行液位控制是非常重要的一个课题，在现实中也比比皆是，用的较普遍的就是高位水池的自流供水，如图1.1所示的恒液位控制示意图。

他是由容器、阀门控制器、水位传感器等组成的。

1.2 恒液位控制要求
图1.2所示为调节阀外观，该调节阀能接受0~10V信号来进行开度调节，其中10V代表100%开度。

由于容器液体的排放量具有不确定性，因此，水位传感器检测过来的信号始终处于变化中。

现在要求能保证无论怎样的扰动，容器的液位始终能保持一个恒定的位置，请设计相应的PLC控制回路并编程。

图1.1 恒液位控制示意图
第2章模拟量输入输出与PID控制
2.1 PLC模拟量控制
2.1.1模拟量输入
模拟量值是一个连续变化量，像电压、电流、温度、速度、压力、流量，等等。

例如，压力随着时间的变化而变化的。

因为这个压力值不是直接作为PLC的输入，而必须通过变换器把同压力值相对应的电压值（0~10V）或电流值（4~20mA）输入到PLC中，如图2.1所示。

……..
PLC的模拟量输入信号有0~10V DG、0~20mA和4~20mA三种，对于不同的输入，尤其是电流输入和电压输入，都应该设置硬跳线（拨码开关）或软跳线（参数设定）。

PLC的模拟量输入模块负责A/D转换，将模拟信号转换为可PLC可以识别的数字量信号。

如图2.2所示为模拟量输入电压的转换实例，每一种PLC输入10V都会对应一个最大数值，这里以最大值4000为例，即输入10V对应数值4000，则其输入特性的曲线为….（…代表数字输出值，…代表模拟量输入电压）。

输入2.5 mV等同数字值1，小于2.5 mV的值不能转换。

……..
用软件实现的工程化反变换如图1.5所示。

……..
2.1.2模拟量和数字量的关系
模拟量其实也是数字量，因为在PLC或计算机里面只有0和1，其实模拟量也是由1和0组合起来的。

在模拟量中，有一个分辨率的概念。

例如，12位的分辨率是什么意思呢？因为是二进制的，12位的分辨率就是表
示….，….=4096，它的意思是这个满量程能分成4096等份，为了计算方便我们取4000，意思是将输出可以等分成4000份。

因为模拟量输出为0~10V，那么1等份等于2.5 mV，所以说理论上它的模拟量输出值只能是0 mV、2 .5 mV 、5 mV 、7.5 mV，依次递减，而不可能出现3 mV 、4 mV。

那么这个模拟量的意思就是把这一输出分成比较多的等份，每份很细。

当我们一份增加2.5 mV时，对于现场几乎是没有改变的，那么就足够用了。

模拟量的意思就是用多位的数字量来表达一个比1要大的数。

因为在计算机里面只有0和1这两个数，如果表达10，那么就是1010。

2.2 西门子模拟量输入输出模块
2.2.1 EM231模拟量输入模块
如图1.6所示为EM231模拟量输入接线示意。

…..
1）输入校准
校准调节影响模拟量多路转换器运算的放大器，因此校准影响到所有同一个模块的输入通道。

即使在校准以后，如果模拟量多路转换器之前的输入电路的部件值发生变化，那么，从不同通道读入同一个输入信号，其信号值也会有微小不同。

为了达到产品的标准技术参数，应启动应用于模块所有输入的模拟输入滤波器，计算平均值时，选择64次或更多的采样次数。

校准输入时，其步骤如下：
（1）切断模块电源，选择需要的输入范围；
（2）接通CPU和模块电源，使模块稳定15min；
（3）用一个传感器、一个电压源活一个电流源，将零值信号加到一个输入端；
（4）在CPU的程序中读出测量值；
（5）调节偏置电位器，直到读数为0，或所需要的数字数据值；
（6）将一个满刻度值信号10V DG或10mA信号接到输入端子，读出CPU 中的数值；
（7）调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数值；
（8）必要时，重复偏置和增益校正过程。

注意，EM231模块只有增益电位器，因此可以略去偏置调节部分。

2）配置组态
EM231模块的输入需要通过配置开关进行单极性或双极性组态，见表1.1.
表1.1 EM231模块组态配置
3）输入数据字模式
模拟量到数字量的转换器称为ADC，为12位读数，数据格式是左端对齐（如图1.7所示）。

最高有效位是符号位，0表示是正值数据字，对单极性格式，3个连续的“0”使得ADC计数数值每变化一个单位则数据字的变化是以8为单位变化的；对双极性格式，4个连续的“0”使得ADC计数数值每变化一个单位，则数据字的变化是以16为单位变化的。

图1.7 模拟量输入格式
2.2.2 模拟量输入滤波功能
S7-200 PLC允许对每一路模拟量输入选择软件滤波功能，滤波值是多个模拟量输入采样值的平均值，滤波器参数（如采样次数和死区）对于允许滤波器的所有模拟量输入是相同的。

步骤如下：
（1）通过菜单命令选择输入滤波器，单击模拟量标签；
（2）选择需要滤波的模拟量输入、采样个数和死区；
（3）确实后，将改变后的系统块下载到PLC中。

2.2.3 EM232模拟量输出模块
S7-200 PLC的模拟量输出模块EM232接线方式如图1.8所示。

数字量到模拟量的转换器成为DAC，分电流和电压两种输出格式，电流为11位读数，电压为12位读数，如图1.9所示。

……
图1.9 数字量到模拟量的转换模式
2.2.4 模拟量模块的I/O寻址
S7-200 PLC的模拟量I/O点总是以两点增加的方式来分配空间的。

如果模块没有给每个点分配相应的物理点，则这些I/O点会消失，并且不能够分配给I/O 链中的后续模块。

2.3 PID的基本概念
1. 自动控制
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值或按照给定信号变化规律变化的过程。

如图1.10和1.11所示为液位控制中的两种方式，即手动液位控制和自动液位控制。

…….
在液位手动控制中，是根据以眼来观察、以脑来判断、以手来操作的一种方式，其目的就是减少或消除液位差….，以保证恒液位控制。

在自动控制中，应建立一个受控对象（水池）、一个输出量（实际水位）、一个输出量（要求水位）、一个监测装置（水位传感器）一个执行机构（阀门），根据图1.11所示的自动控制示意图进行控制。

通过给定值和实际检测得到的值，得出一个偏差量，再由控制器进行控制。

2.PID控制
在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制或调节。

PID控制器问世至今已有近80年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方面等优点而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，或控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时最适合用PID控制技术。

PID控制在实际中也有PI和PD控制，PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的。

1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出和输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。

2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出和输入误差信号的积分成正比关系。

对于一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项的误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例加积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出和输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在较大的惯性组件（环节）或滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

3. PID算法
在连续控制系统中，模拟PID的控制规律形式为
(1)
式中，……是偏差输入函数；……是调节器输出函数；…..是比例系数；…..是积分时间常数；……是微分时间常数。

由于式（1）为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程转化成离散形式的差分方程。

式（1）经离散化后的差分方程为
(2)
式中，…..是采样周期；…..是采样序号，…….；…….是采样时刻…..时的输出值；……是采样时刻…….时的偏差值；……是采样时刻…….时的偏差值。

为了减少计算量和节省内存开销，将式（2）转换为递推关系式模式：
(3)
式中，……是调节器设定值；…….是采样时刻…..时的反馈值；……是采样时刻……时的反馈值；…….是采样时刻…….时的反馈值；至此式（3）已可以用做编程算法使用了
1.2.4 S7-200 EM235模块
在PID控制中，一般都要处理模拟量输入和模拟量输出（当然也有开关量输出）。

S7-200 PLC有专门的模块，即EM235，它具有4AI/1AO功能，其实它可以看做是EM231和EM232的综合。

EM235硬件接线如图1.12所示。

……..
第3章数据块和PID控制
3.1 数据块的操作
1. 数据块的访问
使用下列方法访问数据块：
（1）单击浏览条上的“数据块”按钮。

（2）选择菜单命令“查看（V）→数据块（D）”。

（3）打开指令树中的“数据库”文件夹，然后双击某页图标。

2. 数据块的赋值
通过插入新数据块页标签，将数据块V存储区赋值分成多个功能组：
（1）单击数据块窗口，然后选择菜单命令“编辑（E）→插入（I）→数据块（D）”；
（2）。