液位控制系统——过程控制课程设计

MOVR0.0,VD124//关闭微分作用
MOVB 100, SMB34 //100ms放入特殊内存字节SMB34，用于控制中断0的时间间隔
ATCH INT_0, 10//调用中断程序
ENI//全局性启用中断
INT0
LD SM0.0//RUN模式下，SM0.0=1
ITDAIW0, AC0//模拟量输入映像寄存器AIW0的数转双精度数存入AC0寄存器
过程控制课程设计——液位控制系统综合设计
1.
液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。
需要全打开的手阀：QV102、QV105；
需要全关闭的手阀：QV103、QV104、QV107、QV109；
挡板开度：QV1160.5cm。
图3.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制
3.2
根据系统的硬件回路图（图3.1）可作出液位控制系统的原理结构图如图3.2.1所示：
从系统的原理结构中可看出本系统的硬件部分主要包括：控制对象（上水箱）、液位检测装置、执行装置（电动调节阀）、控制器（PLC）、上位机PC。系统结构示意框图如图3.2.2所示：
[7]潘新民.微型计算机控制技术.第2版.北京.电子工业出版社.2011
[8]廖常初.PLC编程及应用.北京.机械工业出版社.2002
SBR_0
LD SM0.0 //当系统处于RUN模式时，SM0.0始终打开（既SM0.0=1）
MOVR 0.75, VD104//装入给定值75％
MOVR0.5, VD112//装入回路增益0.5
MOVR 0.1, VD116//装入采样时间0.1s
MOVR12.0, VD120//装入积分时间12分钟
可得到：Mn = Kc*(SPn－PVn)+Kc*(Ts/Ti)* (SPk－PVk)
+Kc*(Td/Ts)*[(SPn—PVn)－(SPn－PVn-1)]
=Kc*(SPn－PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn－PVn)
+Kc*(Td/Ts)*[PVn-1—PVn]+Mx
式中：e =SPn－PVn
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3-2中的曲线①、②、③所示。
2个中间结果参数：PVn-1为上一次的归一化测量值；Mx是计算中的中间参量，是积分之和。可见，9个参数中有：1个输出变量，1个输入变量，5个常数，2个中间变量。设定值SPn、采样时间Ts和3个PID参数共５个常数应事先确定，并在程序初始化时、或在每次执行PID模块指令前，存放到数值存储区，以供调用。
通过对控制器程序的设计，使我掌握了运用SIMATIC S7-200型PLC实现PID算法控制以及单闭环液位控制系统的设计方法，使我对小型液位控制系统的硬件及软件设计具备了综合分析和独立思考的能力。
参考文献
[1]林锦国.过程控制.第3版.南京.东南大学出版社.2011
[2]范永久.化工测量及仪表.北京.化工工业出版社.2002
3.
设备连接图如图3.4所示，PLC的模拟输入输出为标准4～20mA电流信号，此外，标准模块伺服阀、DDM和传感器也都为标准4～20mA电流信号接口。转接面板提供普通导线到标准七芯电缆之间的接口。
4.
4.1
S7—200系列PLC的PID指令采用的是位置式输出的PID控制算法：
u (k ) = Kc{e(k)+(Ts/Ti)*Σe(k) +(Td/Ts)* e(k)}
从公式中可以看出，共9个参数，即：
设定值：SPn，是控制目标值，即期望的液位值，运算时采用归一化值；
1个输入：PVn，为当前测量值，应在PID运算前，在应用程序中被归一化；
1个输出：Mn，即PID控制算法的运算结果，为归一化值；
采样时间：Ts，也是常数，单位为秒；
3个PID运算参数：Kc、Ti、Td分别为比例、积分、微分三个参数，Ti、Td的单位为分。
由于PLC处理数字量，所以要先将模拟量转化为数字量，就是要将其变成双精度数PLC才能接受，具体见下边程序；由于调节阀的输入是连续的模拟量，需要将其经过D/A转换从PLC输出连续量。
4.3 PID控制程序
OB1
LD SM0.1 //首次扫描时SM0.1位打开，用于调用初始化子例行程序
CALL SBR_0 //调用子程序SBR_0
3.
如图3.3所示，计算机与可编程控制器构成主、从结构形式，计算机为主机，计算机控制软件完成用户界面的设计，控制算法的设计，以及完成与PLC的串行通讯。可编程控制器为从机，并带有A/D、D/A转换器，计算机可通过串口读入可编程控制器中A/D转换结果，在本系统中代表液位检测值；计算机可通过串口写出控制量到可编程控制器，由可编程控制器自动完成D/A转换，转换结果为4~20mA电流，控制电动流量伺服阀的开度，从而控制水箱入水量。
本课程设计所控制的是单容下水箱液位，根据控制系统要求，设计采用过程控制器件液位变送器、电动调节阀以及可编程逻辑控制器组成单回路闭环控制系统。从而熟悉PID算法在过程控制中的应用和闭环回路调节系统的设计方法。
2.系统工作原理
整个液位控制系统采用典型的反馈式闭环控制，液位控制系统原理图如图2.1所示：
图2.1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。
[3]孙自强.过程自动化及仪表.上海.华东理工大学出版社.1993
[4]陈建明.电气控制与PLC应用.第2版.北京.电子工业出版.2010
[5]郁有文.传感器原理及工程应用.第3版.西安.西安电子科技大学出版社.2010
[6]张荣标.微型计算机原理与接口技术.第2版.北京.机械工业出版社.2010
*R32000.0, AC0//将累加器中的数值标准化
ROUND AC0, AC0//将AC0中的实数转换为双整数
MOVWAC0, AQW0//将AC0中双精度数送入(D/A)映像寄存器AQW0，输出到调节阀
5.设计总结及心得体会
通过对水箱液位控制系统的设计，使我对实际工程中的自动过程控制系统的应用有了初步的设计理念。理论与实践的结合，使我对过程控制及自动仪表的特点以及其系统组成原理与应用程序有了更进一步的学习，通过对整个系统的设计，使我更进一步的巩固了专业基础知识，提高了用理论知识解决实际问题的实践能力。通过资料的收集及整理，也使我学到了许多相关专业课程的知识，并从中分析得到启发，确立系统方案。
图2.2P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
3. 硬件设计部分
3.1控制回路硬件图
如图3.1所示，水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过挡板QV16回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手挡板QV16的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
DTR AC0, AC0//将双字转换为实数
/R 32000.0, AC0//标准化累加器中的实数
MOVR AC0, VD100//存入回路表
LDSM0.0
PIDVB100, 0//回路表的起始地址为VB100，回路号为0
LDSM0.0
MOVR VD108, AC0//PID控制器的输出值送入累加器
其中：Kｃ为比例系数
Ts采样时间
TI积分时间Td微分时间
SPn给定值
PVn测量值
Mn输出结果（归一化值）
需要预置五个参数：SPn KｃTITdTs
(Kc、Ti、Td是要计算出的值，与被控对象的特性有关。)Td
采样时间Ts取为0.1秒;用扩充响应曲线法将Kc、Ti、Td估算出来。
4.2 A/D、D/A转换控制环节