液位流量串级控制

水箱液位控制系统的设计

摘要：

随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。

制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。

目录

1、设计目的和任务 (1)

1.1 目的 (1)

1.2 主要任务 (1)

2、设计方案提出及选择 (1)

2.1 液位单闭环控制系统 (1)

2.2 液位流量串级控制系统 (1)

3、液位串级控制系统组成结构 (2)

3.1 串级控制系统的组成 (2)

3.2 系统总貌图 (4)

4、设计方案的控制流程图和电气原理图 (4)

4.1 水箱液位串级控制系统的结构图设计 (4)

4.2 水箱液位串级控制系统框图的设计 (5)

4.3 电气原理图的设计 (5)

5、系统工作原理 (6)

5.1 水箱工作原理 (6)

5.2 PID控制工作原理 (7)

6、软件流程图及程序的编写 (7)

7、上位机画面制作 (9)

8、PID参数整定 (10)

8.1 串级控制回路系统的优点 (10)

8.2 串级控制系统的作用 (10)

8.3 监控画面参数的调节 (10)

9、结果 (11)

1、设计目的和任务

1.1 目的

利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用PLC作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使得液位能够尽量保持平稳在设定的范围内

通过课程设计，加强对课程的理解与掌握，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算及系统调试等环节，初步掌握PLC的硬件设计和软件设计，程序调试等PLC系统的开发过程，进一步提高分析解决实际问题的能力。

1.2 主要任务

1 了解水箱液位的控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。

2 逐一明确检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、引入PLC的接线和PLC的编址。

3 逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

4 绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。

5 编制PLC程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽量多的在试验设备上演示控制过程。

2、设计方案提出及选择

2.1 液位单闭环控制系统

由一个水压力传感器、一个PID控制器、一个控制阀和一个水箱所构成的单闭环控制系统，通过对液位的不断检测、变送，再于设定值的比较，求得偏差去调节进水流量，以达到水位达平稳。

2.2 液位流量串级控制系统

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为水箱液位；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量为进水流量，是为了稳定主变量（液位）而引入的辅助变量。

由于本实验要求液位能够尽量保持平稳在设定的范围内，对液位的要求比较高，在这种情况下,水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后能保持设定值，液位单闭环控制系统已经难以满足控制要求，难以达到实

现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

3、液位串级控制系统组成结构

3.1 串级控制系统的组成

本实验装置主要包含水箱、压力变送器、流量变送器、西门子S7-300PLC控制系统、SA01电源控制屏、变频器、软件为西门子S7系列PLC编程软件、西门子WinCC监控组态软件。

系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。

3.1.1 硬件介绍

被控对象

水箱：供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；

检测装置

压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0 ~ 5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4 ~ 20mADC。

流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24VDC。流量范围：0 ~ 1.2M，精度：1.0%；输出：4 ~ 20mADC。

控制屏

SA-01电源控制屏面板：合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

执行结构

变频器：SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

三相磁力驱动泵（220V变频调速）：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

控制器

西门子S7-300PLC控制系统：西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。

3.1.2 软件介绍

西门子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。

西门子WinCC监控组态软件：S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

图1 源控制屏示意图

3.2 系统总貌图

图2 实验室高级过程控制系统实物仿真

4、设计方案的控制流程图和电气原理图

4.1 水箱液位串级控制系统的结构图设计

本实验以液位为控制目标，

所以以水箱液位为主控参数、进

水流量为副被控参数

Lsp：液位设定值

LC：液位控制器

FC：流量控制器

LT：水压力变送器

FC：流量变送器

图3 水箱液位流量串级控制系统的结构图

4.2 水箱液位串级控制系统框图的设计

水箱液位流量控制系统图如图3所示，在这里，执行机构是水泵，由PLC经过PID 算法后控制变频器以控制水管里的水流量，控制水箱的水位。该系统有两个控制回路：主控制回路为液位控制，副控制回路为流量控制，主副调节器串联工作，其中液位控制有独立的给定值Lsp，它的输出值作为副调节器的设定值，副调节器的输出值控制执行器（变频器），以改变主参数OUT。

外环为液位环

内环为流量环

Gfc：液位控制器

Gfc：流量控制器

Gm1：水压力变送器

Gm2：流量变送器

控制阀：变频器和水泵

Gp：水箱

图4水箱液位流量串级控制系统框图

4.3 电气原理图的设计

图5 液位流量制系统电气原理图

5、系统工作原理

5.1 水箱工作原理

水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路的调节器称主调节器，控制对象为水箱，水箱的液位为系统的主控制量，副控制回路中的调节器称副调节器，流入水箱的流量作为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接调节电磁阀的转速，改变进入水箱的泵的流量，从而达到控制水箱液位的目的；在该控制系统中，由于水箱存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。采用一步整定法，通过WINCC 组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。

5.2 PID控制工作原理

比列环节对过程的影响：比例度δ越大，放大倍数Kc越小，最大偏差增大，调节周期增长，稳定性增加；

积分环节对过程的影响：Ti越小，克服余差的能力提高，最大偏差减小，调节周期缩短：但是过渡过程震振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，振荡倾向就越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡。

微分环节对过程的影响：主要是对控制系统的振荡的抑制，改善调节过程中的动态特性，克服滞后，通常和比例、比例微分配合使用。

比例度越大，放大倍数越小，积分时间越长，积分作用越弱，微分时间越长，微分作用越强

6、软件流程图及程序的编写

这是一个将int型数据变换为real型数据的

变换，为数据的变换做准备，保存为FC1

PLC的AI模块的PIW256对应的是液位的检测，将检

测值送入PLC内

将PIW256口的数据变换为real型

由于采集来的数据可能为负数，通过该

语句将小于0的数据过滤掉

将过滤后的数据转化为0~100之间的数

据，即用采集来的数据乘于系数0.003617。

最后将值保存到MD24中

PLC的AI模块的PIW260对应的是流量

的检测，将检测值送入PLC内

将PIW260口的数据变换为real型

由于采集来的数据可能为负数，通过该语句将小于0的数据过滤掉

将过滤后的数据转化为0~100之间的数据，即用采集来的数据乘于系数0.003617。最后将值保存到MD36中

这是液位控制环的PID控制器的设计，其中SP 为液位给定信号，我们通过计算机设定，设定值存放在MD50中；PV为控制变量（即液位检测、反馈），数据存放在MD24中，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，送给负环，作为流量环的输入

这是流量控制环的PID控制器的设计，其中SP为液位环的输出，存放在MD28中，PV为

控制变量（即流量的检测、变送），存放在MD36

中，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经

过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出

信号LMN经过PLC的D/A转换成4~20mA的

模拟电信号后输出到变频器的输入，通过变换水

泵的频率以控制进水的流量，使水箱的液位保持

设定值。

水箱的液位经过水压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成液位环的控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。

执行机构是变频器，由PLC经过PID算法后控制它的输出以控制水管里的水流量，控制水箱的水位。它有两个PID回路，分别是PID1和PID2。PID1为液位环（外环），控制水箱的液位，它的输出值作为PID2的设定值，PID2控制水箱的流量。

7、上位机画面制作

在上位机控制画面制作前，先将PLC接入电路，导入PLC事物的各模块

参数如左图

将PLC接入MPI网络中

将应用到的各变量与程序中的存

储器对应起来，注意个变量的类

型

上位机的控制画面的制作：

在控制画面里面选择各变量的显示形式、显

示类型

其中手动开关设置为鼠标点左键

液位输出有两种形式，数字显示和图像显示

其他变量采用对应的文本显示

点击运行按钮则就可以运行了

注意：如果监控画面没有借到MPI网监控画

面就是深黑色，正常情况下是浅黑色

左图为液位设定原始为25（第一处），达到

平衡后经阶跃跳变为15后（第2处），再次进入

平衡，然后通过外部加水，外部干扰（第3处），

出现扰动，通过自动调节进入平衡。

8、PID参数整定

8.1 串级控制回路系统的优点

串级控制回路系统增加了副回路，使性能得到改善，表现在以下几个方面：

1 能迅速克服进入副回路扰动的影响。定性分析：当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值作用及时调节操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减少。即副环回复对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。因此，串级控制系统能够迅速克服进入副环扰动的影响，并使系统余差大大减小。

2 串级控制系统可以串级控制、主控和副控等多种控制方式，主控方式是切除副回路，以主被控变量作为被控变量的单回路控制；副控方式是切除主回路，以副被控变量作为被控变量的单回路控制。因此，在串级控制系运行过程中，如果某些部件发生故障．可灵活地进行切换；减少对生产过程的影响。

8.2 串级控制系统的作用

1 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 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 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. 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。

8.3 监控画面参数的调节

在实验中各个变量与监控画面对应，各变量的参数都可以在监控画面里修改。针对本次的液位流量串级控制系统可用以下步骤对PID参数整定：1）根据副变量的类型，按

经验数据选择好副控制器的比例度；2）将副控制器参数置于经验值，然后按单回路控制系统中任一整定方法整定主控制器参数；3）观察控制过程，根据主、副控制器放大系数匹配的原理，适当调整主、副控制器的参数，使主变量控制质量最好；4）若出现振荡，可加大主（或副）控制器的比例度，即可消除。如出现剧烈振荡，可先转入遥控，待产生稳定之后，重新投运和整定。

本供水系统的设定值是水箱满水位的25%时的水位，过程变量是水压力传感器检测液位值和涡轮流量计测流值，输出是作为电动系统的电动机和水泵，可以允许最大值的0%到100%，设定值可以预先设定后直接输入回路表中，过程变量是一个单极性的模拟量，回路输出值也是一个单极性的模拟量，用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是0.0到1，分辨率是1/32000.

本工程的特点是在系统中，水泵的机械惯性比较大，故系统主要用比例和积分控制。其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。实际上，还需要一些调整，以达到最优化控制效果。初步确定的增益和时间常数为

Kc=1

Td=20s

Ti=5min

系统启动时关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的25%，然后打开出水口，同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：I1.0位控制手动到自动的切换，off代表手动，on代表自动。当工作在手动方式下，可以把水泵的速度直接写入回路表中的输出寄存器，本设计程序采用自动控制方式，其中，OB1的功能是PLC初次运行时初始化程序并进行下面的试验。

I1.0等于0时进行PID自动控制，并把PID运算的输出值送到PQW272中，从而控

9、结果

1通过本次水箱液位流量串级控制系统的设计不难看出所采用的串级控制方案很好地克服了双容对象的容量延迟对液位控制的不利影响，取得了较好的控制效果。通过上位机

监控组态界面的设计，使整个系统的运行和控制状态更直观。目前，控制系统通过调试运行，系统运行情况良好。

2我们还可以明确单回路控制技术并非适用一切，对于时间常数较大、存在时间滞后、系统有较大干扰的情况，单回路控制系统的调节质量难于保证。必须改进控制方式，而串级控制系统能较大的解决这一问题，串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器，总放大倍数增大，系统的扰干扰能力增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。

3和单回路控制系统相比较，串级控制系统有以下特点：1）改善了对象的特性—在串级控制系统中，如把副回路视为一等效副对象，那么，它的时间常数和放大系数都比原副对象的小。对象时间常数减小，系统的响应速度将加快，这对及时克服干扰，提高控制质量是有利的；2）提高了系统的工作频率—在串级控制系统中，由于等效副对象时间常数比原副对象的小。因此，在采用串级控制时系统的工作频率就比采用单回路控制时为高（在相同衰减比下）。这对及时克服干扰、消除偏差、提高控制质量是有利的；3）提高了系统的抗干扰能力—和单回路控制系统相比，串级控制系统中有两台控制器，这就提高了控制器的总放大系数，系统中控制器的放大系数越大，克服干扰就越有力，特别当干扰落在副回路内时，由于响应快、控制及时，大大提高了系统的抗干扰能力；4）具有一定的自适应能力—在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随主控制器的输出而变化的。主控制器可以根据操作条件和负荷的变化，不断地调整副控制器的给定值，从而保证在负荷和操作条件变化时，控制系统仍然具有较好的品质，这就提高了系统对负荷和操作条件变化的适应能力。

通过这次PLC课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了PLC 基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。

在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。还有，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理以及编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。