水箱液位控制系统

过程控制综合训练

课程报告

16 — 17 学年第二学期课题名称基于PLC和组态王的

系统

姓名

学号

班级

成绩

水箱液位控制系统

[摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。

关键词：过程控制液位控制 PID控制

Abstract:In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production system and so on. According to the requirement of project, we need design a liquid level process control system for a single tank which make the liquid level on the constant height.

Key words: Process Control Liquid Level Control PID Control

一、系统建模

如图所示，单容液位过程只有一个储液箱。流入量为Q1，由进水阀的开度μ控制Q1的大小；流出量为Q2，随下游工序的需要而变化，其大小由出水阀的开度控制；在出水阀开度不变的情况下，液位h 越高，储液箱静压越大，流出量Q2越大。下面分析进水阀的开度μ与液位h 之间的动态关系，建立该单容水箱的数学模型。

图1-1 单容水箱模型

根据动态物质平衡关系可得：

其中

设稳态时变量为：

各变量相对稳态的增量为：

由 的增量形式可得： 12121()dv Q Q dh Q Q dt dt A V A h ⎫=-⎪⇒=-⎬⎪=⋅⎭1=Q K μμ⋅h k Q =210200001020,,,0Q Q h dh Q Q A h dt

μ-==⇒不变0111022200,,h h h Q Q Q Q Q Q μμμ∆=-∆=-∆=-∆=-121()dh Q Q dt A

=-

得到：

令

则有

取拉氏变换得：

由上述可知，单容水箱系统为一阶惯性系统，其中时间常数T 是表征液位过程响应快慢的重要参数。

二、系统设计

2.1系统总体设计

恒液位水箱控制系统是一个闭环负反馈控制系统，将给定输入和实际输出相比较，得到的误差经PID 控制器计算后送给D/A ，经过D/A 转换后得到0～10V 的电压来控制变频器的频率，以此来控制电动调节阀的开度达到控制液位的目的。液位经过传感器转换成4～20mA 的电流信号在经过A/D 转换反馈至输入端，这样就形成了一个闭环控制系统，当液位过高时，控制输出减小，当液位过低时，控制输出增大，以此来达到恒液位控制。

1211221d h Q Q A dt Q K Q h Rs μμ⎫∆∆-∆=⎪⎪⎪∆=∆∆∆⎬⎪⎪∆=∆⎪⎭消Q ,Q 中间变量1s s d h K h A Rs dt d h AR h K R dt μμμμ∆∆-∆=∆+∆=∆S

S R K K AR T μ==,μ∆=∆+∆K h dt h d T )()()(s K s H s sTH μ=+1

)()(+=Ts K s s H μ

图2-1液位控制系统总体框图

2.2 D/A 模块设计

2.2.1端子接线

本模块采用电压输出方式，故接线图如图2-2所示。

图2-2 D/A 模块端子接线图 图2-3 输入输出特性

其输入输出特性如图2-3所示，当输入数字范围为0～4000时，输出模拟电压为0～10V ，且成线性关系。

2.2.2 编程设计

图2-4 D/A 转换程序

PID D/A 变频器电动阀0~10V 0~50Hz 输出液位A/D 传感器

4~20mA _给定输入

如图2-4所示，首先将D10寄存器中的数值传到辅助继电器（M100～M115）中，然后写低8位数据并保持，接着写高4位数据并保持，最后执行D/A转换，输出0～10V电压。

2.3变频器设置

2.3.1 接线

因为本次设计只用到了正转功能，所以只连接了STF端和COM端，电压输入并联在2和5端口来控制频率输出。接线图如图2-5所示。

图2-5 变频器接线图

2.3.2变频器参数设置

参数79可以用来设置变频器运行模式，其中79-1为固定PU运行模式，即所有指令通过控制面板输入；79-2为固定外部运行模式，即所有指令通过外部输入；79-3为组合运行模式1，启动指令通过外部控制，而频率通过面板上的旋钮来控制；79-4为组合运行模式2，其启动指令通过控制面板上的RUN来发出，而频率则通过外部模拟量来控制，如图2-6所示。本次设计采用79-2固定外部运行模式。