基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计0411

基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计

摘要

本次毕业设计的课题是基于WINCC的水箱水位串级控制系统的设计。在设计中充分利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能、计算机技术、通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。并结合STEP 7环境编程的便利性，采用可靠的现场总线接口建立WINCC和WINCC、双容水箱之间的数据通讯。利用WINCC开发服务器端画面，在WINCC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。借助数据采集模块﹑WINCC组态软件和PID控制算法，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。

关键词：双容水箱；水位控制；WINCC组态软件；PID控制算法

ABSTRACT

The graduation design subject is based on WINCC double let water level cascade control system design. In the design make full use of WINCC human-computer interface, data collection function, the computer technology, the communication technology and the automatic control technology, so as to realize the water level of the cascade control. And combined with STEP 7 environment of the convenience of programming, the reliable field bus interface build WINCC and WINCC, double let water tank of data communication between. Use WINCC development server picture, in WINCC client environment write control program, and finally achieve the water level to the precise control. Drawing on data acquisition module, WINCC configuration software and PID control algorithm, the design and form a remote computer process control system, complete control system experiment and analysis. Methods using simple, reliable, and can be widely used in industrial production process of liquid level control problem. This system can also meet the needs of the factory for the control system, and has huge application prospect.

Key words: double let water tank; the liquid level control; siemens S7-400 WINCC; WINCC configuration software; PID control algorithm

第一章水箱水位控制系统简介

1.1 系统组成

水箱水位控制系统装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V恒压供水）不锈钢磁力驱动泵、压力仪表、西门子气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、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

1.1.1 被控对象

被控对象由不锈钢储水箱、上、中串接圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管道等组成。

(1)水箱：

包括上水箱、中水箱和储水箱。上、中水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直能接观察到水位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm,H=20 cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的水位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和水位进行检测和变送。上、中水箱可以组合成一阶、二阶回路水位控制系统和双闭环水位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

（2）管道及阀门：

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。

1.1.2 电源控制台

电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

1.1.3 总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

1、直流电源：采用直流稳压电源，给主控单元和DP从站供电。

2、控制站：控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。

1.1.4 系统特点

被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的水位、压力及流量等典型参数。

本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。

真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。

执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。

能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。

各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。

1.1.5 系统软件

系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS 的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC V6.0，上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。

2.2 双容水箱控制系统结构

双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的水位h1和h2作为被控量。水箱里水位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。双容水箱系统结构如图1所示。

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