過程控制課程設計---單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　過程控制系統(tǒng)課程設計</p><p>　　專 業(yè)： 自 動 化 </p><p>　　設計題目：單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設計 </p><p><b>　　電氣工程學院</b></p><p>　　一、課程設計任務書 </p><p

2、><b>　　1. 設計內容</b></p><p>　　針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設計內容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。</p>&

3、lt;p><b>　　2. 設計要求</b></p><p>　　1）以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調節(jié)閥作為執(zhí)行器構成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。</p><p>　　2）PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調量≤15%，穩(wěn)態(tài)誤差≤±

4、0.1；調節(jié)時間ts≤10s；</p><p>　　3）組態(tài)測控界面上，實時設定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；并能顯示歷史曲線。</p><p>　　4）選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)；</p><p>　　5）通過S7-200PLC編程軟件St

5、ep7實現(xiàn)PLC程序設計與調試；</p><p>　　6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應的結論；</p><p>　　7）設計完成后，提交打印設計報告。 </p><p><b>　　3. 參考資料</b></p><p>　　1）邵裕森,戴先中主編.過程控制工程(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2003</p&

6、gt;<p>　　2）崔亞嵩主編.過程控制實驗指導書（校內）</p><p>　　3）廖常初主編.PLC編程及應用(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2007</p><p>　　4）吳作明主編.工業(yè)組態(tài)軟件與PLC應用技術.北京:北京航空航天大學出版社.2007</p><p>　　4. 設計進度（2011年12月5日至2011年12月19日）<

7、/p><p>　　5. 設計時間及地點</p><p>　　設計時間：上午：8：00～11：00</p><p>　　下午：1：00～4：00</p><p>　　晚上：6：00~9：00</p><p>　　設計地點：新實驗樓，過程控制實驗室（310）</p><p><b>　　機房（

8、323）</b></p><p><b>　　二、評語及成績</b></p><p><b>　　課程設計成績：</b></p><p><b>　　指導教師：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><

9、p>　　第一章 課程設計內容與要求分析1</p><p>　　1.1 課程設計內容1</p><p>　　1.2 課程設計要求分析1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組態(tài)設計2</p><p>　　2.1 MCGS組態(tài)軟件概述2</p><p>　　2.2 設備配置3</p><p

10、>　　2.3 新建畫面3</p><p>　　2.4 設備連接10</p><p>　　第三章 PLC設計14</p><p>　　3.1 PLC概述14</p><p>　　3.2系統(tǒng)PLC設計15</p><p>　　第四章 單容水箱液位恒值系統(tǒng)數(shù)據(jù)調試20</p><p>

11、;　　4.1 等幅震蕩20</p><p>　　4.2 P調節(jié)器20</p><p>　　4.3 PI調節(jié)器21</p><p>　　4.4 PID調節(jié)器22</p><p>　　第五章 課程設計總結24</p><p><b>　　參考文獻25</b></p><

12、p>　　第一章 課程設計內容與要求分析</p><p>　　1.1 課程設計內容</p><p>　　針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設計內容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，

13、實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。</p><p>　　1.2 課程設計要求分析</p><p>　　1、以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調節(jié)閥作為執(zhí)行器構成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。</p><p>　　2、PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調量20%，穩(wěn)態(tài)誤

14、差≤±0.1；調節(jié)時間ts≤60s；</p><p>　　3、組態(tài)測控界面上，實時設定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；</p><p>　　4、選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)；</p><p>　　5、通過S7-200PLC編程軟件Ste

15、p7實現(xiàn)PLC程序設計與調試；</p><p>　　6、分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應的結論；</p><p>　　7、設計完成后，提交打印設計報告。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組態(tài)設計</p><p>　　2.1 MCGS組態(tài)軟件概述</p><p>　　MCGS(Monitor and Control Ge

16、nerated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用來可快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設備驅動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++語言編程，通過OLE技術向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅動件、動畫構件、策略構件，

17、用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。</p><p>　　工程創(chuàng)建的一般過程為： </p><p>　　工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。</p>&

18、lt;p>　　工程各項搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設定動畫刷新的周期。經過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。</p><p>　　設計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地

19、調度和控制，通常要在主控窗口內編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實際需要，隨時對菜單的內容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。</p><p>　　制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內“組合”成各種復雜的畫面。后一

20、部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。</p><p>　　編寫控制流程程序：在運行策略窗口內，從策略構件箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件（稱之為“腳本程序”功能構件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。</p><p>　　完善菜單

21、按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。</p><p>　　編寫程序調試工程：利用調試程序產生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。</p><p>　　連接設備驅動程序：選定與設備相匹配的設備構件，連接設備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內進

22、行。</p><p>　　在上位機工程的設計上，經過對實際工程的分析，主要設計的窗口是：液位控制，報警曲線直接加在其中。</p><p><b>　　2.2 設備配置</b></p><p>　　在組態(tài)界面中選擇新建的工程，雙擊進入組態(tài)王工程瀏覽器；選擇工程目錄區(qū)的設備中的COM1，雙擊右邊的新建按鈕進入設備配置向導，選擇PLC→亞控→仿真PL

23、C→COM,單擊下一步，為配置設備取名PLC1，單擊下一步。選擇設備串口COM1,一直單擊下一步完成設備配置。</p><p><b>　　2.3 新建畫面</b></p><p>　　我們在建立畫面之前先建立工程：</p><p>　　1．鼠標單擊文件菜單中“新建工程”選項，由于MCGS安裝在D盤根目錄下，則會在D：\MCGS\WORK\下自

24、動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序號。 </p><p>　　2．選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。 </p><p>　　3．在文件名一欄內輸入“過程控制單容水箱0845”，點擊保存按鈕，工程創(chuàng)建完畢。、</p><p><b>　　其實是新建畫面：</b></p>

25、<p>　　在MCGS組態(tài)平臺上，單擊“用戶窗口”，在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，則產生新“窗口0”，將其改名為“過程控制”，同理，建立“窗口1” “窗口2”將其改名為“歷史曲線” “退出”，見圖2-1選中“過程控制單容水箱0845”。</p><p>　　2-1過程控制單容水箱0845</p><p>　　單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”，將“窗口名稱”改為：

26、液位控制；將“窗口標題”改為：液位控制；在“窗口位置”中選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”，見圖2-2。</p><p><b>　　圖2-2 窗口屬性</b></p><p>　　選中剛創(chuàng)建的“液位控制”用戶窗口，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫制作窗口。 圖形對象放置在用戶窗口中，是構成用戶應用系統(tǒng)圖形界面的最小單元，MCGS中的圖形對象包括圖元對象、圖符對象和

27、動畫構件三種類型，不同類型的圖形對象有不同的屬性，所能完成的功能也各不相同。 為了快速構圖和組態(tài)，MCGS系統(tǒng)內部提供了常用的圖元、圖符、動畫構件對象，稱為系統(tǒng)圖形對象。如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 MCGS工具箱</p><p>　　通過MCGS工具箱畫出如圖2-4的界面：</p><p>　　圖2-4 動畫組態(tài)過程控制</p>&

28、lt;p>　　同樣“歷史曲線” “退出提示”中也是如上述繪畫，如圖2-5,2-6所示：</p><p><b>　　圖2-5 歷史曲線</b></p><p><b>　　圖2-6 退出提示</b></p><p>　　其中以設定值為例，在MCGS工具箱中選中畫出相應的長度，雙擊彈出“動態(tài)屬性設置”，在其中的“填充顏

29、色”選紅色，“邊線顏色”選紅色，“字符顏色”選黃色，如圖2-7所示：</p><p>　　圖2-7 動態(tài)屬性設置</p><p>　　在下面的“大小變化”前打對號，在其表達式中填入“SP”，在“最大變化百分比”中填入100，“表達式的值”中填入50，“變化方向”選擇向上，如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8 大小變化設置</p><p&

30、gt;<b>　　2.4 設備連接</b></p><p>　　在“實時數(shù)據(jù)庫”中建立多個對象，如圖2-9所示：</p><p>　　圖2-9 實時數(shù)據(jù)庫</p><p>　　雙擊“通用串口父設備”出現(xiàn)菜單，在“基本屬性”完成設置，如圖2-10所示：</p><p>　　圖2-10 基本屬性</p><

31、;p>　　再在“通用串口父設備”中雙擊s7200-[西門子S7-200PP]，點擊其中的“基本屬性”完成設置，如圖2-11所示：</p><p>　　圖2-11 基本屬性</p><p>　　同理，在“通道連接” “設備調試”中完成設置，如圖2-12，2-13所示：</p><p>　　圖2-12 通話連接</p><p>　　圖2-1

32、3 設備調試</p><p><b>　　第三章 PLC設計</b></p><p><b>　　3.1 PLC概述</b></p><p>　　我們這次PLC采用的是西門子s7-200，西門子S7-200系列適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡

33、皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 </p><p>　　S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： </p><p>　?。?）極高的可靠性 </p><p>　?。?）極豐富的指令集 </p><p><b>　　（3）易于掌握 </b></p><p>

34、　　（4）豐富的內置集成功能 </p><p><b>　?。?）實時特性 </b></p><p>　　（6）強勁的通訊能力 </p><p>　?。?）豐富的擴展模塊 </p><p>　　S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域

35、極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。 </p><p>　　S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。 </p><p><b>　　CPU單元設計：</b></p>

36、<p>　　集成的24V負載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器），CPU 221，222具有180mA輸出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分別輸出280，400mA?？捎米髫撦d電源。</p><p>　　本機數(shù)字量輸入/輸出點： </p><p>　　CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點，CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點，CPU 224具

37、有14個輸入點和10個輸出點，CPU 224XP具有14個輸入點和10個輸出點，CPU 226具有24個輸入點和16個輸出點。 </p><p>　　本機模擬最輸入/輸出點： </p><p>　　CPU 224XP具有2個輸入點，1個輸出點。 </p><p>　　中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。 </p><p&g

38、t;　　CPU 221/222具有4個高速計數(shù)器（30KHz），可編程并具有復位輸入，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為90°的A/B相增量編碼器。CPU224/224XP/226有6個高速計數(shù)器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226 可方便地用數(shù)字量和模擬量擴展模塊進行擴展?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對本機輸入信號進行仿真，用于調試用戶程序。CPU221/

39、222/224/224XP/226還具有脈沖輸出功能。2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。 </p><p>　　電池模塊用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 </p><p>　　STEP

40、 7-Micro/WIN32 V3.1編程軟件可以對所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能進行編程。同時也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1軟件包，但是它只支持對S7-21x同樣具有的功能進行編程。 </p><p>　　3.2系統(tǒng)PLC設計</p><p>　　VD400:測量值顯示單元；VD404：設定值顯示單元；VD408：輸出值顯示單元

41、取測量值并顯示和存放；設定給定值并存放；取輸出值并顯示；（PID指令回路表存放設定值和測量值），如圖3-1所示：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　清設定值，測量值，輸出值，比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)單元。如圖3-2所示：</p><p><b>　　圖3-2</b></p>

42、<p>　　置PID回路表首地址，置第0號PID。</p><p>　　設置采樣時間，存放積分前向初值，如圖3-3所示：</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　數(shù)/模轉換輸出前的工程量化：將VD5（標準化實數(shù)0.0-1.0）轉化為16位整數(shù)，并送模擬量輸出存儲區(qū)AQW0，實現(xiàn)數(shù)/模轉換。如圖3-4所示：&

43、lt;/p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　模/數(shù)轉換輸入后的工程量化：將第0路模/數(shù)轉換結果AIW0（16位整數(shù)）轉化為標準實數(shù)（0.0-1.0），并存入測量值單元VD400.如圖3-5所示：</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　第四章 單容水箱

44、液位恒值系統(tǒng)數(shù)據(jù)調試</p><p><b>　　4.1 等幅震蕩</b></p><p>　　設Kc=450，SP=10時，產生震蕩，如圖4-1所示：</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　4.2 P調節(jié)器</b></p>

45、<p>　　由圖4-1可知，=40s，KC=450，則， 由表3-7可得到，則，如圖4-2所示：</p><p><b>　　圖4-2</b></p><p>　　4.3 PI調節(jié)器</p><p>　　由表3-7可知，，則Kc=，</p><p>　　，則，如圖4-3所示：</p><p

46、><b>　　圖4-3</b></p><p>　　4.4 PID調節(jié)器</p><p>　　由表3-7可知，，則Kc=，</p><p><b>　　，則，</b></p><p>　　，則，如圖4-4所示：</p><p><b>　　圖4-4</

47、b></p><p>　　第五章 課程設計總結</p><p>　　通過這次課設我學到了很多在課堂上沒有學到的知識。一個組我們有七個人，但是我們每一個人都很努力的去完成這次課設。我們在每每遇到困難的時候我們組的每一個成員都是在絞盡腦汁的想辦法解決困難，也很感謝老師對我的引導和幫助，在我們著急想不出辦法的時候給我的一個很好的引導和告訴我們一些技巧，讓我們如黑夜里找到一絲光明一樣，如重釋

48、放的解決了一些難題。</p><p>　　我們這次課設做的是單容水箱液位恒值系統(tǒng)，因為是以前都是在課堂上聽著老師理論知識，所以我們還是第一次實踐加理論的來自己操作課設的數(shù)據(jù)。因為畢竟是實際操作，所以在第一個建立新工程時候就出現(xiàn)了一些問題，組建的分配和控制系統(tǒng)的運行，在這些方面我們有了一些爭議，但是還好我們組員及時發(fā)現(xiàn)了毛病，讓我們的課設時間減少了不少，沒有白用功。而在后面的分析數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)的時候也發(fā)生一些問題，

49、系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實驗的數(shù)據(jù)線突然震蕩特別明顯，表示體統(tǒng)不穩(wěn)定，而且再改動數(shù)據(jù)的時候輸出值和算出的數(shù)值不符。所以從新監(jiān)測了三四次才讓輸出值達到了穩(wěn)定的效果。</p><p>　　課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識﹑發(fā)現(xiàn)﹑提出﹑分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。 在大學三年半期間我們做過無數(shù)次的課設設計，其實每一次都是收獲每一次都是歷練，我們就在這些實踐中努力的成長收獲，

50、與團隊的合作這些我們都是要珍惜的。這些都是我在課設中所受益的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]邵裕森,戴先中.過程控制工程(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.2003</p><p>　　[2]崔亞嵩.過程控制實驗指導書（校內）</p><p>　　[3]廖常初.PLC編程及應用(