上水箱液位与进水流量串级控制系统 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。
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。
关键词：PLC 控制；变频器；PID 控制；Wincc 组件；上位机
目录 上水箱液位与进水流量串级控制系统 ................................................................................... 1 摘要 ........................................................................................................................................... 1 1.过程控制系统简介 ............................................................................................................... 4 1.1 过程控制介绍 ................................................................................................................ 4 1.2 串级控制系统的组成 ................................................................................................. 4 1.2.1 硬件介绍 ............................................................................................................... 4 1.2 电源控制台 ................................................................................................................. 6 1.3 总线控制柜 .................................................................................................................. 6 1.4 软件介绍 ....................................................................................................................... 7 1．6 系统貌图 .................................................................................................................. 7 2．串级控制系统简介 ............................................................................................................. 8 2.1 液位串级控制系统介绍 ................................................................................................ 8 2.2 串级控制系统的概述 ................................................................................................. 8 2.3 串级控制系统的工作过程 ............................................................................................ 8 2.4 系统特点及分析 ........................................................................................................... 9 2.5 串级控制系统的整定方法 ........................................................................................... 9 2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 .................................................. 10 2.7 PID 控制工作原理 .................................................................................................... 10 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 ........................................................................... 1 3.6 实验设备： ............................................................................................................... 11 液位-流量串级控制系统的结构框图 ..................................................................... 11 系统工作原理 ........................................................................................................... 11 控制系统流程图 ....................................................................................................... 12 实验过程 ................................................................................................................... 13 实验结果分析 ........................................................................................................... 15 整定过程分析 ................................................................................................... 15 扰动下的响应分析 ........................................................................................... 16 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响 ........................... 16 主、副调节器采用不同 PID 参数时对系统动态性能的影响 ....................... 19 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4
结 ......................................................................................................................................... 25 参考文献 ................................................................................................................................. 26
1.过程控制系统简介 1.1 过程控制介绍 现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展， 生产过程也随之日趋复杂， 而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、 可靠性要求以及对生态环境保 护的要求却越来越高。
不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益 都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。
因此继续采用常规的调节仪表（模拟 式与数字式） 已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。
由于计算机具有运算 速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点， 目前以 微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备， 正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。
在控制系统中引入计算机， 可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等 功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。
在系统中，由于计算机只能处理数 字信号， 因而给定值和反馈量要先经过 A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入 计算机。
当计算机接受了给定值和反馈量后， 依照偏差值， 按某种控制规律 （PID） 进行运算， 计算结果再经 D/A 转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机 构，从而完成对系统的控制作用。
1.2 串级控制系统的组成 实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。
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。
1.2.1 硬件介绍 1.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。
模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组 成。
做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的 温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管：长 37 米（43 圈） ，可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温 度检测点，因而有两个不同的滞后时间。
管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用球阀，彻 底避免了管道系统生锈的可能性。
2.检测装置: 压力传感器、 变送器：采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器 和工业用的扩散硅压力变送器， 扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用 信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
温度传感器：本装置采用六个 Pt100 传感器，分别用来检测上水箱出口、锅 炉内胆、 锅炉夹套以及盘管的水温。
六个 Pt100 传感器的检测信号中检测锅炉内 胆温度的一路到 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的温度变送器， 直接转化成数 字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成 4～ 20mADC 电流 信号。
流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管 出口支路的流量进行测量。
本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路 及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。
3. 执行机构: 调节阀：采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的气动调节阀，用来进行控 制回路流量的调节。
它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可 靠性高、操作方便等优点。
变频器：本装置采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器，其输 入电压为单相 AC220V，输出为三相 AC220V。
水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 32 升/分，扬程为 8 米，功率为 180W。
可移相 SCR 调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为 4～20mA 标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀 型号为：2W-160-25 ；工作压力：小压力为 0Kg/㎝ 2，大压力为 7Kg/㎝ 2 ； 工作温度：－5～80℃。
4、控制器: 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7-300 CPU，型号为 315-2DP，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 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。
CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP 通讯功 本 能的 DP 通讯接口。
5、空气压缩机 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信号。
SA-01 电源控制屏面板：合上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空气开关即可相应电源输出，作为其他设备的供电电源。
1.3 总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成： (1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频 AC220V 转换为 DC24V，给主 控单元和 DP 从站供电。
(2) 控制站：控制站主要包含 CPU、以太网通讯模块、DP 链路、分布式 I/O DP 从站和变频器 DP 从站构成。
(3) 温度变送器： PA 温度变送器把 PT100 的检测信号转化为数字量后传送给 DP 链路。
