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正文內(nèi)容

基于plc的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

2024-10-01 15:16 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高,特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 課題研究的主要內(nèi)容 ( 1)一個(gè)系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的控制效果,其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)闹匾? 4 直接關(guān)系到控制結(jié)果的正確與否。 ( 2)控制方案的選取,一個(gè)好的方案會(huì)讓系統(tǒng)更加完美,所以方案的選取也非常重要。 ( 3)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定,一個(gè)系統(tǒng)有了好的方案,但是如果參數(shù)整定錯(cuò)誤那也是功虧一簣。 2. 控制方案設(shè)計(jì) 因?yàn)?液位高度和水箱底部的水壓成反比,故可用一個(gè)壓力傳感器來檢測水箱底部壓力,從而確定液位高度。要控制水位恒定,可用 PID 算法對水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),把壓力傳感器檢測到的水位信號 4~20mA送入 PLC中,在 PLC中對設(shè)定值和檢測值的偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算,用運(yùn)算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)水量 [7]。 系統(tǒng)啟動(dòng)后,液位變送器檢測液位值 ,檢測后將檢測到的液位信號傳送給 PID控制器,控制器根據(jù)液位情況來控制水泵的轉(zhuǎn)速。水箱液位值小于設(shè)定值時(shí),水泵轉(zhuǎn)速增加,水箱注入水量增加,水箱液位逐漸上升到設(shè)定值;水箱液位大于設(shè)定 值時(shí),調(diào)節(jié)閥開度減小,水箱注入水量減小,水箱液位逐漸降低到設(shè)定值, 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)啟動(dòng),打開水箱的出水閥,水泵電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速來控制進(jìn)入水箱的水流量,調(diào)節(jié)手段是通過將液位傳感器檢測到的電信號送入 PLC中,經(jīng)過 A/D變換成數(shù)字信號,送入數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器中,經(jīng) PID算法后將控制量經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換 成水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的電信號送入水泵電機(jī)來控制通道中的水流量。 當(dāng)水箱的液位小于設(shè)定值時(shí),液位傳感器檢測到的信號小于設(shè)定值,設(shè)定值液位變送器 PLC 變頻器 水泵 水箱 5 與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號給水泵電機(jī),使其轉(zhuǎn)速增大,以使通道里的水流量變大,增加水箱里的進(jìn)水量,液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí),設(shè)定值與控制變量平衡, PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零,水泵電機(jī)就維持在那個(gè)轉(zhuǎn)速,流量也不變,同時(shí)水箱的液位也維持不變。 當(dāng)水箱的液位大于設(shè)定值時(shí),液位傳感器檢測到的信號大于設(shè)定值,設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運(yùn)算后即輸出控制信號給水泵電機(jī),使其轉(zhuǎn)速減小,以使通道里的水流量減小,減小水箱里的進(jìn)水量,液位降低。當(dāng)液位降低到設(shè)定高度時(shí),設(shè)定值與控制變量平衡, PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零,水泵電機(jī)就維持在那個(gè)轉(zhuǎn)速,流量也不變,同時(shí)水箱的液位維持不變, 系統(tǒng)原理圖 如圖 2所示 [8]。 圖 2 系統(tǒng)原理圖 單容水箱對象特性 所謂單容過程,是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。本文研究的是有自衡能力的貯蓄過程,以下簡稱自衡過程。 所謂自衡過程,是指過程在擾動(dòng)作用下,其平衡狀態(tài)被破壞后,不需要操作人員或儀表等干預(yù),依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。 自衡過程的建摸: 進(jìn)水口 閥門 水箱 液位傳感器 水泵 PLC 變頻器 出水口 6 單容水箱液位被控過程中,其流入量 1Q ,改變閥 1 的開度可以改變 1Q 的大小。其流出量為 2Q ,它取決于用戶的需要,改變閥 2 開度可以改變 2Q 。液位 h的變化反映了 1Q 與 2Q 不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程 。 若 1Q 作為被控過程的輸入變量 , h 為其輸出變量 ,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是 h 與 1Q 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式, 水箱水位控制模型 如圖 3所示 ,液位控制過程階躍響應(yīng)如圖 4所示。 圖 3 水箱水位控制模型 (a) (b) 圖 4 液位被控過程及其階躍響應(yīng) 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平 衡關(guān)系有 dtdhA ?? 21 將公式( 1)表示成增量式為 dthdA ?????21 1Q1 h 1 2 2Q X t t 0 0 h( t) ( 1) ( 2) 7 式中: 1Q? 、 2Q? 、 hd? —— 分別表示和某個(gè)平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 、 0h? 的偏差; A—— 貯蓄截面積。 在靜態(tài)時(shí), 21 ? ;當(dāng) 1Q 變化的時(shí)候, h 同時(shí)也變化,水箱出口處的靜壓也變化, 2Q 也發(fā)生變化。 2Q 與 h成正比,與閥 2阻力 2R 成反比, 22 RdhQ ?? 式中: 2R —— 閥 2的阻力,稱為液阻。 為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型,需消去中間變量 2Q 。消去中間變量的方法很多,如可用代數(shù)代換法,可用信號流圖法,也可用畫方框圖的方法。這里,介紹后一種方法。 將式( 2)、式( 3)拉氏變換后 ,畫出方框圖如圖 5所示。 c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s ) 圖 5 方框圖 單容液位過程的傳遞函數(shù)為 11)( )()( 0 01 210 ????? sT KCsR RsQ sHsW ( 4) 式中: 0T —— 過程的時(shí)間常數(shù), CRT20 ?; 0K —— 過程的放大系數(shù), 20 RK? ; C—— 過程的容量系數(shù),或稱過程容量。 被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力,其貯存能力的大小,稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是:引起單位被控量變化時(shí)被控過程貯存兩變化的大小。 從上述分析可知,液阻 2R 不但影響過程的時(shí)間常數(shù) 0T ,而且還影響過程的 ( 3) 8 放大系數(shù) 0K ,而容量系數(shù) C僅影響過程的時(shí)間常數(shù) [9]。 3. 硬件配置 一個(gè)系統(tǒng)硬件的選配很重要,本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括控制單元、檢測單元和執(zhí)行單元。 控制單元 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。在液位控制系統(tǒng)中一般使用的是智能儀表或可編程控制器。在這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的是西門子 S7200系列的 PLC, CPU型號為 224,其 結(jié)構(gòu)簡單,使用靈活且易于維護(hù) ,且具有以下特點(diǎn): (1) CUP芯片已升級到 Intel80486,或采用 Pentium處理器,有極快的處理速度掃描速度為 ; (2) 采用模塊化設(shè)計(jì),能夠按照積木方式進(jìn)行系統(tǒng)配置,功能擴(kuò)展靈活方便; (4) 有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能,可將多個(gè) PLC連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成完整的過程控制系統(tǒng)
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