基于西門子s7-200的水箱液位控制課程設(shè)計(編輯修改稿)
2024-10-02 14:25 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱 PLC）。引入 PLC 使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。 目的 ： 掌握西門子 S7200 的 PID 功能（使用 PID 向?qū)В? 熟悉經(jīng)典的 PID 的參數(shù)，其中包括比例 P、積分 I、微分 D，并學(xué)會通過控制結(jié)果的趨勢圖 對 PID 參數(shù) 進行 在線調(diào)節(jié) 熟悉溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器與模擬量模塊的接線方式，以及如何構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng) 基本任務(wù) 圖 水箱液位控制圖 這是一個單回路反饋控制系統(tǒng) ,控制的任務(wù)是使水箱的液位等于給定值 ,減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。用液位參數(shù)為被控對象。交流電動機帶動泵通過入水閥門向上 水箱供水 ,出水閥門同時向外排水 ,令入水的速度大于出水的速度 ,達(dá)到被控參數(shù) (液位 )的動態(tài)調(diào)整。 東 北 大 學(xué) 秦 皇 島 分 校 課 程 設(shè) 計 用 紙 4 第三章 設(shè)計基礎(chǔ)儲備 建模過程 系統(tǒng)示意圖如圖 31 所示： 圖 單容液位水箱示意圖 其具體的建模過程為：被控過程的數(shù)學(xué)模型就是液位高度 h 與流入量 Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，有： 12 dhQ Q A dt?? 寫成增量形式： 12 dhQ Q A dt?? ? ? ? …… 1 式中， 1Q? 、 2Q? 和 h? 分別為偏離某平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 和 0h 的增量， A 為水箱的橫截面積。 靜態(tài)時應(yīng)有 12? ， 0dhdt? 。 1Q 發(fā)生變化，液位 h 也隨之變化，使水箱出口處靜壓力發(fā)生變化，因此 2Q 也發(fā)生變化，與 h 的近似線性關(guān)系為： 2 2hQ R??? ………… 2 東 北 大 學(xué) 秦 皇 島 分 校 課 程 設(shè) 計 用 紙 5 式中， R2 為閥門 2 的阻力系數(shù)，稱為液阻。將 2 兩式整理得： 2 2 1dhR A h R Qdt? ? ? ? ? 經(jīng)拉氏變換，得單容液位過程傳遞函數(shù)為： 020 1 2 0()() ( ) 1 1KRHsWs Q s R C s T s? ? ???………… 3 式中， 0K 為過程放大系數(shù)， 02KR? ； 0T 為過程的時間常數(shù)， 02T RC? ； C為過程容量， CA? 。 式 3 為一階傳遞函數(shù)，可知單 容水箱液位控制系統(tǒng)為一階慣性系統(tǒng)。 實驗設(shè)備介紹 PLC 系統(tǒng) 西門子 S7200系列 PLC以其極高的可靠性、 豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能實時特性、強勁的通信能力、豐富的擴展模塊而適用于各行各業(yè)各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化，其強大功能使其無論獨立運行或連成網(wǎng)絡(luò)皆能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控功能。 S7— 200系列 PLC 在集散自動化系統(tǒng)中發(fā)揮其強大功能，使用范圍從替代繼電 器 的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及 民用領(lǐng)域，包括水電、核電、火電、各種輸電、用電設(shè)施，各種機床、機械，環(huán)境保護設(shè)備及運動系統(tǒng)等。 SIMATIC S7— 200PLC 系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元（ CPU 模塊）、擴展單元（接口模塊）、編程器、通信電纜、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。 （ 1）基本單元（ CPU） S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)字量 I/O點集成在一個緊湊的封裝中，組成了一個功能強大的 PLC。 CPU 的主要功能使進行邏輯運算及數(shù)學(xué)運算，并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。 本設(shè)計用到的 cpu 模塊為 CPU 224 XP （ 2） 擴展模塊 EM231 EM231是 4個模擬量輸入模塊，直接與液位傳感器的輸出端連接，實時采集液位高度。 （ 3） 擴展模塊 EM232 EM232模塊式 2個模擬量的輸出模塊，與變頻器連接，將 PID 運算結(jié)果送到變頻器，控制變頻器頻率從而控制上水電機轉(zhuǎn)速。 采用 SACJGK 2型過程控制實驗裝置，其中用到了其中的下水箱、 HB26S 液位變送器、 LZB25轉(zhuǎn)子流量計、射流式白吸泵。 PowerFlex40變頻器 用于后向通道，通過控制變頻器來控制電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對進水量的控制，從而最終實現(xiàn)對 液位控制的目的。 PID 控制算法 、模擬 PID 控制系統(tǒng)組成 東 北 大 學(xué) 秦 皇 島 分 校 課 程 設(shè) 計 用 紙 6 圖 模擬 PID控制系統(tǒng)原理框圖 、模擬 PID 調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù) PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。 PID 調(diào)節(jié)器的微分方程 ?????? ??? ? t DIP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( 式中 )()()( tctrte ?? PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) ?????? ???? STSTKSE SUSD DIP11)( )()( 、 PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用 1. 比例作用 (P) 比例控制作用是最基本的控制規(guī)律。它能較快的克服擾動影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。比例控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響如下： （ 1） 對動態(tài)性能的影響 :比例控制 參數(shù) Kc 加大，使系統(tǒng)的動作靈敏， 速度加快； Kc 偏大， 振蕩次數(shù)加多， 調(diào)節(jié)時間加長； 當(dāng) Kc 太大時 ， 系統(tǒng)就會趨于不穩(wěn)定； 若 Kc 太小， 又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 （ 2） 對穩(wěn)態(tài)性能的影響： 加大比例控制系數(shù) Kc， 在系統(tǒng)穩(wěn)定 的情況下， 可以減小穩(wěn)態(tài)誤差 Es s， 提高控制精度； 但是加大 Kc只是減少 Ess， 卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率 )，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 2. 積 分作用 (I) 積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用， 構(gòu)成 PI 控制或 PID 控制。其中 PI 控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的一種
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