【正文】 ... 38 運(yùn)行和調(diào)試 ............................................................................................................ 39 MCGS 的監(jiān)控功能 ...................................................................................... 39 調(diào)試結(jié)果 ...................................................................................................... 41 總 結(jié) ................................................................................................................................. 43 致 謝 ................................................................................................................................. 44 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 45 附錄 1 數(shù)據(jù)采集程序 ...................................................................................................... 47 附錄 2 串級(jí)控制程序 ...................................................................................................... 49 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 課題的背景和意義 液位控制問(wèn)題與 人民的生產(chǎn)以及生活有著密切 的聯(lián)系。在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)對(duì)液位的檢測(cè)可以了解容器中的原料與成品之間的比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)液位的控制可以調(diào)節(jié)容器之中各種成分的比例，保持容器中的物料平衡。因此液位 是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)情況下，采用合適的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。 目前國(guó)內(nèi)外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理與方式也是各不相同，控制要求不高的情況下常用的有： （ 1） 液壓式水位控制閥 原理： 當(dāng)液位下降時(shí)，閥內(nèi)的彈簧受力減小，進(jìn)水閥芯打開(kāi)，自動(dòng)加水；隨著水箱內(nèi)的水位逐漸上升，閥門內(nèi)所受的壓力逐漸增大，當(dāng)水位上升到預(yù)設(shè)的液位時(shí)彈簧所受的力與閥內(nèi)所承受的壓力達(dá)到平衡，閥門自 動(dòng)停止加水。并可用作常壓鍋爐循環(huán)供水水箱的進(jìn)水控制閥。浮球水位控制器分為管式浮球與纜浮球，管式浮球適合清水及粘度不大的液體，纜浮球適合污水。采用組態(tài)軟件編制上位機(jī)控制界面和通過(guò) PLC 算法程序，組建接近于實(shí)際的控制系統(tǒng)。對(duì)液位控制系統(tǒng)，一般是在工作點(diǎn)附近線性化后再加以控制的，控制方法有 PID 控制、基于線性模型的模糊控制 ]5[ 、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ]6[ 等。水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用非常廣泛，可以把一個(gè)復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化成水箱液位控制系統(tǒng)來(lái) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 實(shí)現(xiàn)。 圖 11 雙容水箱模型 MCGS 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于 Microsoft Windows 98/Me/NT/2020 等操作系統(tǒng) 。 總體來(lái)說(shuō)， MCGS 軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。 “ MCGS 組態(tài)環(huán)境 ” 與 “ MCGS 運(yùn)行環(huán)境 ” 相互獨(dú)立，又緊密聯(lián)系，如圖 12 所示。 要完成一個(gè)工程就需要對(duì)五個(gè)窗口進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。主控窗口可以進(jìn)行工程的菜單設(shè)計(jì)，用于在運(yùn)行環(huán)境中打開(kāi)、關(guān)閉相應(yīng)的功能窗口。設(shè)備窗口還提供了虛擬設(shè)備，可以為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象提供波形數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證組態(tài)工程是否存在錯(cuò)誤。 （ 4） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是 MCGS 系統(tǒng)的核心，工程中的數(shù)據(jù)交換都要經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。 系統(tǒng)的其它部分通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。這些控制 功能是由通過(guò)編寫(xiě)控制程序 ， 選用功能構(gòu)建實(shí)現(xiàn)的。 在制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)中，存在著大量以數(shù)字量為主的邏輯控制，這些邏輯控制要求控制系統(tǒng)能夠按照一定的邏輯順序?qū)﹂_(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，并能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量的脈沖、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、開(kāi)關(guān)量、報(bào)警等信息進(jìn)行監(jiān)控和處理，在早期的控制中這些工作是通過(guò)繼電 接觸器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些缺點(diǎn)基本上都是由其復(fù)雜的邏輯電路引起的，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯部分，便能很好的克服這些缺點(diǎn)，可編程 邏輯控制器便因運(yùn)而生了。以西門 S7200PLC 為例 PLC 有以下五個(gè)部分 組成 ]9[ ： （ 1） 中央處理單元 （ CPU） 目前大中型 PLC 多采用 16 位或者 32 位的微處理器作為 CPU， CPU是 PLC 的核心部分， PLC 的控制功能是通過(guò) CPU運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)的。 ② 診斷電源電壓是否正常、 I/O 單元的連接是否正常、用戶程序是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤。 ④ 掃描用戶程序，對(duì)輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把得到輸出數(shù)據(jù)存入輸出印象寄存器。 （ 2） 存儲(chǔ)器單元 存儲(chǔ)器單元由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分組成 。 用戶程序存儲(chǔ)器：是用戶可以使用的存儲(chǔ)區(qū)域，用于存放用戶程序以及各種數(shù)據(jù)。電源可以通過(guò) PLC 的接口為負(fù)載提供 24V 的直流電源，但是其供電能力有限，不能 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 無(wú)限制的使用。 輸入單元將置于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器等傳來(lái)的數(shù)字 /模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換格式之后供給CPU處理；輸出單元?jiǎng)t是把 CPU提供的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電平輸送到現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行控制。 擴(kuò)展接口：用于連接擴(kuò)展模塊，為 PLC 提供更多的 I/O 接口，連接智能模塊，使PLC 具有更強(qiáng)大控制能力。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合便打破了這一禁錮。 PLC 具有以下特點(diǎn)： （ 1） 體積小，能耗低，性價(jià)比高，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾、電波干擾等干擾是控制器最大的敵人。 （ 2） 編程簡(jiǎn)單。 （ 3） 靈活性強(qiáng)，控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。只需要對(duì) PLC 的程序 進(jìn)行改動(dòng)，以及外圍電路的局部調(diào)整便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的改造。由于 PLC 的體積小，并且有些采用模塊化結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障之時(shí)之時(shí)只需要更換出現(xiàn)故障的模塊就能排除故障。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 第 2 章 控制系統(tǒng)硬件部分 控制系統(tǒng)的組成 雙容水箱控制系統(tǒng) 由雙容水箱、傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)等組成 ]10[ ，主要構(gòu)件包括： （ 1） PLC：運(yùn)用 PLC 中的 PID 模塊作為系統(tǒng)中的主、副控制器，并通過(guò) PLC的通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控 。 （ 4）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：接受來(lái)自 PLC 的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)上水箱的進(jìn)水量。 （ 6）通信電纜：使用 PC/PPI 電纜連接 PLC 與上位機(jī)。 圖 21 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 工作原理：上、下水箱壓力傳感 器測(cè)量到水箱液位信號(hào)送入 EM235 模塊經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換后供 PLC 讀取， PLC 讀取下水箱液位后與主回路的設(shè)定值比較得出偏差， 然后進(jìn)行 PID 運(yùn)算 ； 主 調(diào)節(jié)器的 輸出 值 作為副 調(diào)節(jié)器 的給定，并將其與上水箱的水位數(shù)據(jù)比較的到偏差后再 進(jìn)行運(yùn)算 ， 獲得 420 mA 的電流輸出信號(hào) ， 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接收到該信號(hào)后改變閥門開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)上水箱的流入量最終達(dá)到控制下水箱液位的目的。 器件型號(hào) （ 1） 控制器 該系統(tǒng)的控制裝置選用的的是西門 子的 S7200PLC，因?yàn)橄到y(tǒng)只需要兩個(gè)控制器， S7— 200PLC（ 8 個(gè) PID 模塊）在內(nèi)存、掃描通信等方面都能滿足控制的要求。 （ 2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 該系統(tǒng)的執(zhí)行器使用的是 QS 智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其型號(hào)為： QSTP16K，所需的控制信號(hào)為 4～ 20mA 的電信號(hào)。該系統(tǒng)中的變送器的型號(hào)為： KYB18G01MIPXC2，該變送器測(cè)量的范圍為 0～ 10KPa， 電源為 24V DC（由 PLC 主機(jī)提供）。單容過(guò)程分為自衡過(guò)程和非自衡過(guò)程，自衡過(guò)程是指在系統(tǒng)達(dá)到平衡之后，其輸入量發(fā)生變化，原平衡狀態(tài)被打破，在無(wú)任何外界因素的干預(yù)下，系統(tǒng)能通過(guò) 自 身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài)；非自衡過(guò)程則不能通過(guò)自身的調(diào)整達(dá)到新的平衡狀態(tài) ]12[ 。 2q 的大小 則是取決于閥門 2 的開(kāi)度以及水箱液位 h ，液位 h 越高，水箱底部的壓力越大， 2q 就越大。 圖 31 單容過(guò)程 假設(shè) h 為被控過(guò)程的輸 出量，則該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是 h 與 1q 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 2q 與 h 的關(guān)系經(jīng)過(guò)線性化處理之后，在工作區(qū)域內(nèi)， 2q 與 h 成比列關(guān)系，而與閥門 2 的阻力 2R 成反比，即： 22 Rhq ??? （ 313） 將式（ 212）、式（ 213）經(jīng)過(guò)拉氏變換后得： ?????????????2221)()()()()(RsHsQSsHAsQsQ （ 314） 由式（ 214）可得單容過(guò)程的傳遞函數(shù)為： 11)( )()( 2 210 ????? Ts KCsR RsQ sHsW （ 315） 式中 T 為單容水箱的時(shí)間常數(shù)， CRT 2? ； K 為放大系數(shù)， 2RK? ； C為水箱的容量系數(shù)。 當(dāng) ??t 時(shí)， 0)( Kxh ?? 。單容水箱的階躍響應(yīng)曲線在原點(diǎn)的斜率最大，在 該 點(diǎn)做切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù) T，由此便能求出單容水箱的傳遞函數(shù)。 設(shè)該過(guò)程的被控量為下水箱的液位 2h ，輸入量為 1q ，當(dāng)閥門 3 的開(kāi)度一定時(shí)，可求得該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 ]12[ 。 式（ 222）中的特性參數(shù) K 、 1T 、 2T 可通過(guò)兩點(diǎn)法求得，首先放大系數(shù) K 可以通過(guò)式（ 218）求出 ， 其次 1T 、 2T 可以通過(guò)階躍響應(yīng)曲線上 的兩個(gè)點(diǎn)的位置求出 ，如圖 34 所示 。 ??????????????)(21221212121ttTTTTttTT （ 223） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 第 4 章 實(shí)驗(yàn)法求取水箱參數(shù) 由上一章可知雙容水箱的傳遞函數(shù)是在其階躍響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的。 修正實(shí)驗(yàn)裝置誤差 由于各種原因?qū)嶒?yàn)裝置中的傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等都會(huì)存在一定的誤差。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特性 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度 與 設(shè)定的開(kāi)度 不相等 ，采用手動(dòng)控制的方法設(shè)定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，同時(shí)記錄調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度。 表 41 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性 設(shè)定開(kāi)度（ %） 實(shí)際開(kāi)度 （ %） 設(shè)定開(kāi)度 （ %） 實(shí)際開(kāi)度 （ %） 設(shè)定開(kāi)度 （ %） 實(shí)際開(kāi)度 （ %） 0 0 35 70 5 40 75 10 45 80 15 50 85 20 55 90 25 60 95 30 65 100 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度特性曲線見(jiàn)圖 41。 在實(shí)驗(yàn)室之中對(duì)調(diào)節(jié)閥做出以下修正： ① 開(kāi)度在 “ 0～ 30%” 之間：不修正。 ③ 開(kāi)度在 “ 80%～ 100%” 之間：由于誤差受到調(diào)節(jié)閥自身的限制，此處不予修正。上水箱的特性參數(shù)見(jiàn)表 42。 0 5 10 15 20 25 30051015202530實(shí)際水位（ cm ）顯示水位（cm） 圖 42 上水箱水位特性曲線 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 由圖可知，在總體上來(lái)說(shuō)上水箱水位的實(shí)際值與顯示值成線性關(guān)系，顯示值比實(shí)際值大 左右，所以在在程序之中應(yīng)對(duì)采樣得到的水位值減去 作為實(shí)際值。 表 43 下水箱水位特性參數(shù) 實(shí)際值（ cm） 顯示值（ cm） 實(shí)際值 顯示值 實(shí)際值 顯示值 0 10 20 2 12 22 4 14 24 6 16 26 8