液位控制系統設計(一種液位串級控制系統設計)

液位控制系統設計

液位控制系統設計

液位控制系統設計
摘要： 本文詳細敘述了一種液位控制系統試驗裝置的設計與研制。該試驗裝置設置有水槽以及相應的'檢測和執行機構，通過(guò)適當組合，可以提供各種液位試驗對象。針對 該試驗裝置，采用單片機編程技術(shù)設計開(kāi)發(fā)了液位控制系統的軟件平臺。不同對象模型的各種控制算法以獨立的函數形式存在，方便模型和算法的更改及擴展。在該試驗裝置和軟件平臺的基礎上，實(shí)現了液位模型的數字PID控制，該系統還大量的使用了PLC控制器，從而使系統的穩定性和安全性大大提高。同時(shí)對各種經(jīng)典和現代控制方法進(jìn)行了比較分析。論文中為設計和實(shí)現的多級液位控制試驗裝置以及相應軟件為探索和驗證各種先進(jìn)的控制方法提供了一個(gè)良好平臺。
關(guān)鍵字：液位控制 ；PID控制 ；PLC控制 The Design of Liquid-level Control System
Abstract： This thesis describes the development of experimented equipment, which has tri-stage tank, sensors, and actuators-Multi-stage Liquid-level Control System. The advantage of this equipment is that a variety of single-stage and multi-stage liquid-level control objects can be offered nimbly by adequate constructions. For this experimented equipment, the programming technology has been used to develop the system software platform. Different control algorithms are substantive functions and convenient for modification and expansion. Based on the experimented equipment and system software platform, we have carried out the digital PID control of the liquid-level model. And we use a lot of PLC controllers in this system. So the stability and security of the system are improved rapidly. We have compared and analyzed many kinds of classical and modern control systems. In addition, these control method shave been compared and analyzed. For researching multiple advanced control algorithms, this experimented equipment and system software have offered an excellent platform.
Keywords：Liquid-level control；PID control；PLC control

一種液位串級控制系統設計

一種液位串級控制系統設計

下面是小編整理的一種液位串級控制系統設計的論文，歡迎各位通信工程畢業(yè)的同學(xué)借鑒哦!

摘 要：本文利用羅克韋爾PLC控制系統，對液位串級控制進(jìn)行了系統的軟硬件設計和參數整定。軟件設計包括運用通信軟件RSLinx進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，運用編程軟RSLogix5000進(jìn)行控制程序編寫(xiě)，運用上位監控軟件RSView32制作上位監控畫(huà)面，對液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。通過(guò)系統調試，PID參數整定，驗證了系統的控制效果，實(shí)現了對主被控量下水箱液位的控制。

　　關(guān)鍵字：Rockwell;水箱液位;串級控制;PIDE

1引言

羅克韋爾PLC自動(dòng)化的集成架構是一種生產(chǎn)控制和信息系統，可以為整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)提供跨越過(guò)程運動(dòng)驅動(dòng)和順序等多個(gè)平臺的控制、通訊、和可視化的無(wú)縫集成，可以幫助提高生產(chǎn)力等。其中 Logix 平臺和 I/O 系統用于控制，Kinetix 用于集成運動(dòng)，NetLinx 開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )架構用于通訊，ViewAnyWareTM用于可視化方案。通過(guò)使用尖端的控制、網(wǎng)絡(luò )、可視化和信息技術(shù)，集成架構系統解決了離散、過(guò)程、批次、運動(dòng)、傳動(dòng)和安全應用的廣泛控制和信息需求，還解決了性能信息需求。

液位控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的環(huán)節之一，同時(shí)也與人們的生活息息相關(guān)，因此，合理的液位控制系統可以保證生產(chǎn)的正常順利進(jìn)行，并保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題都可以簡(jiǎn)化為某種水箱的液位控制系統，因此對水箱的液位控制研究有重要的現實(shí)意義和廣泛的應用前景。基于羅克韋爾PLC控制系統的液位串級控制系統對于我們研究和使用羅克韋爾技術(shù)具有重要作用。

2系統原理與組成

系統ControlLogix5561通過(guò)交換機與上位機建立以太網(wǎng)通信，在上位機上通過(guò)RSLinx建立上位機與現場(chǎng)設備通信連接，通過(guò)RSLogix5000實(shí)現系統的編程，系統的遠程監控通過(guò)RSView32來(lái)完成，實(shí)現了對水箱的串級控制裝置的遠程控制，系統組成如圖1所示。

3系統硬件設計

3.1 ControlLogix硬件系統

ControlLogix系統就是羅克韋爾公司成功開(kāi)發(fā)的第三代PLC，從硬件配置、通信方式到數據結構都有根本性的變化，控制和數據傳送概念也完全不同。它是由模塊組合而成的控制平臺，并且它的背板具有強大的網(wǎng)關(guān)功能，可實(shí)現在三層網(wǎng)絡(luò )之間的轉換。ControlLogix系統結構如圖2所示。

ControlLogix控制器適合上千個(gè)I/O點(diǎn)的控制系統，具有極強的網(wǎng)絡(luò )功能，通過(guò)強大的網(wǎng)關(guān)作用的背板可以連接AB控制器的所有網(wǎng)絡(luò )，其中的順序邏輯的控制功能部分，已完全替代了PLC5的系統產(chǎn)品，但有更為強大的功能和廣闊的應用前景。

3.2高級過(guò)程控制實(shí)驗裝置簡(jiǎn)介

本設計中的過(guò)程控制對象是基于我院實(shí)驗室的高級過(guò)程控制實(shí)驗裝置，如圖3所示。

該裝置結合了當今工業(yè)現場(chǎng)過(guò)程控制的實(shí)際，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗設備，由實(shí)驗控制對象、實(shí)驗控制臺及上位監控PC機三部分組成。裝置可以對流量、溫度、液位、壓力等參數進(jìn)行測量，還可實(shí)現對多種高性能系統如單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。還可根據用戶(hù)的需要設計構成AI智能儀表，DDC遠程數據采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，FCS現場(chǎng)總線(xiàn)控制等多種控制系統。

3.3水箱液位串級控制系統原理

下面以水箱控制系統為例，說(shuō)明串級系統的工作原理。系統方框圖如圖4所示。

水箱液位的串級控制系統，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調節器稱(chēng)主調節器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統的主控制量。副控回路中的調節器稱(chēng)副調節器，控制對象為中水箱，又稱(chēng)副對象，中水箱的液位為系統的副控制量。主調節器的輸出作為副調節器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統。副調節器的輸出直接驅動(dòng)電動(dòng)調節閥，從而達到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現系統在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統的主調節器應為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律，對副參數的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調節器可采用P調節器。考慮處于穩定狀態(tài)的串級系統意義不大，可只考慮擾動(dòng)對于串級系統的影響。當擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩定狀態(tài)，調節器進(jìn)行工作。

3.4水箱液位串級控制過(guò)程

本設計的水箱串級控制平臺搭建如圖5所示，這里重要使用到高級過(guò)程控制設備中的中水箱、下水箱、儲水箱、電動(dòng)調節閥、磁力驅動(dòng)泵、管道和球閥。

整個(gè)控制系統的控制目標為下水箱液位，則下水箱液位為主被控量，下水箱為主被控對象。影響下水箱液位的是閥門(mén)F1-10和F1-11的`流量，在F1-10和F1-11開(kāi)度不變的情況下，中水箱液位則是影響下水箱液位的重要因素，因此中水箱液位將作為副被控量，中水箱為副被控對象。副被控量即中水箱液位的變化取決于F1-7的流量，對F1-7的控制由電動(dòng)調節閥來(lái)實(shí)現，因此可以選電動(dòng)調節閥為執行機構，通過(guò)電動(dòng)閥的不同開(kāi)度控制副被控量中水箱液位的變化，進(jìn)而控制下水箱液位。

4系統軟件設計

4.1 RockweLL軟件平臺

羅克韋爾自動(dòng)化公司的軟件多，具有不同功能的軟件可以滿(mǎn)足用戶(hù)不同的需求，其中通信工具軟件 RSLinx 有 RSLinxLite、RSLinx OEM、RSLinx Gateway、RSLinxClassic等5種版本，編程軟件RSLogix5/500/5000以及上位機監控組態(tài)軟件RSView32、RSView。本次設計中用到的軟件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。軟件結構如圖6所示，下面就分別介紹這三個(gè)的軟件。

4.2 PIDE串級控制系統程序設計 本設計將使用 RSLogix 5000 軟件完成雙容水箱液位PIDE串級控制系統的程序編寫(xiě)。與一般的 PLC 程序使用梯形圖編程不同，這里將使用 RSLogix5000 軟件的功能塊語(yǔ)言創(chuàng )建程序，功能塊語(yǔ)言編程要比梯形圖方式更直觀(guān)更清晰，也更易于理解。

程序的設計要結合系統設計框圖一起考慮，設計流程圖如圖7所示。

4.3組態(tài)監控

利用RSView32軟件組態(tài)監控時(shí)，首先需要選擇通道、網(wǎng)絡(luò )以及RSLinx驅動(dòng)器。并且通過(guò)OPC方式建立與ControlLogix 5561的通信，然后需要建立標簽并通過(guò)文件夾管理標簽。如圖8所示

然后添加圖形對象建立監控畫(huà)面，通過(guò)RSView32中自帶的圖形庫建立雙容水箱的主監控畫(huà)面，如圖9所示。

5 PID參數整定及結果

本設計將運用PIDE Faceplate Control 面板進(jìn)行PID參數的整定，如圖10所示。

(1)整定后得到PID參數為P=0.7910325，I=8.012130，D=0.0103122，把PID參數用于副回路中水箱的控制。

(2)將下水箱液位PIDE設為串級(Cas/Rat)模式，中水箱液位PIDE設為Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法對主回路進(jìn)行自整定，得到PID參數為P=0.7901231，I=0.80102，D=0.1021302，把該整定值用于主回路下水箱的控制。將下水箱液位設定為150mm，得到相應趨勢圖如圖11。

串級控制系統中副回路是隨動(dòng)控制，而主回路是定值控制。通過(guò)上圖我們觀(guān)察到中水箱的測量值可以以較快的速度隨副回路設定值變化，下水箱的液位經(jīng)過(guò)較短時(shí)間可以穩定在設定值上。

6 結論

本文基于羅克韋爾PLC控制系統，根據液位串級控制系統原理，實(shí)現了對液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。通過(guò)系統調試，PID參數整定，驗證了系統的控制效果，實(shí)現了對主被控量下水箱液位的控制。系統的穩定性、快速性與準確性基本達到預期目標，并最終實(shí)現了對水箱液位的串級控制。

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