液位单回路控制系统设计.docx
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液位单回路控制系统设计
1绪论
人们生活以及工业生产经常涉及到液位的控制问题，例如饮料、食品加工、居民生活用品的供应、溶液过滤、污水处理、化工生产等多种行业的生产加工过程，通常都要使用水箱。
水箱中的液位需要维持合适的高度，太漫容易溢出造成浪费，过少则无法满足供应要求，因此液位是工业控制过程中的一个重要参数，采用合适的方法对液位进行检测控制，以保证工业产品的质量和生产效益就变得尤为重要。
本课题设计内容
本课题将在以下几方面对液位系统进行研究和论证
控制系统可以根据生产的需要对液位进行设定，当液位低于设定限位时自动开启进口电动阀门进行加液，当液位到达设定值时自动关闭电动阀门，停止加液，从而将液位保持在设定值。
操作人员可以通过触摸屏进行液位设定，控制监控等操作。
本课题设计的目的和意义
可编程控制器（PLC）因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、的周期短，体积小，维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
通过PLC对程序设计，提高液位系统的控制水平。
因此PLC在液位控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。
2液位单回路控制系统概述
2.1定义
是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。
单回路控制系统可实现：
定值控制、程序控制、随动控制等。
2.2系统结构
系统一般是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成的单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定制，要求系统的被控制量稳定于给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业应用中已被广泛应用。
如图1-1所示为液位单回路控制系统工艺图。
图1-1液位控制系统工艺流程图
过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。
本次设计为单回路控制，即为闭环控制系统，如图1-2所示。
图1-2液位单回路控制系统框图
2.3被控参数和控制参数的选择
2.3.1被控参数（被控量）的选择
（1）选择的意义
1）是控制系统设计的一个重要内容。
2）恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。
3）若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。
（2）选择的方法
1）选直接参数即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行的参数。
（如锅炉的水位、蒸汽的温度等。
）
2）选间接参数当选直接参数有困难时采用。
2选择的一般原则
（1）选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。
（2）当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
（3）被控参数必须具有足够大的灵敏度。
（4）被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。
本设计选取水箱液位为被控参数。
2.4控制参数（操纵量）的选择
2.4.1根据过程特性选择控制参数的一般原则
（1）控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间τ0越小越好，在有纯延时τ0的情况下，τ0与T0之比应小于1。
（2）扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）；容量滞后愈大，愈有利于控制。
（3）广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。
（4）注意工艺操作的合理性、经济性。
本设计选取阀门开度为控制参数。
3西门子PLC控制系统
3.1S7-300PLC介绍
西门子中小型PLCS7-300系列才用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统。
模块式PLC由机架和模块组成，S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。
品种繁多的CPU模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。
当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对PLC进行扩展。
简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。
S7-300的CPU模块继承了过程控制功能，用于执行用户程序，每个CPU都有一个变成用的RS-485接口，可以和计算机连接，PLC作为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。
功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个，由于使用FlashEPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，是S7-300称为完全无维护的控制设备。
目前，PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。
随着PLC性能价格比的不断提高，一些过去使用专用计算机的场合，也转向使用PLC。
采用PLC控制液位的优点:
（1）从控制方式上比较：
用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）从工作方式上比较：
电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。
（3）从控制速度上比较：
电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。
（4）从定时，计数上比较：
电器控制定时精度不高，易受环境温度变化的影响，且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。
（5）从可靠性，可维护性上比较：
电器控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
3.1.1S7-300PLC构成
（1）主机单元
主机单元，又称基本单元或CPU模块。
它由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。
实际上就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
（2）扩展单元
扩展单元也称扩展模块。
当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。
根据I/O点数的数量不同（如4点、8点、16点等）、性质不同（如DI、DO、AI、AO等）、供电电压不同（如DC24V、AC220V等），I/O扩展模块有多种类型。
每个CPU所能连接的扩展单元的数量和所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。
（3）特殊功能模块
当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展特殊功能模块。
他们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。
（4）相关设备
相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备。
人机操作界面和网络设备等。
（5）软件
软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序。
PLC的工作原理及工作过程
PLC的硬件主要由中央处理器即CPU，存储器，输入输出接口以及电源。
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
以PLC为控制核心，以外围电器、驱动单元、传动机构、驱动对象为主线，由传感器构成反馈回路。
从广义上讲人也是重要的组成部分，控制系统中的各种开关调节器、指示器和各模块中的手动操作功能实质上是人机接口，通过它们使人可以参与整个控制系统。
模块选择
3.2.1模拟量输入模块（AI模块）
系统中从检测装置过来的模拟量需经过A/D转换才能输入到CPU处理，这就要求PLC有模拟量输入处理模块。
SM331模拟量输入[简称输入AI]模块目前有三种规格型号，即8AIx12位模块、8AIx16位模块、2AIx12位模块。
本设计选用了2AIx12位（6ES7331-7KB02-0AB0）输入模块，其端子接线图如图3-1所示。
图3-1SM331端子接线图
SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。
被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数。
SM331可选用4档积分时间：
2.5、16.7、20和100ms，相对应的以位表示的精度：
8、12、12、14。
SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A/D转换部件。
某一通道开始转换模拟量输入值起到再次转换的时间是输入模块的循环时间。
SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围，模块上需要接24V的直流电压L+有反接保护作用。
不用的通道要屏蔽掉，以免受干扰。
属性：
（1）1个通道组中2点输入。
（2）在每个通道组，测量类型可编程、电压、电流、电阻、温度。
（3）每个通道组的分辨率均可编程（9/12/14位+符号）。
（4）每个通道组的任意测量范围。
（5）可编程诊断和诊断中断。
（6）一个通道的可编程限制值监视。
（7）超过限制时的可编程过程中断。
（8）与CPU和负载电压电隔离。
3.2.2模拟量输出模块（AO模块）
经过CPU处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这就要求PLC配有模拟量输出模块。
SM332模拟量输出[简称输出AO]模块目前有3种规格型号，4AOx12位模块、2AOx12位模块和4AOx16位模块。
本设计选用2AOx12位（6ES7332-5HB01-0AB0）输出模块，其端子接线图如图3-2所示。
图3-2SM332端子接线图
SM332可以输出电压，也可以输出电流。
在输出电压时。
可以采用2线回路和4线回路与负载连接。
属性
（1）一个组中2个输出。
（2）可以将输出分别设置为:
电压输出、电流输出。
（3）分辨率为12位。
（4）可编程诊断和诊断中断。
（5）与背板总线接口和负载电压电隔。
3.2.3电源模块
PS307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2、5、10A）,其工作原理和参数都一样。
本设计选用5A的电源模块。
PS307;5A（6ES7307-1EA×0-0AA0）的接线图如图3-3所示。
PS307；5A电源模块的属性：
（1）输出电流为5A。
（2）输出电压为24VDC；短路和断路保护。
（3）与单相交流电源连接（额定输入电压120/230VAC，50/60Hz）。
（4）安全隔离符合EN60950。
（5）可用作负载电源。
图3-3PS307;5A的接线图
1“24VDC输出电压工作”显示
224VDC输出电压接线端
3固定装置
4主回路和保护性导体接线端
524VDC开关
3.2.4CPU选择
采用以西门子CPU314（6ES7314-1AE04-0AB0）为核心的控制系统，具有更高的控制功能、运算速度、网络功能和更优的性能价格比。
过程仪表选择
控制要求：
通过软件和各仪表器件控制液位，使系统有较强的稳定性，良好的调节质量，实现控制目的。
3.3.1液位传感器
差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。
其原理大致是：
将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号，压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系，所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大，由此得出一个压力和电压或电流的关系式。
通常，被测介质的密度是已知的。
差压变送器测得的差压与液位高度成正比，这样就把测量液位高度转换为测量差压的问题了。
当被测容器是敞口时，即气压压力为大气压，只需将差压变送器的负压通大气即可。
本设计选用工业的DBYG扩散硅压力变送器（DBYG-3000/ST531）。
DBYG型扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表，在工业测量和自动调节系统中作为检测环节，用来测量液体、气体或蒸气的压力，开口容器的液泣等，并将被测参量转换成4～20mADC或0～10mAd.c的标准电流信号输出,它可与DDZⅢⅡ系列仪表，及各种调节器系列仪表，工业控制计算机，分散型控制系统等联用，为指示，记录和调节仪表提供测量信号，以实现生产过程的自动检测和控制。
由于变送器采用了新型的扩散硅压力传感器，无需任何可动机械部件，能直接检测被测压力，因而具有性能稳定，可靠性高的特点。
特点：
（1）性能优异的进口扩散硅压力传感器检测核心部件。
（2）有4～20mA，0～10mA输出两种型号规格产品供用户规格。
（2）各种型号均有标准型及具有全量程正，负迁移功能的迁移型两种规格。
（4）测量范围大，规格齐全，可附带输出指示表头。
（5）。
（6）负载电阻：
0～350Ω（其中100Ω电阻，输出信号4～20mAD产品）0～1.5KΩ（输出信号0～10mAD产品）。
（7）精度等级：
±0.5％FS。
（8）供电电源：
24VDC±10%（输出信号4～20mAD产品）220Va.c+10-15%50Hz（输出信号0～10mAD产品）。
（9）环境温度：
-20℃～+70℃（输出信号4～20mAD产品）-10℃～+55℃（输出信号0～10mAD产品）。
（10）空气相对温度：
5%～85%。
（11）接液温度：
≤70℃。
（12）。
3.3.2电动调节阀
电动调节阀选用德国PSL202型智能电动调节阀（ZDLP电动单座调节阀）。
ZDLP型电子式电动单座调节阀，是由直行程全电子式电动执行机构和顶导向式直通低流阻单座阀组成。
具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确，直接接受调节仪表输入的（4-20mADC0-10mADC或1-5VDC）等控制信号及单相电源即可控制运转，实现对工艺管路流体介质的自动调节控制，广泛应用于精确控气体、液体、蒸汽等介质的工艺参数如压力、流量、温度、液位等参数保持在给定值。
是符合IEC标准的新一代通用调节阀产品。
结构特点:
（1）ZDLP电子式电动单座调节阀是自动化控制系统中仪表的执行单元，以AC220V电源电压作动力，接受来自DCS、PLC系统或调节仪表、操作器等输入的（4-20mA、0-10mA或1-5VDC）电流信号或电压信号，即可控制运转，全电子式电动执行器，采有机电一体化结构，具有机内伺服操作和开度信号位置反馈、位置指示、手动操作等功能，功能强、性能可靠、连线简单、调节精度高，以直行程输出的推力改变阀门开度位移，达到对流体介质的工艺参数精确调节控制。
（2）ZDLP电子式电动单座调节阀按作用模式可分；正作用：
电闭式-常开型（当电信号增大时阀位向下位移），《B型》反作用：
电开式-常闭型（当电信号增大时阀位向上位移），《K型》。
（3）电动单座调节阀为直通单座铸造球形阀，单座柱塞型阀芯，适用于泄漏量要求严格，且阀前阀后压差不大及介质有一定粘度或含有纤维杂质的工况。
（4）直通低流阻单座为无底盖顶导向结构，它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯具有密闭性能好、泄漏量小、动作灵敏、流体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、可调比大，阀芯导向部分的导向面积大，具有抗振性能强等特点，适用于对介质泄漏量及调节精度有严格要求的场合，但由于阀结构上的原因，阀杆上的不平衡力较大，尤其在公称通径大的工况下更为明显，因而该阀只适合于工作压差较小的场合。
（5）通过改变阀芯形状的设计；不同的阀芯形状会得到不同流量特性值：
等百分比（对数）性、直线性、快开特性。
（6）根据使用工况要求，阀芯可设计制做成；软质密封结构（适用于-20～+120℃温度范围内要求严密闭性的酸碱类、气体类等介质）。
本系列产品广泛应用于化工、石油、冶金、电站、轻纺、造纸和制药等工业生产过程的自动化调节和远程控制。
有标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等品种。
产品压力等级有PN1.64.06.4MPa；公称通径DN15～300mm；最小阀芯DN6mm。
适用流体温度有-60～+450℃；按温度高低配用不同阀盖可分常温型、高温型和低温型。
4控制系统设计
4.1系统控制方案
整个控制系统主要是由可编程序控制器（PLC）、差压变送器，电动调节阀等组成。
控制系统可以根据生产的需要对液位进行设定，当液位低于设定限位时自动开启进口电动阀门进行加液，当液位到达设定值时自动关闭电动阀门，停止加液，从而将液位保持在设定值。
操作人员可以通过触摸屏进行液位设定，控制监控等操作。
硬件配置
整个水槽控制需要用控制柜进行控制。
所需硬件包括：
主控单元、电源模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、端子模块等。
采用以西门子CPU314为核心的控制系统，具有更高的控制功能、运算速度、网络功能和更优的性能价格比。
中央处理单元型号选定为CPU314，系统的输入输出模块的型号和数量由现场仪表和电机的信号类型和数量而定。
表4-1硬件配置
序号
名称
型号
数量
生产厂家
1
CP5611通讯卡
6GK1561-1AM00
1
SIEMENS
2
S7-300底板
6ES7300-1JA01-0AA0
1
SIEMENS
3
PS307电源/5A
6ES7307-1EA00-0AA0
1
SIEMENS
4
CPU314
6ES7314-1AE04-0AB0
1
SIEMENS
5
300机架
6ES7390-1AF30-0XA0
1
SIEMENS
6
SM331/AI2*12Bit
6ES7331-7KB02-0AB0
1
SIEMENS
7
SM332/AO2*12Bit
6ES7332-5HB01-0AB0
1
SIEMENS
4.3内部接线图
图4-1内部接线图
5总结
通过此次设计，我掌握了液位单回路控制系统的构成，并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤：
认知被控对象，选择控制方案，选择控制规律，选择仪器仪表，设计系统的接线图和流程图等，直到最后达到控制要求。
专业性设计要求我们尽量把学到的知识毫无保留得发挥出来。
从一开始的无从下手，资料的整理，在到老师的帮助下，无疑是对我们查阅资料的能力、设计报告的能力、电脑绘图等能力的进一步提高。
很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合，开发、设计产品的能力的进一步在课程设计中使我学会了很多，也对自己的能力有了进一步的提高，为以后的学习和工作加强。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
为以后的工作积累了经验，增强了信心。
既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决，它更是自己综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。
这次实训不仅使我对课本知识有进一步的理解，并且使我掌握了理论联系实际的系统设计方法，对我来说获益匪浅。
在此，我要感谢我的指导老师方辉老师对我们悉心的指导，感谢老师给我的帮助。
相信这样的一次经历会使我终身受益。
参考文献
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