过程控制仪表课程设计论文报告-液位控制系统.doc
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中南大学信息科学与工程学院
中南大学
《过程控制仪表》
课程设计报告
设计题目液位控制系统
指导老师
设计者
专业班级
设计日期2011年6月
目录
第一章过程控制课程设计的目的和意义 3
1.1课程设计的目的 3
1.2课程设计的意义 3
1.3课程设计在教学计划中的地位和作用 3
第二章液位控制系统的设计任务 4
2.1设计内容及要求 4
2.2课程设计的要求 4
第三章实验内容及调试中遇到的具体问题和解决的办法 5
3.1实验目的 5
3.2实验内容 5
3.2.1流量单闭环控制系统 5
3.2.2流量比值控制系统 7
3.3实验调试中遇到的具体问题和解决办法 8
第四章液位控制系统总体设计方案 9
4.1液位控制系统在工业上的应用 9
4.2液位控制系统变送器以及开关阀的选择 11
4.3控制算法 11
4.4系统控制主机的选择 12
4.5系统的硬件设计（单纯的逻辑控制） 13
4.5.1水塔液位控制系统的主电路图 13
4.5.2I/O接口的分配 14
4.5.3水塔液位控制系统的I/O设备 14
4.5.2控制系统硬件介绍 15
第五章系统软件设计 17
5.1系统软件设计1（单纯的逻辑控制） 17
5.1.1水塔液位控制系统的程序流程图 17
5.1.2水塔液位控制系统的工作过程 18
5.1.3水塔液位控制系统的梯形图 19
5.2系统控制的程序 20
5.3加入PID控制的指令的软件程序 20
5.3.1PID控制系统梯形图 21
5.3.2PID控制系统的指令：
24
第六章收获、体会和建议 25
参考文献 25
第一章过程控制课程设计的目的和意义
1.1课程设计的目的
本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。
其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。
课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。
1.2课程设计的意义
课程设计综合了各门学科的知识，它将我们平时课堂上所学习的知识有效的结合起来。
使学生有更强的综合运用的能力，是一个从书本到实践的过渡，以便毕业以后能够更好的投入到实际的工作中去。
而且，自动化这个专业最后的目的就是要将这些只是灵活有效的运用于各种工业上去，如锅炉的系统控制、自来水厂的水流量的控制和发电厂的一系列控制系统等等。
1.3课程设计在教学计划中的地位和作用
所谓“学有所用”，“学以致用”，我们平时在课堂中学习了很多的知识，但是我们都知道如果没有把知识运用于实际，那么学了也是白学。
课程设计正是体现了这个“用”字，它是一个展示知识的平台。
通过课程设计我们能够更好了解掌握平时课堂上所学到的知识，这也只是教学的目的。
可见，课程设计在教学计划中有着至关重要的地位和作用，它让我们的学习不再是纸上谈兵。
第二章液位控制系统的设计任务
2.1设计内容及要求
课程设计的主要任务是设计工业生产过程中遇到的液位控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。
具体内容如下：
1．了解某种典型工业生产过程的工艺流程和控制要求；
2．分别设计典型工业生产过程中相应的压力、流量、液位及温度控制系统（包括控制系统的软硬件的总体设计，如参数检测变送器、控制器、执行器及调节阀的选型和控制算法的程序设计及控制系统参数整定）；
3.在实验室分别调试一种压力、流量、液位的串级或比值控制系统，并调节参数使控制系统达到要求的技术指标；
4．提交系统设计报告一份，阐述系统设计思想和方案，包括对所选取工业生产过程的工艺分析、控制要求、总体方案设计。
2.2课程设计的要求
本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。
基本要求如下:
1.掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；
2.掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；
3.掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。
4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。
第三章实验内容及调试中遇到的具体问题和解决的办法
3.1实验目的
1、控制系统的全貌，建立一个感性的认识。
加深了解电子电动势执行器的结构原理和使用方法。
通过对电子执行器的测试和校验，掌握执行器的校验方法，理解其相关的特性及性能指标含义。
2、PID调节器的结构、工作原理，掌握调节器的使用及性能，对调节器的参数进行整定。
3、掌握流量控制系统的PID调节功能，熟练的使用PID调节器，了解单闭环控制系统和流量比值控制系统的规律以及性能。
3.2实验内容
3.2.1流量单闭环控制系统
流量单闭环控制系统的被控量选择的是内容器的流量，操作变量则是内容器的调节阀。
它的工艺流图和方块图如图3.2所示。
图3.1内容器单闭环流量控制系统工艺流程及方块图案
对于流量控制系统，采用的是LZ型金属管浮子流量计，输入0—50L/h，输出4—20mA信号。
流量控制中的电子执行器就是用来控制流量计的阀门开度来控制流量的大小。
本系统采用单回路的PID控制，将人为设定的流量和变送器测量的流量做比较，通过PID算法调节电子调节阀VL1的阀位开度输出，从而使测量的流量达到要求。
PID控制算式是很常用和很灵活的一种工业控制算法，对于一个不确定的系统，通过试凑法整定PID参数，一般都可以达到很好的设计效果。
并且，还可以采用PID的改进式，如积分分离和微分先行，在一些场合会达到更好的控制效果。
PID凑试法：
凑试法是参考PID参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分的整定步骤。
1.首先只整定比例部分。
即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。
2.如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。
整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。
在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。
3.若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。
在整定时，可先置微分时间TD为0。
在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
3.2.2流量比值控制系统
本装置中有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。
一般可从中任意选择一路流量为主动量，另一路则为从动量，以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。
下图示例是以进内容器水流量Q1为主动量、进外容器水流量Q2为从动量的双闭环比值控制系统。
它的工艺流图和方块图如图3.3所示。
图3.2双闭环流量比值控制工艺流程及方块图案
本系统有两个输出，以进内容器水流量Q1为主动量，进外容器水流量Q2为从动量的双闭环控制系统。
其中主控制器的输出（Q1）直接决定第二个控制系统的输入，故第一个系统称为定常系统，而第二个系统称为随动系统，显然第二个系统的调节时间会更长一些，控制难度会更大一些。
很显然，随动系统在用PID算法进行控制时，必须去掉微分项，否则输入发生变化就会引起输出便或波动相当大，甚至会引起整个系统的不稳定。
这里就可以看出定常系统和随动系统在PID控制上参数选择的区别了。
3.3实验调试中遇到的具体问题和解决办法
实验中主要的问题是在PID的调节上，这是一个比较漫长而且也比较细致的工作，它需要不断的调节PID中的参数，来使系统达到试验的要求，在短时间内系统能够达到稳定的状态，而且静差要在1%——2%。
（1）如果一开始就使用凑试法，要达到接近的实验要求效果是很困难的，因为凑试法存在很大的基数，要是很多次才能达到想要的效果。
所以最开始我们只能按照实验仪器上以及指导书上对流量控制给出的PID的参数来进行一个基本参数，然后再开始在这个范围内开始调节。
（2）我们使用的是金属管浮子流量计，所以根据测量的结果可知，有效的工作区是在15L/h——40L/h之间，所以当我们的参数设定在P=240,I=25,D=1时，各个阶段的动态性能是不一样的。
a、当前值是25，设定值是30时，整个系统达到稳定所用的时间是60s左右，而且稳定后的阀门开度是29.8；
b、当前值是30，设定值是35时，整个系统达到稳定所用的时间是60s左右，而且稳定后的阀门开度是35.3；
c、当前值是30，设定值是25时，整个系统达到稳定作用的时间是90s左右，而且稳定后的阀门开度是25.3；
从上面的数值可见，系统在这个PID的参数下还算是比较稳定，但是在从20——25以及35——40这个阶段的阀门开度的调节时，静差就会很大了，而且达到稳定所需的时间也在100s以上，这个问题使我们在PID的调节上费了很大的功夫。
首先，设定20这个阀门开度值时，系统很难达到这个值，而且一直不能稳定，跳动的范围为21——23，这样的话静差就非常的大。
分析出现的这个情况的原因，系统的稳定线性是在15L/h—40L/h之间，在值为20时，是在线性区的起始阶段，所以会不稳定。
所以最后也不用去要求在这个值上的稳定，所以最后可以确定稳定的线性曲线是在24—40这个阶段。
最后我们定的PID是P=240、I=25、D=1时，单闭环系统的稳定性比较好。
（3）在比值系统调节时，遇到的问题更麻烦，将Q1的输出作为随动系统的输入，经过乘法器将随动系统的输入值减小到1/2，这样调节出来的稳定系统的静差就能减小。
但是在这个比值系统中调节的PID就不能像单闭环系统一样调节PID，而且原来单闭环系统的PID参数用于比值系统时，系统特别不稳定，所以只能一直增大P值来使系统能够稳定。
最后能使系统基本稳定是P=400、I=27、D=0时。
（4）在整个实验过程中，发现变送器上显示的流量值和无纸无笔记录仪上显示的流量值相差很大（20左右），对于这个问题一直不知道是怎么回事，不清楚是哪个地方导致了这个误差。
在上面的实验过程中，我们一直看的是变送器上的值，最后老师告诉我们输出值要看记录仪上的，因为记录仪上的值才是反馈值。
（5）还有一个比较重要的问题是，我们所用的金属管浮子流量计，静差的大小还要根据电子执行器的步长来定，所以有时候实际值不能达到设定值就是因为电子执行器的步长的限制，所以有时候我们在选择电子执行器事也要要求其动作步长越短越好。
第四章液位控制系统总体设计方案
4.1液位控制系统在工业上的应用
这是一个简单的关于水塔液位控制系统的示意图：
图4.1水塔液位控制示意图
水塔液位控制系统的工作方式：
当水池液位低于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当经过4s以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关，则系统发出报警，需要对电磁阀的进水处进行检测；若系统正常，此时水池下限液位开关S1为OFF,表示水位高于下限水位。
当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。
当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。
当水塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S4为OFF，水泵停止。
当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。
水塔液位控制系统框图：
调节器2
液位变送器2
水泵
水塔
液位变送器1
调节器1
电磁阀
水池
副调节器2
副调节器1
图4.2水塔液位控制系统框图
由于电磁阀的开关是需要一个过程的，而且控制水池与水塔中水位要能使系统保持稳定，需要考虑很多方面。
比如需要水泵的抽水量要与电磁阀门处的级水量保持一个稳定的范围，才不会使电磁阀的开度始终摇摆不定，或者是使水泵的转动大小变化太大，这样会减小电动机的寿命，严重者还会导致电机烧坏或者是出现事故。
4.2液位控制系统变送器以及开关阀的选择
通过水塔液位控制系统的示意图可知，主要对变送器的选择和电子执行器的选择：
（1）变送器的选择：
此处需要两个液位变送器为LSRY或者LART，
液位变送器1：
安装在水池上的变送器，输入量程为0——100mm水，变送输出为4——20mA；它控制这水池的上下限报警控制以及电磁阀的开度问题；
液位变送器2：
安装在水塔上的变送器，输入量程为0——100mm水，变送输出为4——20mA；它控制这水塔上上下限报警控制以及水泵的功率大小。
（2）电子执行器的选择：
电子式调节阀微电子大流量调节阀，电动调节阀的输入4——20mA电流信号，对应阀门输出开度0——100%。
在我们选择电子执行器时要尽量选择步长较短的电子执行器。
（3）水泵的转动的驱动电机也需要用电子式控制方式，电动调节阀的输入4——20mA电流信号，对应的电动机功率为0——。
4.3控制算法
由以上的系统控制框图可知，由于水池控制回路与说他的控制回路之间存在相互关联，相互耦合，电磁阀和水泵是由单回路一和单回路二的输出共同影响的，构成了双输入双输出的变量控制系统，因此在使用控制算法的时候就要用到解耦控制使系统框图变得简单。
解耦控制的原理：
解耦控制的主要目的就是通过设计解耦补偿装置，使各控制器只对各自相应的被控量施加作用，从而消除回路的相互影响。
就相当于将一个多变量控制系统的闭环传递函数矩阵转换成为一个对角线矩阵，这样就可以使各控制回路之间是相互独立的。
4.4系统控制主机的选择
这个系统用到的到的电子开关很多，所以选择有S7—200PLC来实现系统的控制，虽然PLC的成本较高，但是水塔系统是一个较大的工程，需要比较稳定的控制硬件来实现，所以相比之下，用PLC是最好的选择。
而S7—200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。
同时，它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。
一下有PLC的具体优点：
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
4.5系统的硬件设计（单纯的逻辑控制）
4.5.1水塔液位控制系统的主电路图
图4.3水塔液位控制系统的主电路图
4.5.2I/O接口的分配
表4-1水塔液位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
输入信号
输入变量名
输出信号
输出变量名
I0.1
水塔上限位
Q0.1
电磁阀
I0.2
水塔下限位
Q0.2
水泵
I0.3
水池上限位
Q0.3
水池下限指示灯a1
I0.4
水池下限位
Q0.4
水池上限指示灯a2
I0.0
控制开关
Q0.5
水塔下限指示灯a3
Q0.6
水塔上限指示灯a4
Q0.7
报警指示灯a5
注意：
水塔上下限位的开关是由液位变送器1给出的信号控制完成的水池的上下限位的开关是有液位变送器2给出的，他需要采用A/D转换来实现PLC的逻辑控制，而上表中电子执行器1控制电磁阀的阀门开度，电子执行器2控制水泵电动机的功率大小。
然后液位变送器的控制的解耦还是要用到PID的设定，所以我们可以用到PLC的PID回路指令，此处有两个单闭环，PID的控制指令大致相同，所以这里只以一个单闭环的PID指令为例来编写程序
4.5.3水塔液位控制系统的I/O设备
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有5个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有13个，只需选用一般中小型控制器即可。
。
据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线图如图4.4所示。
图4.4水塔水位控制系统的I/O接线图
4.5.2控制系统硬件介绍
可编程控制器（ProgrammableController）,也称可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC，为了避免与个人电脑（也简称为PC）相混淆，通常将可编程控制器简称为PLC。
可编程控制器的产生与继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已有上百年的历史，它是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点。
此种控制系统布局固定，按预先规定的时间、条件、顺序工作。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛的用途。
但是当工作模式改变时，就必须改变控制系统的硬件接线，控制柜内的物件和接线都要作相应的变动，改造工期长，费用高，用户改造时宁愿扔掉旧控制柜，另作一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场需要，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。
通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品的多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。
其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即
（1） 编程简单，可在现场修改程序。
（2） 维护方便，最好是插件式。
（3） 可靠性高于继电器控制柜。
（4） 体积小于继电器控制柜
（5） 可将数据直接送入管理计算机。
（6） 在成本上可与继电器控制柜竞争。
（7） 输入可以是交流115V。
（8） 输出可以是交流115V、2A以上，可直接驱动电磁阀。
（9） 在扩展时，原有系统只要很小变更。
（10） 用户程序存储器容量至少能扩展4KB。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。
这样，工作人员不必在编程上发费大量的精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，是控制系统可方便地在需要的地方运行。
所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
第五章系统软件设计
5.1系统软件设计1（单纯的逻辑控制）
5.1.1水塔液位控制系统的程序流程图
根据设计的要求，得到的程序流程图如图5.1
图4.5水塔液位控制系统的PLC控制流程图
5.1.2水塔液位控制系统的工作过程
单纯的逻辑控制：
设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。
当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，电磁阀打开，开始往水池离境税，如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。
若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1灭，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A2灭，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A3灭，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A4灭，但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A2亮。
此次给水塔供水完成。
经过解耦控制技术后的PID控制回路：
是两个单回路系统，就水池的单回路控制系统而言，将水泵的功率看作是一个定值，设定水池液位为上线报警时的一半，然后通过调节PID参数来驱动电子执行器，从而达到控制电磁阀来控制水池的液位；同理，对于水塔中的液位控制也是一样的运用。
而且通过模拟量的输入就不需要太多的数字量通道来作为开关，直接通过模拟量的大小来控制上下限报警系统，这样虽然比较复杂，但是系统更稳定，出现故障时的修整会变得容易，而且危险系数也会降低。
关于上下限报警的灯控制还是没有变化，变化的是使用电子执行
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