1、課程設計報告用紙項目一: 液位控制系統設計第一章 單容水箱設備組成及其工作原理1.1單容水箱設備的組成（1） 液位變送器：液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質，低功耗精密器件，穩定性和可靠性大大提高。本傳感器精度為0.5級，因為二線制，故工作時需串聯24V直流電源。（2） 電動調節閥：調節閥用于調節介質的流量、壓力和液位。根據調節部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質流量、壓力和液位的調節。調節閥分電動調節閥、氣動調節閥和液動調節閥等。調節閥由電動執行機構或氣動執行機構和調節閥兩部分組成。調節并通常分

2、為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。（3） 變頻器：變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實際上就是一個逆變器。它首先是將交流電變為直流電，然后用電子元件對直流電進行開關，變為交流電。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設一個可調頻率的裝置，使頻率在一定范圍內可調，用來控制電機的轉數，使轉數在一定的范圍內可調。變頻器廣泛用于交流電機的調速中，變頻調速技術是現代電力傳動技術重要發展的方向，隨著電力電子技術的發展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑

3、，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果明顯，所以應用越來越廣泛。（4） 水泵：水泵是一種利用大氣壓強將低處的水汲往高處的機器,多半是以電動機作為動力。抽水的電動機泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變為液體能量從而達到抽送液體目的的機器統稱為泵。在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統。（5） 模擬量輸入模塊：模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。（6） 模擬量輸出模塊。1.2單容水箱設備的工作原理本實驗系統的被控量為上小水箱的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩定在給定值。將壓力傳感器檢測到的上小水箱液位信號作為反饋信號，

4、在與給定量比較后的差值通過調節器控制電動調節閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的調節器應為PID控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉換，變成數字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到PLC中，由PLC將數字信號轉換成模擬信號。最后，由PLC的輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉速，從而形成一個閉環系統，實現水位的計算機自動控制。第二章 PLC的設計2.1 PLC硬件在這使用西門子S7-200 PLC進行研究，西門子P

5、LC產品在國內市場推廣較早，是國內應用最廣泛的PLC產品之一，S7-200PLC是一種小型PLC，其結構緊湊，功能強大，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或者連成網絡皆能實現復雜控制功能。 S7-200PLC控制器硬件系統由四部分組成：CPU模塊、擴展模塊及PC/PPI電纜，還有計算機。系統連接如圖1所示圖1 系統連接圖PLC模擬量閉環控制系統如圖2所示，點劃線部分在PLC內。在模擬量閉環控制系統中，被控量c(t)（液位）是連續變化的模擬量，某些執行機構（變頻器）要求PLC輸出模擬信號M（t）,而PLC的CPU只能處理數字量。

6、c(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器轉換為標準量程的直流電流信號或直流電壓信號pv(t)，PLC的模擬量輸入模塊用A/D轉換器將它們轉換為數字量pv(n)。 PLC按照一定的時間間隔采集反饋量，并進行PID控制的計算。這個時間間隔為采樣周期。圖中的sp(n)、pv(n)、e(n)、M（n）均為第n次采樣時的數字量，pv(n)、M（t）、c(t)為連續變化的模擬量。圖2 PLC模擬量閉環控制系統框圖在中水箱右液位閉環控制系統中，用壓力傳感器檢測水箱液位，液位變送器將傳感器輸出的微弱的電壓信號轉換為標準量程的電流或電壓，然后送給模擬量輸入模塊，經A/D轉化后得到與液位成比例的數字量，CPU將它

7、與液位設定值比較，并按PID控制算法對誤差值進行運算，將運算結果（數字量）送給模擬量輸出模塊，經D/A轉換后變為電流信號或電壓信號，用來控制調節閥控制量，通過它控制進水流量，實現對液位的閉環控制。2.2 程序編寫鑒于上述，采用PLC中的PID回路指令進行程序的編寫，該指令利用回路表中的輸入信號和組態信息，進行PID運算，使用方法非常方便。其中使用PID指令的關鍵有三步：1. 建立PID回路表；2. 對輸入采樣數據進行歸一化處理；3. 對PID輸出數據進行工程量轉換。表1 PID回路表變量名變量類型寄存器數據類型讀寫屬性數據范圍描述PID0-PVI/O實數VD100Float只讀01測量值PID

8、0-SPI/O實數VD104Float讀寫01設定值PID0-MVI/O實數VD108Float讀寫01輸出值PID0-PI/O實數VD112Float讀寫-1000 1000增益Kp，負數為副作用，正數為正作用PID0-II/O實數VD120Float讀寫010000積分時間Ti，單位為分鐘PID0-DI/O實數VD214Float讀寫010000微分時間Td，單位為分鐘PID0_A_MI/O實數VB481Bit讀寫01為0時自動，1時手動第22頁圖3程序流程圖此梯形圖，分為三部分：MAIN(主程序)、SBR1 SBR3子程序、SCALE,UNSCALE INT_0（中斷服務子程序）。MAI

9、N：調用初始化子程序初始化：建立PID回路表，裝入設定值、回路增益、積分時間以及微分時間（地址參照表1 進行配置）；設置時基0，每100MS產生中斷，并連接中斷事件。PID算法： 第三章 系統組態的設計3.1通信組態通信組態軟件是重要組件，是項目開始的第一步。在這里將完成通信口、單元的創建及配置，模擬量、開關量、電度、保護定值、SOE事件、操作等成員的運行參數設定。本軟件采用可視化設計方法，鼠標拖拉操作風格，使原本復雜難懂的系統管理任務變得十分輕松自如。新建工程項目。然后選擇設備，COM1。然后再工作區選擇“新建”。雙擊，在設備配置向導生產廠家、設備名稱、通訊方式窗口中選擇串口。選擇下一步，然

10、后設置邏輯名稱下水箱，如圖4所示。圖4選擇“下一步”。然后設置串口號，依據計算機的通訊端口來選擇。單擊“下一步”，然后設置地址，首先設置內給定儀表，所以設定地址2，如圖5所示。圖5單擊“下一步”，設置通訊參數，不需要改變任何參數。單擊“完成”，就可以看到整個設置的參數。3.2 變量組態數據庫是“組態王”軟件的核心部分，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要迅速送往生產現場，所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，所以說數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。選擇工程瀏覽器左側大綱項“數據庫/數據詞典”，在工程瀏覽器右側用鼠標左鍵雙擊“新建”圖標，彈出“變量屬性”對

11、話框。此對話框可以對數據變量完成定義、修改等操作，以及數據庫的管理工作。在“變量名”處輸入變量名，如：調整跨度；在“變量類型”處選擇變量類型：內存實數，單擊“確定”即可。下面定義一個I/O變量。在“變量名”處輸入變量名，如：PID0_P；在“變量類型”處選擇變量類型：I/O實數；在“連接設備”中選擇先前定義好的IO設備：sim；在“寄存器”中定義為：V112；在“數據類型”中定義為：float類型。單擊“確定”即可。圖6 定義I/O變量同上述步驟，建立如下圖7數據變量： 圖7 數據變量3.3 畫面組態針對單容下水箱液位變頻器PID單回路控制實驗的畫面組態如圖8所示。 圖8單容下水箱液位變頻器P

12、ID單回路控制實驗的畫面組態圖創建組態畫面：使用工程管理器新建一個組態王工程后，進入組態王工程瀏覽器， 單擊工程瀏覽器左邊“工程目錄顯示區”中“畫面”項，右面“目錄內容顯示區”中顯示“新建”圖標，鼠標雙擊該圖標，彈出“新畫面”對話框，如圖9所示。 圖9新畫面在對話框中可定義畫面的名稱、大小、位置、風格，及畫面在磁盤上對應的文件名。該文件名可由“組態王”自動生成，工程人員可以根據自己的需要進行修改。輸入完成后單擊“確定”按鈕使當前操作有效，或單擊“取消”按鈕放棄當前操作。這樣就建立一個畫面名稱為“單容水箱液位測試實驗”的新畫面。畫面編輯命令。3.3.1動畫連接定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數

13、據庫的數據變量之間建立一種關系，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表現出來。為實現在畫面中水箱右側矩形對象模擬水箱實際液位，可作如下操作。雙擊中水箱左側矩形對象，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬值輸出”，可彈出“模擬值輸出連接”對話框，其中表達式選擇“本站點PID0_PV”，其設置如圖10。圖10模擬值的動畫連接創建模擬量輸入可作如下操作：雙擊按鈕“P設置”，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬量輸入”，在彈出“模擬值輸入連接”對話框中變量名選擇“本站點PID0_P”，其它設置如下圖11所示。圖11模擬量輸入設置關于“命令語言”設置如下：雙擊按鈕對象“開始”，可彈出“動畫連接”

14、對話框，選擇“命令語言連接”的“彈起時”，在彈出“命令語言”對話框中填入“本站點開始停止=1;”，單擊確定。可實現，按下該按鈕時，變量開始停止=1。圖12 命令語言的使用第四章 調試4.1調試步驟 1.加載PLC程序。 2.關閉PLC軟件，關閉變頻器開關，進入組態王組態運行模式。 3.打開變頻器開關，在監控畫面上點擊“進入系統”，進入監控畫面，設定液位給定值，開始運行按鈕和自動按鈕。 4.根據液位上升速度和液位實時曲線反復調節P、I、D參數，使液位達到設定液位同時曲線上升平穩。 5.打開手動按鈕，按動進水按鈕看是否進水。運行結果4.2運行結果&

15、#160;通過反復調試和修改，使得該系統正常平穩運行。同時得到以下監控畫面：1系統運行圖2實時監控曲線項目二:直流電機控制系統設計第一章 直流電機控制系統的組成及工作原理 1.1直流電機控制系統的組成直流電機：直流電動機是依靠直流電驅動的電動機，在小型電器上應用較為廣泛。以下為直流電動機的工作原理圖:此為一個簡單的直流電（D.C.）電動機。當線圈通電后，轉子周圍產生磁場，轉子的左側被推離左側的磁鐵，并被吸引到右側，從而產生轉動。轉子依靠慣性繼續轉動。當轉子運行至水平位置時電流變換器將線圈的電流方向逆轉，線圈所產生的磁場亦同時逆轉，使這一過程得以重復。PCI1711：PCI-1711/1711L

16、 是一款功能強大的低成本多功能PCI 總線數據采集卡。PCI-1711 有2 路模擬量輸出通道，PCI-1711L 沒有模擬量輸出通道。用戶可以在PCI-1711 和PCI-1711L 之間選擇能夠滿足實際需要又節約成本的數據采集卡。PCI-1711/1711L 完全符合PCI 規格Rev2.1 標準，支持即插即用。在安裝插卡時，用戶不需要設置任何跳線和DIP 撥碼開關。實際上，所有與總線相關的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。PCI-1711/1711L 有一個自動通道/增益掃描電路。在采樣時，這個電路可以自己完成對多路選通開關的控制。用戶可以根據每個通道不同的輸入電壓類型來進行

17、相應的輸入范圍設定。所選擇的增益值將儲存在SRAM 中。這種設計保證了為達到高性能數據采集所需的多通道和高速采樣（可達100KS/s）。1.2工作原理從傳感器和直流電機等模擬和數字被測單元中自動采采集信號送到上位機組態王中進行分析、處理，并進行PID計算。進而控制直流電機的速度。第二章 PID的設計 2.1 直流電機控制系統的PID算法控制本設計采用的是工業控制中最常用的PID控制規律，內環與外環的控制算法采用PID算法，PID算法實現簡單，控制效果好，系統穩定性好，外環PID的輸出作為內環的輸入，內環跟隨外環的輸出。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID

18、控制，又稱PID調節。它結構簡單，參數易于調整，在長期的應用中積累了豐富的經驗。其常規PID控制系統原理框圖如圖15所示。 積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t) 圖15 PID控制系統原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差。 （1-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規律為 (1-2)寫成傳遞函數形式為 (1-3)式中為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數。第三章 系統組態的設計3.1通信組態通信組態軟件是重要組件，

19、是項目開始的第一步。在這里將完成通信口、單元的創建及配置，模擬量、開關量、電度、保護定值、SOE事件、操作等成員的運行參數設定。本軟件采用可視化設計方法，鼠標拖拉操作風格，使原本復雜難懂的系統管理任務變得十分輕松自如。新建工程項目。然后選擇設備，新建PCI1711。如圖16所示 圖16 邏輯名稱的設定一直單擊“下一步”，設置通訊參數，不需要改變任何參數。單擊“完成”，就可以看到整個設置的參數。如同17所示圖17 安裝的設備信息3.2變量組態定義一個I/O變量。在“變量名”處輸入變量名，如：AO_motor；在“變量類型”處選擇變量類型：I/O實數；在“連接設備”中選擇PCI1711設備；在“寄

20、存器”中定義為：DA0；在“數據類型”中定義為：float類型。單擊“確定”即可。如圖18圖18定義一個內變量。在“變量名”處輸入變量名，如：速度濾波；在“變量類型”處選擇變量類型：內存實型；單擊“確定”即可。如圖19圖19同上述兩種步驟，建立如下數據庫：表2 組態王數據庫變量名變量類型連接設備寄存器報警組描述速度濾波內存實型測量值AO_motorI/O實型PCI1711DA0輸出值SpeedI/O實型PCI1711AD0轉速SP_speed內存實型設定值畫如下：圖203.3畫面組態3.3.1創建組態畫面進入組態王開發系統后，就可以為每個工程建立數目不限的畫面，在每個畫面上生成互相關聯的靜態或

21、動態圖形對象。這些畫面都是由“組態王”提供的類型豐富得圖形對象組成的。本項目主畫面如圖21所示圖21 主畫面3.2.2 動態畫面鏈接定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數據庫的數據變量之間建立一種關系，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表現出來。為實現在畫面中測量值，可作如下操作。雙擊測量值的“#”對象，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬值輸出”，可彈出“模擬值輸出連接”對話框，其中表達式選擇“本站點速度濾波”，其設置如圖22。圖22創建模擬量輸出可作如下操作：雙擊按鈕“#轉”，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬量輸出”，在彈出“模擬值輸出連接”對話框中變量名選擇“”，其它設置如

22、下圖23所示。圖23關于“命令語言”設置如下：右擊畫面選擇畫面屬性，再選擇命令語言。在其中輸入本站點速度濾波=本站點速度濾波*0.8+本站點speed*0.2;畫面如圖24 圖24第四章 調試組態王工程已經建立起來，進入到運行和調試階段。在組態王開發系統中選擇“文件切換到 View”菜單命令，進入組態王運行系統。在運行系統中選擇“畫面打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“Test”畫面。顯示出組態王運行系統畫面，如圖25所示。 圖25運行系統畫面上圖運行所設置的PID參數如下圖26所示圖26收獲體會在為期兩周的控制系統分析與綜合的課程設計中，我們進一步熟悉了組態王軟件的使用，并且用組態王實現了課設要求的控制功能。我們在書本上學到的知識，在這次課設中得到了系統化、架構化的理解，對于PLC電氣控制理論和PI