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单容水箱液位过程控制实验报告
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蚁象成功将S7-1200PLC应用于单容水箱液位控制系统
--本文由广州蚁象自动化系统有限公司提供
人气：1566
&方案确立蚁象公司大胆尝试采用S7-1200 PLC新一代小型PLC，为以后西门子全集成自动化软件TIA博途的使用打下基础，也为学生在毕业时就业占据先机。项目介绍单容水箱液位定值控制实验是大学过程控制这门课中的一个具有代表的实验装置，学生通过实验可以了解相关的自动化装置（各种仪表，包括检测元件及变送器、调节器和执行器），掌握单容水箱这一被控对象的数学模型方法和控制系统的设计方法（包括PID算法的和控制参数整定，以及被控对象的模型求解）。以S7-1200 PLC作为控制器，与单容水箱实验装置进行组合，实现S7-1200 PLC的PID自整定，并采用精简版触摸屏KTP600PN进行液位的趋势显示。 &程序设计的很简单，只是针对实际的量程高度做对比，算出给定值与反馈值的液位高度，并在KTP 600 上显示实时液位。&应用体会SIMATIC S7-1200 控制器的使用对在校学生来说，对于其以后毕业，能掌握到西门子新一代PLC必将对以后就业有很大帮助，本实验虽然简单，但如果学生将其掌握，本在以后工作学习中应用和积累工作经验是很有好处的。对于学校来讲，希望西门子公司能在硬件设备上对于普通高等院校大力支持，学生毕业之前应用了哪些控制器和低压电器，在以后工作中，会更愿意优先选用上学时使用过的控制器和低压电器。本次项目顺利完工，证实了S7-1200确实可用，完全可替代S7-200。&建议与意见在使用SIMATIC S7-1200 控制器中，对于STEP 7 Basic 10.5 SP2没有仿真软件，对于调试存在困难，希望西门子公司能尽快开发出仿真软件。在LAD编程环境下，不能自由切换到FBD中，并且LAD编程环境下不能提供对“位”进行异或运算，而在FBD模式则可以。&
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水箱液位控制系统设计
目录摘要................................................................................................................................ 11生产工艺和控制原理介绍......................................................................................... 21.1液位控制的实现............................................................................................... 21.2 被控对象.......................................................................................................... 21.3 水箱建模.......................................................................................................... 22控制参数和被控参数选择......................................................................................... 52.1 被控制变量的选择.......................................................................................... 52.2 执行器的选择.................................................................................................. 52.3 PID控制器的选择 ........................................................................................... 62.4 液位变送器的选择.......................................................................................... 73
控制仪表及技术参数............................................................................................ 103.1比例控制......................................................................................................... 103.2积分控制（I） ............................................................................................... 123.3微分控制（D） .............................................................................................. 123.4比例积分控制（PI） ..................................................................................... 123.5比例积分微分控制（PID） .......................................................................... 134控制流程图及控制系统方框图............................................................................... 145小结........................................................................................................................... 15参考文献...................................................................................................................... 16
摘要水箱液位控制系统是典型的过程控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进行调节和改变的系统，它自身具平衡能力，并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。水箱液位是由传感器检测水位变化并达到设定值时，水箱自己的阀门关闭，防止溢出，当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。关键词：水箱液位 控制器 PID参数整定1
1生产工艺和控制原理介绍1.1液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。1.2 被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象―上水箱的结构和特性。由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀V2开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
图2-1 单容水箱结构图1.3 水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有dh
（2-1） dt将式（2-1）表示为增量形式d?h
（2-2） dt式中，?Q1、?Q2、?h――分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量； C――水箱底面积。在静态时，Q1=Q2；dhdt=0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，阀V2处的静压也随之变化，Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为?Q1与?h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即?Q2??h?h
（2-3） R2?Q2式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得d?hR2C??h?R2?Q1
（2-4） dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：G0(s)?R2H(s)K
（2-5） ??Q1(s)R2Cs?1Ts?1式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量Q1(s)=R0/s，R0为常量，则输出液位的高度为：H(s)?KR0KR0KR0??
(2-6 ) s(Ts?1)ss?1/T1?tT即
h(t)?K0R(?1当t??时，h(?)?KR0 因而有3（2-7）
K?当t=T时，则有 h(?)输出稳态值
（2-8） ?R0阶跃输入h(T)?KR0(1?e?1)?0.632KR0?0.632h(?)
（2-9） 式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。h h
阶跃响应曲线
2控制参数和被控参数选择本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。2.1 被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题，被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控变量，是直接参数控制。2.2 执行器的选择执行器在控制系统中起着极其重要的作用。控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器接受控制其输出的控制信号，实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。执行器位于控制回路的最总端，因此又称为最终元件。本设计所使用的执行器为控制阀，也称调节阀。控制阀发装现场，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。如果选择不当或维修不妥，就会使整个系统无法正常运作。经验表明，控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。对于系统控制阀的选择很重要。控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置。5
控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。液动控制阀推力最大，但比较笨重，目前已经极少使用。电动控制阀的能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂、防爆性能差。气动控制阀采用压缩空气作为能源，其特点是简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆而且价格较低，因此得到广泛应用。气动控制阀可以方便的与电动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电―气转换阀门定位器将电信号转换为20―100kPa的标准气压信号仍可采用气动控制阀。2.3
PID控制器的选择控制器是控制系统的核心部件，它将安装在生产现场的测量变送装置送来的测量信号与设定值进行比较产生偏差，并按预先设置好的控制规律对该偏差进行预算，产生输出型号去操纵执行器，从而实现对被控制变量的控制。常见的PID控制器形式主要有三中：（1）硬件型，通用PID温控气；（2）软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做PID控制器；（3）使用变频器内置PID控制功能，相对两种来说，这种叫内置型。这三种控制器形式各具特点。（1）PID温控器现在PID温控器多为数字型控制器，具有位空方式、数字PID控制方式以及模糊控制方式，有的还具有自整定功能，如富士PWX系列温控器、欧陆800系列温控器就属此类型。此类温控器的输入输出类型都可通过设置参数来改变，考虑到抗干扰性，一般将输入输出类型都设定位4―20mA电流类型。这种PID形式的主要优点有：操作简单、功能强大、动态调节性能号，适用于选用能过的变频器性能不是很高的应用场合，同时控制器还具有传感器断线和故障自动检测功能。缺点是：PID调节过于频繁，稳态性能稍差，布线工作量多。调试注意要点：P参数值不应太大，一般为0.5―1；参数和D参数的比值大约位4：1参数的值一般位6s―16s；由于PID温控器的响应快，为了防止调整过程中压力波动过大，变频器的上升和下降时间应调大些，推荐30s―80s；设定PID温控器的显示标尺斜率，校正压力显示值；设定适当的数字滤波时间，抑制干扰的输入。6
（2）软件型PID这种类型可以使用PLC指令编程编写PID算法程序，可以充分利用PLC的功能。优点是控制性能号，柔性好，在调节结束后，压力十分稳定，信号干扰小，调试简单，接线工作量少，可靠性高。缺点是编程工作量增加，需增加硬件成本。调试时要尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间。在编程设计中必须防止计算结果值溢出，造成控制失控，而且还要编写校正传感器零点和判断是否正常的功能程序。（3）变频器内置PID现在的大多数变频器，无论是专用型，还是通用型都内置了PID控制功能，这对节省系统的成本很有利使用变频器的内置PID功能，首先必须设定PID功能有效，然后确定PID控制器的信号输入类型，如采用有反馈信号输入，则要求有设定值信号，设定值可以是外部信号，也可以是面板设定值；如采用偏差输入信号，则无须输入设定值信号。内置型PID优点是成本低，控制性能号，设置的参数少，接线工作量较少，抗干扰性最好。缺点是这种PID也属软件型PID，响应较慢，易出现超调现象；压力的设置和显示不直观。调试应尽量设置短的变频器的上升时间和下降时间，使用面板设定设置值是，设定的是设置值与传感器量程的相对值，设置正确的PID动作方向。当然。PID控制器在实际应用中有很多类型，就水箱液位控制系统可选用的也有很多，具体选用何种型号，要看具体情况而定。2.4
液位变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4―20mADC、1―5VDC、0―10mADC的电流（电压）信号，或20―100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。下面是生产过程中常用的液位变送器：（1）浮球式液位变送器浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比7
于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。（2）浮简式液位变送器浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。（3）静压或液位变送器该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。（4）电容式物位变送器电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。（5）超声波变送器超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成，这种直接输出4～20mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更8
便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。
控制仪表及技术参数3.1
比例控制比例控制规律是指：控制器的输出信号(指变化量)与输出信号（指偏差、当设定值）变时，偏差就是被控量测量值的变化量）之间成比例关系，即：kc越某值在一定范围内可调,在相同偏差输入e(t)下，?u(t)??ce(t) 比例增益kc：大，输出?u(t)也越大，比例控制作用越强，因此kc是衡量比例作用弱的一个重要参数。 比例控制器传递函数：GC(s)?U(s)?kc E(s)在阶跃偏差作用下，比例控制器响应曲线，如图3.1
图3.1比例控制是最基本的控制规律，其特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但因控制器的输出信号与偏差信号之间在任何时刻都存在之比例关系，所以过程终了时存在偏差，且负荷变化越大，余差也越大。比例控制对系统控制质量的影响比例控制的控制作用效果如何，关键问题在于选择合适的比例度，比例度时指控制器输入的变化相对值与输出的相对变化值之比的百分数，即：??(xmae?xmix?uumax?umin)?100%e： 控制器的输入信号的变化量，即偏差信号。?u：控制器的输出信号的变化量，即控制命令。
(xmax?xmin)：控制器的输入信号的变化范围，即量程。(umax?umin)：控制器输出信号的变化范围。将比例控制器切入系统，闭环运行时其比例度?对系统过渡过程的影响如图3.2：
余差：在扰动（如负荷）及设定值变化时，控制系统有余差存在。在相同的负荷变化量的扰动下，比例度?越小，余差越小；在比例度?相同的情况下负荷变化量越大，则余差越大。对系统稳定性的影响：有图可看出，比例度?越大，过渡过程的曲线越平稳;随着比例度?的减少，系统将发散振荡程度增加，衰减比减少，稳定性变差，当减少到某一数值时，系统将发散振荡，十分危险，有时甚至造成重大事故。对系统过渡过程的影响：由图可见，随比例度的减少，振荡加剧，振荡频率提高，将被控量拉回到设定值所需时间就短。一般而言，在广义对象的放大系数较小，时间常数较大，时滞较小的情况下，比例度?选的小些，以提高系统灵敏度；反之，当广义对象的放大系数较大，时间常数较小，而时滞较大的情况下，必须适当增大比例度以增加系统的稳定性。对最大偏差的影响：最大偏差在两类外作用下不一样，在扰动作用下?越小，最大偏差越小；在设定作用下是系统处于衰减振荡时，?越小，最大偏差越大。
有上述可知，只有当比例度?的取值适当是，才可能取得系统呈衰减振荡、最大偏差和余差都不太大，过程稳定快，回复时间短的控制效果，在工业生产中近长期实践经验，液位控制系统大致取值范围为：%20～%80、在控制器的控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能较为迅速地克服扰动的影响，使系统很快的确定下来，通常使用干扰幅度较小，负荷变化不大，过程时滞较小，控制要求不高，允许有余差存在的场合。在液位控制系统中，往往只要求液位稳定在一定范围内，并没有严格要求即可采用比例控制。3.2
积分控制（I）积分控制规律是指输出变化量?u(t)与输入变化量e(t)积分成正比，即:?u(t)?kI??e(t)dt 0tkI:积分速度积分控制特点：积分控制主要用于消除余差，但作用缓慢，总滞后与偏差的存在不能及时有效的克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，甚至使系统难以稳定，因此积分控制规律在工业生产上很少单独使用，都是与比例作用组合来使用的。3.3
微分控制（D）微分控制规律是指其输出信号的变化量?u(t)与偏差信号的变化速度成正比，即：?u(t)?TDde(t)
TD：微分时间 dt微分控制规律特点：微分控制作用是按偏差的变化速度进行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的结果不能消除偏差，所以控制规律不能单独使用。它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制规律，而从实际使用情况来看，比例微分控制规律使用的较少，在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用，组成PID控制。3.4
比例积分控制（PI）12
比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加，其数学表达式为：?1?u(t)?Kc?e(t)?TC?t?KC()e(t)dt: 是积分项
Ke(t)e(t)dtC??0I?0?tKTI:积分时间
(C)?KII。比例积分控制是在比例控制作用的基础上引入积分作用来消除余差，故比例积分控制是使用最多、应用最广的控制规律，在反馈控制系统中，约有75%是采用PI作用的。但是，加入积分作用后，会使系统稳定性降低；要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度?（即削弱比例作用），这又会使2质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大、过渡时间加长。对于控制通道滞后较小、负荷变化不太大、工艺、参数不允许有余差的场合（如流量或压力控制），采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量。3.5
比例积分微分控制（PID）理想比例积分微分控制规律PID的表达式：?1?u(t)?KC?e(t)?T1??t0e(t)dt?TDde(t)??dt?。虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整?、TI、TD三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。由于，PID控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。
4控制流程图及控制系统方框图本次课程设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单的控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指有一个被控对象，一个检测变松单元一个控制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制系统，也成为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，他们均有四个基本环节组成，即被控对象，测量变送装置，控制器和执行器。对不同对象的简单控制系统尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：
图4.1控制系统方框图这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
5小结在液位系统的控制器设计中，建立了被控对象的数学模型,设计中，通过查阅大量的资料，使我的知识得以扩充，加深了对本专业的认识，这次毕业设计通过老师的指导以及自己的努力，我圆满的完成了任务，达到了设计的目的。我学会了过程控制设计的基本方法，对系统的整体分析。通过这次设计使我明白了有些东西看上去非常简单，当自己置身其中去做时，并不容易。在毕业设计的这段时间里，我也发现了自己所应改进或是较为缺乏的部分，其一是分析问题的能力，可能是自己学习的不够扎实，实习中碰到了不少钉子，遇到问题时头脑茫然。二是解决问题的成熟度，这也许是个性使然，再加上缺少经验的累积和历练所以在处理设计中的问题时，容易慌慌张张。这次设计也让我在此体会到了书本上学习到的专业知识和实际应用起来是两个完全不同的概念，所以在现阶段的学习中，我们主要是应该去学习专业理论知识，学习掌握分析问题和解决问题的能力。在以后的工作中，把理论和实际相结合，努力实现大学所学习的理论知识。所以说，这次课程设计也是对以前所学知识的一个初审。对于我以后学习，找工作也是受益匪浅。我感性回到理性的重新认识，进一步对社会的认知，对于以后工作所应把握的方向也有所启发！15
参考文献[1] 王琦. 计算机控制技术. 上海：华东理工大学出版社，2009.[2] 王银锁. 过程控制系统. 北京：石油工业出版社，2009[3] 何离庆. 过程控制系统与装置. 重庆：重庆大学出版社，2003[4] 方康玲. 过程控制与集散控制系统. 北京：电子工业出版啥，2009[5] 舒迪前. 预测控制系统及其应用. 北京：机械工业出版社，200916
本科生课程设计成绩评定表
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