液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一種液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì))

液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要： 本文詳細(xì)敘述了一種液位控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研制。該試驗(yàn)裝置設(shè)置有水槽以及相應(yīng)的'檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)組合，可以提供各種液位試驗(yàn)對(duì)象。針對(duì) 該試驗(yàn)裝置，采用單片機(jī)編程技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了液位控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。不同對(duì)象模型的各種控制算法以獨(dú)立的函數(shù)形式存在，方便模型和算法的更改及擴(kuò)展。在該試驗(yàn)裝置和軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了液位模型的數(shù)字PID控制，該系統(tǒng)還大量的使用了PLC控制器，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性大大提高。同時(shí)對(duì)各種經(jīng)典和現(xiàn)代控制方法進(jìn)行了比較分析。論文中為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的多級(jí)液位控制試驗(yàn)裝置以及相應(yīng)軟件為探索和驗(yàn)證各種先進(jìn)的控制方法提供了一個(gè)良好平臺(tái)。
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(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面是小編整理的一種液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)，對(duì)液位串級(jí)控制進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和參數(shù)整定。軟件設(shè)計(jì)包括運(yùn)用通信軟件RSLinx進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，運(yùn)用編程軟RSLogix5000進(jìn)行控制程序編寫(xiě)，運(yùn)用上位監(jiān)控軟件RSView32制作上位監(jiān)控畫(huà)面，對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主被控量下水箱液位的控制。

　　關(guān)鍵字：Rockwell;水箱液位;串級(jí)控制;PIDE

1引言

羅克韋爾PLC自動(dòng)化的集成架構(gòu)是一種生產(chǎn)控制和信息系統(tǒng)，可以為整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)提供跨越過(guò)程運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和順序等多個(gè)平臺(tái)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(tái)和 I/O 系統(tǒng)用于控制，Kinetix 用于集成運(yùn)動(dòng)，NetLinx 開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gòu)系統(tǒng)解決了離散、過(guò)程、批次、運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)和安全應(yīng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)，因此對(duì)水箱的液位控制研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。基于羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)的液位串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于我們研究和使用羅克韋爾技術(shù)具有重要作用。

2系統(tǒng)原理與組成

系統(tǒng)ControlLogix5561通過(guò)交換機(jī)與上位機(jī)建立以太網(wǎng)通信，在上位機(jī)上通過(guò)RSLinx建立上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信連接，通過(guò)RSLogix5000實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的編程，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)RSView32來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱的串級(jí)控制裝置的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)組成如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ControlLogix硬件系統(tǒng)

ControlLogix系統(tǒng)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有根本性的變化，控制和數(shù)據(jù)傳送概念也完全不同。它是由模塊組合而成的控制平臺(tái)，并且它的背板具有強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)功能，可實(shí)現(xiàn)在三層網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。ControlLogix系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ControlLogix控制器適合上千個(gè)I/O點(diǎn)的控制系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，通過(guò)強(qiáng)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(tǒng)產(chǎn)品，但有更為強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景。

3.2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)中的過(guò)程控制對(duì)象是基于我院實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。

該裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。裝置可以對(duì)流量、溫度、液位、壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種高性能系統(tǒng)如單回路控制，串級(jí)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(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成AI智能儀表，DDC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線控制等多種控制系統(tǒng)。

3.3水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)原理

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

水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱(chēng)主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱(chēng)副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱(chēng)副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器?？紤]處于穩(wěn)定狀態(tài)的串級(jí)系統(tǒng)意義不大，可只考慮擾動(dòng)對(duì)于串級(jí)系統(tǒng)的影響。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。

3.4水箱液位串級(jí)控制過(guò)程

本設(shè)計(jì)的水箱串級(jí)控制平臺(tái)搭建如圖5所示，這里重要使用到高級(jí)過(guò)程控制設(shè)備中的中水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、磁力驅(qū)動(dòng)泵、管道和球閥。

整個(gè)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)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(duì)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(duì)象。副被控量即中水箱液位的變化取決于F1-7的流量，對(duì)F1-7的控制由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以選電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 RockweLL軟件平臺(tái)

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足用戶不同的需求，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(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32、RSView。本次設(shè)計(jì)中用到的軟件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，下面就分別介紹這三個(gè)的軟件。

4.2 PIDE串級(jí)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)將使用 RSLogix 5000 軟件完成雙容水箱液位PIDE串級(jí)控制系統(tǒng)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更清晰，也更易于理解。

程序的設(shè)計(jì)要結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖一起考慮，設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4.3組態(tài)監(jiān)控

利用RSView32軟件組態(tài)監(jiān)控時(shí)，首先需要選擇通道、網(wǎng)絡(luò)以及RSLinx驅(qū)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(biāo)簽并通過(guò)文件夾管理標(biāo)簽。如圖8所示

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

5 PID參數(shù)整定及結(jié)果

本設(shè)計(jì)將運(yùn)用PIDE Faceplate Control 面板進(jìn)行PID參數(shù)的整定，如圖10所示。

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

(2)將下水箱液位PIDE設(shè)為串級(jí)(Cas/Rat)模式，中水箱液位PIDE設(shè)為Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法對(duì)主回路進(jìn)行自整定，得到PID參數(shù)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(shè)定為150mm，得到相應(yīng)趨勢(shì)圖如圖11。

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

6 結(jié)論

本文基于羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)液位串級(jí)控制系統(tǒng)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主被控量下水箱液位的控制。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準(zhǔn)確性基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]潘永湘等. 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[2]梁昭峰等. 過(guò)程控制工程[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2010

[3]薛迎成. 羅克韋爾PLC技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2009

[4] 鄧?yán)? ControlLogix系統(tǒng)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[5]錢(qián)曉龍等.Control Logix系統(tǒng)電力行業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用培訓(xùn)教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[6]薛文軒等. 可編程邏輯控制器[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

[7]孫秀云. 遠(yuǎn)程液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào).2008，24(6)