1、1课程名称：综合实验 2项目名称：基于 PLC 的单容液位 PID 控制系统的设计 学 院：信息工程学院专业班级：自动化 112同 组 人：xxx、xxx、xxxxxx、xxx、xxx指导老师：xxx 老师实验时间：2014-6-16 至 2014-6-202014 年 6 月 24 日摘要PLC 在工业自动化中应用的十分广泛。PID 控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于 PLC 的 PID 算法对液位进行控制。PLC 经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完 PID 参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系
2、统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过 MCGS 来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对 PLC 进行启动、停2止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS 与 PLC 通信流畅。本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的 PID 算法提到得较多，PLC 方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式 PID 算法。建立了 PID 液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定 PID 参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。关键词：PID 算法，MCGS，液位控制目 录
3、第一章 课程设计内容与要求分析 .11.1 课程设计内容 11.2 课程设计要求分析 11.3 PID 控制的原理和特点 131.3.1 比例（P）控制及调节过程 21.3.2 积分（I）控制及调节过程 21.3.3 微分（D）控制及调节过程 31.4 单容上水箱自衡过程的建摸 5第二章 课程设计的方案 .92.1 MCGS 组态软件概述 92.2 系统设计 PLC 程序 102.3 软件调试 .132.3.1 设备之间安装与连接 .152.3.2 系统的联机调试 .15第三章 课程设计总结 .18参考文献 .19附录 .201第一章 课程设计内容与要求分析1.1 课程设计内容针对液位控制过程
4、与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子 S7-200PLC 作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用 MCGS 组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。1.2 课程设计要求分析（1）以 RTGK-2 型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。（2）PLC 控制器采用 PID 算法，各项控制性能满足要求。（3）组态测控界面上，实时设定并
5、显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和 PID 输出值实时曲线；并能显示历史曲线。（4）选择合适的整定方法确定 PID 参数，并能在组态测控界面上实时改变 PID 参数。（5）通过 S7-200PLC 编程软件实现 PLC 程序设计与调试。（6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论。1.3 PID 控制的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结
6、构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1.3.1 比例（P）控制及调节过程比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比
7、例的话，就有可能2使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母 P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：（1-1）eKup式中 调节器的输出变化值；调节器的输入，即偏差；e比例调节器的放大倍数。p放大倍数 是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。P比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调” 。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。1.3.2 积
8、分（I）控制及调节过程在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来
9、一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称 PI 调节器，其作用特性可用下式表示：（1-2）)1(edtTPuuIIPI这里，表示 PI 调节作用的参数有两个：比例度 P 和积分时间 。而且比例度不仅影IT响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调） ，所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI3调节器就丧失了
10、积分作用，成了一个纯比例调节器。1.3.3 微分（D）控制及调节过程在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，
11、甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小（比例作用） ，同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。什么是微分调节？微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示
12、为： （1-3）dteTuD)(式中： 调节器的输出变化值；微分时间；偏差信号变化的速度。dte)(从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间 越长，则调节器DT的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为 100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称 PID 调节，它可由下式表示：4（1-4）)(1dteTetPuDIPID 调节中，有三个调节参数，就是比例度 P、积分时间 、微分时间 。适当
13、选取ITDT这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。第二章 课程设计的方案2.1 MCGS 组态软件概述MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT 操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS 组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用 VC+语言编程，通过 OLE 技术向用户提供 VB 编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、
14、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。工程创建的一般过程为：（1）工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。（2）工程各项搭建框架：MCGS 称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在 MCGS 组态环境中，建立了由五部分组成的工程
15、结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。5（3）设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。6（4）制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画” ，用户通过 MCGS 组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连
16、接关系，作为动画图形的驱动源。（5）编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，7构成各种功能模块（称为策略块） ，由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS 还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件） ，使用简单的编程语言，编写工程控制程序。（6）完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。（7）编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。（8）连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数
17、据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。2.2 系统设计 PLC 程序8DIV_R:实数除法 AC0/32000-AC0(标准化实数 0.21.0)SUB_R:实数减法 AC00.2-AC0(标准化实数 0.00.8)MUL_R:实数乘法 AC0*1.25-AC0(标准化实数 0.01.0)9AC0 VD100 测量单元10PID 控制模块及参数所在地址DIV_R:实数除法 VD108/1.25-AC2(标准化实数 0.00.8)ADD_R:实数加法 AC2+0.2-AC2(标准化实数 0.21.0)MUL_R:实数乘法 AC0*32000-AC2(标准化实数 64
18、0032000)11AC2 AQW0 测量单元MUL-R：AC0*40-VD400（将液位输出标准化 0.020.0）2.3 软件调试在 STEP7 环境中编写、调试、下载 PLC 的梯形图程序。在编写 PLC 程序时，查阅了STEP7 关于模拟量输入处理、模拟量输出处理、定时中断、PID 指令等内容。程序的流程图如下图 2-2 所示：12图 2.2 程序流程图2.3.1 设备之间安装与连接按照图 2-3 所示，将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。P C / P P I 通 信 电 缆ML T1上水箱电动调节阀 1液 位 变 送 器进水出水图 2-3 控制系统示意图图 2
19、-3 控制系统框图中水箱132.3.2 系统的联机调试在计算机中，编制实时动态显示画面。最后系统联调时，在画面上可显示和修改相关参数，在完成 PID 参数整定后，控制精度在 2%以内。曲线输出与设定值的属性设置图141516PID 参数及设定值的设置图表一：PID 指令回路表主要内容偏移地址 功能 描述0 PVn 过程变量测量值（实数）4 设定值 0.258 输出值 0.2312 增益 KC 30.016 采样时间 1.020 积分时间 TI 40.024 微分时间 TD 0.028 积分前项值32 过程变量前值17图一表二：PID 指令回路表主要内容偏移地址 功能 描述0 PVn 过程变量测
20、量值（实数）4 设定值 0.258 输出值 0.2512 增益 KC 100.016 采样时间 1.020 积分时间 TI 25.024 微分时间 TD 50.018图二表三：PID 指令回路表主要内容偏移地址 功能 描述0 PVn 过程变量测量值（实数）4 设定值 0.258 输出值 0.2512 增益 KC 20016 采样时间 1.020 积分时间 TI 50.024 微分时间 TD 10.019图三第三章 课程设计总结这次过程控制课程设计给我们带来了很多的收获。首先，是知识方面的收获，通过这次课程设计让我们对所学课程又有了更多的了解，对这门学科在现实生活中的应用也有了更多的了解，我们体
21、会到了知识在现代社会中的重要作用。其次，是与人沟通方面的收获，现代社会生活节奏较快，知识更新速度加快，每个人都应该不断学习，不断充实自己，要学会与人合作，这样才能提高办事效率，如果不与人合作，往往事倍功半。通过本次课设，对组态软件的认识与了解更加深刻了。在自己动手设计调试的过程中，使我们对 PLC 和应用有了更深一步的了解，相信对以后会有很大的帮助。PLC 和过程控制在现代生产中有着非常广泛的应用，是非常实用非常重要的知识。这次课设把变频器和 PLC 联系在一起，让我对所学知识有了更加灵活的掌握。在以后的生活中，如果有时间，我们想再多学习一些有关 PLC 和变频器方面的知识。感谢老师的谆谆教诲，让我们学到了那么多宝贵的知识。20参考文献1邵裕森,戴先中.过程控制工程(第 2 版).北京:机械工业出版社.20032崔亚嵩.过程控制实验指导书（校内）3廖常初.PLC 编程及应用(第 2 版).北京:机械工业出版社.20074吴作明.工业组态软件与 PLC 应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007
