1、 4 单容水箱液位组态控制实验报告学院：自动化学院班级：学号：姓名: 单容水箱液位组态1实验目的：1.熟悉单容水箱液位调节阀 PID 控制系统工作原理2.熟悉单用户项目组态过程3.掌握 WINCC 画面组态设计方法4.掌握 WINCC 过程值归档的组态过程5.掌握 WINCC 消息系统的组态过程6.掌握 WINCC 报表系统的组态过程二：单容水箱实验原理1、实验结构介绍水流入量 Qi 由调节阀 u 控制，流出量 Qo 则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位 H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者 A
2、O 模块直接输出电流。)调整水箱出口到一定的开度。突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。通过物料平衡推导出的公式： kQHiO,那么 ，)(1Fdt其中，F 是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成 。RktRC公式等价于一个 RC 电路的响应函数，C=F 就是水容， 就是水阻。kHR02如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下 S 函数表示：。)1()0TKRG相关理论计算可以参考清华大学出版社 1993 年出版的过程控制，金以慧编著。2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用 PLC 端口 使用
3、 ADAM 端口LT103给定值图 4-1 单容水箱液位数学模型的测定实验Qo hQiFV101下水箱液位 LT103 AI0 AI0调节阀 FV101 AO0 AO03 参考结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图 4-2 所示：图 4-2 单容水箱液位飞升特性此时液位测量高度 184.5 mm，实际高度 184.5 mm -3.5 mm =181 mm。实际开口面积 5.5x49.5=272.25 mm。此时负载阀开度系数：。smxHQk/1068./ 5.24max水槽横截面积：0.206m。那么得到非线性微分方程为(标准量纲):： HHdt 2403.18.206./)680.24.0(/
4、进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统。)1/()(TsKesG三对 A3000 的系统理解：A3000 高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及调压器)、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。1、A3000 特点(1)现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。(2)现场控制箱侧面
5、是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的 DCS 系统、PLC 系统、DDC 系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。(3)现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。(4)现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。A3000-FS 系统结构原理图如图 2-1 所示。图 2-1 A3000 现场系统结构图现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。传感器和执行器系统包
6、括 5 个温度、3 个液位、1 个压力，1 个电磁流量计，1 个涡轮流量计，1 个电动调节阀，两个电磁阀，2 个液位开关。 2、现场系统面板左侧设置： 电源：220V AC 单相电源开关，380V AC 三相电源开关。 开关：三个旋钮开关，分别是 1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出 0-50Hz，而继电器不能工作。 两个拨动开关，分别是现场系统照明用电
7、源开关，以及变频器 STF(正转)控制开关。注意在机柜上还有并联的一个 STF 控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。 电压表：显示加在调压器上的电压值。 变频器：对于 A3000FBS 系统，则具有 Profibus DP 控制端子。面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有 5 个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。3、支路分析现场系统包含两个支路。支路 1 有 1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到
8、三个水箱以及锅炉。支路 2 有 2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。(1)支路 1 分析支路 1 包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。由于支路 1 可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、 JV106、XV101，关闭其它阀门(注意 JV104)，开启 1#水泵，则锅炉内的水通过 1#水泵循环起来。锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位
9、开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开 2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；第二，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭 2#电磁阀，不再注入冷水。支路 1 上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。锅炉底部连接有滞后管系统。打开 JV501、JV502，关闭 JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开 JV503，关闭 JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。 在滞
10、后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。(2)支路 2 分析支路 2 包括右边的水泵，2# 流量计，压力变送器，电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。支路 2 有一个电动调节阀，配合三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。对于单容实验，我们配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同
11、阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。对于流量控制实验，我们可以选择支路 2，用电动调节阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路 1 流量固定(用涡轮流量计测量流量值)，设定一个比值系数，用 PID 控制支路 2 的流量与支路 1成比例。对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部
12、分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。四：实验内容及步骤1 实验内容：基于 A3000 的单容水箱液位调节阀 PID 控制单容下水箱液位 PID 控制流程图如图 4-1 所示。水介质由泵 P101 从水箱 V104 中加压获得压头，经由调节阀 FV101 进入水箱 V103，通过手阀 QV-116 回流至水箱V104 而形成水循环；其中，水箱 V103 的液位有 LT103 测得，用调节手阀 QV-116 的开启程度来模拟负载的大小。本实验运行的基本环境：本实验的重要的环境就是利用 PLC、W inCC 工业 控 制 环 境实现对于工业过程的检测与控制，另 外 充
13、分 利 用 Matlab 强 大 的 算 法 能 力 ，从而在 PLC+WinCC+Matlab 实 现 工 业 过 程 的 先 进 控 制 实 验 。图 4-1 单容下水箱液位 PID 控制流程图本实验为定值自动调节系统，FV101 为操纵变量，LT103 为被控变量，采用PID 调节来完成。控制测点清单如表 4-1 所示。2 实验步骤：1 组态画面（1）规划画面布局，插入图形对象或控件，并进行图形对象的静态属性设置，要求组态流程图画面如图 4-2 所示，在此基础上可进行优化画面设计。图 4-3 实时曲线显示（替换为 WinCC 的实时数据的趋势控件）图 4-5 消息系统显示（替换为 Win
14、CC 的报警控件）A3000 是利用西门子 PID 单回路控制，上图为 PID 控制组态画面PID 控制器参数整定首先，需要把准备好的数据组 通过导入命令，导入时域数据；然后进行预处理yu,包括 Remove trend、Remove mean 等；第二，把经过预处理过的数据，进行系统辨识的“估计” 。选择 Estaimate 中“过程模型”命令进行估计(Process Model) 。Process Model 的模型结构包含增益 K、极点个数选择（最多三阶） 、零点选择（最多 1 个） 、系统延迟环节选择。第三，把得到的模型参数进行记录（二）PID 控制器参数整定西门子 PID 公式 ER
15、SLAGTMVsNGAILMN*_1*IMC-PID 设计的标准公式 112 ssKssKg FDIcFIDIc 过程模型内模 PID 控制器参数 11ssKFDIc西门子 PID 控制器参数 SLAGTMVsIK*_1*1sp， ；pckpi ppIk,spekPID 控制器： )5.0(pckIpD2建议 8.0PI 控制器：；pck)5.(.0I建议 71PID 控制器：，)5.0(pkKTI；pV2建议 8.0PI 控制器：；pkK)5.(；.0TI建议 71二阶过程 )(12sKp;pck)(2;21I21D;pkK)(2;21TI21V西门子 PID 公式 ERSLAGTMVsNG
16、AILMN*_1*IMC-PID 设计的标准公式 112 ssKssKg FDIcFIDIc S7-300 控制系统是利用 SIMATIC S7-200, S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。我们所采用的通讯方式为 PC/PPI 编程电缆，用于 S7-200 编程口 RS-485与 PC 机 RS-232 端口的连接。编程语言可以使用梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、语句表 (Statement List，也称指令表)。1、程序的一般结构S7-200 CPU 的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。例如我们
17、编写一个最简单的启动停止操作，这个程序是电力设备控制中最经典的“起保停” 电路。下面是用指令表编写的单回路 PID 的程序示例：鼠标双击左边视图中的 Program Block 主程序 MAIN，增击如下代码：LD SM0.1CALL SBR_0在菜单 Viewstl 或者 ladder 中选择一种方式。然后双击左边视图中的 Program Block 的 SBR_0。增加代码如下。LDN I0.0LD I0.1O Q0.0ALD= Q0.0或者梯形图形式，如图 2-20 所示。图 2-20 梯形图可能梯形图是最直观的。描述的过程如下：停止按钮通过 I0.0 端口，求反后一直是连通的，而 I0
18、.1 是启动按钮，Q0.0 接控制输出，平时关闭，当 I0.1是 1 时，则 Q0.0=1，启动设备。当按钮 I0.1 放开时，由于并联了 Q0.0，所以起到保持的作用，保持Q0.0=1。直到 I0.0 被按下，则 Q0.0=0，设备停止。这就是所谓的“ 起保停” 电路。2、模拟采集量转换S7-200 测量模拟量时可以设置为 0-20 毫安，不能设置成标准信号 4-20 毫安，具体接线参考上一实验。那么就有一个转换的问题，如图所示：4mA640020mA320000 度,0cm,0m 3/h100 度,25cm,3m 3/h一个工程量可以是 0-100，也可以是 0-25 厘米水柱。如果求温度
19、，那么转换公式就是：当前温度=100*(测量数-6400)/25600当然也可以有其他的计算公式。PID 运算时需要的是 0-1 之间的实数，那么不需要乘以 100，而且需要把测量的得到的整数转换成双整数，然后再转换成实数再运行。同样对于 PID 的输出也要转换成整型数据。范例代码如下：LD SM0.0MOVR #IN, AC0*R 25600.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0+I +6400, AC0MOVW AC0, #OUT五 安全机制Wincc组态软件提供了一套完善的安全机制，用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才
20、能对某些功能进行操作。Wincc 还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护用Wincc组态软件进行开发所得的成果，开发者可利用这些功能保护自己的合法权益。离线和在线调试Wincc 变量模拟器提供 6 种不同的函数来支持项目工程师。采用这些函数，可以给已组态的对象提供实际值。为了支持不同情况的测试，模拟器具有 6 种函数。每个独立的变量都可以分配给这 6 个函数中的一个。正弦：作为非线性周期性函数。振动：模拟控制输入中的跳转。随机：随机函数传递随机产生的数值。自增：一旦它达到最大值，自增计数器以其最小值重启动。自减：一旦它达到最小值，自减计数器以其最大值重启动。滚动条：用户可以用
21、来设置固定值的滚动条。1、模拟器的安装启动 安装 在安装 WinCC 期间选择“自定义”。“组件”对话框将打开。 在左边窗口中，单击“智能工具”组件。在右边窗口中选择“简 易语言”。 单击“下一步”按钮。按对话框中的指令进行。 如图 2.2.19 所示启动模拟器图 2.2.19 启动模拟器2、如图 2.2.20 所示添加并启动模拟器图 2.2.20 添加并启动模拟器图 2.2.21 设置网络3、如图 2.2.21 所示，如果接口参数指定为左图所示，则进入离线调试。如果接口参数指定为右图，并且与已正确运行的控制器相连，变量地址设置正确，则进入在线调试。（六）报警设定报警记录由组态和运行系统组件组
22、成： 报警记录是消息系统的组态组件。报警记录用于确定各自的消息应该何时出现以及它们应该具有什么内容。图形编辑器也可处理特定的显示对象、WinCC 报警控件，它们用于显示消息，如图 2.2.17 所示。 报警记录运行系统是消息系统的运行组件。当处于运行系统中时，报警记录运行系统负责执行已定义的监控任务。它也可对消息输出操作进行控制，并管理这些消息的确认。消息将以列表形式显示在 WinCC 报警控件中，如图 2.2.18 所示。图 2.2.17 报警记录图 2.2.18 报警运行显示报表和趋势曲线(1)历史报表历史数据报表是从归档数据中提取数据记录，以一定的格式显示历史数据。报表编辑器是报表系统的
23、组态组件，报表编辑器用于按照用户要求选定预编译的缺省布局或创建新的布局，报表编辑器还可用于创建打印作业以便启动输出。报表运行系统是报表系统的运行系统组件。报表运行系统从归档或控件中取得数据用于打印，并控制打印输出。(2)实时曲线实时曲线是用“Windows Online Tremd Control”构件显示一个或多个数据对象数值的动画图形，象笔绘记录仪一样记录实时数据对象值的变化情况。(3)历史趋势历史曲线是用“Windows Online Tremd Control”构件实现了归档数据的曲线浏览功能。运行时，“Windows Online Tremd Control”能够根据需要画出相应归档
24、数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。七实验心得：通过此次设计，我掌握了流量单回路控制系统的构成。知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变量组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤。了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。对 A3000 也有更深刻的了解，学会了初步的应用。在这次课程设计中也遇到了不少麻烦，不过经过老师的辅导大部分问题都得到了解决，总的来说，这次设计是一次收获很大的设计，学到了很多教学中学不到的东西，对我的动手能力有了很大的帮助。同时也要感谢于老师对我们这次课程设计的指导，让我们获益匪浅！
