1、 毕业设计报告基于组态软件的双容水箱液位控制系统设计摘要：液位控制问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，在污水处理，溶液过滤，化工生产等多种行业在生产加工过程之中都需要对液位进行控制，如果液位控制得当就能够提高生产效率以及产品的质量。这些不同背景的液位控制都可以简化为双容水箱的水位控制问题。本文基于 MCGS 组态软件，使用 AE2000B 型过程控制实验装置，运用 PLC 技术，自动控制技术，通信技术设计了一个双容水箱串级控制系统，该系统能够完成对下水箱水位的精确控制并且具有易于操作、运行可靠、抗干扰能力强的特点。关键词：MCGS； PLC； 液位控制； 双容水箱； PID； 串
2、级控制Control System of Double Capacity Water TankBased on Configuration SoftwareAbstract: It is a kind of common problem that in the process of industrial and people met in life. In the most production process need to control the liquid level including In sewage treatment, filter solution, chemical pr
3、oduction and other industries etc.if the lituid level be controled properly that can improve efficiency of production and quality. All of above problems that with different background can be simplified to double capacity water tank water level control problem.This essay is based on MCGS configuratio
4、n software,he use of AE2000B process control experimental device, PLC technology, automatic control technology，in addition,we designed a Double Capacity Water Tank Cascade Control System,the system can be precisely controlled under the water tank level and easy operation, reliable operation, strong
5、anti-interference ability.Key words: MCGS, PLC, Level control, Double Capacity Water Tank, PID, cascade control目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 MCGS 组态软件简介 .21.3 可编程逻辑控制器简介 .4第 2 章 控制系统硬件部分 .72.1 控制系统的组成 .72.2 器件型号 .8第 3 章 被控对象建模 .93.1 单容过程建模 .93.2 双容过程建模 .11第 4 章 实验法求取水箱参数 .134.1 修正实验装置误差 .134.1.1
6、电动调节阀的特性 .134.1.2 上水箱水位特性 .144.1.3 下水箱水位特性 .154.2 测定水箱阶跃数据 .154.3 双容水箱阶跃响应参数 .174.3.1 求取上水箱传递函数 .174.3.2 求取下水箱传递函数 .19第 5 章 系统控制方案设计 .205.1 PID 控制原理 .205.2 方案设计 .225.3 调节器参数整定 .245.3.1 MATLAB 软件简介 .245.3.2 副回路参数整定 .255.3.3 主回路参数整定 .265.3.4 抗干扰能力验证 .27第 6 章 组态界面设计 .296.1 总体设计 .296.2 具体组态过程 .306.2.1 水
7、箱动画界面 .306.2.2 定义数据变量 .306.2.3 动画连接 .316.2.4 水位数据及曲线 .326.2.5 报警设置 .336.2.6 运行策略 .34第 7 章 联机调试 .367.1 PLC 程序设计 .367.1.1 程序流程图 .367.1.2 PLC 资源分配 .377.2 连接实验装置 .377.2.1 连接 PLC 与双容水箱 .377.2.2 连接 MCGS 与 PLC .387.3 运行和调试 .397.3.1 MCGS 的监控功能 .397.3.2 调试结果 .41总 结 .43致 谢 .44参考文献 .44附录 1 数据采集程序 .47附录 2 串级控制程
8、序 .49西南科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 课题的背景和意义液位控制问题与人民的生产以及生活有着密切的联系。在生活之中如居民生活用水的供应，热水器、洗衣机等电器的使用等都离不开液位控制；在生产加工过程中如饮料、食品加工，污水处理，化工生产，炼铁炼钢等都需要对蓄液池中的液位进行控制。在工业生产中通过对液位的检测可以了解容器中的原料与成品之间的比例关系，通过对液位的控制可以调节容器之中各种成分的比例，保持容器中的物料平衡。如果对容器之中的液位控制的得当则能够提高生产效率以及产品的质量，如果控制不当则增大产品的不合格率 。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数，1特别是在动态情况下
9、，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。蓄液池中的液位需要维持在适当的高度，就需要要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量。目前国内外的用于液位控制的控制器有很多，控制的原理与方式也是各不相同，控制要求不高的情况下常用的有：（1）液压式水位控制阀 原理：当液位下降时，阀内的弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水；随着水箱内的水位逐渐上升，阀门内所受的压力逐渐增大，当水位上升到预设的液位时弹簧所受的力与阀内所承受的压力达到平衡，阀门自动停止加水。该控制方法适用于工矿企业、民用建筑中的各种水箱、太阳能水箱的自动供水系统 。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。2（2）浮球水
10、位控制器 利用浮球在液体中的上升或下降，接通球体内部的重力开关，再由浮球内部的触点开关去控制相关电器设备 。浮球水位控制器分为管式3浮球与缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大的液体，缆浮球适合污水。但是液位控制系统是一个非线性系统，采用上述控制方式存在溶积延迟时间长、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度的控制要求。采用组态软件编制上位机控制界面和通过 PLC 算法程序，组建接近于实际的控制系统。通过在线运行，具有控制自适应能力强，动态、静态品质优良等优点，有效地解决了类似系统难于控制的问题 。对液位控制系统，一般是在工作点附近线性化后再加以控制的，4控制方法有 PID 控制、基于线性模
11、型的模糊控制 、人工神经网络 等。5 6这些不同背景的液位控制都可以简化为水箱的液位控制问题 。水箱液位控制7系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成水箱液位控制系西南科技大学本科生毕业论文2统来实现。本文基于组态软件，使用 AE2000B 型过程控制实验装置，以 PLC 作为控制器，设计了一个双容水箱串级控制系统，该控制系统以下水箱为主控对象，通过控制上水箱进水量达到控制水箱液位的目的，双容水箱模型见图 1-1。图 1-1 双容水箱模型1.2 MCGS 组态软件简介MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows
12、 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于 Microsoft Windows 98/Me/NT/2000 等操作系统。目前 MCGS 有通用版、网络版以及嵌入版这三个版本。8总体来说，MCGS 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户在组态系统设计和构造自己的应用系统建立组态工程，在设计完成之后用户可以在运行环境之中运行组态工程，进行各种处理包括“动画显示” 、 “现场控制” 、 “报警”等功能，完成用户组态设计的目标和功能。 “MCGS 组态环境”与“MCGS 运行环境”相互独立，又紧密联系，如图 1-2 所示。西南科技大学本科生毕业论文3图 1-2 组态环境与
13、运行环境MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，各个窗口具有不同的功能，如图 1-3 所示。要完成一个工程就需要对五个窗口进行合理的设计。图 1-3MCGS 软件的五大组成部分五大窗口的具体功能：（1）主控窗口 主控窗口是工程的主窗口，用于构造系统的主框架，在 MCGS单机版中只能有一个主控窗口。主控窗口可以进行工程的菜单设计，用于在运行环境中打开、关闭相应的功能窗口。（2）设备窗口 MCGS 与外部设备（如：PLC）之间的连接是通过设备窗口完成的，在 MCGS 单机版中只能有一个设备窗口。设备窗口还提供了虚拟设备，可以为动态数据库中的数据
14、对象提供波形数据，用于验证组态工程是否存在错误。（3）用户窗口 用户通过该窗口生成动画显示、参数设定、曲线显示、报警等人机交互界面，实现数据和流程的“可视化” 。（4）实时数据库 实时数据库是 MCGS 系统的核心，工程中的数据交换都要经过实时数据库。在建立工程之时要在实时数据库之中新建数据变量，这些变量将在运行环境下接受并储存从外界采集来的数据以及在运行过程中产生的数据。系统的其它部分通过对这些数据的处理来实现各种功能。（5）运行策略 运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。这些控制功能是由通过编写控制程序，选用功能构建实现的。西南科技大学本科生毕业论文41.3 可编程逻辑控制器简介可编
15、程逻辑控制器，简称 PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。在制造业和过程工业中，存在着大量以数字量为主的逻辑控制，这些逻辑控制要求控制系统能够按照一定的逻辑顺序对开关量进行控制，并能够对生产现场大量的脉冲、计时、计数、开关量、报警等信息进行监控和处理，在早期的控制中这些工作是通过继电-接触器控制系统来实现的。由于继电-接触器逻辑部分是有继电器、接触器来实现的具有一定的复杂性，在控制逻辑十分复杂的情况下，就需要使用大量的继电器、接触器，电路十分复杂，因此继电-接触器控制系统具有设计复杂、安装不方便、体积庞大、故障率高、功耗大、不易维护、不以改造等缺点。这些缺点基本上
16、都是由其复杂的逻辑电路引起的，由软件来实现控制系统的逻辑部分，便能很好的克服这些缺点，可编程逻辑控制器便因运而生了。PLC 是计算机技术与继电-接触控制电路相结合的产物，是一种用于工业控制的专用计算机。以西门 S7-200PLC 为例 PLC 有以下五个部分组成 ：9（1）中央处理单元（CPU）目前大中型 PLC 多采用 16 位或者 32 位的微处理器作为 CPU，CPU 是 PLC 的核心部分，PLC 的控制功能是通过 CPU 运算功能实现的。CPU 在运行时主要完成以下任务： 接受编程软件输入的程序和数据并储存在相应的位置。 诊断电源电压是否正常、I/O 单元的连接是否正常、用户程序是否
17、存在语法错误。扫描每个输入端口，把得到的信息存入输入映像寄存器。 扫描用户程序，对输入映像寄存器中的数据进行处理，把得到输出数据存入输出印象寄存器。把输出映象寄存器中的数据送至输出单元。（2）存储器单元存储器单元由系统程序存储器和用户程序存储器两个部分组成。系统程序存储器：用于存放生产厂家编写的系统程序（操作系统） ，PLC 的功能都是在系统程序的管理之下实现的。用户程序存储器：是用户可以使用的存储区域，用于存放用户程序以及各种数据。（3）电源单元西南科技大学本科生毕业论文5将外界提供的电源转化成 PLC 的工作电源，为 PLC 供电的部分叫做电源单元。电源可以通过 PLC 的接口为负载提供
18、24V 的直流电源，但是其供电能力有限，不能无限制的使用。（4）输入/输出单元（I/O）输入/输出单元是 PLC 与工业现场的接口， PLC 对工业现场的信息交换是通过输入/ 输出单元完成的，可以说输入单元是 PLC 的“ 眼睛”与“耳朵” ，输出单元是PLC 的“手” 与“足” 。输入单元将置于工业现场中的传感器等传来的数字/模拟信号转换格式之后供给CPU 处理；输出单元则是把 CPU 提供的控制信号转换成相应的控制电平输送到现场，对现场中的设备进行控制。（5）接口单元接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口等。扩展接口：用于连接扩展模块，为 PLC 提供更多的 I/O 接口，
19、连接智能模块，使 PLC 具有更强大控制能力。通信接口：以前很多控制器都是单独进行控制的，控制器之间没有信息交换，控制系统中的控制器之间的协调工作便成为了一大难题，这样很大程度上限制控制技术的发展。网络技术与控制技术相结合便打破了这一禁锢。PLC 上集成有 RS-232口或者 RS-485 通信接口，可以实现 PLC 与其它 PLC、上位机、监视器等设备相连，实现数据交换，形成一个控制网络。PLC 具有以下特点：（1）体积小，能耗低，性价比高，可靠性高，抗干扰能力强。用软件代替传统继电-接触器控制系统的逻辑电路部分，大大简化了控制系统硬件连接，减少了继电器、接触器的使用，从而减少了机械触点和连
20、线的数目，减小了系统体积与功耗提高了系统的可靠性。在生产现场噪声干扰、电波干扰等干扰是控制器最大的敌人。PLC 的主要器件和部件都使用了良好的屏蔽材料进行屏蔽，PLC 与外界信息的交换采用了光电耦合隔离，同时进行了多种形式滤波，以及系统软件具有故障检测、信息保护和恢复、等功能，因此具有很强的抗干扰能力。（2）编程简单。梯形图语言是使用最为广泛的 PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电- 接触器电路原理图相似，熟悉继电-接触器电路原理图的人能够很快西南科技大学本科生毕业论文6的掌握梯形图语言。（3）灵活性强，控制系统易于实现。当被控系统发生改变之时，不用像继电-接触器控制系统需要进行很大的改动，甚至要重新设计控制系统。只需要对 PLC 的程序进行改动，以及外围电路的局部调整便可以实现对控制系统的改造。（4）维修方便。由于 PLC 的体积小，并且有些采用模块化结构，当出现故障之时之时只需要更换出现故障的模块就能排除故障。对于 PLC 主机则可以通过软件提供的故障信息以及装置上的指示灯，方便的查出故障源。
