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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; 串级控制
Control System of Double Capacity Water Tank
Based on Configuration Software
Abstract: 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 production 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 configuration 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 anti-interference ability.
Key words: MCGS, PLC, Level control, Double Capacity Water Tank, PID, cascade
control
目 录
第 1 章 绪论 ........................................................................................................................1
1.1 课题的背景和意义..................................................................................................1
1.2 MCGS 组态软件简介...............................................................................................2
1.3 可编程逻辑控制器简介...........................................................................................4
第 2 章 控制系统硬件部分 ................................................................................................7
2.1 控制系统的组成.......................................................................................................7
2.2 器件型号...................................................................................................................8
第 3 章 被控对象建模 ........................................................................................................9
3.1 单容过程建模...........................................................................................................9
3.2 双容过程建模.........................................................................................................11
第 4 章 实验法求取水箱参数 ..........................................................................................13
4.1 修正实验装置误差.................................................................................................13
4.1.1 电动调节阀的特性.......................................................................................13
4.1.2 上水箱水位特性...........................................................................................14
4.1.3 下水箱水位特性...........................................................................................15
4.2 测定水箱阶跃数据.................................................................................................15
4.3 双容水箱阶跃响应参数.........................................................................................17
4.3.1 求取上水箱传递函数...................................................................................17
4.3.2 求取下水箱传递函数...................................................................................19
第 5 章 系统控制方案设计 ..............................................................................................20
5.1 PID 控制原理..........................................................................................................20
5.2 方案设计.................................................................................................................22
5.3 调节器参数整定.....................................................................................................24
5.3.1 MATLAB 软件简介 .....................................................................................24
5.3.2 副回路参数整定...........................................................................................25
5.3.3 主回路参数整定...........................................................................................26
5.3.4 抗干扰能力验证...........................................................................................27
第 6 章 组态界面设计 ......................................................................................................29
6.1 总体设计.................................................................................................................29
6.2 具体组态过程........................................................................................................30
6.2.1 水箱动画界面...............................................................................................30
6.2.2 定义数据变量...............................................................................................30
6.2.3 动画连接.......................................................................................................31
6.2.4 水位数据及曲线...........................................................................................32
6.2.5 报警设置.......................................................................................................33
6.2.6 运行策略.......................................................................................................34
第 7 章 联机调试 ..............................................................................................................36
7.1 PLC 程序设计.........................................................................................................36
7.1.1 程序流程图...................................................................................................36
7.1.2 PLC 资源分配...............................................................................................37
7.2 连接实验装置.........................................................................................................37
7.2.1 连接 PLC 与双容水箱..................................................................................37
7.2.2 连接 MCGS 与 PLC .....................................................................................38
7.3 运行和调试.............................................................................................................39
7.3.1 MCGS 的监控功能.......................................................................................39
7.3.2 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 串级控制程序 .......................................................................................................49
西南科技大学本科生毕业论文
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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
]1[
。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数,特别是在动态
情况下,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
]2[
。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。
(2)浮球水位控制器 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
]3[
。浮球水位控制器分为管式浮
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
]4[
。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,控制方
法有 PID 控制、基于线性模型的模糊控制
]5[
、人工神经网络
]6[
等。
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
]7[
。水箱液位控制系
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统来
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