液位流量串级控制

水箱液位控制系统的设计

摘要：

随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。

制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。

目录

1、设计目的和任务 (1)

1.1 目的 (1)

1.2 主要任务 (1)

2、设计方案提出及选择 (1)

2.1 液位单闭环控制系统 (1)

2.2 液位流量串级控制系统 (1)

3、液位串级控制系统组成结构 (2)

3.1 串级控制系统的组成 (2)

3.2 系统总貌图 (4)

4、设计方案的控制流程图和电气原理图 (4)

4.1 水箱液位串级控制系统的结构图设计 (4)

4.2 水箱液位串级控制系统框图的设计 (5)

4.3 电气原理图的设计 (5)

5、系统工作原理 (6)

5.1 水箱工作原理 (6)

5.2 PID控制工作原理 (7)

6、软件流程图及程序的编写 (7)

7、上位机画面制作 (9)

8、PID参数整定 (10)

8.1 串级控制回路系统的优点 (10)

8.2 串级控制系统的作用 (10)

8.3 监控画面参数的调节 (10)

9、结果 (11)

1、设计目的和任务

1.1 目的

利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用PLC作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使得液位能够尽量保持平稳在设定的范围内

通过课程设计，加强对课程的理解与掌握，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算及系统调试等环节，初步掌握PLC的硬件设计和软件设计，程序调试等PLC系统的开发过程，进一步提高分析解决实际问题的能力。

1.2 主要任务

1 了解水箱液位的控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。

2 逐一明确检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、引入PLC的接线和PLC的编址。

3 逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

4 绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。

5 编制PLC程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽量多的在试验设备上演示控制过程。

2、设计方案提出及选择

2.1 液位单闭环控制系统

由一个水压力传感器、一个PID控制器、一个控制阀和一个水箱所构成的单闭环控制系统，通过对液位的不断检测、变送，再于设定值的比较，求得偏差去调节进水流量，以达到水位达平稳。

2.2 液位流量串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量为水箱液位；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量为进水流量，是为了稳定主变量（液位）而引入的辅助变量。

由于本实验要求液位能够尽量保持平稳在设定的范围内，对液位的要求比较高，在这种情况下,水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后能保持设定值，液位单闭环控制系统已经难以满足控制要求，难以达到实

现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

3、液位串级控制系统组成结构

3.1 串级控制系统的组成

本实验装置主要包含水箱、压力变送器、流量变送器、西门子S7-300PLC控制系统、SA01电源控制屏、变频器、软件为西门子S7系列PLC编程软件、西门子WinCC监控组态软件。

系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。

3.1.1 硬件介绍

被控对象

水箱：供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；

检测装置

压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0 ~ 5KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4 ~ 20mADC。

流量传感器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24VDC。流量范围：0 ~ 1.2M，精度：1.0%；输出：4 ~ 20mADC。

控制屏

SA-01电源控制屏面板：合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

执行结构

变频器：SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

三相磁力驱动泵（220V变频调速）：本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

控制器

西门子S7-300PLC控制系统：西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。

3.1.2 软件介绍