下水箱液位控制系统

摘要

液位控制是常见的工业过程控制之一，它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量。随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，所以提高液位控制系统的性能显得十分重要。

本文介绍了一种基于组态软件WinCC和西门子STEP 7的下水箱液位控制系统的设计过程。控制对象为实验室的水箱液位设备，采用以太网进行通讯，用软件完成了系统硬件配置，实现了任意液位高度的手动/自动调节。在系统远程监控方面，利用WinCC软件进行了远程监控界面的设计，通过对液位数据的采集、处理、输出处理，实现了对液位高度的实时监控、自动/手动的无扰切换、报警显示等功能。

关键词：液位控制；实时监控；以太网；WinCC软件

Abstract

The level control is one of the common industrial process control, it is widely used in cooling towers, boilers, high-rise buildings, water tanks, tanks, industrial chemical tank level measurement of the pressure vessel. With the advances in technology, production control accuracy requirements are high, so to improve the performance of the liquid level control system is very important.

This paper introduces a kind of based on Wincc configuration software and Siemens STEP 7 under the tank liquid level control system of the design process. This design uses the Ethernet communication, the software system hardware configuration, design and debugging of various modules of the ladder to achieve a any level of a high degree of manual / automatic adjustment. Wincc software system RMON RMON interface design, the level of data collection, processing, output processing, the liquid level in the real-time monitoring, automatic / manual bumpless switching, alarm display and other functions.

Keywords: evel control;data collection;Siemens STEP 7;Wincc software

目录

1绪论 (1)

1.1过程控制 (1)

1.2 液位控制系统的组成 (1)

1.3液位控制系统的功能 (2)

1.4本论文的主要内容与方法 (3)

2 系统软件介绍 (4)

2.1PLC的发展及过程控制简介 (4)

2.2STEP7简介 (4)

2.3组态软件WinCC (5)

3 下水箱液位控制系统设计 (6)

3.1单回路过程控制系统概述 (6)

3.2被控对象的选择 (7)

3.3 仪表选择 (7)

3.3.1检测变送仪表的选择 (7)

3.3.2 执行器的选择 (7)

3.3.3 控制器的选择 (8)

4 系统调试 (9)

4.1 系统模型 (9)

4.2 控制规律 (10)

4.3 调试过程 (10)

5 结论分析 (17)

总结 (18)

参考文献 (19)

1绪论

1.1过程控制

液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂中，常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统有液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

控制器、执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控对象的性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控对象动态特性的了解。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须以被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖于对被控对象动态特性的理解。过程控制的被控对象设计的范围很广。被控对象不一定是指一个具体的设备，不少情况下被控对象是指一个过程。有些过程可能涉及好几种设备，而在有些设备内部可能包括几个过程。

1.2 液位控制系统的组成

本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。

简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。

图1-1 闭环控制结构框图

由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如图1-2所示。

图1-2 水箱控制系统结构框图

这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

1.3液位控制系统的功能

（1）液位控制系统基本功能

设置液位高度后，通过控制变送器，自动调节液位高度到设置值。如果自动调节出现错误时，可以切换到手动进行调节和诊断。可以通过实时曲线去分析系统的稳态误差、超调量、调整时间等动态性能指标。

n系统管理员可以通过微机进行实时监控，包括查看现场工作设备情况、手动/自动无扰切换、液位设置和液位显示、报警显示、实时曲线。

（2）异常报警功能

在异常状况下可以实现音响报警，分别为高高报警、高报警、低报警、低低报警。通过查看报警次数和时间，对液位的状况进行跟踪分析，最后进行确认报警。

1.4本论文的主要内容与方法

随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展，可编程序已广泛应用于各行业自动化控制领域，在现代工业企业的生产、加工和制造过程中起到了非常重要的作用。再加上控制器技术可编程控制器的功能日益完善，其小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适合长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果，组态软件因其简单易用的特点，在控制界面的设计中得到广泛的应用。

本论文介绍了基于可编程控制器和WinCC组态软件的液位控制系统的设计方案。作为下位机完成液位的采集和数据的转换；上位机利用WinCC组态软件设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据采集与处理；可编程控制器和组态软件通过现场总线以太网进行通讯；通过PLC软件编写程序实现液位控制，实时控制水箱液位。实验证明，液位控制系统效果比较令人满意，具有一定的工程实用价值。

2 系统软件介绍

2.1PLC的发展及过程控制简介

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：

（1）编程方便，可现场修改程序

（2）维修方便，采用插件式结构

（3）可靠性高于继电器控制装置

（4）体积小于继电器控制盘

（5）数据可直接送入管理计算机

（6）成本可与继电器控制盘竞争

（7）输入可以是交流150V以上

（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等

（9）扩展时原系统改变最小

（10）用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。

随着信息技术、自动化技术在过程工业的广泛应用，过程控制系统在过程工业中愈显重要。过程控制从应用于工业生产至今经历了由简单到复杂、从低级到高级的过程。在过程控制中，通常对液位、温度、压力、流量的参数进行控制。其中液位控制技术在国民生活、生产中发挥了重要作用，如民用水塔供水，精馏塔液位控制，锅炉气泡液位控制等。液位控制的精确度与精度都直接或间接影响着生产、生活的质量与安全。为了保证安全、合理高效生产，急需开展先进的液位控制方法和策略的研究和开发。

2.2STEP7简介

本设计中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，采用的是Step 7

编程软件。利用这个软件可以对PLC进行编程、调试、下装、诊断。

梯形图编程语言的优点：

（1）易于调试

（2）程序易读性强

（3）程序易于移植

（4）易于分析逻辑关系

（5）梯形图编程语言的缺点

2.3组态软件WinCC

组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面，其预设的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。

作为SIMATIC WinCC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。

WinCC的显著特性：

（1）功能强大

（2）简单易学

（3）扩展性好

（4）实时多任务

WinCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本设计在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。

3 下水箱液位控制系统设计

3.1单回路过程控制系统概述

单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执行机构。从系统的框图2-1看，是一个闭环回路。

图3-1 单回路控制系统方框图

图3-1中，()s G O 、()s G m 、()s G v 和()s G c 分别表示被控对象、检测变送仪表、执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）()t y 通过检测变送仪表后将其变换为测量值()t y m ，并反馈到控制器()s G c 的输入端；控制器()s G c 根据系统被控变量的设定值()t r 与测量值()t y m 的偏差()t e ，按照一定的控制算法输出控制量()t u ；执行器()s G v 根据控制器()s G c 送来的控制信号()t u ，通过改变操作变量()t μ的大小，对被控对象()s G O 进行调节，克服扰动()t d 对系统的影响，从而使被控变量()t y 趋于设定值()t r ，达到预期的控制目标。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负

荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高的场合。

3.2被控对象的选择

本设计被控对象选择下水箱，下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

3.3 仪表选择

3.3.1检测变送仪表的选择

检测变送仪表的作用是将工业生产过程的参数（如流量、压力、温度、物位和成分等）经检测并转换为标准信号。在单元组合仪表中，标准信号通常采用0～10mA、4～20mA、1～5V电流或电压，0.02～0.1MPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。

通常将检测变送仪表分为两部分。一部分用来将被控变量的变化转化为更容易处理的另外一类物理量的变化，从而使得后续的处理工作相对简单，也便于信号的传输与放大，这部分被称为测量元件或传感器，也成为一次仪表；另外一部分将传感器所获得的物理量进行放大、变换和传输，从而使得检测变送仪表的输出为标准信号，这部分被称为变送单元或变送器，也称为二次仪表。

本设计采用压力传感器对下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。采用涡轮流量计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。其优点是测量精度高，反应快。流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

3.3.2 执行器的选择

在过程控制中，执行器大多采用阀的形式，控制各种气体或液体的流量与流速，是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。而由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过

程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。所以，应根据生产过程的特点、被控介质的情况（尤其关注高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等介质）和安全运行需要，并从系统设计的总体考虑，选用合适的执行器。

本设计采用智能直行程电动调节阀，对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

本设计采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

在本设计中还选用电磁阀作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为0Kg/2

cm；工作温度：－5～

cm，最大压力为1Mp/2

80℃；工作电压：220V AC。

3.3.3 控制器的选择

在过程控制中，控制器常称为调节器。在采用计算机控制时，控制由计算机的数字运算来实现的。控制器的选型主要根据被控过程的特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计（包括经济性）来综合考虑。

控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。

本设计控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口，并通过WinCC组态软件完成对下水箱液位的控制。

4 系统调试

4.1 系统模型

建立过程数学模型的基本方法有两个，即机理法和测试法。本设计选用测试法建立系统模型。测试法一般只用于建立输入/输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。用测试法建模一般比用机理法建模要简单和省力，尤其是对于那些复杂的工业过程更为明显。

由于过程的动态特性，只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳定状态下是表现出来的。因此为了获得动态特性，必须使研究的过程处于被激励的状态。根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试对象动态特性的实验方法也不同，主要有：测定动态特性的时域法、测定动态特性的频域法，测定动态特性的统计相关法。

本设计采用测定动态特性的时域法，由阶跃响应曲线确定被控过程的数学模型。设阶跃输入)(t u 的变化幅值为)(t u ?，如输出)(t y 的起始值和稳态值分别为)0(y 和)(∞y ，则增益K 可根据下式计算，即

()()()

t u y y K ?-∞=0 （4-1） 在阶跃响应曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与曲线的稳态渐近线交于A 点，这样就可以根据A 、B 两点处的时间值确定参数τ和T ，它们的具体数值如图4-1所示

图4-1 用作图法确定参数

4.2 控制规律

调节器的控制规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）这三种基本规律及其各种组合。

比例调节（P）：依据偏差的大小来动作，其输出与输入偏差的大小成正比。比例调节及时、有力、但有余差。

积分调节（Ti）：依据偏差是否存在来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止。积分的作用是消除余差，但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。积分时间越小表明积分作用越强，积分作用太强时会引起震荡。积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI或PID控制。积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但积分控制通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，震荡次数较多；Ti太大对系统性能的影响减少。

微分调节（Td）：依据偏差变化速度来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它可以克服调节对象的惯性滞后、容量滞后，但不能克服调节对象的纯滞后。

液位控制系统调节器常选用P或PI调节器。

4.3 调试过程

当系统选用P调节时，如图4-2与图4-3是不同比例度的比较。可以发现当比例度为0.5时，系统的稳态偏差为32mm；当比例度为5时，系统的稳态偏差为6mm。比例度越大，系统的稳态偏差越小。

图4-2 比例度为0.5的比例调节

图4-3比例度为5的比例调节

当系统选用PI调节时，如图3-4与图3-5是在相同比例度下，积分时间不同的比较，可以发现相同比例度下，积分时间越长，振荡频率越低；如图3-4与图3-6是在相同积分时间下，不同比例度的比较，可以发现相同积分时间下，比例度越大，最大动态偏差越小，调节时间越短

图4-4比例度为1，积分时间为100000的PI调节

图4-5比例度为1，积分时间为200000的PI调节

图4-6比例度为5，积分时间为200000的PI调节

当系统选用PID调节时，如图3-7与图3-8是在相同比例度，积分时间下，不同微分时间的比较，可以发现微分时间增大，最大动态偏差增大；如图3-9与图3-10是在相同比例度，微分时间下，不同积分时间的比较，可以发现积分时间增大，振荡频率减小，动态偏差增大；如图3-10与图3-11是在相同积分时间，微分时间下，不同比例度的比较，可以发现比例度增大，动态偏差增小，振荡频减小。

j

图4-7微分时间为10000的PID调节

图4-8微分时间为20000的PID调节

图4-9比例度为1 积分时间为200000的PID调节

图4-10比例度为1 积分时间为100000的PID调节

图4-11比例度为5 积分时间为100000的PID调节

5 结论分析

1、P特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，稳态时，存在余差，且随比例度的增大而减小。控制规律控制及时但不能消除余差；I控制特点是能于消除余差，但作用缓慢，总滞后与偏差的存在使其不能及时有效的克服扰动的影响。控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用；D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。

2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若Kp过大，则可能导致发散振荡。

Ti越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。

Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但Td过大，则会增加过渡过程的波动程度。

3、PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。