液位控制系统设计(一种液位串级控制系统设计)

液位控制系统设计

液位控制系统设计

液位控制系统设计
摘要： 本文详细叙述了一种液位控制系统试验装置的设计与研制。该试验装置设置有水槽以及相应的'检测和执行机构，通过适当组合，可以提供各种液位试验对象。针对 该试验装置，采用单片机编程技术设计开发了液位控制系统的软件平台。不同对象模型的各种控制算法以独立的函数形式存在，方便模型和算法的更改及扩展。在该试验装置和软件平台的基础上，实现了液位模型的数字PID控制，该系统还大量的使用了PLC控制器，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。同时对各种经典和现代控制方法进行了比较分析。论文中为设计和实现的多级液位控制试验装置以及相应软件为探索和验证各种先进的控制方法提供了一个良好平台。
关键字：液位控制 ；PID控制 ；PLC控制 The Design of Liquid-level Control System
Abstract： This thesis describes the development of experimented equipment, which has tri-stage tank, sensors, and actuators-Multi-stage Liquid-level Control System. The advantage of this equipment is that a variety of single-stage and multi-stage liquid-level control objects can be offered nimbly by adequate constructions. For this experimented equipment, the programming technology has been used to develop the system software platform. Different control algorithms are substantive functions and convenient for modification and expansion. Based on the experimented equipment and system software platform, we have carried out the digital PID control of the liquid-level model. And we use a lot of PLC controllers in this system. So the stability and security of the system are improved rapidly. We have compared and analyzed many kinds of classical and modern control systems. In addition, these control method shave been compared and analyzed. For researching multiple advanced control algorithms, this experimented equipment and system software have offered an excellent platform.
Keywords：Liquid-level control；PID control；PLC control

一种液位串级控制系统设计

一种液位串级控制系统设计

下面是小编整理的一种液位串级控制系统设计的论文，欢迎各位通信工程毕业的同学借鉴哦!

摘 要：本文利用罗克韦尔PLC控制系统，对液位串级控制进行了系统的软硬件设计和参数整定。软件设计包括运用通信软件RSLinx进行网络组态，运用编程软RSLogix5000进行控制程序编写，运用上位监控软件RSView32制作上位监控画面，对液位进行实时监控。通过系统调试，PID参数整定，验证了系统的控制效果，实现了对主被控量下水箱液位的控制。

　　关键字：Rockwell;水箱液位;串级控制;PIDE

1引言

罗克韦尔PLC自动化的集成架构是一种生产控制和信息系统，可以为整个自动化生产提供跨越过程运动驱动和顺序等多个平台的控制、通讯、和可视化的无缝集成，可以帮助提高生产力等。其中 Logix 平台和 I/O 系统用于控制，Kinetix 用于集成运动，NetLinx 开放式网络架构用于通讯，ViewAnyWareTM用于可视化方案。通过使用尖端的控制、网络、可视化和信息技术，集成架构系统解决了离散、过程、批次、运动、传动和安全应用的广泛控制和信息需求，还解决了性能信息需求。

液位控制是工业生产过程中重要的环节之一，同时也与人们的生活息息相关，因此，合理的液位控制系统可以保证生产的正常顺利进行，并保证产品的质量和生产效益。这些生产生活中的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制系统，因此对水箱的液位控制研究有重要的现实意义和广泛的应用前景。基于罗克韦尔PLC控制系统的液位串级控制系统对于我们研究和使用罗克韦尔技术具有重要作用。

2系统原理与组成

系统ControlLogix5561通过交换机与上位机建立以太网通信，在上位机上通过RSLinx建立上位机与现场设备通信连接，通过RSLogix5000实现系统的编程，系统的远程监控通过RSView32来完成，实现了对水箱的串级控制装置的远程控制，系统组成如图1所示。

3系统硬件设计

3.1 ControlLogix硬件系统

ControlLogix系统就是罗克韦尔公司成功开发的第三代PLC，从硬件配置、通信方式到数据结构都有根本性的变化，控制和数据传送概念也完全不同。它是由模块组合而成的控制平台，并且它的背板具有强大的网关功能，可实现在三层网络之间的转换。ControlLogix系统结构如图2所示。

ControlLogix控制器适合上千个I/O点的控制系统，具有极强的网络功能，通过强大的网关作用的背板可以连接AB控制器的所有网络，其中的顺序逻辑的控制功能部分，已完全替代了PLC5的系统产品，但有更为强大的功能和广阔的应用前景。

3.2高级过程控制实验装置简介

本设计中的过程控制对象是基于我院实验室的高级过程控制实验装置，如图3所示。

该装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备，由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。装置可以对流量、温度、液位、压力等参数进行测量，还可实现对多种高性能系统如单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS现场总线控制等多种控制系统。

3.3水箱液位串级控制系统原理

下面以水箱控制系统为例，说明串级系统的工作原理。系统方框图如图4所示。

水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。考虑处于稳定状态的串级系统意义不大，可只考虑扰动对于串级系统的影响。当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。

3.4水箱液位串级控制过程

本设计的水箱串级控制平台搭建如图5所示，这里重要使用到高级过程控制设备中的中水箱、下水箱、储水箱、电动调节阀、磁力驱动泵、管道和球阀。

整个控制系统的控制目标为下水箱液位，则下水箱液位为主被控量，下水箱为主被控对象。影响下水箱液位的是阀门F1-10和F1-11的`流量，在F1-10和F1-11开度不变的情况下，中水箱液位则是影响下水箱液位的重要因素，因此中水箱液位将作为副被控量，中水箱为副被控对象。副被控量即中水箱液位的变化取决于F1-7的流量，对F1-7的控制由电动调节阀来实现，因此可以选电动调节阀为执行机构，通过电动阀的不同开度控制副被控量中水箱液位的变化，进而控制下水箱液位。

4系统软件设计

4.1 RockweLL软件平台

罗克韦尔自动化公司的软件多，具有不同功能的软件可以满足用户不同的需求，其中通信工具软件 RSLinx 有 RSLinxLite、RSLinx OEM、RSLinx Gateway、RSLinxClassic等5种版本，编程软件RSLogix5/500/5000以及上位机监控组态软件RSView32、RSView。本次设计中用到的软件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。软件结构如图6所示，下面就分别介绍这三个的软件。

4.2 PIDE串级控制系统程序设计 本设计将使用 RSLogix 5000 软件完成双容水箱液位PIDE串级控制系统的程序编写。与一般的 PLC 程序使用梯形图编程不同，这里将使用 RSLogix5000 软件的功能块语言创建程序，功能块语言编程要比梯形图方式更直观更清晰，也更易于理解。

程序的设计要结合系统设计框图一起考虑，设计流程图如图7所示。

4.3组态监控

利用RSView32软件组态监控时，首先需要选择通道、网络以及RSLinx驱动器。并且通过OPC方式建立与ControlLogix 5561的通信，然后需要建立标签并通过文件夹管理标签。如图8所示

然后添加图形对象建立监控画面，通过RSView32中自带的图形库建立双容水箱的主监控画面，如图9所示。

5 PID参数整定及结果

本设计将运用PIDE Faceplate Control 面板进行PID参数的整定，如图10所示。

(1)整定后得到PID参数为P=0.7910325，I=8.012130，D=0.0103122，把PID参数用于副回路中水箱的控制。

(2)将下水箱液位PIDE设为串级(Cas/Rat)模式，中水箱液位PIDE设为Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法对主回路进行自整定，得到PID参数为P=0.7901231，I=0.80102，D=0.1021302，把该整定值用于主回路下水箱的控制。将下水箱液位设定为150mm，得到相应趋势图如图11。

串级控制系统中副回路是随动控制，而主回路是定值控制。通过上图我们观察到中水箱的测量值可以以较快的速度随副回路设定值变化，下水箱的液位经过较短时间可以稳定在设定值上。

6 结论

本文基于罗克韦尔PLC控制系统，根据液位串级控制系统原理，实现了对液位进行实时监控。通过系统调试，PID参数整定，验证了系统的控制效果，实现了对主被控量下水箱液位的控制。系统的稳定性、快速性与准确性基本达到预期目标，并最终实现了对水箱液位的串级控制。

参考文献

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[6]薛文轩等. 可编程逻辑控制器[M]. 北京：电子工业出版社，2008

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