基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计1 下载本文

控制器 P PI PID Kp Ti Td 0.5Ku 0.45Ku 0.6Ku 0.85Tu 0.5Tu 0.125Tu 除了Z-N整定公式外,后人还研究出多种PID参数整定公式,例如RZN整定公式、Kappa-tao整定公式、Cohen-Coon整定公式、AMIGO整定公式等[4],本文不做深入介绍。

数学模型

被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。一种是分析法,即根据过程的机理,物料或能量平衡关系求得它的数学模型;另一种是用实验的方法确定。

图3-4 单容自衡水箱特性测试系统 (a)结构图 (b)方框图

图3-4所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开,设下水箱流入量为Q1,改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小,下水箱的流出量为Q2,改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h 的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量,h 为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

dh (3-7)

Q1?Q2?A dt将式(3-7)表示为增量形式

?Q1??Q2?A

d?hdt (3-8)

式中:ΔQ1,ΔQ2,Δh分别为偏离某一平衡状态的增量;A.为水箱截面积。

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dh?0在平衡时,Q1=Q2,dt;

当Q1发生变化时,液位h 随之变化,水箱出口处的静压也随之变化,Q2也发生变化。由流体力学可知,流体在紊流情况下,液位h 与流量之间为非线性关系。但为了简化起见,经线性化处理后,可近似认为Q2与h 成正比关系,而与阀F1-11的阻力R成反比,即

?Q2??hR (3-9)

式中:R.为阀F1-11的阻力,称为液阻。

将式(3-8)、式(3-9)经拉氏变换并消去中间变量Q2,即可得到单容水箱的数学模型为

W0(s)?

H(s)RK??Q1(s)RCs?1Ts?1 (3-10)

式中T为水箱的时间常数,T=RC ;K为放大系数,K=R ;C为水箱的容量系数。若令

Q1(s)作阶跃扰动,即

Q1(s)?X0s,X0=常数,则式(3-10)可改写为

H(s)? 对上式取拉氏反变换得

XKX0K/TX0??K0?1sss?1s?TT (3-11)

?t/Th(t)?KX(1?e) (3-12) 0

当t→ ∞ 时,h(∞)-h(0)=KX0,因而有

K? 当t=T时,则有

h(?)输出稳态值?h(0)阶跃输入 (3-13)

?1h(T)?KX(1?e)?0.632KX0?0.632h(?) (3-14) 0

式(3-12)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图3-5(a)所示,该

曲线上升到稳态值的63%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA,切线与稳态值交点A 所对应的时间就是该时间常数T,由响应曲线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数。

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图3-5 单容水箱的阶跃响应曲线

(a)无滞后特性响应曲线(b)具滞后特性响应曲线 如果对象具有滞后特性时,其阶跃响应曲线则为图3-5(b),在此曲线的拐点D处作一切线,它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间?,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为:

Ke??sH(s)?1?Ts (3-15)

其中?为系统滞后时间, T为时间常数,K为放大倍数。通过实验建模,传递函数中

各参数为:K=4.2,T=12 min,? =1 s。 控制系统设计 硬件配置

实验使用“THSA-1 型过控综合自动化控制系统实验平台”,该实验台是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC 机三部分组成 4.1.1 智能仪表

采用上海万迅仪表有限公司生产的AI 系列全通用人工智能调节仪表,其中SA-12 智能调节仪控制挂件为AI-818 型,SA-13 智能位式调节仪为AI-708 型。AI-818 型仪表为PID 控制型,输出为4~20mADC 信号;而AI-708 型仪表为位式控制型,输出为继电器触点型开关量信号。AI 系列仪表通过RS485 串口通信协议与上位计算机通讯,从而实现系统的实时监控。本实验采用SA-12挂件。 P、I、D参数可根据实验需要调整。 4.1.2 PLC

S7 系列PLC 有很强的模拟量处理能力和数字运算功能,具有许多过去大型PLC才有的功能,其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC,S7 系列 PLC功能强、速度快、扩展灵活,并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构,因而在国内工控现场得到了广泛的应用。在本装置中采用了S7-300PLC控制系统,使用SA-41S7-300PLC可编程控制器挂件。 S7-300是采用模块化结构的中小型PLC,包括一个CPU315-2DP 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。图4-2所示为S7-300PLC控制系统结构图。

图4-2 S7-300PLC控制系统框图

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4.1.3 检测装置 压力传感器、变送器:压力传感器用来对上、中、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。采用标准二线制传输方式,工作时需提供24V 直流电源,输出:4~20mADC。 4.1.4 执行机构

电动调节阀:采用智能直行程电动调节阀,用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为:QSVP-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。

水泵:本装置采用磁力驱动泵,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。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。

电磁阀:在本装置中作为电动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为:2W-160-25 ;工作压力:最小压力为0Kg/㎝2 ,最大压力为7Kg/㎝2;工作温度:-5~80℃;工作电压:24VDC。 控制流程

本系统选择下水箱作为被测对象(也可选择上水箱或中水箱)。实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开,将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度,其余阀门均关闭。 智能仪表控制

将“SA-12 智能调节仪控制” 挂件挂到屏上,并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上,将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232 转换器连接到计算机串口2,并按照控制屏接线图连接实验系统。将“LT3 下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

接通总电源空气开关和钥匙开关,打开24V 开关电源,给压力变送器上电,按下启动按钮,合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关,给智能仪表及电动调节阀上电。

打开上位机组态环境,打开“智能仪表控制系统”工程,然后进入组态运行环境,进入本控制系统的监控界面。

在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”控制,并将输出值设置为一个合适的值,此操作需通过调节仪表实现。

合上三相电源空气开关,磁力驱动泵上电打水,适当增加/减少智能仪表的输出量,使下水箱的液位处于某一平衡位置,记录上位机曲线。 上位机曲线,如图4-6所示。 h 10

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t/min 0 2 4 图4-6: 单容水箱液位测量曲线 S7-300PLC控制

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