上水箱液位与进水流量串级控制系统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。

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。

关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机目录上水箱液位与进水流量串级控制系统 (1)摘要 (1)1.过程控制系统简介 (4)1.1过程控制介绍 (4)1.2 串级控制系统的组成 (4)1.2.1 硬件介绍 (4)1.2 电源控制台 (6)1.3 总线控制柜 (6)1.4 软件介绍 (7)1．6系统总貌图 (7)2．串级控制系统简介 (8)2.1液位串级控制系统介绍 (8)2.2 串级控制系统的概述 (8)2.3串级控制系统的工作过程 (8)2.4 系统特点及分析 (9)2.5 串级控制系统的整定方法 (9)2.6主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (10)2.7 PID控制工作原理 (10)3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (11)3.1 实验设备： (11)3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (11)3.3 系统工作原理 (11)3.4 控制系统流程图 (12)3.5 实验过程 (13)3.6 实验结果分析 (15)3.6.1 整定过程分析 (15)3.6.2 扰动下的响应分析 (16)3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响 (16)3.6.4 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (19)总结 (25)参考文献 (26)1.过程控制系统简介1.1过程控制介绍现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。

不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。

因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。

由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。

在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。

在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。

当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。

1.2 串级控制系统的组成实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。

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。

1.2.1 硬件介绍1.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。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

2.检测装置:压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。

六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3. 执行机构:调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。

变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA 标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，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℃。

4、控制器:控制器采用SIEMENS公司的S7-300 CPU，型号为315-2DP，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。

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。

5、空气压缩机1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

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。

1.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP 从站和变频器DP从站构成。

(3) 温度变送器：PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

1.4 软件介绍西门子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。

西门子WinCC监控组态软件：S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。

作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA 系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

1．6系统总貌图图1.1 实验室高级过程控制系统实物仿真2．串级控制系统简介2.1液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。

在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。

通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。

通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。

如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

2.2 串级控制系统的概述图2.1是串级控制系统的方框图。

该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图2.1 串级控制系统方框图2.3串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。

根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。

副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。