过程控制课程设计---单容水箱液位恒值控制系统设计

过程控制系统课程设计

专 业： 自 动 化 设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计 班级：自0845学生姓名：任宇学号：02 指导教师： 雷 霞 分院院长： 许建平 教研室主任： 方 健

电气工程学院

一、课程设计任务书

1. 设计内容

针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。 2. 设计要求

1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量≤15%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤10s；

3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。

4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； 5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； 6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7）设计完成后，提交打印设计报告。 3. 参考资料

1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003

2）崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）

3）廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007

4）吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007

4. 设计进度（2011年12月5日至2011年12月19日）

时间 设计内容

布置设计任务、查阅资料、进行硬

2011.12.5

件系统设计

2011.12.6~7 编制PLC控制程序，并上机调试；

利用MCGS组态软件建立该系统的

2011.12.8~9

工程文件

进行MCGS与PLC的连接与调试

2011.12.12~13

进行PID参数整定

系统运行调试，实现单容水箱液体

2011.12.14~15

定值控制

2011.12.16 答辩 2011.12.17~19 写设计报告书 5. 设计时间及地点

设计时间：上午：8：00～11：00

下午：1：00～4：00 晚上：6：00~9：00

设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 机房（323）

二、评语及成绩

评分项目 1.独立分析与解决问题的能力 评分标准 量化 分数 不能 很强 较强 一般 10 2组态界面设界计、PLC程序编 面 制及系统调试 3.报告撰写情况 4.辅导答疑 5.设计态度 7.出勤 规 范 积极 积极 程 序 整 洁 认真 认真 硬 件 逻 辑 应付 应付 分 析 杂 乱 调 试 有错 误 消 极 消 极 量化总分 35 25 10 10 10 全勤 缺勤次数 附加评语

课程设计成绩： 指导教师：

过程控制系统课程设计报告

班 级：自0845 姓 名：任宇 学 号：02 号 指导教师：雷 霞 撰写日期：2011-12-10

目录

目 录

第一章 课程设计内容与要求分析 .................................. 1

1.1 课程设计内容 ........................................... 1 1.2 课程设计要求分析 ....................................... 1 第二章 系统组态设计 ............................................ 2

2.1 MCGS组态软件概述 ....................................... 2 2.2 设备配置 ............................................... 3 2.3 新建画面 ............................................... 3 2.4 设备连接 .............................................. 10 第三章 PLC设计 ............................................... 12

3.1 PLC概述 ............................................... 12 3.2系统PLC设计 ........................................... 13 第四章 单容水箱液位恒值系统数据调试 ........................... 20

4.1 等幅震荡 .............................................. 20 4.2 P调节器 ............................................... 20 4.3 PI调节器 .............................................. 18 4.4 PID调节器 ............................................. 19 第五章 课程设计总结 ........................................... 21 参考文献 ...................................................... 22

第一章 课程设计内容与要求分析

第一章 课程设计内容与要求分析

1.1 课程设计内容

针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

1.2 课程设计要求分析

1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤60s；

3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；

4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；

5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； 6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。

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第二章 系统组态设计

第二章 系统组态设计

2.1 MCGS组态软件概述

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。

工程创建的一般过程为：

工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。

工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。

设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。

制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图

2

第二章 系统组态设计

形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。

编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。

完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。

编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。

连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。

在上位机工程的设计上，经过对实际工程的分析，主要设计的窗口是：液位控制，报警曲线直接加在其中。

2.2 设备配置

在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC→亚控→仿真PLC→COM,单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1,一直单击下一步完成设备配置。

2.3 新建画面

我们在建立画面之前先建立工程：

1．鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：\\MCGS\\WORK\\下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序号。

2．选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。 3．在文件名一栏内输入“过程控制单容水箱0845”，点击保存按钮，工程

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第二章 系统组态设计

创建完毕。、 其实是新建画面：

在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，将其改名为“过程控制”，同理，建立“窗口1” “窗口2”将其改名为“历史曲线” “退出”，见图2-1选中“过程控制单容水箱0845”。

2-1过程控制单容水箱0845

单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：液位控制；将“窗口标题”改为：液位控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”，见图2-2。

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第二章 系统组态设计

图2-2 窗口属性

选中刚创建的“液位控制”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。 图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。 为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象。如图2-3所示：

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第二章 系统组态设计 图2-3 MCGS工具箱

通过MCGS工具箱画出如图2-4的界面：

同样“历史曲线”

图2-4 动画组态过程控制

2-5,2-6所示：

图2-5 历史曲线

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“退出提示”中也是如上述绘画，如图

第二章 系统组态设计

其

中

以

设

定

值

为

图2-6 退出提示 例，在MCGS

工

具

箱

中

选

中

画出相应的长度，双击弹出“动

态属性设置”，在其中的“填充颜色”选红色，“边线颜色”选红色，“字

符颜色”选黄色，如图2-7所示：

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第二章 系统组态设计

图2-7 动态属性设置

在下面的“大小变化”前打对号，在其表达式中填入“SP”，在“最大变化百分比”中填入100，“表达式的值”中填入50，“变化方向”选择向上，如图2-8所示：

图2-8 大小变化设置

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第二章 系统组态设计

2.4 设备连接

在“实时数据库”中建立多个对象，如图2-9所示：

图2-9 实时数据库

双击“通用串口父设备”出现菜单，在“基本属性”完成设置，如图2-10所示：

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第二章 系统组态设计

图2-10 基本属性

再在“通用串口父设备”中双击s7200-[西门子S7-200PP]，点击其中的“基本属性”完成设置，如图2-11所示：

图2-11 基本属性

同理，在“通道连接” “设备调试”中完成设置，如图2-12，2-13所示：

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第二章 系统组态设计

图2-12 通话连接

图2-13 设备调试

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第三章 PLC设计

第三章 PLC设计

3.1 PLC概述

我们这次PLC采用的是西门子s7-200，西门子S7-200系列适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面： （1）极高的可靠性 （2）极丰富的指令集 （3）易于掌握

（4）丰富的内置集成功能 （5）实时特性 （6）强劲的通讯能力 （7）丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。 CPU单元设计：

集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 本机数字量输入/输出点：

CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。

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第三章 PLC设计

本机模拟最输入/输出点：

CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。

中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 CPU 221/222具有4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。CPU224/224XP/226有6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。CPU221/222/224/224XP/226还具有脉冲输出功能。2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。

电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 STEP 7-Micro/WIN32 V3.1编程软件可以对所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能进行编程。同时也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能进行编程。

3.2系统PLC设计

VD400:测量值显示单元；VD404：设定值显示单元；VD408：输出值显示单元取测量值并显示和存放；设定给定值并存放；取输出值并显示；（PID指令回路表存放设定值和测量值），如图3-1所示：

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第三章 PLC设计

图3-1

清设定值，测量值，输出值，比例系数，积分系数，微分系数单元。如图3-2所示：

图3-2

置PID回路表首地址，置第0号PID。

设置采样时间，存放积分前向初值，如图3-3所示：

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第三章 PLC设计

图3-3

数/模转换输出前的工程量化：将VD5（标准化实数0.0-1.0）转化为16位整数，并送模拟量输出存储区AQW0，实现数/模转换。如图3-4所示：

图3-4

模/数转换输入后的工程量化：将第0路模/数转换结果AIW0（16位整数）转化为标准实数（0.0-1.0），并存入测量值单元VD400.如图3-5所示：

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第三章 PLC设计

图3-5

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第四章 单容水箱液位恒值系统调试

第四章 单容水箱液位恒值系统数据调试

4.1 等幅震荡

设Kc=450，SP=10时，产生震荡，如图4-1所示：

图4-1

4.2 P调节器

由图4-1可知，TK=40s，KC=450，则k11， 由表3-7可得到kc4502k2111225，如图4-2所示： ，则Kck450225 17

第四章 单容水箱液位恒值系统调试

图4-2

4.3 PI调节器

由表3-7可知，2.2k2.2Ti11.11225，则Kc=204，

4502251.1TkKc204406.1，如图4-3所示： ，则Ki40Ti1.21.21.2

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第四章 单容水箱液位恒值系统调试

图4-3

4.4 PID调节器

由表3-7可知，1.6k1.610.81，则Kc=281.2， 450225kc281.214.1， Ti20Ti0.5Tk0.54020，则kiTd0.25Ti0.25205，则kdkcTd281.251406，如图4-4所示：

图4-4

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第四章 单容水箱液位恒值系统调试

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第五章 课程设计总结

第五章 课程设计总结

通过这次课设我学到了很多在课堂上没有学到的知识。一个组我们有七个人，但是我们每一个人都很努力的去完成这次课设。我们在每每遇到困难的时候我们组的每一个成员都是在绞尽脑汁的想办法解决困难，也很感谢老师对我的引导和帮助，在我们着急想不出办法的时候给我的一个很好的引导和告诉我们一些技巧，让我们如黑夜里找到一丝光明一样，如重释放的解决了一些难题。

我们这次课设做的是单容水箱液位恒值系统，因为是以前都是在课堂上听着老师理论知识，所以我们还是第一次实践加理论的来自己操作课设的数据。因为毕竟是实际操作，所以在第一个建立新工程时候就出现了一些问题，组建的分配和控制系统的运行，在这些方面我们有了一些争议，但是还好我们组员及时发现了毛病，让我们的课设时间减少了不少，没有白用功。而在后面的分析数据和检测数据的时候也发生一些问题，系统数据，实验的数据线突然震荡特别明显，表示体统不稳定，而且再改动数据的时候输出值和算出的数值不符。所以从新监测了三四次才让输出值达到了稳定的效果。

课程设计，培养学生综合运用所学知识﹑发现﹑提出﹑分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 在大学三年半期间我们做过无数次的课设设计，其实每一次都是收获每一次都是历练，我们就在这些实践中努力的成长收获，与团队的合作这些我们都是要珍惜的。这些都是我在课设中所受益的。

报告人：任宇 2011-12-13

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参考文献 参考文献

[1]邵裕森,戴先中.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 [2]崔亚嵩.过程控制实验指导书（校内）

[3]廖常初.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007

[4]吴作明.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007

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