单容下水箱液位变频器PID单回路控制

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1、 电气与电子信息工程学院 自动化技术综合实训 设计题目：单容下水箱液位变频器PID单回路控制 专业班级： 2009级自动化 学号： 200940230131 姓 名： 甘治鹏 指导教师： 汤立刚 皮大能 设计时间： 2012/4/282012/5/11 设计地点： 自动化综合实验室 自动化技术综合实训任务书2011 2012 学年第2学期学生姓名： 甘治鹏 专业班级： 自动化2009 同组人: 王聪 唐奇敏 陈飞霞 王勇军 尹梦婷 张艳明 孔帆 指导教师：汤立刚 皮大能 工作部门： 电气学院电气自动化教研室 一、自动化技术综合实训题目： 自动化技术综合实训 1、单容下水箱液位变频器PID单回路

2、控制2、双容下水箱液位变频器PID单回路控制3、流量变频器PID单回路控制4、液位和进口流量串级控制5、流量-液位前馈反馈控制二、自动化技术综合实训内容1.通过查阅资料掌握所选课题的原理、结构、并根据任务书用CAD设计1套过程控制系统图纸,包括:自控设备清单、控制流程图、控制原理图、PLC系统硬件配置图、I/O地址分配表、I/O接线图等。2.自学西门子S7-300系统的硬件知识和STEP7软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。3.自学和利时MACS V系统的硬件知识和软件的编程组态方法,并根据设计图完成机架配置、硬件组态、从站挂

3、接和I/O口地址分配、用户程序编写等工作。4.自学WINCC.或组态王组态软件并设计监控界面,包括定义数据词典、通讯设置、生产流程控制画面、参数显示、PID手动/自动调节界面、趋势曲线等的设计。5.掌握在A3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。6.掌握西门子MM420变频器的使用方法。7.掌握Profibus-DP现场总线的配置方法。8.掌握判断故障及处理故障的方法。9.每个学生必须独立完成设计,写出综合自动化技术综合实训报告并参加答辩。通过答辩考察学生对整个项目设计和实施过程的掌握程度,并根据其在整个设计阶段的理论知识应用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析及解

4、决能力给出一个综合评价。三、自动化技术综合实训进度安排1自动化技术综合实训安排时间为二周。题目在自动化技术综合实训之前约1个月公布，学生在拿到题目以后即可学习相关知识、查阅有关资料，做好前期准备工作。自动化技术综合实训时间分配如下表：序 号内 容学时安排（天）1布置任务，查阅资料及调研(前期工作)，分析控制要求，总体方案设计12系统选型及硬件设计13软件设计24程序及系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告26设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：K3自动化综合实验室2执行要求本次实训的设计与制作5个选题，每组不超过8人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、自动化技术综合实训

5、基本要求设计报告：不少于8000字，幅面，统一复印封面。（1） 封面、自动化技术综合实训任务书（2） 摘要，关键词（中英文）目录（3） 根据要求确定方案选择，并进行方案论证（4） 论述系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图）（5） 各模块的功能，原理，器件选择。（6） 编写梯形图并进行程序设计和调试。（7） 结果分析（8） 对设计进行全面总结，写出自动化技术综合实训报告。（9） 附录-参考文献五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任

6、务、报告规范性等情况50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、自动化技术综合实训参考资料1张李冬主编.过程控制技术及其应用.北京：机械工业出版社2刘玉梅.过程控制技术.北京: 机械工业出版社3孙洪程、翁唯勤编. 过程控制工程设计.北京: 化学工业出版社，2001,34刘锴、周海主编. 深入浅出西门子S7-300PLC.北京航空航天大学出版社，2004，85梁锦鑫编.WINCC基础及应用开发指南.北京：机械工业出版社，2009，46王廷才主编.变频器原理及应用.北京：机械工业出版社，2012，17阳宪惠主编.现场总线及

7、应用.北京：清华大学出版社，2008，10指导教师： 汤立刚 皮大能 2012年4月9日 教研室主任签名： 胡学芝 2012年4月9日目录 第一章：概述第二章：控制系统的硬件结构 2.1 控制对象 2.1.1 传感器 2.1.2 执行器 2.2 S7300PLC与 SM334 2.2.1 S7300PLC 2.2.2 SM334 第三章 ：控制系统的软件设计 3.1 控制器的程序设计 3.1.1 新建工程 3.1.2 硬件组态与DP总线 3.1.2.1 硬件组态 3.1.2.2 DP总线 3.1.3 功能块的程序设计 3.1.3.1 DB的参数值 3.1.3.2 DB3的设置 3.1.3.3

8、功能块的程序图 3.1.3.4 变频器FC201的程序设置 3.2 上位机组态软件 3.2.1 新建工程 3.2.2 新建变量 3.2.3 主画面第四章 ：系统调试第五章：小结 第一章 ：概述测试题目描述: 单容下水箱液位变频器PID单回路控制流程图如下图所示水介质由泵P101（变频器驱动）从水箱V104中加压获得压头，经由管路进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103测得，通过调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，变频器U-101转速为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完成。第

9、二章 ：控制系统的硬件结构总体架构A3000测试平台总体物理系统如图1.1.1所示。（控制系统有30多种，现场系统可能具有现场总线。） 逻辑结构如图1.1.2所示A3000现场系统特性： 1. 尺寸：1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。全不锈钢框架。 2. 电力：三相接地四线制380V10%，单相三线制，220V10%， 3. 能耗：最大额定用电6kw/h。自来水120L，可重复使用。 A3000控制系统特性： 1. 尺寸：800(宽度)X60（深度）X1950（高度）。标准工业机柜。 2. 电力：单相三线制，220V10%， 3. 能耗：最大额定用电1kw/h。

10、基本控制系统基本的控制系统安装在一个或两个标准机柜中。控制系统可能有智能仪表，PCI 多功能卡，ADAM4000 控制系统、ADAM5510EKW/TP，西门子S7-300，罗克韦尔 PLC，三菱 PLC等等。 控制机柜和 IO面板采用标准机柜安装控制系统， 要求可靠接地。 机柜尺寸 800宽X600深X1900高，单位 mm。如果控制系统均为 24V 供电。则提供 24V 10A 开关电源供电，如果部分控制系统为220V供电，则提供24V 5A开关电源供电。 2.1 控制对象 2.1.1 传感器 压力和液位检测设备 可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选择电容式或者应变电阻式。压力变送器如

11、图1.2.13所示。 压力/液位变送器包括一个表头，两边都有盖子。打开盖子，一边的表内部可以调节零点或满量程。一边的表内部用于接线。如图1.2.14所示。2.1.2 执行器电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高， 正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。调节阀特性：单座阀，螺纹连接，线性流量。 调节阀外观如图1.2.29所示。 2.2.1 S7-300PLC S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性

12、能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。S7-300可大范围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。指令集功能强大，可用于复杂

13、控制。无需电池备份，免维护。2.2.2 SM334模拟量输入输出模块 模拟量输入 模拟量输入模块的基本结构 模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出的标准直流电压、电流信。 塑料机壳面板上的红色LED用于显示故障和错误，前门的后面是前连接器，前面板上有标签区。模块安装在DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接，输入通道的地址由模块所在的位置决定。 一块SM334模块中，模拟量输入的各个通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程。分辨率为8位。各个模拟

14、量通道转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号时被依次轮流转换的。由图1.2.5可知，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。4个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道，模拟量输入模块个输入通道的A/D转换和 转换结果的存储与传送是顺序进行的。 模拟量输出 模拟量输出模块的基本结构 模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。如图所示。模拟量输出模块与负载或执行器的接线模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压，模拟信号应使用屏蔽电缆

15、或双绞线电缆来传送。电缆线QV和S+，MANA和S-应分别绞接在一起，这样可以减轻干扰的影响，应将电缆两端的屏蔽层接地。如果电缆两端有电位差，将会在屏蔽层中产生等电动势连接电流，干扰传输的模拟信号。在这种情况下应将电缆屏蔽层一点接地。第三章：控制系统的软件设计3.1 控制器的程序设计本节提供了对于使用STEP7V5.2开发、编辑和运行一个梯形图(LAD)示例程序，并与组态软件通信的循序渐进的指导。工程的开发被分为6个阶段，如表2.2.1所示。表2.2.1 工程开发阶段第1阶段第2阶段第3阶段第4阶段第5阶段第6阶段创建工程通信设置硬件组态程序编写程序调试组态通信3.1.1 新建工程 1.单击F

16、ile New，新建一个工程项目,例如Test。 2.单击“OK”按钮，生成新工程Test： 3.建立S7-300站。右键单击工程名Test，单击Insert New Object SIMATIC 300 Station。 4.单击展开Test，双击Hardware（硬件），即可进入硬件组态环境。 5.硬件组态完毕后，SIMATIC 300(1) 中出现CPU型号。展开Block，即可进行程序编写 6.图中清晰地显示了项目的分层结构。在项目中，数据在分层结构中一对象的形式保存，左边窗口内的树（Tree）显示项目的结构。第一层为项目，第二层为站（Station），站是组态硬件的起点。“S7 Pr

17、ogram”文件夹是编写程序的起点，所有的软件均存放在该文件夹中。用鼠标选中图中某一层的对象，在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的文件夹。双击工作区中的图标，可以打开并编辑对象。 7.Blocks（块）对象包含程序块（Blocks）、用户定义的数据类型（UDT）、系统数据（System data）和调试程序用的变量表（VAT）。程序块包括逻辑块（OB、FB、FC）和数据块（DB），需要把它们下载到CPU中，用于执行自动控制任务，符号表、变量表和UDT不用下载到CPU。生成项目时会在块文件夹中自动生成一个空的组织块OB1。用户生成的变量表（VAT）在调试用户程序是用于监视和修改变

18、量。系统数据块（SDB）中的系统数据含有系统组态和系统参数的信息，它是用户进行硬件组态时提供的数据自动生成的。如图2.2.6所示，是一个编辑完成的程序。3.1.2 硬件组态与DP总线 3.1.2.1 硬件组态 在HW Config中，双击Hardware，从而进入HW Config窗口。如果要安装新的DP设备，则需要安装GSD文件。 在HW Config中，插入RACK-300机架。如图2.2.12所示。图2.2.12 在HW Config中插入RACK-300 然后在机架第一栏中插入电源模块。选中机架第二栏，插入CPU，注意准确的编号。 如果CPU支持DP通讯，则可以建立DP通讯参数。 设置

19、完毕后，可以随时在Rack-300中双击DP，选择Property按钮，设置DP总线地址和速率。 增加IO模块，有的CPU集成了IO，然后设定这些IO的地址。例如: DI 地址：256-263 DO 地址：256-259 单击Station Save保存设置。在SIMATIC Manager中，选择工程，选择PLC Clear/Reset， 可以清除原来的配置信息。如图2.2.13所示。 图2.2.13 清除S7-300 CPU内存把CPU开关拨到STOP，再转到RUN位置。则CPU开始运行。在HW-CONFIG窗口中，选择Station Save and Compile，选择PLC Down

20、load，或者Ctrl+L快捷键。就可以下装调试，如果你没有硬件，则可以使用仿真软件来下装调试。3.1.2.2 DP总线 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态诊断和报警处理。 传输技术：RS485双绞线双线电缆或光缆。波特率从9.6K bit/s到12M bit/s。 总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最站点（主从设备）数为126。通信：点对点（用户数据传送）或广播（

21、控制指令）。循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。运行模式：运行清除停止。同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。功能：DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过部线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。设

22、备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程组态诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLCPC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器阀门等. 3.1.3 功能块的程序设计 3.1.3.1 DB的参数值 3.1.3.2 DB3的设置 3.1.3.3 功能块的程序图 3.1.3.4 变频器FC201的程序设置 3.2 上位机组态软件 组态软件组态 建立新组态王工程的一般过程是： 1.设计图形界面（定义画面） 2.定义设备 3.构造数据库（定义变量） 4.建立动画连接 5.运行和调试 需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。在

23、用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面： 图形 用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 数据 怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。 连接 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3.2.1 新建工程 要建立新的组态王工程，请首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。“组态王”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由“组态王”自

24、动管理。 启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，弹出欢迎使用向导。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”。 在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”。3.2.2 新建变量 新建如下图所示变量 3.2.3 主画面 进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭

25、圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。 “组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。 第一步：定义新画面 进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”

26、图标。 在“画面名称”处输入新的画面名称，其它属性目前不用更改。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。 第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象。 在工具箱中选中“圆角矩形”,拖动鼠标在画面上画一矩形，如上图所示。用鼠标在工具箱中点击“显示画刷类型”和“显示调色板”。在弹出的“过渡色类型”窗口点击第二行第四个过渡色类型；在“调色板”窗口点击第一行第二个“填充色”按钮，从下面的色块中选取红色作为填充色，然后点击第一行第三个“背景色”按钮，从下面的色块中选取黑色作为背景色。此时就构造好了一个使用过渡色填充的矩形图形对象。在工具箱

27、中选中“文本”,此时鼠标变成“I”形状，在画面上单击鼠标左键，输入“#”文字。选择“文件全部存”命令保存现有画面。 最后绘制成如下图所示 画面的连接图如下图所示第四章 ：系统的调试操作过程和调试 1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。这些步骤不详细介绍。2、在现场系统上，打开手阀QV-115、QV-106，电磁阀XV101（直接加24V到DOCOM，GND到XV102控制端），调节QV-116闸板开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。2、在控制系统上，将液位变送器LT-103输出连接到AI0，AO0输出连到变频器U-101控制端上。注意：具体哪个通道连接

28、指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。3、打开设备电源。包括变频器电源，设置变频器4-20mA的工作模式，变频器直接驱动水泵P101。4、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。5、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。启动调节器，设置各项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。6、 设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。闸板顶到槽顶距离(开度)5-6mm。比例控制器控制曲线如图2.3.3所示，多个P值的控制曲线绘制在同一个图上：从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。余差大约是8%。第

29、五章 ：小结在本次课程设计过程当中，通过对实验整个过程的认识，了解到许多在控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法。首先熟悉了S7-300的整体架构，了解到相关的仪器设备，例如传感器、执行器，AI、AO、DI、DO模块，调节阀，流量计，变频器等。对于实现一个工程的目的，不仅仅是了解硬件结构就可以的，必须通过相应的软件设计来结合硬件实现。然后熟悉了程序制作过程当中所需要的软件，例如组态王软件，STEP7。在实验过程中，我们接触的是一个已经调试完，在使用中的一个系统。通过改变这个系统的参数，使得系统输出变化，还通过对PID参数的调节加深了数字式PID控制技术及其改进策略在应用领域中的作用。在设计过

30、程中，由于课题是针对工业现场的设计。所以我们不仅要考虑到实验环境下的一些条件，还要考虑工业是的经济、实用、可靠、智能等一系列问题。课程设计是一个综合的设计，尤其它不仅仅涵盖了我们过程控制仪表这一门课的所学内容，同样还要求我们具备电气知识、计算机控制计数知识、单片机知识、PLC知识等。采用经验法调节输出结果，最后曲线图如上组态王软件设计结果。当发现输出曲线逐步趋于稳定，变化不大，可以视为最后结果，最后记录相关PID数值。总之，对于给定的值，我们要想办法通过PID等相关调节方法来使输出结果快、准、稳，这就是过程控制工程的目的。在最后的调试过程，也是最需要耐心的一个过程。真正的设计，绝大部分时间是花

31、在了调试上。通过本次课程设计，我掌握了基础的硬件调试知识，并最终通过联调得到了理想的控制结果。成 绩 评 定评定项目评 语成绩设计过程（20%）设计报告（50%）答 辩（30%）1、西门子MM420变频器有哪几种工作方式，如何设置？2、单容液位变频器控制PID参数如何调节？3、描述用step7软件实现Profibus-DP现场总线组态过程？总 分折算成绩指导老师签 字 答 辩1、西门子MM420变频器有哪几种工作方式，如何设置？答：BOP 面板操作。一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。􀂾 4-20 毫安

32、控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。􀂾 Profibus 总线控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后 P0010=0、P0700=6、P1000=62、单容液位变频器控制PID参数如何调节？答：首先步进行纯比例凑试。置积分时间最大Ti=，微分时间为零Td=0。将控制器投自动，对设定值施加一个偏移，记录响应曲线并观察曲线形状，尽量得到4:1 的衰减响应曲线。每改变一次Kc 都要对设定值施加一个偏移，并记录响应曲线，观察曲线形状，直到满足要求。 之后进行积分作用凑试。先选择一个初

33、始积分时间值，减小积分时间，积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。同比例凑试，每改变一次积分时间，都要施加阶跃干扰，并观察响应曲线。 最后如果需要，最后加入微分作用。微分时间越大，微分作用越强。微分时间Td 大约是积分时间Ti 的1/31/4。加入微分作用后，可适当加大Kc，减小Ti。3、描述用step7软件实现Profibus-DP现场总线组态过程？答：首先组态智能从站进入硬件组态窗口，按硬件安装次序依次插入机架、电源、CPU和SM374（需用其他信号模块代替，如SM323 DI8/DO8 24VDC 0.5A）等完成硬件组态。DP模式选择选中PROFIBUS网络，然后点击按钮进入DP属性对话框，选择“Operating Mode”标签，激活“DP slave”操作模式。如果“Test，commissioning, routing”选项被激活，则意味着这个接口既可以作为DP从站，同时还可以通过这个接口监控程序。