基于PLC的液位和温度控制系统设计.pdf

2 0 1 5 年第 6 期 工业仪表与自动化装置 4 5 基 于 P LC 的液位 和 温度 控 制 系统设 计 康红明 ， 贾春凤 ， 李伟 ， 江晓林 ， 陈海波 黑龙江科技 大学 电气与控制工程 学院， 哈尔滨 1 5 0 0 2 2 摘要 该文介绍基于P L C的温度、 液位控制系统的实现方法， 目的是掌握变频器的远程控制、 简单 P I D调节、 串级控制等设计要领 ； 介绍 了 P I D控 制策略 的相 关理论及 C o n t r o l N e t 和 D e v i c e N e t 网络。对液位和温度控制 系统的结构及其设计过程进行 了详 细地论述 ， 给 出了系统的控制模型。 编制梯形图程序实现控制系统的控制要求， 并运用 R s T u n e 软件对P I D参数进行整定。 关键词 液位 ； 温度 ； 控制 ； 可编程控制器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 0 6 0 0 4 5 0 3 Th e de s i g n o f wa t e r l e v e l a n d t e mpe r a t ur e c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n P LC KANG Ho n g mi n g， J I A C h u n f e n g，L I We i ，J I ANG Xi a o l i n ，C HEN Ha i b o I n s t i t u t e o fE l e c t r i c a l a n d C o n t r o l E n g i n e e i n g， H e i lo n g fi a n g U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，H a r b i n 1 5 0 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e r e a l i z a t i o n o f t h e t e mp e r a t ur e a n d l i q u i d l e v e l c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P LC me t h o d，t h e pu r p o s e i s t o g r a s p t h e r e mo t e c o n t r o l o f f r e q u e n c y c o n v e r t e r ，s i mp l e P I D c o n t r o l a n d c a s c a d e c o n t r o l d e s i g n ma i n p o i n t ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e r e l a t e d t h e o r y o f P I D c o n t r o l s t r a t e g y a n d Co n t r o l Ne t a n d D e v i c e Ne t n e t wo r k ．T h e l i q u i d l e v e l a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e a n d d e s i g n p r o c e s s we r e d e s c r i b e d i n d e t a i l ，t h e s y s t e m c o n t r o l mo d e l i s g i v e n ．L a d d e r d i a g r a m p r o g r a m t o a c h i e v e c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f t h e c o n t r o l s y s t e m ，a n d us i n g RS Tu n e s o f t wa r e f o r PI D p a r a me t e r s s e t t i n g ． Ke y wor ds wa t e r l e v e l ；t e mpe r a t u r e；c o n t r o l ；PL C 0 引言 该系统以水容器液位和铜管中水温作为被控对 象 ， 利用 P L C对 液位和温度实现 自动控制 ， 控制算 法采用工业控制 中最常采用的 P I D控制。通过参与 完成液位和温度 自动控制系统 的组建 ， 编写和调试 控制程序 ， 从 而掌握 P L C编程方法、 组态方 法 以及 P I D过程控制的实现方法， 同时培养实际动手能力， 训练工程设计思维。 1 系统结构与功能 控制系统由逻辑控制 、 信号采集 、 拖动控制三部 分组成 。逻辑控制部分 由 C o n t r o l L o g i x系统构成 ， 具 体包 括 一 个 l 0槽 框 架、 一 个 电 源 模 块 、 一 个 L o g i x 5 5 5 0处理器 1 7 5 6一L 1 ／ A 、 一个 D e v i c e N e t 通 收稿 日期 2 0 1 5 0 21 2 基金项 目 黑龙江省教育厅 科研项 目“ G S M 移动信 号在矿 井 中 广域分布的研究” 1 2 5 3 1 5 8 4 作者简介 康红明 1 9 7 9 ， 男， 辽宁兴城人， 讲师， 硕士， 主要从 事电力传动与控制方面研究。 信模块 1 7 5 6一D N B 和一个 C o n tr o l N e t 通信模块 1 7 5 6 一 C N B ； 信号采集部分由F L E X I ／ O 、 温度传 感器及压力变 送器 组成 ； 拖动 控制 部分则 由一 个 1 3 0 5变频器、 一个 D e v i c e N e t 通信模块 1 2 0 3一 G K 5 及一个三相 电机水泵组成。被控对象为有机 玻璃容器里的液位及铜管里的水温 。整个系统的实 物接线 图如图 1所示 。 2 系统控制模型 2 ． 1 液位控制系统 系统 中水箱里 液位控制用简单 控制系统就能 满足控 制要 求 ， 采用 单 回路 P I D控 制 算法 。图 2 给出系统 结构 图。其 工作 过程如 下 压力 变送 器 从有机容器中采集到水压数据 ， 将其转换成为 0 5 V的电压信号 ， 经 F l e x I ／ O的混合模拟量输入输 出模块输入 ， 并与水压设定值进行 比较 ， 将差值输 入到 P I D指令中进行运算， 其输出结果用于控制 变频器， 调节供水水泵的转速， 从而改变有机容器 中的压力 液位 。 采用的控制模式是 E S P P V 4 6- 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 6期 即偏 差 E等于设定值 S e t P o i n t 与过程 变量 P r o c e s s V a r i a b l e 之差 。 I 7 5 6 ． DNB 压力变送器 图 1 实物接线图 厂 鲨H 坐 鳖 塑 堡 l 图 2 系统 闭环结构 图 2 ． 2 温度控制系统 温度的控制若采用简单控制系统很难达到理想 的控制 目标 。为此 ， 需要在单回路的基础上 ， 采取其 他措施 ， 组成复杂控制系统 ， 也称多回路系统。在这 种控制系统中， 或是由多个测量值、 多个调节器； 或 是 由多个测量值一个调节 器、 一个补偿器或一个解 耦器等组成 。 图 3 温度串级控制方案 与液位相比， 温度的控制如果也采用简单控制 系统 ， 则难以达到控制要求 。所 以用 了一个 复杂控 制系统 ， 就是 串级控制系统 。为 了便于阐述 ， 先给出 串级控制方案， 如图3所示。图中 是需要控制的 热水水温， 是冷却水的水温， 是温度传感器， 0 和 。 是 2个控 制器 ， 是所 控制水 温 的设定 值。 串级控制就是根据温度 相对它的给定值 h的偏 差来改变给定值 ， ， 这就是串级调节 的基本思想。 图4 为系统方框图。图中 ， 为设定值， 为水 温， 则是从铜管外面流过的冷却水的水温。串级系 统和简单系统有一个显著的区别， 即在其结构上形成 2个闭环。一个 闭环在里 面， 被 称为 副环或者 副 回 路， 在控制过程中起着“ 粗调” 的作用； 一个 闭环在外 面， 被称为主环或主回路， 起“ 细调” 作用， 最终保证被 调量满足工艺要求。在主环内的调节对象被称为主 调节对象 ， 在副环 内的调节对象被称为副调节对象。 应该说明的是， 系统中尽管有 2 个调节器， 但它们的 作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值， 它 的输出作为副调节器的设定值 ， 而副调节器 的输出信 号则是送到调节阀去控制生产过程 。 二 次扰 动 一次 扰动 图4 串级控制系统 2 0 1 5年第 6期 工业仪表与自动化装置 5 1 根据误差出现的时间段以及误差大小进行适当修正， 记录为新数据库， 替换原数据库， 然后执行步骤 5 。 5 依次执行步骤 2 、 步骤 3 、 步骤 4 。 6 本次模拟结束 ， 得到该潮汐参数下 的理想数 据库及实测数据 。 5实际应 用及 效果 该文设计 的潮汐模拟测控装置 已成功应用于实 际生产 中， 在长度为 5 0 m、 宽度为 3 6 i n 、 最大水深为 5 0 0 mm的水池中， 实现最大潮位差 1 0 0 mm， 潮汐周 期 1 ． 1 3 21 ． 3 8 4 h的潮汐模拟试验 。文 中选取了 该测控装置在周期 T 4 0 8 0 S 下的潮汐模拟试验曲 线 每 1 0 S 一个开度指令， 共 4 0 8个点 ， 如图 4 所 示。由图中实测潮汐曲线与给定 目标曲线的对比可 见 ， 在潮峰附近潮位误差稍大 ， 潮汐模拟效果 良好。 了潮汐 曲线的平滑性 ； 采用 L型连通管代替水池进 行潮位测量 ， 保证了测量数据的精确性 ； 设计 了人机 操作界面 ， 实现了操作 的灵活与简便 ； 与某些现有模 拟装置相 比， 具有较好的节能效果 ， 灵活的初始水位 以及可调的数据给定频率。经实 际应用验证 ， 该测 控装置及测控方法具有优越 的水池潮汐模拟效果 ， 可满足海岸工程研究等试验任务要求。 参考文献 [ 1 ] 吴新生， 林木松， 廖小永， 等． 深圳河 口潮汐模型变频 生潮与量测控制系统[ J ] ． 长江科学院院报， 2 0 1 0 ， 2 7 4 5 1 0 ． [ 2 ] 吴龙华 ， 郝青芳， 李凌． 潮汐模拟及其 自动测控系统的 设计与实 现[ J ] ． 实验室研究与探索， 2 0 0 8 ， 2 7 5 2 022． [ 3 ] 王静 ， 郭美宜， 李木国． 潮汐模拟系统的研制 [ J ] ． 中国 海洋平台， 2 0 0 1 ， 1 6 2 1 11 4 ． [ 4 ] 沈敏． 河口潮汐模拟系统的设计与研究[ D ] ． 武汉 华 中科技大学 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 吴新生， 林木松， 万星星， 等． 基于变频调速 的潮汐模 拟系统设计与应用[ c ] ． 西安 第七届全国泥沙基本理 论研究学术讨论会论文集， 2 0 1 0 8 4 5 8 4 8 ． [ 6 ] 李珏， 何启莲 ， 李伊明， 等． 基于 T C P ／ I P网络结构 的潮 汐模拟测控系统[ c ] ． 南京 第十二届全国水利量测技 术综 合 学 术 讨 论 会 论 文 选 集 第 六 集 ， 2 0 1 4 1 5 01 5 6 ． [ 7 ] 张小飞， 丁建强， 徐大诚． 基于 P A C模块的潮汐模拟控 制系统[ J 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