基于组态软件的双容水箱液位控制新版系统开题报告.doc

基于组态软件双容水箱液位控制系统开题汇报
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题 目
基于组态软件双容水箱液位控制系统设计
题目类型
应用研究
一、选题背景及依据（简述中国外研究现实状况、生产需求情况，说明选题目标、意义，列出关键参考文件）
液位控制问题是人民生活和工业生产过程中一类常见问题，比如饮料、食品加工，居民生活用水供给，溶液过滤，污水处理，化工生产等多个行业在生产加工过程中通常要对蓄液池中液位进行合适控制。在工业生产中经过液位检测和控制，能够了解容器中原料、半成品或成品数量，方便调整容器内输入输出物料平衡，确保生产过程中各步骤物料搭配适当，提升生产效率和产品质量。所以液位是工业控制过程中一个关键参数，尤其是在动态状态下，采取适宜方法对液位进行检测、控制，能收到很好生产效果。蓄液池中液位需要维持适宜高度，就需要要设计适宜控制器自动调整蓄液池进出流量。
现在中国外液位控制方法有很多，控制要求不高情况下常见有：1、液压式水位控制阀，其原理：当液位下降时，阀内弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水，水箱内水位逐步上升，阀门内所受压力逐步增大，当水位上升到预设液位时弹簧所受力和阀内所承受压力达成平衡，阀门自动停止加水。该控制方法适适用于工矿企业、民用建筑中多种水箱、太阳能水箱自动供水系统。并可用作常压锅炉循环供水水箱进水控制阀。2、浮球水位控制器，是利用浮球在液体中上升或下降，接通球体内部重力开关，再由浮球内部触点开关去控制相关电器设备。浮球水位控制器分为管式浮球和缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大液体，缆浮球适合污水。3、超声波液位控制器，适适用于腐蚀性液体、污水等液位控制。不过液位控制系统是一个非线性系统，采取上述控制方法存在溶积延迟时间长、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度控制要求。采取组态软件编制上位机控制界面和算法程序，组建靠近于实际控制系统。经过在线运行，含有控制自适应能力强，动态、静态品质优良等优点，有效地处理了类似系统难于控制问题。对液位控制系统，通常是在工作点周围线性化后再加以控制，控制方法有PID控制、基于线性模型模糊控制、人工神经网络等。
这些不一样背景液位控制全部能够简化为某种水箱液位控制问题。水箱液位控制系统设计应用很广泛，能够把一个复杂液位控制系统简化成水箱液位控制系统来实现。经过对双容水箱液位控制系统设计，我们能对实际生产中液位控制问题有深入了解，提升自己动手动脑能力，学会怎样把自己所学知识用于实际生产之中。

关键参考文件：
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[3]江西、杨利明. 浮球液位控制器应用[J]. 机电技术， .09.02
[4] 穆清论. 基于组态软件液位控制系统设计[J]. 自动化博览，. 11：82～84
[5]段宏伟. 基于模糊算法双容水箱液位控制控制系统设计[J]. 建材技术和应用，.08：28～29
[6]THOMAS HECKENTHLAER，SEBSATIAN ENGELL.Approximately Time Opitmal Fuzzy Control of a TWO--Tank System[J].IEEE Conference On Control Applications(ISSNO272--1708),1994,3(14): 24～30
[7]金以慧. 过程控制[M]. 北京：清华大学出版社，：103～122
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[9]邵裕森、戴中先. 过程控制工程[M]. 第二版，北京：机械工业出版社，.01：178～181
[10]吴兴纯 ，杨秀莲 ，赵金燕 ，杨燕云. 基才FX2N系列PLC双容水箱液位控制系统设计[J]. 电子设计工程， .07：60～63
[11]TEODOR MRA C U, LETITIA MIREA, ATITLA KLOSZ. A Neural Network ADDroach to Robust Model Based Diagnosis of Faults in Three--Tank system[c].IEEE Proceedings of the Intem aitonal Symposium on Cron----puter--Aided Control System Design(ISBNO 7803--3032--3).1996：111～116
[12]郑华、吕伟珍. 基于组态王和Matlab双容水箱液位控制[J]. 中国农机化， ，(2)：155～157
二、关键研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作步骤
图1所表示，在串联双容水箱水位控制中，进水首优异人第一个水箱，然后经过第二个水箱流出。 此次设计以低位水箱为主控对象，经过控制进水流量达成控制水箱液位目标。

图1 双容水箱示意图
工作任务：以组态软件为用户界面，设计串联双容水箱控制系统，并进行实时监控。

1、系统硬件设计。
该系统有以下及部分组成。其硬件结构图图2。
①PLC：利用PLC中PID模块作为系统中主、副控制器，并经过PLC通信接口实现和上位机通信，实现实时监控。该系统只有两个控制器，S7—200PLC（8个PID模块）在内存、扫描通信等方面全部能满足控制要求。

②上位机：对系统运行状态进行实时监控。
③双容水箱：被控对象。
④电动调整阀：接收来自PLC控制信号，调整上水箱进水量。
⑤压力传感器、液位变送器：压力传感器在水箱中底部，把水压力转换为电流或电压信号；电流、压信号经液位变送器标准化处理以后送入PLCEM235模块。
⑥通信电缆：连接PLC和上位机。
⑦水泵：为水箱供水。
工作原理：上、下水箱压力传感器测量到水箱液位信号送入EM235模块经过A/D转换后供PLC读取，PLC读取下水箱液位后经过处理和主回路设定值比较得出偏差，进行PID运算，主回路PID运算以后输出作为副回路给定值，并将其和上水箱水位数据在进行运算。取得4--20 mA电流输出信号，电动调整阀接收到该信号后改变阀门开度，从而调整上水箱流入量最终达成控制下水箱液位目标。PLC和上位机之间经过RS485—RS232串口实现通信，经过MCGS监控软件实现过程监控。

图2 控制系统硬件结构图

2、建立双容水箱数学模型。
双容水箱传输函数为：
（1）
式中为上水箱时间常数，为下水箱时间常数，和分别为上下两个水箱放大系数。双容水箱传输函数能够看做上、下两个水箱独立时传输函数乘积，由此只要求得了上、下两个水箱独立时传输函数便能得出双容水箱数学模型。
经过试验方法测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后液位响应曲线和相关参数。使用MA TLAB 软件对试验数据进行处理，再用切线法得出上、下水箱开环传输函数，最终得到双容水箱数学模型。
3、 系统控制方案。
百分比、积分、微分（PID）控制是迄今为止最通用也是最为基础控制方法，很多控制方法全部是由PID控制发展而来。此次设计采取PID控制方法。
因为双容水箱本身存在着容积延迟，系统惯性比较大，下水箱对于扰动响应在时间上存在滞后。假如采取PID单回路控制，当系统中出现扰动时，控制器经过控制进水阀门开度来消除扰动对系统干扰，不过因为上下水箱之间存在液阻，要经过一段时间以后才能控制下水箱液位，这么系统稳定性较差。串级控制是改善调整过程动态性能有效方法，因为其超前控制作用，能够大大克服双容水箱普遍存在容积延迟问题。基于串级技术和PLC控制器双容液位控制系统则能够克服双容水箱普遍存在容积延迟和PID单回路控制难于达成控制要求问题。该系统依据双容水箱数学模型，采取串级控制技术、PLC控制器、MCGS软件组态实现双容液位高精度控制实时显示。控制系统框图见下页图3。该系统主控制器采取PID控制方法，副控制器则能够采取PI控制方法或百分比控制。

图3 串级系统控制框图
4、 组态界面和PLC软件设计。
依据此次设计先相关要求，组态软件要完成控制过程动态显示、数据监控、犯错报警等功效，而且能够在界面对主、副调整器PID参数进行修改。
组态界面关键包含系统框架、数据输入和PID参数显示、水箱液位曲线显示等。系统框架包含：水位串级控制、数据显示、系统提醒、通信状态窗口。数据对象包含：上、下水箱液位高度，上、下水箱液位输出值，主、副调整器PID参数。串级控制窗口完成控制过程动态显示包含：水泵、电动调整阀、上水箱、下水箱、储水槽等由对象元件库引入；管道经过流动块构件实现；温度显示经过仪表、标签构件实现。曲线显示包含实时曲线和历史曲线显示。组态软件实时监控功效关键是经过对PLC存放器中相关数据监控完成。
PLC程序由主程序及子程序组成，主程序用于程序总体控制及初始化．子程序分为液位读取程序、PID调整程序、报警程序、通信控制程序等。PLC主程序步骤图见图4。
当在组态界面按下开启按钮时，PLC进入运行状态，系统初始化，当检测到到用户程序无误后，PLC对用户程序进行循环扫描，依据水位设定值等数据开始对水箱水位进行控制。在系统运行时候能够经过组态界面对水箱设定水位、PID参数进行在线修改，确定后PLC便会读取修改后数据对水箱进行控制。当按下停止按钮后，PLC进入停止状态，结束对水位控制。

图4 PLC主程序步骤图

5、 试验测试。依据试验数据对对应参数进行整定，直到能够达成控制要求。
三、毕业设计（论文）工作进度安排
2月25日～3月15日 查阅文件，英文文件翻译，完成开题汇报。
3月16日 开题汇报答辩。
3月17日～4月1日 学习MCGS理论知识，了解水箱系统，得到双容水箱闭环产传输函数。
4月2日 ～4月10日 提出一个完整设计思绪 。
4月11日～5月4日 依据设计思绪，完成对系统设计，并对系统进行仿真，调试。
5月5日～5月20日 完成毕业论文初稿。
5月21日～6月2日 修正论文，打印、装订，准备答辩。