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文檔簡介

1、第4卷第10期2013年10月黑龍江科學HEILONGJIANG SCIENCEVol4No10October2013基于PLC 的雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)劉鳳榮,林春麗(遼寧科技大學應用技術學院,遼寧鞍山210300)摘要:此設計通過液位控制一套完整的PLC 串級控制系統(tǒng),利用Microsoft STEP 7軟件與PLC 進行實時數(shù)據(jù)通訊,根通過輸出電壓發(fā)生變化來控制變頻器,最終改變電機的轉(zhuǎn)速來控制液位高度,使系統(tǒng)趨于一個據(jù)PID 控制規(guī)律設置參數(shù),穩(wěn)態(tài)值。關鍵詞:雙容;液位;PLC ;PID 控制;串級控制中圖分類號:TK 23327文獻標志碼:A文章編號:16748646(2013)10

2、003503PLC-based Dual-tank Water Level Cascade Control SystemLIU Feng-rong ,LIN Chun-li(School of Applied Technology ,University of Science and Technology Liaoning ,Anshan 210300,China )Abstract :This design is for the liquid level control of a complete set of PLC cascade control system ,real-time da

3、ta communication by using Microsoft STEP 7software and PLC ,according to PID control law parameters ,the inverter to control the output voltage changes ,eventually change speed to control the liquid level of motor ,so that the system tends to a steady state valueKey words :Double tank ;liquid level

4、;PLC ;PID control ;cascade control 1上、下水箱液位串級控制系統(tǒng)設計本試驗采用PLC 控制,將下水箱液位控制在設定值的高度。液位串級回路是由上下水箱液位內(nèi)反饋組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。在PLC 上設置了兩個虛擬PID 調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器。將下水箱的液位信號輸出作為主調(diào)節(jié)器輸主、入,主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的輸入給定,在串級控制兩個PID 調(diào)節(jié)器任務不同,因此要選擇調(diào)節(jié)器的不系統(tǒng)中,同調(diào)節(jié)規(guī)律進行控制,副調(diào)節(jié)器主要任務是快速動作,迅速抵制進入副回路的擾動,對于副回路的調(diào)節(jié)不一定是無靜因差。主調(diào)節(jié)器的任務是準確保持下水箱液位在設定值,主調(diào)節(jié)器可采用PI 調(diào)節(jié)器也可采

5、用PID 調(diào)節(jié)器。此,F(xiàn)ig1圖1雙容水箱串級控制系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量,副調(diào)節(jié)器的輸出可以控制水箱水位。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控控制變頻器,制量,副對象的輸出是一個輔助的被控變量。Schematic diagram of double tank cascade control system11系統(tǒng)設計的試驗設備三菱變頻器2臺、西門子S7200PLC 1臺、液位傳感考慮串級系統(tǒng)的抗干擾能力,本液位串級系統(tǒng)增加了副回路,因而對于進入副回路的干擾具有很強的抑制作用,使作用于副環(huán)的干擾對主變量的影響大大減小。主回路是一個定值控制系統(tǒng),而副回環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)。所以在設計串級控制系

6、統(tǒng)時,要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠小于主對象。此外,為了保證串級系統(tǒng)的控制精度,要求主調(diào)節(jié)器設計成比例積分(PI )調(diào)節(jié)器,而副調(diào)節(jié)器則設計為純比例(P )控制,以提高副回路的快速響應。串級控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比,液位串級控35Windows 操作系統(tǒng)、萬用表1塊、連接導線若干、西器2個、門子STEP 7編程軟件。12系統(tǒng)設計的試驗原理液位串級控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。這種系統(tǒng)具有2個PID 調(diào)節(jié)器,2個調(diào)節(jié)器分別設置主、副兩個被控對象,在主、副回路中。設在主回路的調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器根據(jù)下水箱的液位控制輸出,設在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器是根據(jù)上水箱的液位控制輸出。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接,主

7、責任編輯:劉夏mumian214163com制系統(tǒng)由于副回路的存在,使等效副對象的時間常數(shù)減小,系統(tǒng)的工作串級控制系統(tǒng)中兩個控制器的參數(shù)都需要進行其中任一個控制器、任一參數(shù)值發(fā)生變化,對整個串整定,串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比單級系統(tǒng)都有影響。因此,回路控制系統(tǒng)復雜,本設計使用的整定方法為一步整定法1調(diào)節(jié)22。串級水位控制的過程AIW0:下水箱液位檢測,如圖4所示。13設計的試驗步驟A按圖2和圖3所示,連接好試驗線路。連線后在PLC 中正確設置PID 參數(shù),調(diào)節(jié)好出水閥調(diào)節(jié)器的開關位比例系數(shù)設定為40、采置。副調(diào)節(jié)器:純比例(P )控制,樣時間為01s 。主調(diào)節(jié)器:比例積分(PI )控制,比例系

8、數(shù)設定為50、積分時間01s 、微分時間為00s 、采樣時間01s 。圖4Fig4AIW0:下水箱液位檢測AIW0:lower tank liquid level detectionVD108:主控制器PID 輸出,并將信號A /D轉(zhuǎn)換給副控制器,將PID 輸出值03001463轉(zhuǎn)換成實形,并標準化圖2Fig2變頻器與PLC 連接線處理后傳給副回路作為給定值。如圖5所示。Inverter and PLC connecting line圖3Fig3液位傳感器與PLC 連接線Liquid level sensor connected with the PLC line本設計利用一步整定法整定系統(tǒng),

9、先將主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例(P )調(diào)節(jié),并將副調(diào)節(jié)器的比例度調(diào)到30%左右。將主調(diào)節(jié)器置于手動,副調(diào)節(jié)器置于自動,通過改變主調(diào)節(jié)器的手動輸出值使下水箱液位達到設定值。將主調(diào)節(jié)器置于自動,調(diào)節(jié)比例度,使輸出響應曲線呈41衰減。BPLC 輸出控制變頻器,驅(qū)動水泵向上、下水箱供水,利用PLC 中PID 控制,實現(xiàn)串級水位控制,最終使下水箱水位維持在滿水位的40%。PID 輸出控制變頻器,即控制水箱注水調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速。本設計要求開機后,先手動控制電機,水位上升到40%時,轉(zhuǎn)換到PLC 中PID 進行自動363圖5Fig5信號A /D轉(zhuǎn)換Signal A /Dconversion副控制器PID 給定:

10、主回路的輸出值02987812作為副回路PID 的給定值。如圖6所示。AIW2:上水箱液位檢測,此時檢測到的上水箱液位的標準化值為8515。如圖7所示。VD208:副控制器PID 輸出。如圖8所示。試驗過程分析當干擾作用于上水箱時,如果上水箱的進水量增加,在其他因素不變的情況下,上水箱的液位升高,導致副調(diào)節(jié)器給定值下降,變頻器的頻率下降使水泵的轉(zhuǎn)速下降,從而抑又直接止了上水箱液位的上升。由于上水箱液位的升高,使主調(diào)節(jié)器的給定值下降,又進一導致下水箱液位的上升,步降低了副調(diào)節(jié)器的給定值,使副環(huán)又進一步地抑止由干使調(diào)節(jié)作用變得擾所引起的變化??梢娪捎诟杯h(huán)的出現(xiàn),更強。更快、當干擾作用于下水箱時,如

11、果下水箱的進水量減少,在其他因素不變的情況下,上水箱的液位升高,導致主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器的給定值也隨之下降,從而使變頻器給定值下降,的頻率下降,水泵的轉(zhuǎn)速下降,抑止了下水箱液位的上升。這時上水箱的液位下降,這是控制下水箱液位穩(wěn)定所需要圖6Fig6主回路的輸出副環(huán)不會把給定值調(diào)整到原來的值,因為副環(huán)的給定值的,已經(jīng)降低。這些表明干擾作用于主對象時,串級控制也能有效地克服干擾。干擾作用使上、下水箱液位變化方向相同時,如果上、下水箱的液位都上升,這時為了液位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定,需要副回路控制量的疊加大大減小將變頻器的頻率降低。主、變頻器的輸出。由于有副回路的存在,系統(tǒng)能更早、更快、更強地克服干擾。當上、下水

12、箱的液位都下降時,調(diào)節(jié)過程與液位上升相同,控制方向相反。當干擾作用使上、下水箱液位變化方向相反時,如果上水箱液位上升,下水箱液位下降,這時副控制器輸出減少,主控制器輸出增加,這兩個輸出量相互抵消,實際上變頻器的輸出變化較小,如果完全抵消,則變頻器輸出頻率不變。所以,在被控對象受干擾作用后,主、副變量變化方向相反Output of main circuit圖7Fig7AIW2:上水箱液位檢測的情況下,串級控制系統(tǒng)比較穩(wěn)定4結(jié)果分析3。AIW2:upper water tank liquid level detection在系統(tǒng)測試的過程中,當在下水箱擾動時系統(tǒng)的反應速度非常快。原因是由于下水箱的液位在短時間內(nèi)迅速下降,使下水箱的液位反饋值下降,導致主控制器的輸出增加,從而增加副回路的給定,所以PLC 的輸出電壓上升使水泵的轉(zhuǎn)速加快,造成上水箱的液位迅速上升。此效果正是串級控制所具有的優(yōu)越性。

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