单容水槽液位

目录

摘要 ................................................................................................................... 1 第一章 设计目的与要求 .................................................................................. 2

1.1 设计目的 ............................................................................................. 2 1.2 设计要求 ............................................................................................. 2 第二章 设计方案 .............................................................................................. 3

2.1 组态王软件概述 ................................................................................. 3 2.2 控制方案 ............................................................................................. 4 第三章 设计过程 .............................................................................................. 6

3.1 工程管理器简介 ................................................................................. 6 3.2 创建新工程 ......................................................................................... 7 3.3 定义外部设备与数据变量 ................................................................. 9 3.4 创建新画面 ....................................................................................... 10 3.5 命令语言 ........................................................................................... 11 第四章 设计总结 ............................................................................................ 13 参考文献.......................................................................................................... 14 附录：组态王画面 .......................................................................................... 15

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摘要

本文简要介绍了单容水槽液位控制系统的系统组成，建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。着重介绍了组态王软件的使用以及详细的构建整个工程的过程，本文对PLC的使用和应用写的较少，本次课程设计主要完成了软件仿真。本次设计主要内容是利用提供的被控对象单容水槽和相关仪器仪表，设计液位控制系统，利用组态王软件编写控制算法实现控制系统的上位机监控。 关键词：单容水槽 组态王 PID PLC

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第一章 设计目的与要求

1.1 设计目的

1．熟悉组态王软件，达到熟练使用组态软件的常用工具，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

2．学会完成组态王的设计步骤，控制要求超调量小于等于4%，峰值

时间不超过30s。调节时间越短越好。

3．培养运用组态王软件和计算机设计过程控制系统的实际能

力，加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。 1.2 设计要求

1．对被控对象单容水槽进行建模，要有流程图画面，报警画面，历史曲线、实时曲线、报表等个画面键可以灵活切换。

2．通过组态王软件，根据实验室提供的硬件设备，组建过程控制系统，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。 3．对系统进行调试、现场验证。

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第二章 设计方案

2.1 组态王软件概述

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。尤

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其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.2 控制方案

整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统设计中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电动阀，结构组成如下图2.1所示。

图2.1 单回路液位控制系统组成框图

过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到上水箱，由传感器返回信号，是否还需要抽水到水箱。若还需要（即水位过低），则通过电动阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电动阀使流量保持或减小。其整个流程图如下图2.2所示。

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图2.2 液位单回路控制系统图

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第三章 设计过程

3.1 工程管理器简介

在组态王中，我们所建立的每一个组态称为一个工程。每个工程反映到操作系统中是一个包括多个文件的文件夹。工程的建立则通过工程管理器。点击“开始”---〉“程序”---〉“组态王6.5*”---〉“组态王6.5*” （或直接双击桌面上组态王的快捷方式），启动后的工程管理窗口。

工程管理界面如下：

搜索：单击此快捷键，在弹出的“浏览文件夹”对话框中选择某一驱动器或某一文件夹，系统将搜索指定目录下的组态王工程，并将搜索完毕的工程显示在工程列表区中。

属性：在工程列表区中选择任一工程后，单击此快捷键弹出工程属性对话框，可在工程属性窗口中查看并修改工程属性。备份工程备份是在需要保留工程文件的时候，把组态王工程压缩成组态王自己的“.cmp”文件。

恢复： 单击此快捷键可将备份的工程文件恢复到工程列表区中。

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DB 导出： 利用此快捷键可将某一个选中的组态王工程数据词典中的变量导出到EXCEL表格中，用户可在EXCEL表格中查看或修改变量的属性。

DB 导入：利用此快捷键可将EXCEL 表格中编辑好的数据或利用“DB 导出”命令导出的变量导入到组态王某一工程的数据词典中。EXCEL 表格中的数据导入到组态王工程的数据词典中。

开发：在工程列表区中选择任一工程后，单击此快捷键进入工程的开发环境——工程浏览器。

3.2 创建新工程

第一步：创建新工程

第二步：定义硬件设备并添加工程变量，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量。包括内存变量和I/O 变量

第三步：制作图形画面并定义动画连接，按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。

第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。

第五步：进行运行系统的配置对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。

第六步：保存工程并运行完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作完成了。

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3.3 定义外部设备与数据变量

组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。外部硬件设备通常包括PLC、仪表、模块、变频器、板卡等；外部软件程序通常指包括DDE、OPC等服务程序。按照计算机和外部设备的通讯连接方式，则分为：串行通信（232/422/485）、以太网、专用通信（如CP5611）等。

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3.4 创建新画面

建立新画面，使用工具箱画面的设计。

加入各个反应罐，并用文字标识。 画面的设计连接管道。 加入动画连接，所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。

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数据词典中定义一个内存整型变量，变量名：液体流动；变量类型：内存整型；初始值：0；最小值：0；最大值：100。选择工具箱中的“立体管道”具，在画面上画一管道：在画面上双击管道弹出动画连接对话框。

3.5 命令语言

组态王除了在定义动画连接时支持连接表达式，还允许用户编写命令语言来扩展应用程序的功能，极大地增强了应用程序的可用性。

应用程序命令语言：可以在程序启动时、关闭时或在程序运行期间周期执行。如果希望周期执行，还需要指定时间间隔。

热键命令语言：被链接到设计者指定的热键上，软件运行期间，操作者随时按下热键都可以启动这段命令语言程序。

事件命令语言：规定在事件发生、存在、消失时分别执行的程序。 数据改变命令语言：只链接到变量或变量的域。在变量或变量的域值变化到超出数据字典中所定义的变化灵敏度时，它们就被触发执行一次。

利用系统提供的“菜单”工具和ShowPicture() 函数能够实现在主画面中切换到其他任一画面的功能。

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可根据需要，自定义表功能。

恒压力的实现方法 • PID算法 • 给定值SP，反馈值（检测值）PV，控制输出值Uk；偏差值ek0=SP-PV • 比例系数Kp，积分系数Ki，微分系数Td • a01=Kp （1+1/Ki+Td）；a11=KP （1+2*Td） • a21=Kp*Td • Uk=Uk01+a01*ek0-a11*ek01+a21*ek02; • Uk01=Uk; ek02=ek01; ek01=ek0

• if(uk>1000) Uk=1000, if(Uk<0) Uk=0

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第四章 设计总结

经过为期一个星期的设计，过程控制课程设计——单容水槽液位的控制系统设计，终于将要画上句号了。通过做这次课程设计，我们能够将课本上的知识加以更好地加以消化和巩固，将理论和实际相结合。通过计算机仿真，我们对抽象的过程控制理论知识有了直观的认识和理解。

通过这次课程设计，我掌握了简单控制系统的建模过程和方法，掌握了单闭环控制系统的特点及应用场合，掌握了整定PID控制器的参数。单闭环的控制性能较差，超调量大，调节时间长，但实现起来简单，PID参数整定较简单。

当然，我所设计的控制系统还存在许多问题，例如PID参数整定的不好，还没有找到一组合适的控制器参数；积分控制器的参数整定的不好，超调很大，振荡周期很长，调节时间很长，控制效果不好。

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参考文献

【1】邵裕森，戴先中.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2000.5 【2】姜重然.工控软件组态王简明教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007

【3】廖常初.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007 【4】计算机与过程控制课程组.过程控制仪表课程设计指导书（校内）

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附录：组态王画面

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