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一種液位串級控制系統(tǒng)設計
下面是小編整理的一種液位串級控制系統(tǒng)設計的論文，歡迎各位通信工程畢業(yè)的同學借鑒哦!
摘 要：本文利用羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)，對液位串級控制進行了系統(tǒng)的軟硬件設計和參數(shù)整定。軟件設計包括運用通信軟件RSLinx進行網(wǎng)絡組態(tài)，運用編程軟RSLogix5000進行控制程序編寫，運用上位監(jiān)控軟件RSView32制作上位監(jiān)控畫面，對液位進行實時監(jiān)控。通過系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗證了系統(tǒng)的控制效果，實現(xiàn)了對主被控量下水箱液位的控制。
關鍵字：Rockwell;水箱液位;串級控制;PIDE
1引言
羅克韋爾PLC自動化的集成架構(gòu)是一種生產(chǎn)控制和信息系統(tǒng)，可以為整個自動化生產(chǎn)提供跨越過程運動驅(qū)動和順序等多個平臺的控制、通訊、和可視化的無縫集成，可以幫助提高生產(chǎn)力等。其中 Logix 平臺和 I/O 系統(tǒng)用于控制，Kinetix 用于集成運動，NetLinx 開放式網(wǎng)絡架構(gòu)用于通訊，ViewAnyWareTM用于可視化方案。通過使用尖端的控制、網(wǎng)絡、可視化和信息技術，集成架構(gòu)系統(tǒng)解決了離散、過程、批次、運動、傳動和安全應用的廣泛控制和信息需求，還解決了性能信息需求。
液位控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的環(huán)節(jié)之一，同時也與人們的生活息息相關，因此，合理的液位控制系統(tǒng)可以保證生產(chǎn)的正常順利進行，并保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些生產(chǎn)生活中的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制系統(tǒng)，因此對水箱的液位控制研究有重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應用前景。基于羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)的液位串級控制系統(tǒng)對于我們研究和使用羅克韋爾技術具有重要作用。
2系統(tǒng)原理與組成
系統(tǒng)ControlLogix5561通過交換機與上位機建立以太網(wǎng)通信，在上位機上通過RSLinx建立上位機與現(xiàn)場設備通信連接，通過RSLogix5000實現(xiàn)系統(tǒng)的編程，系統(tǒng)的遠程監(jiān)控通過RSView32來完成，實現(xiàn)了對水箱的串級控制裝置的遠程控制，系統(tǒng)組成如圖1所示。
3系統(tǒng)硬件設計
3.1 ControlLogix硬件系統(tǒng)
ControlLogix系統(tǒng)就是羅克韋爾公司成功開發(fā)的第三代PLC，從硬件配置、通信方式到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有根本性的變化，控制和數(shù)據(jù)傳送概念也完全不同。它是由模塊組合而成的控制平臺，并且它的背板具有強大的網(wǎng)關功能，可實現(xiàn)在三層網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)換。ControlLogix系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
ControlLogix控制器適合上千個I/O點的控制系統(tǒng)，具有極強的網(wǎng)絡功能，通過強大的網(wǎng)關作用的背板可以連接AB控制器的所有網(wǎng)絡，其中的順序邏輯的控制功能部分，已完全替代了PLC5的系統(tǒng)產(chǎn)品，但有更為強大的功能和廣闊的應用前景。
3.2高級過程控制實驗裝置簡介
本設計中的過程控制對象是基于我院實驗室的高級過程控制實驗裝置，如圖3所示。
該裝置結(jié)合了當今工業(yè)現(xiàn)場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現(xiàn)場總線技術為一體的多功能實驗設備，由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控PC機三部分組成。裝置可以對流量、溫度、液位、壓力等參數(shù)進行測量，還可實現(xiàn)對多種高性能系統(tǒng)如單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。還可根據(jù)用戶的需要設計構(gòu)成AI智能儀表，DDC遠程數(shù)據(jù)采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線控制等多種控制系統(tǒng)。
3.3水箱液位串級控制系統(tǒng)原理
下面以水箱控制系統(tǒng)為例，說明串級系統(tǒng)的工作原理。系統(tǒng)方框圖如圖4所示。
水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而達到控制下水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器�？紤]處于穩(wěn)定狀態(tài)的串級系統(tǒng)意義不大，可只考慮擾動對于串級系統(tǒng)的影響。當擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進行工作。
3.4水箱液位串級控制過程
本設計的水箱串級控制平臺搭建如圖5所示，這里重要使用到高級過程控制設備中的中水箱、下水箱、儲水箱、電動調(diào)節(jié)閥、磁力驅(qū)動泵、管道和球閥。
整個控制系統(tǒng)的控制目標為下水箱液位，則下水箱液位為主被控量，下水箱為主被控對象。影響下水箱液位的是閥門F1-10和F1-11的流量，在F1-10和F1-11開度不變的情況下，中水箱液位則是影響下水箱液位的重要因素，因此中水箱液位將作為副被控量，中水箱為副被控對象。副被控量即中水箱液位的變化取決于F1-7的流量，對F1-7的控制由電動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)，因此可以選電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機構(gòu)，通過電動閥的不同開度控制副被控量中水箱液位的變化，進而控制下水箱液位。
4系統(tǒng)軟件設計
4.1 RockweLL軟件平臺
羅克韋爾自動化公司的軟件多，具有不同功能的軟件可以滿足用戶不同的需求，其中通信工具軟件 RSLinx 有 RSLinxLite、RSLinx OEM、RSLinx Gateway、RSLinxClassic等5種版本，編程軟件RSLogix5/500/5000以及上位機監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32、RSView。本次設計中用到的軟件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，下面就分別介紹這三個的軟件。
4.2 PIDE串級控制系統(tǒng)程序設計 本設計將使用 RSLogix 5000 軟件完成雙容水箱液位PIDE串級控制系統(tǒng)的程序編寫。與一般的 PLC 程序使用梯形圖編程不同，這里將使用 RSLogix5000 軟件的功能塊語言創(chuàng)建程序，功能塊語言編程要比梯形圖方式更直觀更清晰，也更易于理解。
程序的設計要結(jié)合系統(tǒng)設計框圖一起考慮，設計流程圖如圖7所示。
4.3組態(tài)監(jiān)控
利用RSView32軟件組態(tài)監(jiān)控時，首先需要選擇通道、網(wǎng)絡以及RSLinx驅(qū)動器。并且通過OPC方式建立與ControlLogix 5561的通信，然后需要建立標簽并通過文件夾管理標簽。如圖8所示
然后添加圖形對象建立監(jiān)控畫面，通過RSView32中自帶的圖形庫建立雙容水箱的主監(jiān)控畫面，如圖9所示。
5 PID參數(shù)整定及結(jié)果
本設計將運用PIDE Faceplate Control 面板進行PID參數(shù)的整定，如圖10所示。
(1)整定后得到PID參數(shù)為P=0.7910325，I=8.012130，D=0.0103122，把PID參數(shù)用于副回路中水箱的控制。
(2)將下水箱液位PIDE設為串級(Cas/Rat)模式，中水箱液位PIDE設為Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法對主回路進行自整定，得到PID參數(shù)為P=0.7901231，I=0.80102，D=0.1021302，把該整定值用于主回路下水箱的控制。將下水箱液位設定為150mm，得到相應趨勢圖如圖11。
串級控制系統(tǒng)中副回路是隨動控制，而主回路是定值控制。通過上圖我們觀察到中水箱的測量值可以以較快的速度隨副回路設定值變化，下水箱的液位經(jīng)過較短時間可以穩(wěn)定在設定值上。
6 結(jié)論
本文基于羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)液位串級控制系統(tǒng)原理，實現(xiàn)了對液位進行實時監(jiān)控。通過系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗證了系統(tǒng)的控制效果，實現(xiàn)了對主被控量下水箱液位的控制。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準確性基本達到預期目標，并最終實現(xiàn)了對水箱液位的串級控制。
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