组态王的多容水箱液位监控系统设计
目录
1、绪论 1
1.1多容水箱的液位监控的背景与意义 1
1.2多容水箱的液位监控技术的现状 1
1.3多容水箱的液位监控技术的未来发展趋势 2
1.4本次设计的主要内容及章节安排 2
2、单容容水箱与多容水箱的动态特性与分析 4
2.1、单容水箱特性 4
2.2、多容水箱特性 6
2.3、单容水箱与多容水箱的比较 8
3、多容水箱的主体设计 9
3.1、控制主体与对象 9
3.2、控制方式的选择 11
3.3、多容水箱液位的PID算法 12
3.4、多容水箱的控制流程 15
4、多容水箱液位监控系统的硬件设计和选择 17
4.1、PLC的选型 17
4.2、变频器的选择和参数的设置 18
4.3、PLC的液位控制方案 19
4.4、PLC的接线图 21
5、多容水箱的控制程序设计 22
5.1、水箱运动控制的主程序 22
5.2、水箱的PID程序 24
5.3、控制程序中的数据转换程序 26
5.4、整个程序的组成 28
6、控制画面的设计 30
6.1、组态软件的介绍 30
6.2、组态王的概述 31
6.3、监控画面的设计 32
6.3.1、用户登录画面 32
6.3.2、控制画面的选择 33
6.3.3、手动控制画面 34
6.3.4、自动控制画面 34
6.3.5、左水箱液位的实时趋势曲线 35
6.3.6、右水箱液位的实时趋势曲线 36
6.4、变量的建立与通讯 36
7、系统的运行与调试 40
7.1、多容水箱监控系统的运行方式 40
7.2、总水箱液位曲线 40
7.3、错误的水箱液位曲线 42
结束语 44
参考文献 45
附录 46
致谢 62
/> 1、绪论
1.1多容水箱的液位监控的背景与意义
伴随着历史脚步的前进和科学技术的进步，现代的工业生产中所需要的的控制问题也越展现出其重要的一面。在人们的日常生活中就会常常遇到一些液位监控的问题。特别在化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多原材料是以液体的形式储存于储存罐中等待着被使用。通常需要对储存罐中的液体液位进行控制。
由于不同的生产有不同的控制要求，从而对于一个液位参数的监控就会产生不同的控制方式与过程。有的地方要求具有一定的精准度与速度的，而有的地方会有一定的严密性和密封性的要求。这就要求在不同的时候出现不同的控制方式，这是人工所不能实现的地方。
之所以要在工业生产中引入自动化控制系统，是因为人工控制会存在精准度较低、控制速率慢和灵敏度差的问题。而液位这个控制参数是工业自动化生产中一个最基本、最普遍、也是最重要的控制参数。液位参数的指标在各种工业生产中经常会使用。一个工厂设备的液位是否稳定，能够直接影响工业生产中的安全性、生产效率快慢和能源的利用率的高低等等一系列重大问题。
工业生产过程的液位控制系统，具有明显的滞后性和时变性。工业生产中常常是以多个容积以及阻力器件构成的多容器具为控制对象。就工业生产上来说，以两个单容对象相互串联所构成的双容对象是被普遍接受的。以双容对象作为控制模型的行业大多都是液体为原料的如：饮料行业、食品加工行业、化工行业，从理论上来讲均可采用双容水箱为模型对液位进行适当的控制。通过系统液位信号的检测，可以了解容器中的原料、半成品或成品的数量与情况，以便保证工业生产过程中的各环节原料的合理使用。一旦监控系统设计完成之后，容器液位可以通过传感器来传递给计算机处理，即时监控容器内的液位，以此保证产品的质量和数量。
1.2多容水箱的液位监控技术的现状
随着检测技术的发展与微型机技术的进步，工业生产自动化技术也越来越得
到了提高。为了对整个工艺流程和制作过程有所控制，工厂就可以采用计算机来 对流程和参数进行控制，或者采用计算机在工业生产过程中对过程进行控制和对流程进行管理。在最新的自动化工具方面，现在智能单元组合仪表开始采用微处理器做为控制核心；而测量变送器方面突出的功能是在线检测与数据处理的能力；一些模拟式调节仪表不仅仪表产品可靠性提高，而且还增加了安全防爆功能，从而更能适应各种复杂控制系统。
随着现代的工业控制的要求越来越高，一般性的自动化控制方法已经不足以适合日益复杂的工业生产控制要求，所以自动化控制慢慢地走向了可编程逻辑控制（又称PLC）的道路。引入PLC技术使得控制方式得到了一次新的飞跃和进步，从而使监控能够更加的集中、更加的有效、更加的及时。
当前，常见的液位控制通常采用PID闭环控制算法。针对某些结构简单的液位控制系统，闭环控制法能够得到理想的效果。一旦被控的液位对象结构复杂、所处环境特殊、变量之间的关系复杂，则常规的控制方法会使系统稳定性的方面变差。针对某些有着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多科研单位也提出了一些更加优秀的控制方案和有效的控制算法，从而可以尽可能的得到最好的方法解决问题。
1.3多容水箱的液位监控技术的未来发展趋势
近年来，随着微电子技术的发展，液位检测技术也发生了根本性变化。由于液位计使用了新的检测原理与新的电子器件，从而具有更多特色，特别是一些小型监控开关发展速度极快。不少设备没有可动部件的存在，从而可靠性得到了较大提高。与此同时，液位检测技术也正向着智能化方向发展，从而使液位监控方法也随之发生了明显地变化，让其更加有效和完善，能够适应各种场合。
对于工业生产中的液位监控问题可以通过两方面来解决：一方面是采用新的检测方法，开发新的液位检测仪器，扩充检测的手段；另一方面就是将检测技术向着实现微小化和智能化的方向发展。从目前看来，液位监控技术的发展前景是十分巨大的，对于未来工业的发展会有巨大的推动作用。
1.4本次设计的主要内容及章节安排
本课题旨在设计多容水箱液位控制系统，分析控制方式和控制参数对控制效果的影响。该课题以A3000平台中的多容水箱为控制对象，以S7300PLC为控制器，实现液位PID控制算法，并采用KingView组态软件设计监控界面，监测
控制效果，并对结果进行比较分析。
本次的课题选择了使用串级控制方法来实现多容水箱的液位监控，通过变频器来控制水泵的运转速度，以达到液位能够稳定在一个给定值的附近。而最主要的液位的PID计算是通过FB41“CONT_C”来实现。
1、绪论 1
1.1多容水箱的液位监控的背景与意义 1
1.2多容水箱的液位监控技术的现状 1
1.3多容水箱的液位监控技术的未来发展趋势 2
1.4本次设计的主要内容及章节安排 2
2、单容容水箱与多容水箱的动态特性与分析 4
2.1、单容水箱特性 4
2.2、多容水箱特性 6
2.3、单容水箱与多容水箱的比较 8
3、多容水箱的主体设计 9
3.1、控制主体与对象 9
3.2、控制方式的选择 11
3.3、多容水箱液位的PID算法 12
3.4、多容水箱的控制流程 15
4、多容水箱液位监控系统的硬件设计和选择 17
4.1、PLC的选型 17
4.2、变频器的选择和参数的设置 18
4.3、PLC的液位控制方案 19
4.4、PLC的接线图 21
5、多容水箱的控制程序设计 22
5.1、水箱运动控制的主程序 22
5.2、水箱的PID程序 24
5.3、控制程序中的数据转换程序 26
5.4、整个程序的组成 28
6、控制画面的设计 30
6.1、组态软件的介绍 30
6.2、组态王的概述 31
6.3、监控画面的设计 32
6.3.1、用户登录画面 32
6.3.2、控制画面的选择 33
6.3.3、手动控制画面 34
6.3.4、自动控制画面 34
6.3.5、左水箱液位的实时趋势曲线 35
6.3.6、右水箱液位的实时趋势曲线 36
6.4、变量的建立与通讯 36
7、系统的运行与调试 40
7.1、多容水箱监控系统的运行方式 40
7.2、总水箱液位曲线 40
7.3、错误的水箱液位曲线 42
结束语 44
参考文献 45
附录 46
致谢 62
/> 1、绪论
1.1多容水箱的液位监控的背景与意义
伴随着历史脚步的前进和科学技术的进步，现代的工业生产中所需要的的控制问题也越展现出其重要的一面。在人们的日常生活中就会常常遇到一些液位监控的问题。特别在化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多原材料是以液体的形式储存于储存罐中等待着被使用。通常需要对储存罐中的液体液位进行控制。
由于不同的生产有不同的控制要求，从而对于一个液位参数的监控就会产生不同的控制方式与过程。有的地方要求具有一定的精准度与速度的，而有的地方会有一定的严密性和密封性的要求。这就要求在不同的时候出现不同的控制方式，这是人工所不能实现的地方。
之所以要在工业生产中引入自动化控制系统，是因为人工控制会存在精准度较低、控制速率慢和灵敏度差的问题。而液位这个控制参数是工业自动化生产中一个最基本、最普遍、也是最重要的控制参数。液位参数的指标在各种工业生产中经常会使用。一个工厂设备的液位是否稳定，能够直接影响工业生产中的安全性、生产效率快慢和能源的利用率的高低等等一系列重大问题。
工业生产过程的液位控制系统，具有明显的滞后性和时变性。工业生产中常常是以多个容积以及阻力器件构成的多容器具为控制对象。就工业生产上来说，以两个单容对象相互串联所构成的双容对象是被普遍接受的。以双容对象作为控制模型的行业大多都是液体为原料的如：饮料行业、食品加工行业、化工行业，从理论上来讲均可采用双容水箱为模型对液位进行适当的控制。通过系统液位信号的检测，可以了解容器中的原料、半成品或成品的数量与情况，以便保证工业生产过程中的各环节原料的合理使用。一旦监控系统设计完成之后，容器液位可以通过传感器来传递给计算机处理，即时监控容器内的液位，以此保证产品的质量和数量。
1.2多容水箱的液位监控技术的现状
随着检测技术的发展与微型机技术的进步，工业生产自动化技术也越来越得
到了提高。为了对整个工艺流程和制作过程有所控制，工厂就可以采用计算机来 对流程和参数进行控制，或者采用计算机在工业生产过程中对过程进行控制和对流程进行管理。在最新的自动化工具方面，现在智能单元组合仪表开始采用微处理器做为控制核心；而测量变送器方面突出的功能是在线检测与数据处理的能力；一些模拟式调节仪表不仅仪表产品可靠性提高，而且还增加了安全防爆功能，从而更能适应各种复杂控制系统。
随着现代的工业控制的要求越来越高，一般性的自动化控制方法已经不足以适合日益复杂的工业生产控制要求，所以自动化控制慢慢地走向了可编程逻辑控制（又称PLC）的道路。引入PLC技术使得控制方式得到了一次新的飞跃和进步，从而使监控能够更加的集中、更加的有效、更加的及时。
当前，常见的液位控制通常采用PID闭环控制算法。针对某些结构简单的液位控制系统，闭环控制法能够得到理想的效果。一旦被控的液位对象结构复杂、所处环境特殊、变量之间的关系复杂，则常规的控制方法会使系统稳定性的方面变差。针对某些有着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多科研单位也提出了一些更加优秀的控制方案和有效的控制算法，从而可以尽可能的得到最好的方法解决问题。
1.3多容水箱的液位监控技术的未来发展趋势
近年来，随着微电子技术的发展，液位检测技术也发生了根本性变化。由于液位计使用了新的检测原理与新的电子器件，从而具有更多特色，特别是一些小型监控开关发展速度极快。不少设备没有可动部件的存在，从而可靠性得到了较大提高。与此同时，液位检测技术也正向着智能化方向发展，从而使液位监控方法也随之发生了明显地变化，让其更加有效和完善，能够适应各种场合。
对于工业生产中的液位监控问题可以通过两方面来解决：一方面是采用新的检测方法，开发新的液位检测仪器，扩充检测的手段；另一方面就是将检测技术向着实现微小化和智能化的方向发展。从目前看来，液位监控技术的发展前景是十分巨大的，对于未来工业的发展会有巨大的推动作用。
1.4本次设计的主要内容及章节安排
本课题旨在设计多容水箱液位控制系统，分析控制方式和控制参数对控制效果的影响。该课题以A3000平台中的多容水箱为控制对象，以S7300PLC为控制器，实现液位PID控制算法，并采用KingView组态软件设计监控界面，监测
控制效果，并对结果进行比较分析。
本次的课题选择了使用串级控制方法来实现多容水箱的液位监控，通过变频器来控制水泵的运转速度，以达到液位能够稳定在一个给定值的附近。而最主要的液位的PID计算是通过FB41“CONT_C”来实现。
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