论文总字数：18613字

摘 要

本文介绍了四容水箱实验装置PLC自动控制系统的设计，针对控制系统的总体设计、硬件设计与组态、软件的配置、具备的功能、变频调速的PID控制过程和调节功能做了深入的研究。通过PROFIBUS-DP的通信方式控制西门子G110变频器，通过改变变频器的频率大小来改变水泵电机的转速，从而调节水泵的给水量，最终实现对水箱液位的控制^[1]。

同时，利用WINCC软件设计四容水箱的监控画面，STEP7编写程序，借助数据采集模块、PID控制算法以及WINCC组态软件，来实现对水箱液位的精确现场模拟控制。设计并搭建过程控制系统，完成控制系统的组态实验以及结果分析。此操作方法易于掌握，广泛的应用于解决工业生产过程中液位控制的问题。除此之外，此控制系统不但可以满足工业生产的需求,并且未来的市场前景巨大。

关键词： 液位控制 四容水箱 PLC PID控制算法

Design on laboratory apparatus of quadruple tank control system

Abstract

This paper describes the design of four experimental device - tank PLC automatic control system for the overall design of the control system design and configuration of hardware, software configuration, have the function, frequency of PID control process and the regulatory function to do a more in-depth the Dynasty. PROFIBUS-DP via communication control to M440 inverter size by changing the motor speed control AC pumps to achieve the water level control.

Meanwhile, WINCC software design four - tank monitor screen, control procedures with T-type language, with data acquisition modules, PID control algorithm and WINCC configuration software, and ultimately accurate control of the water level of. Design and build process control systems, complete configuration test and results analysis control system. This method is easy to grasp, is widely used in industrial processes to solve problems in level control. In addition, the control system will not only meet the needs of industrial production, and huge future market prospects.

Key words: quadruple tank ；the liquid level control ；PLC；PID control algorithm

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状及趋势 2

1.2.1国内外多容水箱的研究现状 2

1.2.2液位控制系统的发展与应用 2

1.2.3液位控制的前景 3

1.3 本文研究内容 4

第二章 四水箱实验装置概况和控制系统软件 5

2.1 实验装置概述 5

2.2 实验对象系统 6

2.2.1四容水箱液位系统 6

2.2.2检测机构系统 7

2.2.3 执行机构系统和辅助系统 7

2.3 实验系统软件 8

第三章PLC的硬件设计及选型 9

3.1 S7-300 PLC简介 9

3.2 电源模块选型 9

3.3 CPU选型 10

3.4 数字量模块选型 10

3.5 模拟量模块选型 10

3.6 机架 11

第四章 四容水箱控制系统软件设计 12

4.1 STEP7介绍 12

4.2实验装置数学模型的建立 12

4.3 基本的PID控制实验设计 13

4.3.1 PID控制器的参数整定方法 14

4.3.2单回路液位PID控制实验设计 16

4.3.3 双容水箱液位串级PID控制实验设计 17

4.4 液位控制系统程序设计 13

第五章WinCC与远程监控 20

5.1 WinCC介绍 24

5.2 远程监控 24

第六章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 30

绪论

1.1研究背景及意义

过程控制是自动化技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量、等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到广泛应用。尤其是液位控制技术，在现实生活、生产中发挥了巨大作用，例如：民用水塔供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；生产企业的排水与进水，排水或者进水控制的好坏，关系到影响到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会造成锅炉过热，可能会引发事故；精馏塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，都有劳动强度大或者操作有一定危险性的特点，一旦操作出现失误，将会引起事故，造成企业损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。因此，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

工业生产对控制系统的要求是综合许多方面考虑的，大致可以概括为以下三个方面：即经济实用性、安全可靠性和运行稳定性。运用PLC与开发设计的控制系统的结合，依据PLC在液位控制过程中的工作原理及方式，对西门子S7-300 PLC的AI/AO模块的应用深入研究，并学习STEP7软件中PID模块及设置参数；西门子MM440变频器与PLC电气接线图，通过用WINCC软件来设计监控画面，并与PLC300进行组态完成对控制系统的实时监控报警。对于学习控制系统组成、在控制过程中学会应用S7-300PLC解决工程问题，提供了一个更好的实验平台，并且也对现实中的工业生产过程起到了巨大的作用^[2]。

四容水箱的典型对象具有非线性、多输入、输出、耦合的特点，在实际的工业生产过程中，对与被控对象的研究多数可以抽象地认为建立四容水箱数学模型，因此，对四容水箱的数学建模以及控制算法的研究是非常有意义的^[2]。

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