基于PLC的水塔水位控制系统设计说明书

.wd.四川理工学院毕业设计论文基于PLC的水塔水位控制系统设计学 生：何沭达学 号：07021010104专 业：自动化班 级：2007.1指导教师：张红光四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年六月摘 要在工农业生产过程中，经常需要对水位进展测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比方水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。然而随着世界人口的不断增长，人们生活用水的增加，以往采用的继电器水塔水位自动控制系统由于频繁操作会产生机械磨损，不方便维护和更新，已经不能满足人们的实际需求，本文采用的是西门子S7-200系列小型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能进展性进展了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，经A/D转换后，进展数据比照，来控制抽水电机的动作，同时进展数据复原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于某个设定值是，就会发出不安全报警的信号。本文以一个水塔水位控制系统的设计过程，给出了基于PLC水塔水位控制系统的设计好实现的具体过程。关键词：水位控制，西门子S7-200 ，传感器ABSTRACTBased on PLC towers water level control system designIn the industrial and agricultural production process, often need to measure and control thewater level.Water level control applications in everyday life are very wide, such as water towers, groundwater, hydropower and other water level control case.But with the growing world population, it is the increase in water, relay towers used in the past, the water level automatic control system operation due to the frequent cause mechanical wear, convenient maintenance and updating can no longer meet the actual needs of the people, the paper usedSiemens PLC S7-200 programmable controller as a series of small water tower water level automatic control system core, the water level of the tower the functions of automatic control system of the requirement analysis.Main achieved is through the actual water level sensor detects the water tower, specific information will be transmitted to the water level control module consisting of PLC, the A / D conversion, to compare data, to control the pumping action of the motor, while data reduction, the indicated levelspecific information, if the water level lower or higher than a set value, we will send the hazard warning signal.In this paper, a water tank level control system design process, the water tower level control system based on PLC design a good implementation of the specific process.KEY WORDS:Water level control, Siemens S7-200, The sensor目 录摘要IABSTRACTI第1章引言1第2章可编程器简介22.1可编程控制器的产生22.2 PLC的开展42.3 PLC的 基本构造52.3.1 中央处理单元(CPU)52.3.2 存储器62.3.3 输入/输出模块72.3.4 扩展模块82.3.5 编程器82.4 PLC的 基本工作原理82.5 PLC的主要应用92.6 S7-200系列PLC元件功能10第3章水塔水位控制系统方案设计133.1 传统水塔水位控制133.1.1 工作原理133.1.2 外部接线与控制列表133.1.3程序编辑及分析153.2 PID水塔水位控制系统的工作原理153.2.1 设计分析153.2.2 可行性试验163.2.3 可行性分析173.3 水位闭环控制系统17第4章 PLC中PID控制器的实现194.1 PID算法194.2 PID应用204.3 PLC实现PID控制的方式204.4 PLC PID控制器的实现214.5 PID指令及回路表23第5章系统硬件开发设计245.1 可编程控制器的选型245.2 EM235模拟量模块255.2.1 EM235的安装使用275.2.2 EM235的工作程序编制275.3 硬件连接图285.4 控制系统I/O地址分配28第6章系统软件应用设计296.1 水位PID控制的逻辑设计296.2 梯形图编程336.3 控制程序336.4 联机33第7章结论357.1本课题研究结论357.2课题存在问题与展望35致谢36参考文献37附录38第1章 引言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速开展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻那么给人民生活带来极大的不便，重那么可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的根基设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的 基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为 基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器PLC是根据顺序逻辑控制的需要而开展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，又有PID控制技术的开展，因此，假设何建设一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位水位进展自动控制。比方自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的 基本要求。因此假设何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC和PID技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。本论文侧重介绍“水塔水位PID控制系统的软件设计及相关内容，使水塔水塔维持一定的水位。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传液位传感器反响量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实现水塔供水且有效节能。水位PID控制系统集PLC控制技术、PID技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采用该系统进展供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性。第2章 可编程器简介2.1可编程控制器的产生可编程控制器是二十世纪七十年代开展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速开展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑也简称PC相混淆通常将可编程控制器称为PLC。可编程控制器的产生和继电器接触器控制系统有很大的关系。继电器接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有构造简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比照简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。随着工业生产的迅速开展，市场竞争的剧烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司GM公司提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即:1. 编程方便，现场可修改程序；2. 维修方便，采用模块化构造；3. 可靠性高于继电器控制装置；4. 体积小于继电器控制装置；5. 数据可直接送入管理计算机；6. 本钱可与继电器控制装置竞争；7. 输入可以是交流115V；8. 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9. 在扩展时，原系统只要很小变更；10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这十项指标就是现代PLC的最 基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体和“便于扩大功能的原那么来设计。用可编程控制器代替了继电器接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑假设何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。1969年，第一台可编程控制器PDP14由美国数字设备公司DEC制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。PLC问世时间不长，但是随着微处理器的开展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速开展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱PLC、机器人和CAC/CAM种跃居首位。我国在八十年代初才开场使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。2.2 PLC的开展虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速开展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速开展，其开展过程大致可分为三各阶段：早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用别离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广阔电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开场采用微处理器作为PLC的中央处理单元CPU。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据存放器，使PLC的应用范围得以扩大。进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速开展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。12.3PLC的 基本构造PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件构造 基本上与微型计算机一样，中央处理单元(CPU)，如以以下图2-1所示。2-1 PLC硬件构造2.3.1中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及戒备定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据存放器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出存放器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停顿运行。进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。22.3.2存储器存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。1、PLC常用存储器类型1RAM Random Assess Memory 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。2EPROMErasable Programmable Read Only Memory这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。3EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进展修改。32、PLC存储空间分配各种PLCCPU最大寻址空间各不一样，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：1系统程序存储区2系统RAM存储区包括I/O映象区和系统软设备等3用户程序存储区4系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据存放器；计时器；计数器；变址存放器；累加器等存储器。51I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位bit，一个模拟量I/O占用存储单元中一个字16个bit。整个I/O映象区可看作两个局部组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。2系统软设备存储区 ：I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备逻辑线圈、计时器、计数器、数据存放器和累加器等存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。2.3.3输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量压力、流量、温度、电压、电流等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够承受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。另外还有：0somV、0IV、5+SV、10+10V，010mA等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进展处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。62.3.4扩展模块当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进展扩展，扩展接口就是用于连接中心 基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和开展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。2.3.5编程器它的作用是供用户进展程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进展程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。2.4 PLC的 基本工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，假设有键按下或I/O变化，那么转入相应的子程序，假设无那么继续扫描等待。PLC那么是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开场执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，那么从第一条指令开场逐条顺序执行用户程序，直至遇到完毕符号后返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的工作过程就是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为3个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。如图2-3所示PLC的扫描工作过程。7图2-3 PLC的扫描工作过程2.5 PLC的主要应用经过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，从PLC的功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面：1逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。2定时控制 PLC具有定时功能。它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以由操作人员在工业现场通过人机对话装置实时设定，计时器的实际计时值也可以通过人机对话装置实时读出或3计数控制 PLC具有计数功能。它为用户提供几十个甚至上千个计数器，其计数设定值的设定方式同计时器计时时间设定值一样。计数器的实际计数值也可以通过人机对话装置实时读出。4步进顺序控制 PLC具有步进顺序控制功能。在新一代的PLC中，还可以IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图SFC编制用户程序，PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更简便。5PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的PID控制模块来实现。6数据处理 PLC具有数据处理能力。它能进展自述运算数据比照，数据传送，数制转换，数据显示和打印，数据通信等功能。新一代的大，中型PLC还能进展函数运算，浮点运算等。7通信和联网 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以对远程I/O进展控制，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。因此，可以方便地构成“集中管理，分散控制的分布式控制系统。8PLC还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT模块等。82.6 S7-200系列PLC元件功能1. 数据类型 数据类型S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型0或1、整数型和实数型浮点数。布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括16位符号整数INT和32位符号整数DINT。2. 编程元件 1 输入映像存放器I输入继电器 输入映像存放器的工作原理：输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。PLC中的继电器与继电器控制系统中的继电器有本质性的差异，是软继电器，它实质是存储单元 输入映像存放器的地址分配：S7-200输入映像存放器区域有IB0IB15共16个字节的存储单元。系统对输入映像存放器是以字节8位为单位进展地址分配的。2 变量存储器V 变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数，在进展数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222为V0.0V2047.7共2KB存储容量，CPU224/226为V0.0V5119.7共5KB存储容量 3 内部标志位存储器中间继电器M 内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。 4 特殊标志位存储器SM PLC中还有假设干特殊标志位存储器, 特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取。5 定时器T PLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。 6 计数器C计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。 7 累加器AC 累加器是用来暂存数据的存放器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。CPU提供了4个 32位的累加器，其地址编号为AC0AC3。累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32 位。9第3章 水塔水位控制系统方案设计3.1 传统水塔水位控制图3-1 传统水塔水位控制布局图3.1.1 工作原理通过指示灯模拟上水水泵，结合钮子开关模拟水位监测信号，模拟了水塔自动上水控制，当水池水位低于水池低位界面s1为ON时，电磁阀Y翻开进水Y为ON，定时器开场定时，4S后，如果S1还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障，S3为ON后，阀Y关闭(Y为OFF)。当S1为OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界时，S3为ON，水泵M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时水泵M停顿。103.1.2 外部接线与控制列表图3-2传统水塔水位控制电气接线图表3-1 水塔水位模拟控制接线列表名称PLC端子说明灯MQ0.0模拟水塔提水水泵电动机运行动作灯YQ0.1模拟地面水池的进水阀门的开关动作开关S1I0.0模拟水池水位低限报警信号开关S2I0.1模拟水池水位高限报警信号开关S3I0.2模拟水塔水位低限报警信号开关S4I0.3模拟水塔水位高限报警信号3.1.3程序编辑及分析程序见附录3.2PID水塔水位控制系统的工作原理传统的水塔水位控制方式具有占地面积大、投资高、水泵电机频繁起动、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、水漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁起动使设备故障率高，检修、维护也 存在困难。因此假设何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，已是迫在眉睫。在传统的水塔、水箱供水的根基上，参加了PLC及液压变送器等器件利用PLC和组态软件来实现水塔水位的控制提供了一种实用的水塔水位控制方案。在系统中，只使用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整到达最优控制效果。系统启动时，关闭出水口，用于动控制输入控制液体阀，使水位到达满水位的75%，然后翻开出水口，同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制。113.2.1设计分析图3-3设计分析示意图“水塔水位自动控制系统的控制对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水位高度正常情况下控制在C、D之间，如图a。当水位在低于C点时，水泵开场进水，如图b。当水位高于D点时，水泵停顿进水，如图c。当水位低于C点并到达B点时就报警，采取手动启动水泵，如图d。当水位超过D点并到达E点时上限报警，采取强制停顿水泵，水位从溢流口流出，如图e。3.2.2可行性试验图3-4为水塔水位控制器的外观正视图，由电源指示灯、报警确认灯、水位指示灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深处于不同位置时，水位指示灯B、C、D、E情况不同。图3-4水塔水位控制器外观图当水位处于B点之下，指示灯B、C、D、E全亮，报警电路开场报警，即下限报警。 当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开场进水。 当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持进水。 当水位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮，停进状态，即水泵不工作。 当水位处于E点之上，指示灯B、C、D、E全灭，水泵不工作，报警电路开场溢出报警，即上限报警。报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确认电路复位，恢复其监测故障的功能。3.2.3 可行性分析 此方案采用纯硬件电路设计，防止了软件程序设计中的不稳定因素，提高了实际运用中的可靠性。同时，对于不同类型的液体，此系统均有良好的兼容性。当水塔中液体改变时，只需要将电位器中的阻值和该液体的阻值调节到一个数量级上就可以很方便的实现此液体的水位控制操作。试验证明，此水塔水位控制器不仅实现了对水塔水位的准确控制，而且，此系统更具有工业生产的实际性。3.3 水位闭环控制系统图3-5 供水系统控制原理图M1、M2水泵 Y0-Y3液位开关 F1手阀 F2电磁阀 为了准确的实现对水位的控制，必须建设闭环控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵，使水位处于动态的平衡状态。供水系统的 基本原理如图3-5所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的三个液压变送器，将水位值变换为420 mA电流信号进入PLC，把该信号和PLC中的设定值的程序进展比照，并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进展自动控制。当PLC出现故障时，还有一套手动控制来进展对水塔水位控制。手动控制采用交流接触器。上水箱液位低于Y3时，M1、M2同时工作，F2翻开。液位上升至Y2时，M2停顿，F2关闭，M1继续工作。液位上升至Y1时，M1也停顿。翻开F1手阀使上水箱放水，液位下降。当液位又低于Y1时M1起开工作，如F1开度较大下水量大于上水量，使液位继续下降至Y2时，M2启开工作同时F2翻开，使上水量大幅上升，保持液位。Y0为下水箱缺水报警开关下水箱液位低于Y0时意味着水泵进水口缺水，此时应自动切断电源并报警。图3-6水位闭环控制图第4章 PLC中PID控制器的实现4.1 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成。积分项的作用是消除系统静差，而微分项那么改善系统的动态响应速度。12PLC技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。图4.1是常见闭环控制系统的构成。4-1 闭环控制系统作为闭环控制的重要特征，采用了“误差的概念，即:在闭环控制系统中，利用给定输入sP(t)与实际输出c(t)经过测量装置装置转换后的反响量Pv(t)之间的差值e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。在实际闭环控制系统中，误差e(t)一个很小的变化量。因此，为了对系统进展更准确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，需要对误差进展放大(比例调节P)、积分(积分调节I)、微分(微分调节D)，才能有效地控制系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动控制系统中，用来对误差进展放大、积分、微分等处理的装置称为“调节器，当调节器具有“放大、“积分、“微分功能时，即成为PID调节器。在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用PID控制器、软件PID以及变频器内置PID来实现系统的PID调节功能，三种方法各具优缺点，本设计选用PID算法的PLC实现方法。134.2 PID应用在工业生产中，常常需要用闭环控制方式来控制温度、液位、压力、流量等连续变化的模拟量。无论是使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机包括PLC的数字控制系统，PID控制都等到了广泛的应用。PID控制简单易懂，使用中不必能清楚系统的数字模型。有人称赞它是控制领域的常青树是不无道理的。PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的简称,之所以得到广泛应用是因为它具有如下优点：1不需要准确地控制系统数字模型。由于非线性和时变性很多工业控制对象难以得到其准确的数字模型，因此不能使用控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比照满意的效果。2有较强的灵活性和适应性。积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统动态响应速度，比例、积分、微分控制三者有效地结合就可以满足不同的控制要求。根据被控制对象的具体情况，还可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分别离PID、变速积分PID等。3PID控制器的构造典型，程序简单，工程上易于实现，参数调整方便。在PLC控制系统中，经常采用模拟量输入/输出模块实现模拟量的数字化处理，本系统选择S7-20O系列EM235模拟量模块，对管网压力信号进展采样，并通过变频器调整液压阀输入与输出。144.3 PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进展PID控制时，可以采用以下几种方法：(1)使用PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。(2)使用PID功能指令现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以得到类似于是用PID过程控制模块的效果，但是价格廉价得多。(3) 用自编的程序实现PID闭环控制有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户编制PID控制程序。4.4 PLC PID控制器的实现PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为根基，将其数字化，写成离散形势的PID控制方程，再根据离散方程进展控制程序设计。在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图4-2所示。图中为给定值，为反响量，c(t)为系统的输入量，PID控制器的输入输出关系式为：式中， 控制器的输出，为输出的初始值，= 误差信号， 比例系数， 积分时间常数， 微分时间常数。图4-2 连续闭环控制系统方框图上式中等号右边前3项分别是比例、积分、微分局部，它们分别与误差、误差积分和微分成正比。如果取其中一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。假设采样周期为，系统开场运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似准确积分，用差分近似准确微分，将上式离散化，第n次采样时控制器的输出为：式中， 第n-1次采样误差值。 积分系数。 微分系数。在S7-200PLC中，实际使用的PID算法为：式中： 第n次采样的调节器输出 比例项 积分项 微分项 基于PLC的闭环控制系统如图4-2所示，图中虚线局部在PLC内。这图中的、分别为模拟量、在第n次采样的数字量。图4-3 PLC闭环控制系统方框在许多控制器系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制器类型。例如，可能只要求比例控制或积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进展选择。15本系统只适用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要近一步调整已到达最优控制效果。系统启动时，关闭出水口。用手动控制液体阀，使水位到达满水位的75%，然后翻开出水口，同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换有一个输入的数字量控制。4.5 PID指令及回路表S7-200的PID指令图如图4-4所示。图4-4 PID指令图指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CUP将产生编译错误范围错误，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进展范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表见附录表4-1.过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中它们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输出值，它被限制在0.01.0之间。如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM1.1溢出或非法数值被置1，并将终止PID指令的执行。要想消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。第5章系统硬件开发设计5.1 可编程控制器的选型可编程控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，功能和构造均有所不同，但工作原理和组成 基本一样。本设计选用西门子公司的S7-200 PLC系列，其具构造紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统。它采用超高电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量12 点模拟输入/4点模拟输出。S7-200最多有4个中断控制的输入，输入响应时间小于0.2ms，每条二进制指令的处理时间仅为0.8s，S7-200还有日期时间中断功能。还可 提供两个独立4KHZ 的脉冲输出，通过驱动单元可以实现步进电机的位置控制。点对点接口PPI可以连接编程设备、操作员界面和具有串行接口的设备，用户程序有三级口令保护。较强的功能使其无论在独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯等。S7-200系列有CUP21X和CPU22X两代产品。其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种 基本型号。本设计选用CPU226型PLC。功能模块选用EM235。16CPU226主机共有24个输入点和16个输出点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟I/O点。13KB程序和数据存储空间。CPU226输入电路采用了双向光电耦合器，DC24V极性可任意选择，系统设置1M为I0B输入端子的公共端，2M为I1B输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。图5-1为CPU226外部电路连接图。17图5-1 CPU226外部电路连接图5.2 EM235模拟量模块图5-2 EM235模块模拟量I/O连线示意图如图5-2所示为模拟量I/O组合模块EM2354路模拟量输入、1路模拟量输出I/O连接示意图。24V DC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如A口所示，电压正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，如B口所示须将RB与B+短接。然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端那么接入B-接口。假设4个接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要将C+与C-端用短路子短接，以免收到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输出接口，IO为电流输出接口。假设为电压负载，那么将负载接入MO、VO接口假设为电流负载那么接入MO、IO接口。在进展接线时应注意以下几点。传感器接线的长度应尽可能的短，并使用屏蔽双绞线。敷设线路时应使用电缆槽，防止将导线弯成锐角。防止将信号线与电源线平行接近布置。使用高质量的24V DC传感器电源，以保证无噪声及稳定运行。185.2.1 EM235的安装使用EM235安装使用的一般过程如下:(l)根据输入信号的类型及变化范围设置DIP开关，完成模块的配置工作。必要时进展校准工作。(2)完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路尽可能的短，且应使用屏蔽双绞线，要保证24Voc传感器电源无噪声、稳定可靠。(3)确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。57一200扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块O开场编号。模块安装完毕后，将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。(4)为了在主机中进展输入模拟量转换后数字数据的处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量输入AIW及模拟量输出AQW单元安排由模拟量模块送来的数字量及待送入模块转变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区V区存放处理产生的中间数据。扩展模块的编址方法依57一200系列PLC技术手册中有关规定。195.2.2 EM235的工作程序编制EM235的工作程序编制一般包含以下内容:(1) 设置初始化子程序。在该子程序中完成采样次数的预置及采样和单元清零的工作，为开场工作做好准备。(2)设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接正确性及模块工作的正确性。(3)设置子程序完成采样及相关的计算工作。(4)工程所需的有关该模拟量的处理程序。(5)处理后模拟量的输出工作。205.3 硬件连接图图5-3 硬件接线图5.4控制系统I/O地址分配PLC的输入 /输出分配表如表5-1所示表5-1 I/O分配表编号地址说明功能1路模拟量输出1AQW0输出模拟量控制输入控制液压阀1路数字输入，1路模拟量输入1I0.0按钮，手动自动切换0为手动，1为自动2AIW0输入模拟量液位传感器的值第6章 系统软件应用设计系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述变频调速恒压供水系统的控制要求,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制,三台水泵切换信号的生成、接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都由程序控制。在程序设计时充分考虑到负载均衡性原那么,采取“先入先出的排队策略,执行变频方式轮值,确保各水泵使用率 基本均衡。生活及消防双恒压的两个恒定值是采用数字式方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的70%,消防供水时系统设定值为满量程的90。PID回路增益和时间常数初步设定为:增益kc=0.25、采样时间ts=0.2s、积分时间ti=30min.根据具体情况需进一步调整以到达最优的控制效果。为了恒定供水,在水压降落时要升高变频器的输出频率,当变频器到达上限频率且一台水泵还不能满足恒压要求时,那么把变频运行的水泵切换到工频上运行,同时需要变频启动第二台或第三台水泵,直到满足供水要求。判断需不需要启动新水泵的标准就是变频器的输出频率是否到达设定的上限值。为了判断变频器工作频率达上限值的准确性,应滤去偶然的频率波动起的频率到达上限的情况。变频器控制水泵电机的每一次启动均为软启动,并规定各台水泵必须交替使用,任一台泵连续变频运行不得超过3h,因此每次需启动新水泵时,将现行运行的水泵从变频器上切除,并换上工频电源运行,将变频器复位并用于新运行水泵的启动。三台水泵的工作循环控制是使用水泵号加1的方法实现(到3在加1时等于零),即用水泵的总数结合水泵号实现水泵的轮换工作。6.1 水位PID控制的逻辑设计水位PID控制程序分为3局部，每局部流程图如下：主程序调用模块，如图6-2是所示。主程序调用子程序0，如图6-3所示。生活供水时系统设定为满量程的70%，本系统中的增益和时间常数为:增益 Kc=0.25，采样时间Ts=1s，积分时间Ti=30min。3中断子程序模块，如图6-4所示。其作用主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化子程序及中断程序。图6-1 水位PID控制实现方式首次扫描调用子程序0进展启动计算机和初始化条用子程序0初始化定时中断主程序完毕主程序开场图6-2 主程序调用模块启动子程序设置PID参数装入回路设定值=75%回路增益=0.25装入回路采样1S装入积分时间30min设定定时中断时间为100ms子程序0完毕图6-3 主程序调用子程序0启动中断子程序0定时中断计数器值加1计数器值到达了吗运行程序与设定值进展比照对输出值限制反响仿真定时中断计数器清零中断子程序0完毕是定时器初值设定为0图6-4 中断子程序模块其中，各符号名说明如下： 在第n采样时刻，PID回路输出的计算值 PID回路增益 在第n采样时刻的偏差值 在第n-1采样时刻的偏差值 积分项的比例常数MX 积分项的前值KD 微分项的比例常数6.2 梯形图编程见附录6.3 控制程序见附录6.4 联机（1） 联机硬件图如图6-46-4联机硬件图（2） 运行单击水泵控制按钮，系统启动时关闭出水口，用手动控制水泵后的输入输出控制液体阀，使水位到达满水位的75%，这时系统装载PID参数和