水塔水位控制系统设计

艺 术 与 信 息 工 程 学 院毕 业 设 计题目： 水塔水位控制系统设计 子题： 专 业： 机械工程及自动化 指导教师 学生姓名： 班级-学号： 2013 年 3 月 30 日毕业设计（论文）基于 PLC 的水塔水位控制系统设计摘 要随着科技的发展， 无论在日常生活中， 还是在工农业发展中， PLC 具有广泛的应用。 PLC 的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、 设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC总的发展趋势是：高功能、高速 度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本水塔水位控制系统采用 PLC 为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种 PLC 控制的自动调节控制系统。 应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。但是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 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行性进行了 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，进行数据比较，来控制抽水电机的动作，同时进 行数据还原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于某个设定值是，就会发出危险报 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ABSTRACTWith technological development, both in daily life, or the industrial and agricultural development,PLC have wide application. PLC general features: strong anti-jamming capability, high reliability, programming is simple and convenient, easy operation and maintenance convenience, design, construction, commissioning period is short, easy to realize the electromechanical integration. PLC general development trend is: high function, high speed, high level of integration, large capacity, small volume, low cost, communication networking capability is strong. This water tower water level control system adopts PLC as control core, with open and full stop functions，this is a kind of PLC automatic adjustment of the control system. Application of this control system can significantly improve the work efficiency and reduces labor intensity. 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 used 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 level specific 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 specificprocess.KEY WORDS: Water level control, Siemens S7-200, The sensor目 录摘 要 .IABSTRACT.I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 的发展 .42.3 PLC 的基本结构 .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 言水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足时，起着调节补充的作用。二是利用水塔的高势，自动送水。使自来水有一定的水压扬程。为了达到节能目的，提高供水系统的质量，考虑采用可编程控制器、继电器。和传感技术设计出一套适合水塔水位控制的方案。该方案在硬件基础上使用软件实现了警戒水位报警。共走方便供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。近几十年来 自动控制技术迅猛发展 在工农业生产 交通运输 国防建设和航空 航天事业等领域中获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展自动控制技术至今己渗透到各种科学领域 成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。在工业方面主要分为两大类 一类是气体、水位、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。另一类是对己成型材料的进一步加工或者对多种己成型材料的装配 主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。第 2 章 可编程器简介2.1 可编程控制器的产生PLC 是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过阿拉伯数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC。在现代工业设备及自动化项目中PLC 的可靠性、抗干扰性等诸因素是继电器无法比拟的。随着计算机技术的不断发展 它给工业自动化带来了革命性的变革。这个变革是由继电器控制到计算机控制的飞跃。利用 PLC控制的特点是 可靠性高 抗干扰能力强 配套齐全 功能完善 适用性强 操作简单 易学易用 深受工程技术人员欢迎4; 系统的设计、建造工作量小 维护方便、易于改造 体积小、质量轻、功耗低。尽管软 PLC技术具有很大的发展潜力，但是这项技术的实现需要解决一些重要的问题。其中主要是以 PC为基础的控制引擎的实时性问题。软 PLC首选的操作系统是 WindowsNT，但是它并不是一个硬实时的操作系统。传统 PLC具有硬实时性，正因为如此它才能提供快速、确定而且可重复的响应。而要让WindowsNT具有硬实时性，必须对它进行扩展，使得 PC的控制任务具有最高的优先级，不因为 NT的系统功能和用户程序的调用而被抢占。现在，我们可以通过一些方法将实时性能加入到 NT系统中去。比如，修改 NT的硬件抽象层，或者 NT与一种经过实用验证的硬实时操作系统组合。另外，WindowsCE 等操作系统具有了 NT在硬实时性方面所不具备的特性。在实际开发中也可使用其他的操作系统作为平台。 软 PLC技术相对于传统 PLC，以其开放性、灵活性和较低的价格占有很大优势。它简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机界面及各种特定的应用全都合为一体，运用于同一个硬件平台上。软 PLC技术也存在着一些问题，例如，由于软 PLC的运行环境是 Windows操作系统，所以实时性不强；定时器最大存在一个扫描周期的误差；扫描周期较长等。但是，这些问题可以通过改变运行环境、改进执行算法等方法加以解决。只要它们能实现控制的时间确定性，即保证能以时间高度一致的方式执行控制指令序列，并具有可预测的结果或行为。软 PLC在未来的工业电气控制中定会占据重要的席位。成为继现场总线技术发展的新亮虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤， “输入状态检查 ”、 “程式执行”、 “输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关） ，并将其状态写入内存中对应之位置 Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入 CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU 直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端 Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。此三步骤称为 PLC 之扫描周期，而完成所需的时间称为 PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“ 程式结束再生 ”目前我国经济的发展主要特点： 1 、目前我国还是制造业大国，是世界的生产加工中心，有大量的制造业，就必须用各种生产设备，大部分生产设备都和 PLC 有关，需要大量的精通 PLC 控制的从业人员。 2 、产业结构已发生调整，逐渐有劳动力密集型转化为技术密集型，大量的新设备被采用，这些设备很多都和 PLC 控制相关，需大量的高技术人才。 目前和 PLC 有关的从业人员主要有： 1 、企业的设备维护和维修人员 2 、从事工控设备销售的人员 3 、从事设备开发，编程的电气工程师 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 可靠性高，抗干扰能力强； 编程直观、简单； 适应性好； 功能完善，接口功能强。 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，只重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 11需集中精力区考虑如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。2.2 PLC 的发展PLC 自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。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，具有结构简单、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、要求比较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。虽作为离散控制的首选产品，PLC 在我国的应用已有 30年的历史，PLC自 20世纪 70年代后期进入中国以来，应用增长十分迅速。PLC 进入中国时最初是从成套设备引进应用，由于 PLC价格昂贵，引进的 PLC主要用于冶金、电力、自动化生产线等大的设备和系统。在引进国外 PLC产品的过程中，我国也曾组织了相关单位消化、吸收 PLC的关键技术，试图对 PLC进行国产化。到 80年代在上海、北京、西安、广州、长春等 20多家科研单位、大专院校和工厂研制和生产 PLC产品，但终因缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，都没有成功实现产业化，PLC 产品运作是否成功不是由简单的一两种因素决定的。近 10年来，越来越多的中小设备开始采用 PLC进行控制。 作为离散控制的首选产品，PLC 在我国的应用已有 30年的历史，PLC 自20世纪 70年代后期进入中国以来，应用增长十分迅速。PLC 进入中国时最初是从成套设备引进应用，由于 PLC价格昂贵，引进的 PLC主要用于冶金、电力、自动化生产线等大的设备和系统。在引进国外 PLC产品的过程中，我国也曾组织了相关单位消化、吸收 PLC的关键技术，试图对 PLC进行国产化。到 80年代在上海、北京、西安、广州、长春等 20多家科研单位、大专院校和工厂研制和生产 PLC产品，具体的单位有：北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都机床电器研究所、中科院北京计算机所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香岛机电公司、上海自力电子设备厂等单位。但终因缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，都没有成功实现产业化，PLC 产品运作是否成功不是由简单的一两种因素决定的。近 10年来，随着 PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC进行控制国产 PLC在技术特点上与西门子和三菱类似或与其兼容，技术特点与三菱类似的国产 PLC主要有深圳三凌、洛阳易达、厦门海为等，技术特点与西门子类似或与其兼容的国产 PLC有：合信自动化、深圳亿维、欧辰电子、上海正航等。 2.3 PLC 的基本结构PLC主要包括一片 CPU，存储区和用来接收输入/输出数据的相应电路。实际应用中，我们可以把 PLC看做一个装满了成百上千个分立的继电器、计数器、定时器以及数据存储区域的盒子。这些计数器、定时器真的存在吗？不，实际上它们是不存在的，它们是模拟的，可以把它们看作是软件计数器和定时器。这些内部继电器是通过寄存器内部的数位位置（bit location）来模拟的。中央处理单元(CPU)，如下图 2-1所示。2-1 PLC 硬件结构2.3.1 中央处理单器(CPU)中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通讯接口、扩展接口相连。CPU 是 PLC 的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。PLC 中常采用的 CPU 有三类： 1) 通用微处理器（如 Z80、8086、80286 等）2) 单片微处理器（如 8031、8096 等） 3) 位片式微处理器(如 AMD29W 等)小型 PLC：大多采用 8 位通用微处理器和单片微处理器中型 PLC：大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器大型 PLC：大多采用高速位片式微处理器（32 位）小型 PLC 为单 CPU 系统，中、大型 PLC 则大多为双 CPU 或多 CPU 系统。对于双 CPU 系统，一般一个为字处理器，一般采用 8 位、16 位或 32 位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。2.3.2 存储器PLC 系统中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器。 （1）系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM 内，用户不能更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏很大程度上决定了 PLC 的性能。（2）用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务采用 PLC 编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同（可以是 RAM、EPROM 或 EEPROM 存储器） ，其内容可以由用户修改或增删。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件的 ON/OFF 状态和数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指标之一。（3）EEPROM(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行修改。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器 EPROM 中。现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器。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。工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。 （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、数据寄存器和累加器等）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。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当 PLC 提供的用户存储器容量不够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器 RAM，另一种是只读存储器或可擦除可编程的只读存储器 ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。2.3.3 输入/输出模块输入输出模块也称为控制模块，在有控制要求时可以输出信号，或者提供一个开关量信号，使被控设备动作，同时可以接收设备的反馈信号，以向主机报告，是火灾报警联动系统中重要的组成部分，市场上的输入输出模块都可以提供一对无源常开/常闭触点，用以控制被控设备，部分厂家的模块可以通过参数设定，设置成有源输出（如海湾 GST-LD-8301),相对应的还有双输入输出模块、多输入输出模块等等。输出模块连接在控制器的回路总线上，可以安装在所控设备的附近，也可安装在楼层端子模块箱内。采用电子写码，可以现场编码。输出模块的输出控制逻缉可以根据工程情况编程完成。当控制器接收到探测器的报警信号后，根据预先编入的程序，控制器通过总线将联动控制信号输送到输出模块，输出模块启动需要联动的消防设备；设备动作后会接受一个信号回答。PLC 有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态，PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到 PLC 停机或切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC 不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段 PLC 的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图 )。 在 扫 描 每 一 条 梯 形 图 时 ， 又 总 是 先 扫 描 梯 形 图 左 边 的 由 各 触 点构 成 的 控 制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存 储 区中 对 应 位 的 状 态 ； 或者刷新该输出线圈在 I/O映 象 区 中 对 应 位 的 状 态 ； 或者确定是否要执行该梯形图 所 规 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 在 用 户 程 序 执 行 过 程 中 ， 只 有 输 入 点 在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映 象 区 或 系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。2.3.4 扩展模块当一个 PLC中心单元的 I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的 I/O模块和操作接口单元。通过CAN总线接口，运动控制器可以连接 I/O扩展模块。I/O 模块形成的网络长度要求在 100m以内。操作接口单元和控制器之间的所有通信连接都是通过 Trio光纤网络系统实现的。第三方的操作接口单元可以通过串口相连。第三种方法是为机器制造商制作一个专门的操作接口，这个专门的操作接口可以通过一个灵活的接口板，非常容易地连接到光纤网络系统中去。2.3.5 编程器程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入 PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200 系列 PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用 PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200 系列 PLC的专用编程软件为 STEP7-Micro/WIN。2.4 PLC 的基本工作原理PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。 （1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的 PLC 扫描速度都是非常快的。6由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束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）开关量的逻辑操控 这是 PLC 最基本、最广泛的使用领域，它替代传统的继电器电路，完结逻辑操控、按次操控，既可用于单台设备的操控，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装出产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制 在工业出产进程傍边，有许多接连改变的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程操控器处置模拟量，必须完结模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D变换及 D/A变换。PLC厂家都出产配套的 A/D和 D/A变换模块，使可编程操控器用于模拟量操（3）运动操控 PLC可以用于圆周运动或直线运动的操控。从操控组织装备来说，早期直接用于开关量 I/O模块衔接方位传感器和执行组织，如今普通运用专用的运动操控模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴方位操控模块。世界上各首要 PLC厂家的产物简直都有运动操控功用，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）数据控制 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据变换、排序、查表、位操作等功用，可以完结数据的收集、剖析及处置。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完结必定的操控操作，也可以使用通讯功用传送到另外智能设备，或将它们打印制表。数据处置普通用于大型操控系统，如无人操控的柔性制造系统；也可用于进程操控系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型操控系统。（5）PID 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）通信和联网 PLC 通讯含 PLC 间的通讯及 PLC 与其它智能设备间的通讯。跟着计算机操控的开展，工厂自动化网络开展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通讯功用，纷繁推出各自的网络系统。新近出产的 PLC 都具有通讯接口，通讯十分便利。2.6 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） 输入映像寄存器 I（输入继电器） 输入映像寄存器的工作原理：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别，是软继电器，它实质是存储单元 输入映像寄存器的地址分配：S7-200 输入映像寄存器区域有 IB0IB15 共 16个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以字节（8 位）为单位进行地址分配的。 （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，在进行数据处理时，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 中还有若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寄存器，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打开进水（Y 为 ON） ，定时器开始定时，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停止。 10 3.1.2 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 M Q0.0 模拟水塔提水水泵电动机运行动作灯 Y Q0.1 模拟地面水池的进水阀门的开关动作开关 S1 I0.0 模拟水池水位低限报警信号开关 S2 I0.1 模拟水池水位高限报警信号开关 S3 I0.2 模拟水塔水位低限报警信号开关 S4 I0.3 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）3.2 PID 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。因此如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、水箱供水的基础上，加入了 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达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口，用于动控制输入控制液体阀，使水位达到满水位的 75%，然后打开出水口，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，水泵开始进水，如图（b） 。当水位高于 D点时，水泵停止进水，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，采取强制停止水泵，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，报警电路开始报警，即下限报警。 当水位处于 B、C 之间，指示灯 B灭，C、D、E 亮，水泵开始进水。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，报警电路开始溢出报警，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，避免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精确控制，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 为了精确的实现对水位的控制，必须建立闭环控制系统。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行比较，并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。当 PLC出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。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 打开。液位上升至 Y2时，M2停止，F2 关闭，M1 继续工作。液位上升至 Y1时，M1 也停止。打开 F1手阀使上水箱放水，液位下降。当液位又低于 Y1时 M1起动工作，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 启动工作同时 F2打开，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，而微分项则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馈量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，为了对系统进行更精确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，需要对误差进行放大(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，用来对误差进行放大、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）不需要精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控制可以得到比较满意的效果。（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、积分分离 PID、变速积分 PID等。（3）PID 控制器的结构典型，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，对管网压力信号进行采样，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对模拟量进行 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，但是价格便宜得多。(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控制规律为基础，将其数字化，写成离散形势的 PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。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()spt定值， 为反馈量，c(t)为系统的输入量，PID 控制器的输入输出关系式为：()pvt 0011()()()()tc DMtKetedtetdMTT 式中， 控制器的输出， 为输出的初始值，0M= 误差信号，()et()spvt 比例系数，c 积分时间常数，1T 微分时间常数。D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、微分部分，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 ，系统开始运行的时刻为 t=0，用矩形积分来近似精确ST积分，用差分近似精确微分，将上式离散化，第 n次采样时控制器的输出为：110()nncjDMKeeM式中， 第 n-1次采样误差值。1ne 积分系数。 微分系数。D在 S7-200PLC中，实际使用的 PID算法为：()()()()pIDMnnMnn式中：第 n次采样的调节器输出()n比例项 p ()()pCnKe积分项 ()I 0nIiijje微分项 DMn ()1DdM基于 PLC的闭环控制系统如图 4-2所示，图中虚线部分在 PLC内。这图中的 、 、 、 分别为模拟量 、 、 、 在第 n次采样的nspvne()sptvt()eMt数字量。