基于PLC的液位控制.docx
《基于PLC的液位控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的液位控制.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于PLC的液位控制
摘要
本次课程设计的课题是基于PLC的水箱液位控制系统的设计。
涉及到的主要内容包括：
水箱的特性确定与实验曲线分析，S7-300可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。
关键词：
S7-300西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、压力变送器、电动调节阀、变频器，PID指令。
第1章引言
1.1实验目的
1熟悉可编程序控制器的工作原理、主要参数、硬件结构、模块特性、安装配置及指令系统、程序设计、调试方法。
2、熟悉S7-300模拟量模块的工作原理，掌握硬件安装接线的方法及软件的设置及编程。
3、掌握模拟量模/数、数/模转换的原理，输入输出编程方法及STEP7开发环境的使用。
4掌握过程控制的中pid的调节方法，实现液位的自由控制。
1.2实验原理
本次实验采用PLC控制，将液位控制在设定高度，根据上水箱液位信号输出给PLC，PLC根据PID参数进行PID运算，输出信号给变频器，然后由变频器控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制液位的恒定的目的。
单容水箱液位的控制原理：
图1-1单容水箱液位的控制原理：
本次实验原理：
根据设定的流量输出给PLC，用PLC的输出来控制变频器，用流量计测出流量信号的反馈给PLC，有PLC进行比较和运算输出给变频器，从而达到流量的平衡。
图1-2液位控制系统原理框图
1.3设计方案的确定
液位高度与水箱底部的水压成正比，故可用一个压力传感器来检测水箱底部压力，从而确定液位高度。
要控制水位恒定，需用PID算法对水位进行自动调节。
把液位变送器检测到的水位信号4～20mA送入至S7-300PLC中，在PLC中对设定值与检测值的偏差进行PID运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节进水量。
水泵电机的转速可由变频器来进行调速。
过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有，PID控制算法，预测控制自适应控制，智能控制。
大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象（高达90%）可取得较好的控制结果。
采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机的结合往往可以进一步提高控制质量。
图1-3实验系统流程图
第2章系统硬件介绍
2.1西门子PLC控制系统简介
S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。
每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，可以和计算机连接，PLC作为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。
功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个，由于使用FlashEPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使S7-300成为完全无维护的控制设备。
S7-300系列PLC的主要特点是：
（1）功能强
●极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMECLAMS联网的网络功能，使S3-300功能更强。
●强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。
●快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。
（2）通用，着眼未来
●满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。
●模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。
●用于与SIMATIC其他产品相连的接口，集成了MMI（人机界面）设备，用户友好的WindowsSTEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投资。
2.2CPU模块
CPU314C-2DP（6ES7314-6EH04-0AB0）：
是紧凑型CPU，适合安装在分布式结构中。
通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。
集成的数字量和模拟量I/O可直接与过程连接，PROFIBUSDP主站/从站接口允许连接独立的I/O单元。
因此，CPU314C-2DP既可以用作本地单元进行快速预处理，也可以用作带从属现场总线系统的一个高级控制。
通过集成的与过程相关的功能还可以实现其它应用：
计数，频率测量，PID控制。
2.3模拟量输入模块
系统中从检测装置过来的模拟量需经过A/D转换才能输入到CPU处理，这就要求PLC有模拟量输入处理模块。
SM331模拟量输入[简称模入（AI）]模块目前有三种规格型号，即
位模块、
位模块和
位模块。
本次实验的模拟量输入/输出模块采用，SM331AI8x12bit（6ES7331-7KF02-0AB0），该模块有8输入通道（默认地址：
PIW256-PIW271）、测量范围：
0～10V电压、0～10KΩ电阻或Pt100），输出范围0～10V电压值或4～20mA电流值
SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。
A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。
2.4模拟量输出模块
经过CPU处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这就要求PLC配有模拟量输出模块。
SM332模拟量输出[简称模出（AO）]模块目前有3种规格型号：
位模块、
位模块和
位模块。
本次实验采用的SM331A04x12bit（6ES7332-5HDO1-0AB0）该模块有4路输出通道（默认地址：
PQW272-PQW279）SM332可以输出电压，也可以输出电流。
在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路与负载连接。
2.5电源模块
PS307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2、5、10A），其工作原理和参数都一样。
系统选用5A的电源模块。
PS3075A模块基本电路如图2-1所示。
PS3075A模块的输入接单相交流系统，输入电压120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。
输出电压允许范围20（
）V，最大上升时间2.5s，最大残留纹波150mV，PS307可安装在导轨上，除了给S7-300供电，也可给I/O模块提供负载电源。
图2-1PS307电源模块（10A）基本电路图
第三章系统硬件控制设计
3.1系统设计
在这个部分中控制的是上水箱的液位。
单相泵正常运行，打开出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将液位变送器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成与变频器开度相对应的电信号送入变频器，然后由变频器控制水泵，从而达到控制液位的目的。
当上水箱的液位小于设定值时，液位变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。
经过运算后即输出控制信号给变频器，使其值增大，从而电动调节阀的开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。
当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。
系统的控制框图如图4-1所示。
其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4~20mA的模拟电信号后输出到变频器，调节电动调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。
水箱的液位经过液位变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。
所以系统能实时地调节水箱的液位。
图3-1上水箱液位自动调节系统控制框图
3.2硬件设计
3.2.1检测单元
在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。
本次采样的对象时液位。
液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。
系统中用到的液位变送器是SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为0~10KPa，精度为
，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为4~20mA直流，接线如图4-2所示。
图3-2压力变送器的接线图
接线说明：
传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正端（+），中继箱内负端（—）接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。
传感器输出4~20mA电流信号。
图3-3压力变送器工作原理图
压力变送器的工作原理见图4-3。
大气压力为PA，选定的零液位处压力为PB，零液位至液面高度为H，其产生的压差ΔP为
（4-1）
式中，ρ为水的密度，g为重力加速度。
根据式（4-1），利用压力变送器将PB转换成DC4~20mA统一标准信号送入PLC中，便得知被测的液位。
3.2.2执行单元
变频器作为此次设计的执行单元，接受来自调节单元的输出信号，并转换成相应的数字量，从而控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制液位的目的。
。
3.2.3控制单元
控制单元是整个系统的心脏。
在系统中，PLC是控制的中心元件，它是控制单元设计的重要部分。
系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。
它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
PLC可以与计算机连接，便于计算机对PLC进行编程和管理。
系统选用的S7-300PLC的各个模块分别是CPU314-2DP、SM331
位模拟量输入模块、SM332
位模拟量输出模块、PS3075A电源模块，这些模块在前面已经作了详细的介绍。
模块的选择是根据系统的实际要求选择的，能满足
系统的要求，符合节省成本的要求。
第四章软件设计
4.1FC105介绍：
图4-1FC105结构图
SCALE功能接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型值。
将结果写入OUT。
FC105的数值换算公式为：
OUT=（IN-K1）/（K2-K1）*（HI_LIM-LO_LIM）+LO_LIM
对双极性，输入值范围为-27648到27648，对应K1=-27648，K2=+27648，
对单极性，输入值范围为0到27648，对应K1=0，K2=+27648,如果输入整型值大于K2，输出（OUT）将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。
如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。
通过设置LO_LIM>HI_LIM可获得反向标定。
使用反向转换时，输出值将随输入值的增加而减小。
4.2FC106介绍：
UNSCALE功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型输入值（IN），并将其转换为一个整型值。
将结果写入OUT。
UNSCALE功能使用以下等式：
OUT=（IN-HO_LIM）/（HI_LIM-HO_LIM）*（K2-K1）]+K1，并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。
BIPOLAR：
假定输出整型值介于-27648和27648之间，因此，K1=-27648.0，K2=+27648.0
UNIPOLAR：
假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1=0.0，K2=+27648.0
如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围，输出（OUT）将钳位于距其类型（BIPOLAR或UNIPOLAR）的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。
图4-2FC106结构图
4.3FB41介绍
：
图4-3FB41
1）常用输入参数说明：
MAN_ON：
BOOL：
手动值ON；当该位为TURE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到；也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位；
P_SEL：
BOOL：
比例选择位：
该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择有效；
I_SEL：
BOOL：
积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；一般选择有效；
INT_HOLDBOOL：
积分保持，不去设置它；
I_ITL_ONBOOL：
积分初值有效，I-ITLVAL（积分初值）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用I-ITLVAL变量积分初值。
一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值；
D_SEL：
BOOL：
微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用；
CYCLE：
TIME：
PID采样周期，一般设为200MS；
SP_INT：
REAL：
PID的给定值；
PV_IN：
REAL：
PID的反馈值（也称过程变量）；
GAIN：
REAL：
比例增益；
TI：
TIME：
积分时间；
TD：
TIME：
微分时间
LMN_OFF：
REAL：
PID输出值偏置值（OFFSET）；
I_ITLVAL：
REAL：
PID的积分初值；有I-ITL-ON选择有效
4.4软件控制流程图：
？
图4-4软件控制流程图
第五章程序实现
5.1step7软件编程：
在进行软件设计前。
必须先进行硬件组态.，使程序与硬件控制有机的结合起来。
图5-1硬件组态图
2因为本次设计采用的是电流信号，所以需将模拟量输入，输出模块的信号设置电流信号。
图5-2SM332属性图
3程序编写。
整体的思路是，液位变送器采样的值通过FC105转换为模拟量，将模拟量与给定的值通过FB41进行PID运算，随后将输出值通过FC106转换为电流信号，将电流信号送入变频器，通过变频器控制电动调节阀，达到控制液位的目的。
程序见附录。
4本次设计采用的杰控软件进行界面的显示。
通过界面，设置，液位给定，PID参数，以及显示液位变送器采样输出值和pid输出值。
通过杰控软件，定义相对应的数据，并开辟相对应的内存空间，存储所需要的输入输出值，再通过PLC的装载指令，将相对应的值装入相应的地址空间，便可以实现良好的人界的交互。
图5-3杰控界面图
图5-4定义的设备数据表
图5-5定义存贮区
图5-6定义变量
5.2程序调试与结果
在比例调节实验的基础上，加入积分环节，在界面上设置P为10，I设置为25观察得到被控制量回到设定值，
5.3过程中出现的问题与解决办法
1下载硬件组态时，出现无法转载或无法建立连接？
解决方法：
出现这个问题时，我们首先重启了PLC的CPU对其进行了复位，在此下载程序组态时，依然无法建立连接，随后便检查设备IP地址与计算机IP地址，打开计算机网络连接属性和组态PN-IO的属性地址进行检查，发现前三位地址不一致，于是修改了地址，使其前三地址相同，最后一位地址不相同，然后复位CPU重新下载获得成功。
2程序运行时SF显示红灯？
解决方法：
显示红灯，说明硬件组态与实际设备的型号不一致，于是检查硬件组态，发现电源模块订货号错误，更正后重新下载后程序正确运行。
3FC105模块的输入，即液位变送器的采样值，出现数字满量程，负值。
解决方法:
当出现满量程时，首先检查水箱的液位是否已满，发现没有。
说明可能液位变送器工作不正常。
于是检查液位变送器与水箱是否连接正常，发现连通管内水未装满，导致连通管内充有一定量的空气，检测不正常。
随后打开连通管另一端，将水灌入，排除空气。
随后检测值显示正常。
出现负值时，检查了连线，发现连线接反。
改变连线，采样正常。
4：
程序运行，但发现电机与变频器没有正常运行。
解决方法：
检查软件各模块输出值正常，检查设备参数设置，发现其值不合理，没有将其设置为外控模式，随后修改，运行正常。
4杰控界面的液位给定值极PID个参数值无法传递到FB41的给定管脚。
解决方法:
首先我们打开了杰控组态软件，检查设备数据表变量的定义是否弄错，发现本地参数的IP地址和远程参数的IP地址设置有误。
无法进行通讯，随时修改后，重新运行程序，有显示回应。
5各参数值发现显示异常，界面中进FC105装换后的输出值出现闪烁的现象。
解决方法：
检查定义变量的关联是否正确，检查无误。
随后在数据的内存空间上发现，由于设置地址的起始于结束地址，设置不合理，导致出现了内存覆盖的情况，这样就导致，同一段内存，在不同时刻存入了不同的值，因此数显了闪烁的现象。
7在进行PID调节中，发现输出曲线超调态大，滞后时间太长？
解决办法;说明P设置太大了，于是重新进行了调试，通过先P后I的在D的原则，将P设置为20观察曲线超调非常大，于是改为10，发现超调减少，随后将I设置为50曲线光滑，但滞后时间长，改为25时，曲线基本平滑，且时间合理。
第6章实验心得与体会
在整个设计中，完成了通过PLC应用PID算法对水箱液位的控制，在上水箱液位PID控制上取得了良好的控制效果，取得了满意的曲线。
在实验的进行中感触颇多，当我看到这个课题，充满了期待并希望很快实现它。
通过查阅相关资料，有了一个整体思路便开始了大胆的尝试，但在进行的过程中发现了好多问题，小到如一个单位，字与双字在程序的表示，芯片引脚的输出类型，这些细小的问题，。
大到如模拟量输入输出的转换，PID的参数如何调节。
这些问题在队友以及老师的帮助下最终得到解决，在此要感谢朱老师在设计过程中的指导，对我提出的问题耐心的解答，对我的鼓励和支持，同时也要感谢队友的支持与鼓励，在设计过程中的完美协作，使得设计最终完成。
附录：
程序清单
参考文献
[1].金以慧.过程控制.清华大学出版社.1993年4月第1版
[2].郭宗仁等.可编程控制器应用系统设计及通讯网络技术.人民邮电出版社.2002年9月出版
[3].黄云龙等.可编程控制器教程.科学出版社出版.2003年8月
[4].邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社.2002年1月第二版
[5].陈在平等.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社.2002年7月第1版
[6].袁任光.可编程控制器选用手册.机械工业出版社.2002年8月出版
[7].廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社.2002年9月第1版
[8].林德杰.过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社.2004年1月第1版
[9].徐湘元等.过程控制的发展方向———智能控制.化工自动化及仪表.1998年25卷第2期（1～5页）
[10].金鑫等.典型工业过程鲁棒PID控制器的整定.控制理论与应用.第22卷第6期2005年12月（947～953页）
[11].祁鸿芳等.PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现.机床电器.2005年1月（23～25）
[12].杨智等.PID控制器设计与参数整定方法综述.化工自动化及仪表.2005年第5期32卷（1～7页）
[13].李铭等.模糊PID控制算法在气缸位置伺服控制中的应用.机床与液压.2004年第10期（55～57页）
[14].MoradiMH.NewTechniquesforPIDControllerDesign[A].ProceedingsofIEEEConferenceonControlApplications[C].Istanbul,Turkey,2003.107.
[15].JohnsonMA,MoradiMH.PIDControllerDesign[M].London:
Springer2Verlag,2003.
[16].AstromKJ,HagglundT.PIDControllers:
Theory,DesignandTuning[M].N.C.:
ResearchTrianglePark,InstrumentSocietyofAmerica,1995.
[17].王伟等.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报.2000年26卷第3期（347～355页）
[18].薛美盛等.工业过程的先进控制.化工自动化及仪表.2002年29卷第2期（1～9页）
[19].王树青等.先进控制技术及应用.化工自动化及仪表.1999年26卷第2期（61～65页）
[20].李平等.预测控制研究的概况.化工自动化及仪表.1995年22卷第6期（3～9）
升级会员 