基于PLC的液位监控系统Word下载.doc
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6总结 23
1课程设计的系统要求
1.1设计的目的和要求
本课程设计是测控技术与仪器专业教学中的一个重要专业实践环节。
为了使学生在以后就业中可能接触到的生产现场、生产过程和测控系统的设计有较为深刻的认识，本次实习重点是要求学生能设计完成一个实际的应用系统。
通过设计应用系统，使学生对所学的传感器、微机原理、精密仪器与设备、计算机网络、组态软件、PLC设计等方面的知识有更进一步的深刻的认识和掌握，培养学生综合应用所学专业知识和技能分析解决实际问题的能力，熟悉技术设计工作的一般程序和方法。
1.2设计任务
以水箱为被控对象，以西门子S7-200PLC作为控制器，通过对比例阀的调节，实现对水箱液位的实时监控功能。
要求上位机采用MCGS组态软件实时监控、显示动态曲线，保存数据等。
1.3系统工作原理
图1
系统的原理如上图1所示，S7-200PLC模拟输入通道与液位传感器相连，获得输入信号（即测量值信号），经上位机可以获得设定值，经程序比较测量值与设定值的偏差，有PLC对偏差进行PID调节得到控制信号（即输出值），PLC通过模拟通道输出控制信号到比例阀，以控制出水口的流量，从而达到控制水位的目的。
因为PLC直接和上位机进行通讯，从而实现了上位机可以直接设定给定值，整定PID参数、实时跟踪绘图等功能。
2系统的构成
2.1控制器部分
2.1.1控制器选择分析
常用的工业控器主要包括单片机和PLC（可编程控制器）。
考虑到可维护性和抗干扰能力，我们选择了PLC作为我们这次课设的控制喊叫。
可编程逻辑控制器（PLC）具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
可编程控制器在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件也需根据控制要求进行设计编制。
PLC的主要特点可概括如下:
一.高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；
（4）采用性能优良的开关电源；
（5）对采用的器件进行严格的筛选；
（6）良好的自诊断功能；
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
二.丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。
三.采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，绝大多数PLC采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，等均采用I/O模块化设计。
四.编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，很容易被理解和掌握。
五.安装简单，维修方便
PLC可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：
1.输入采样：
即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；
2.执行程序：
PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；
3.刷新输出：
按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的功能可分为：
1、逻辑控制；
2、定时控制；
3、计数控制；
4、步进（顺序）控制；
5、PID控制；
6、数据控制:
PLC具有数据处理能力；
7、通信和联网；
8、PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求。
2.1.2控制器型号选择
S7-200CN系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200CN系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此,S7-200CN系列具有极高的性能/价格比。
S7-200CN技术指标如下表1所示：
S7-200PLC的技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
本机I/O
•数字量
•模拟量
6入/4出
8入/6出
14入/10出
2入/1出
24入/16出-
最大扩展模块数量
0个模块
2个模块
7个模块
掉电保持时间
50小时
100小时
程序存储器：
可在运行模式
4096字节
8192字节
12288字节
16384字节
24576字节
高速计数器
•单相
•双相
4路30KHz
2路20KHz
6路30KHz
4路20KHz
2路20KHz
脉冲输出（DC）
2路100KHz
模拟电位器
1
2
实时时钟
配时钟卡
内置
通讯口
1×
RS-485
2×
浮点数运算
有
I/O映象区
256
128入/128出
256、
布尔指令执行速度
0.22μs/指令
外形尺寸（mm）
90×
80×
62
120×
140×
190×
数据存储区
2048字节
10240字节
表1
S7-200CN系列出色表现在以下几个方面：
•高的可靠性
•极丰富的指令集
•易于掌握
•便捷的操作
•丰富的内置集成功能
•实时特性
•强劲的通讯能力
•丰富的扩展模块
综合考虑控制对象的控制要求，成本控制和使用环境，我们选用S7-200PLC控制器。
CPU选用222.8入/6出，最大可添加2个扩展模块。
我们的控制量是模拟量，所以需要使用到扩展模块EM235，如下图2所示。
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
表2为EM235的常用技术参数。
图2EM235图示
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压（单极性）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV
电压（双极性）±
10V±
5V±
2.5V±
1V±
500mV±
250mV±
100mV±
50mV±
25mV
电流0～20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000～+32000
单极性全量程范围0～32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
信号范围
电压输出±
10V
电流输出0～20mA
电压-32000～+32000
电流0～32000
分辨率电流
电压12位
电流11位
表2EM235的常用技术参数
下表3说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。
EM235开关
单/双极性选择
增益选择
衰减选择
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
单极性
OFF
双极性
X1
X10
X100
无效
0.8
0.4
0.2
表3
由上表3可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。
SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如下表：
传感器的输入信号为电压0~10V，使用单极性的输入
SW1SW2SW3SW4SW5SW6分别设置为
OFF
模拟量输入模块使用前应进行输入校准。
其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。
其步骤如下：
A、切断模块电源，选择需要的输入范围。
B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。
C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。
D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。
E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。
F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。
G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。
H、必要时，重复偏置和增益校准过程。
EM235输入数据字格式：
下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置
图3
可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。
最高有效位是符号位，0表示正值。
在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。
在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。
EM235输出数据字格式
图4给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置：
图4
数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。
模拟量扩展模块的寻址:
每个模拟量扩展模块，按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出不同分别排序。
模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。
例如：
AIW0，AIW2，AIW4……、AQW0，AQW2……。
每个模拟量扩展模块至少占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0,第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。
图4演示了CPU224后面依次排列一个4输入/4输出数字量模块，一个8输入数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块，一个8输出数字量模块，一个4模拟输入/1模拟输出模块的寻址情况，其中，灰色通道不能使用。
2.2液位传感器部分
2.2.1液位传感器选择分析
常用的液位传感器有以下几种：
（1）电接点式-----利用液体的导电性来测量液位，如锅炉的水位测量和控制。
（2）浮子式液位计------利用浮子浮力的变化来进行液位的测量。
（3）压力式------利用液体静压力的原理来测量，如差压式、吹气式等。
（4）电容式------利用两个导体电极间的流体变化而导致静电容的变化来测量液位。
（5）激光式-----是一种性能优良的非接触式高精度液位传感器，工作原理与超声波式相同，只是把超声波换成光波。
（6）超声波式-----向测量液面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。
如声速一定，则根据声波往返的时间就可以计算液面的高度。
传感器选择分析：
（1）电接点式液位传感器由于需要得用液体的导电性来测量液位，所以通用性不高，不适合此次的设计。
（2）浮子式液位计虽然环境适用能力强，但体积较大，信号反应较慢，延迟较长，属于即将淘汰的产品，这里不选择这种落后的传感器。
（3）压力式液位传感器使用条件苛刻，适应能力不强，也不予考虑。
（4）激光式使用成本较高，考虑的产品的成本及推广，不宜采用。
（5）超声波传感器的特点：
超声波传感器指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
对比环境的适应能力，故障率，灵敏度，经济性等方面的综合考虑，此次的设计采用超声波式液位传感器是合理的。
2.2.2液位传感器型号选择
经过查找资料和数据对比，我们选择了宏通公司HT-BEF系列超声波液位传感器。
主要技术参数：
产品型号：
HT-BEF2503
（0.25-3m）
生产公司：
宏通
类型：
超声波液位开关
测量范围：
0.25-3m（0.3*0.3米平面目标）
输出信号：
数字信号：
RS232
/
RS485
模拟信号：
4-20MA
0-5V
0-10V
重复精度：
0.5%或2mm
声束角：
10-15°
材质:
不锈钢
工作电压:
24VDC
适用范围:
液位，物位检测，料位检测控制
输出接口:
M12航空插头或直接引线
（5芯）
传感器输出线允许长度：
<
50米
外壳材料：
1）主体：
工程塑料
2）传感头：
工程塑料
防护等级:
IP67
工作温度：
-30-70℃
外型尺寸
（mm）：
30（直径）*85（长,不包括插头）
BEF系列超声波距离传感器，采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用该公司开发的小角度，小盲区超声波传感器，具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点，可应于液位，物位检测，特有的液位，料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。
我们选择HT-BEF2503型，供电电压24V
DC，检测距离0.25-3m，测量盲区0.25m。
因为超声波传感器工作原理决定了这种类型的传感器不可避免的存在一定测距的盲区,所以安装传感器的高度应保证高于最高液面0.25m。
该型号传感器有多种测量信号输出方式，为方便PLC对信号的采集和处理，我们选择输出模拟信号0~10V。
该传感器有棕，黑，蓝三根引线，使用时棕色接电源正极，蓝色接电源负极，黑色为信号输出端。
使用方便，接线简单。
2.3比例阀部分
2.3.1比例阀选择分析
阀对流量的控制可以分为两种：
一种是开关控制：
要么全开、要么全关，流量要么最大、要么最小，没有中间状态，如普通的电磁直通阀、电磁换向阀、电液换向阀。
另一种是连续控制：
阀口可以根据需要打开任意一个开度，由此控制通过流量的大小，这类阀有手动控制的，如节流阀，也有电控的，如比例阀、伺服阀。
使用比例阀或伺服阀的有一个巨大的优点：
以电控方式实现对流量的节流控制。
考虑到本设计系统为伺服PID控制，所以我们选用可连续控制输出的比例阀。
2.3.2比例阀型号选择
经过筛选我们选择了台湾东峰EFBG-03-125-C比例阀。
产品主要参数如下:
产品适用范围：
橡胶机械包装工程，制药机械，印刷机械，电力控制等领域。
公称直径：
10（mm）适用于大多数工业液体介质。
压力范围：
10（Mpa）适用温度100（℃）
材质：
铸钢
压力环境：
常压
工作温度：
常温
标准：
国标
类型：
先导式
外形：
中型
流动方向：
双向
比例阀控制信号要求：
输入为4＿20MA或0＿＋10V根据输入通过内部放大器驱动磁铁按输入值比例驱动阀芯到相应位置。
这里使用0-10V的模拟量信号控制。
给5V信号时阀芯处于中间位置。
两个工作口都无流量输出。
电压越趋向于0V2号口（A口）流量越大！
电压越趋向于10V4号口（B口）流量越大。
该产品可供应驱动元件所需最低的压力及流量的入口节流式节能阀。
该产品可以使油泵的压力随时维持大于负载6~9kgf/cm2的差压，因而节省消耗电能。
且控制灵敏度高，能满足工业即时控制的需要。
3控制方案
3.1控制方式
系统由EM235模块模拟输入端AIW0获取超声波传感器液位信息（0~10VDC），PLC将采集液位值与设定值比较，经过PID运算，由EM235模拟量输出端控制比例阀的开启和关闭，用以动态，智能和迅速的调节液位使其尽快与设定值吻合。
3.2接线说明
液位传感器，输出的是0~10的电压信号。
将超声波液位传感器的棕色接电源DC24V正极，蓝色接PLC的A-，黑色为信号输出端接PLC的A+。
比例电源接24VDC。
控制信号线接EM235模拟量输出端。
如下图5所示。
图5EM235接线示意图
3.3PID控制分析
在实际工业生产中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制：
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制：
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的
变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3.3.2PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
4程序部分
4.1程序编写说明
我们使用ＰＬＣ语句表进行控制程序的编写。
程序中使用到的资源有EM235的AIW0和AQW0作为模拟量的输入和输出端口；
两个定时器时钟及其中断资源等。
系统启动后PLC读取传感器液位数据，液位设定值，PID各参数等数据并开启主动阀，然后不断监测工作状态，判断控制按钮状态，若为弹起，则调用子程序1，使程序复位系统停止工作。
若为按下，则调用子程序0，进入PID运算模式选择阶段。
在此判断PID运算系数是否为0，若不为0，则进入中断程序1选择对应的PID参数进行相应PID的运算，并对比例阀进行伺服控制。
若为0，则进入中断程序0选择对应的PID参数进行PID运算，并对比例阀进行伺服控制。
完成以上完整的控制流程后，程序返回，进行下一个控制周期。
如此不间断的实时运算，实时控制，使本系统满足实时，高效，精准的控制要求。
同时编写的程序时要满足系统在各种工作环境中稳定运行和要求。
比例系数不为0
启动
读取传感器液位数据，液位设定值，PID各参数
判断工作状态
控制按钮弹起
控制按钮按下
调用子程序1，使程序复位
系统停止工作
调用子程序0
选择PID运算模式
比例系数为0
执行中断程序1
中ＰIＤ程序
控制比例阀工作
执行中
升级会员 