基于S7200的水箱液位控制系统.docx
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基于S7200的水箱液位控制系统
摘要
本次课程设计是基于水箱液位控制系统的PLC设计。
本设计的内容包括：
生产工艺和控制原理介绍；控制参数和被控参数选择；控制仪表及技术参数；控制流程图及控制系统方框图；水箱的特性确定与实验曲线分析，西门子S7-200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：
S7-200西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。
水箱液位控制系统设计
1设计题目的解析
由于该课设的题目是水箱液位控制系统的设计，题目过于宽泛，没有一定的技术指标要求，不知道从哪些方面满足题目的要求，根据以下要完成的内容自己定下一个实现方案及要求去完成。
首先水箱液位控制可以使单容的也可以是双容的，单容水箱构成的是一阶对象，双容水箱构成的是二阶对象，为了便于控制和实现的简便，选用单容水箱，即一阶对象。
其次是将水箱水位控制系统定义成定值控制系统，这比较符合工业上的过程控制系统，也符合实际情况。
至于控制器的选择和控制仪表的选择随意性较大，根据实际情况自己选择，在此用西门子S7-200PLC作为主控制器来完成对水箱的液位控制。
具体到实现算法，则是应用PID控制算法实现，对于液位控制我们为了实现无静差控制选用PI调节算法。
2生产工艺和控制原理介绍
对于生产工艺大致的思路是水箱包含一个进水口一个出水口，通过设定值指定液位的高度，若是液位过高则通过调节器使出水阀开度调大，若是液位过低则使进水阀开度调大，供水系统由变频器控制的异步电机实现。
液位的检测采用DDZ-Ⅲ仪表，检测后可以变成标准型号输入，再经过A/D变换转换成PLC能够接受的数字信号。
控制系统简单组态图如下：
图2.1简易组态图
对于控制原理则是根据单回路定值控制系统进行分析。
图2.2控制系统原理图
图2.2为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2.3中的曲线①、②、③所示。
图2.3P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
3被控对象介绍及各控制量和被控量的选择
3.1被控对象的介绍
图3.1单容水槽
如图3.1所示，一个单容水槽，不断有水流入槽内，同时也有水不断由槽中流出。
水流入量
由调节阀开度u加以控制，流出量
则由用户根据需要通过负载阀来改变。
被调量为水位h，它反映了水的流入与流出之间的平衡关系。
现在分析水位调节阀开度扰动下的动态特性。
设各量定义如下：
设A为液槽横截面积（
），R为流出侧负载阀门的阻力即液阻
.根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态
，
，当进水阀开度发生阶跃变化
时，液位发生变化。
在流出侧负载阀开度不变的情况下，液位的变化将使流出量改变。
流入量与流出量之差等于液槽液体贮存量的变化率，即
式中
是由控制阀开度变化
引起的，当阀前后压差不变时，
与
成正比关系，即
式中
—阀门流量系数，
。
流出量与液位高度的关系为
式（3.3）是一个非线性关系，在平衡点
附近进行线性化，得
将式（3.4）、（3.2）带入式（3.1），可得
令
则上式可写为
于是可得液位变化时控制阀开度改变量的传递函数为
3.2被控变量的选择
在定性地确定目标以后，通常需要用工业过程的被控变量来定量的表示控制目标。
被控变量也是工业过程的输出变量，选择的基本原则为：
选择对控制目标其重要影响的输出变量作为被控变量；
选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；
在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；
有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。
本课程设计是水箱液位控制系统设计，即让水箱的液位始终为设定值所设定的高度，控制的目标是液位的高度，同时液位也是可测量的，所以被控变量选择为水箱液位。
3.3操作变量的选择
工业过程的输入变量有两类：
控制（或操作）变量和扰动变量。
在生产过程中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。
因此，正确选择操作变量，可是控制系统有效克服干扰的影响，以保证生产过程平稳操作。
控制（或操作）变量为可由操作者或控制机构调节的变量，选择的原则为：
选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量；
选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；
在
的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，以使控制系统的动态响应较快；
在负载系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量，所选择的控制变量应直接影响对应的被控变量，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路之间的关联比较小。
在本课设中由于水箱中的水是由水泵供水以维持液位的，所以控制量选供水水泵的转速。
3.4控制算法的选择
工业过程的控制目标以及输入变量确定以后，控制方案就可以确定了。
控制方案应该包括控制结构和控制算法。
本设计中还是选用比较常见反馈控制，这种控制系统在自动化控制方案中占极大比重，能满足几乎所有的控制任务。
至于控制算法，为了实现快速性和稳态无静差调节，选用PI调节器。
4西门子S7-200PLC介绍
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计的。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的工作原理是周期性循环扫描，在PLC运行的过程中，总是处于不断循环的顺序扫描过程中，同时它又是集中批处理的。
S7-200系列PLC的基本构成包括PLC主机、编程设备、人机界面和根据实际需要增加的扩展模块。
故S7-200系列PLC可以单机运行，也可以输入/输出扩展，还可以连接功能扩展模块。
S7-200PLC包括CPU模块、基本输入/输出和电源模块。
扩展模块可以连接数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通信模块和特殊功能模块。
4.1CPU模块介绍
CPU模块包括中央处理单元、电源和数字I/O点，这3部分都集成在一个紧凑、独立的设备中。
CPU模块负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。
输入部分从现场设备中采集信号，这些采集信号经过CPU模块执行程序处理，处理后得到的信号传送给输出部分，此时输出部分则输出控制信号控制工业过程中的设备。
下面主要介绍S7-200的CPU模块。
S7-200的CPU模块共有两个系列:
CPU21X和CPU22X。
CPU21X系列包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216；CPU22X系列包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。
由于本课设中我选用CPU226XM，所以在此只介绍CPU226XM。
CPU226XM具有24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量I/O或35路模拟量I/O，组成的I/O端子排可以很容易的整体拆卸。
具有26KB的程序和数据存储区空间、6个独立的30KHZ的高速计数器、2路独立的20KHZ的高速脉冲数出、PID控制器、2个RS-485通信/编程口、点对点接口PPI通信协议、多点接口MPI通信协议和自由通信口。
4.2电源模块介绍
所有的S7-200系列PLC不光有它自身、扩展模块和其他用电设备的内部电源，它本身还向外提供一个DC24V电源，从电源输出点（L+,M）引出。
此电源可为PLC和扩展模块上的I/O点供电，也为一些特殊功能模块供电。
此电源还从S7-200系列PLC的通信口输出，给PC/PPI编程电缆，或TD200文本操作界面等设备供电。
不同规格的CPU提供DC5V和DC24V电源的容量（以电流表示）不同。
每个实际应用项目都要就电源容量进行规划计算。
每个扩展模块都需要DC5V电源，应当检查所有扩展模块的DC5V电源要求是否超出CPU的供电能力，如果超出，就必须减少或改变模块配置。
有些模块需要DC24V电源供电，这些电源也要根据CPU的供电能力进行计算。
如果所需电源超出电源容量，需要增加外接DC24V电源。
S7-200系列PLC的CPU所提供的电源不能和外接电源并联，但它们必须共地。
4.3模拟量输入模块介绍
每种CPU模块所提供的本机I/O地址是固定的。
进行扩展时，在CPU单元右边连接的扩展模块的地址有I/O端口的类型以及它在同类I/O链中的位置来决定，扩展模块的地址编码按照由左至右的顺序依次排列。
模拟量扩展模块是按照偶数分配地址。
模拟量扩展模块与数字量扩展模块不同的是数字量扩展模块中的保留位可以当内存中的位使用，而模拟量扩展模块因为没有内存映像，不能使用这些I/O地址。
S7-200系列PLC模拟量输入模块为EM231，模拟量输入映像区是S7-200系列PLC为模拟量输入信号开辟的一个存储区。
模拟量输入用标识符（AI）、数据长度（W）及字节的起始地址表示，该区的数据位字（16位）。
在CPU221和CPU222中，其表示形式为：
AIW0、AIW2、……、AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输入。
在CPU224和CPU226中，其表示形式为：
AIW0、AIW2、……、AIW62，共32个字，总共允许有32路模拟量输入。
模拟量输入值为只读数据。
模拟量输入模块对模拟量进行A/D转换，将模拟量信号转换成CPU单元所能接受的数字量信号。
模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性数据格式的全量程范围为0～3200，双极性全量程范围的数字量是-3200～+3200.模拟量输入模块有各种输入范围，它们包括0～10V，
5V,0～20mA等。
在选用时要与现场过程检测信号范围相对应。
4.4模拟量输出模块介绍
S7-200系列PLC模拟量输入模块为EM232，模拟量输出映像区是S7-200系列PLC为模拟量输出信号开辟的一个存储区。
模拟量输入用标识符（AQ）、数据长度（W）及字节的起始地址表示，该区的数据位字（16位）。
在CPU221和CPU222中，其表示形式为：
AIW0、AIW2、……、AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输出。
在CPU224和CPU226中，其表示形式为：
AIW0、AIW2、……、AIW62，共32个字，总共允许有32路模拟量输出。
模拟量输出模块用于将PLC内部的数字量转换为外部控制所需要的模拟电压或电流，再去控制执行机构。
模拟量输出模块存储区中数字量的数据字格式为12位，左端对齐，MSB和LSB分别为最高有效位和最低有效位。
最高有效位是符号位，0表示正数，1表示负数。
最低位是4个连续的0.在将数据字装载到DAC寄存器之前，低位的4个0被截断，不会影响输出信号值。
模拟量输出范围包括-10～+10V,0～20mA。
模拟量输出模块对负载的要求主要是负载阻抗，在电流输出方式下一般给出最大负载阻抗；在电压输出方式下，一般给出最小负载阻抗。
模拟量属于小信号，在应用中要注意抗干扰措施，其主要方法有与交流信号和可产生干扰源的供电电源保持一定的距离，模拟量信号接线要采用屏蔽措施，采用一定的补偿措施，减少环境对模拟量信号的影响。
5PLC上控制算法的介绍
随着PLC技术不断增强，运行速度不断提高，不断可以完成顺序控制的功能，还可以通过PID指令完成复杂的闭环控制功能。
PID指令的功能是进行PID计算，其指令格式如下：
PID指令梯形图
图5.1PID梯形图
当EN有效时，根据PID参数表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。
PID指令的功能说明如下：
（1）TBL是参数表的首地址，是由变量寄存器VB指定的字节型数据；LOOP是回路号，是0～7的常数。
（2）在一个应用程序中，最多可用8个PID控制回路，一个PID控制回路只能使用1条PID指令，每个PID控制回路必须使用不同的回路号。
（3）影响允许输出ENO正常工作出错条件为：
SM1.1（溢出），SM4.3（运行时间），0006（间接寻址）
PID指令的参数表及初始化：
为执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中的有关参数，按照地址偏移量写入到寄存器V中。
一般是调用一个子程序，在子程序中对PID参数表进行初始化处理。
以TBL为首地址的参数表中共包含9个参数，用于进行PID运行的监视和控制。
在执行PID指令前，要建立一个PID参数表，PID参数表的格式如下：
表5.1PID指令参数表
地址偏移量
PID参数
数据格式
I/O类型
描述
0
PVn
双字，实数
I
过程变量当前值，0.0～1.0
4
SPn
I
给定值，0.0～1.0
8
Mn
I/O
输出值，0.0～1.0
12
Kc
I
回路增益，正、负常数
16
Ts
I
采样时间，单位为s，正数
20
Ti
I
积分时间常数，单位min，正数
24
Td
I
微分时间常数，单位min，正数
28
MX
I/O
积分项前值，0.0～1.0
32
PVn-1
I/O
最近一次PID运算过程变量值
6参数的整定
PID调节器参数的整定值指的是在控制系统中对比例参数K（或者是比例带
）、积分时间常数Ti以及微分时间常数Td这三个参数的整定。
6.1PID参数整定的基本原则
衡量调节器的参数是否最佳，需要规定一个明确的统一反映控制系统质量的性能指标。
工程上提出的性能指标可以是各式各样的，如要求最大动态偏差尽可能小、调节时间最短、调节过程系统输出的误差积分值最小等。
然而，在改变调节器参数使某些指标得到改善的同时，又会使其他的指标恶化。
最为系统的整个性能指标，它必须能综合反映系统控制质量，而同时有要便于分析和计算。
目前，系统整定中采用的性能指标大致分为单项性能指标和误差积分性能指标两大类。
单项性能指标是建立在系统闭环相应的某些特性上的，常用的有衰减率（或衰减比）、最大动态偏差、调节时间（又称回复时间）或震荡周期等，是相应曲线质量的评价。
这类指标简答、直观、意义明确，但它们往往只是比较笼统的概念，难以准确衡量。
误差积分性能指标：
有多种误差积分性能指标，如IE、IAE、IS、ITAE，与上述只利用系统动态响应单个特性的单项指标不同，这一类指标是基于从时间t=0直到稳定为止整个响应曲线的形态定义的，因此比较精确，但是用起来比较麻烦，适合离线计算，或者科学分析。
6.2PID参数工程整定方法
在此只介绍一种工程上比较常用的一种方法稳定边界法，又称临界比例度法。
整定步骤是：
（1）先将切除PID控制器中的积分与微分作用，将比例带
置较大值，并投入闭环运行；
（2）待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即所谓临界振荡过程。
记录下此时的比例带
（临界比例带），并计算两个波峰的时间
（临界振荡周期）。
（3）利用
和
的值按照下表的响应计算公式，求出调节器各整定参数
、
和
的数值
表6.1PID参数整定表
控制规律
P
PI
PID
对于具体的PID调节器参数，由于题目中没有给出具体的控制指标，并且这些参数是要在工程应用上经过调试才能得出的，故在此不能求出参数，只能指明一张求取参数的方法。
6.3控制仪表的选择
本课程设计需要检测水箱液位，在此选用DDZ-Ⅲ型仪表——液位计对其进行测量变送。
该仪表能够输出4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号供用户选用。
其具体工作原理是：
当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：
式中：
：
变送器迎液面所受压力
：
被测液体密度
：
当地重力加速度
：
液面上大气压
：
变送器投入液体的深度
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压
与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的
，使传感器测得压力为：
，显然,通过测取压力
，可以得到液位深度。
7控制方案设计
7.1设计要求
由于题目比较宽泛，没有一定的指标。
所以对题目指标进行一下规定，具体内容如下：
图7.1水箱图
假设如上图的水箱，水箱高度为1米，给定水位为0.7米。
由于水箱水位不能过高也不能过低，过高会造成危险，过低将导致供水不足。
所以设置高低限报警，当水位高于0.9米并持续5s时报警，此时切断水泵的运行；当水位低于0.3米并持续5s时报警，此时要求水泵全速运行以加快供水，当水位在高低限之间时有PI调节器控制变频器工作，使水位维持在给定值0.7米附近。
7.2系统设计
该系统是定值控制系统，由给定值（给定水位）和水箱的水位测量值进行比较，并将运算后的结果作为PI调节器的输入值，通过PI调节器的输出，去控制变频器工作，从而控制电机的转速即控制水泵的进水量，以达到对水位跟随定值控制的目的。
系统结构图如下：
图7.2水箱液位控制系统方框图
图中的PID控制器采用PI算法，即将微分时间常数
置零，测量变送器由液位计进行测量变送。
7.3控制流程图
PLC控制程序流程图如下所示：
图7.3控制系统流程图
7.4系统模块选择与地址分配
根据控制要求，水箱水位监测需要一个模拟量输入点；PLC控制变频器需要一个模拟量输出点；上下限报警需要两个数字量输出点。
系统还需要有“手动/自动”切换，即在调试时，由现场手动操作水泵运行，正常生产时由PLC控制水泵运行，这两种状态的转换可通过接通或断开PLC控制回路来实现，设置一个数字量输入点。
所以本系统需要5个数字量输出点、1个数字量输入点、1个模拟量输入点、1个模拟量输出点。
查S7-200PLC模块特征表，由于选用的是CPU226模块，本身具有24个数字量输入/16个数字量输出点，所以不需带数字量输入/输出扩展模块。
另外还要选取模拟量输入/输出模块。
EM235是具有4个模拟量输入通道/1个模拟量输出通道，对以本工程来说应该满足要求了，但如果只选1个EM235模块，那么系统中就只有一个模拟量输出通道，如果这一通道一旦出现问题，那么系统就失去作用。
所以改为选取一个具有4个模拟量输入通道的EM231模块和一个具有2个模拟量输出通道的EM232模块。
表7.1I/O点及系统分配表
输入信号
输出信号
名称
地址号
名称
地址号
水位检测
AI0.0
低水位
Q0.3
手动/自动切换
I0.0
高水位
Q0.2
工频运行
Q0.0
变频运行
Q0.1
水位控制
AQ0.2
7.5硬件设计
7.5.1电气控制主接线图
电气接线图如下，电动机的工频运行和变频运行分别由接触器KM1、KM2控制，图中VVF代表变频器。
L1、L2、L3为三根母线，N为零线，运行时QF接通与母线的连接，然后又PLC内部的程序根据判断条件选择性的接通KM1、KM2，以控制水泵的转速。
图7.4主电路图
7.5.2操作回路接线图
下图中SA是由I0.0控制的“手动/自动”转换开关。
自动和手动运行两种状态相互互锁。
HL1、HL2分别代表高报警和低报警。
图7.5控制回路原理图
8软件设计
在进行程序设计前，我们必须弄清楚输入信号与PLC内部A/D转换后的数值的对应关系。
转化时应综合考虑变送器的输入/输出量程和模拟量模块的量程。
水箱水位是由液位计检测的，变送器的输出信号为4～20mA。
模拟量输入模块是讲输入的0～20mA信号转换为0～32000的数字量。
4～20mA对应的A/D转换数值应为6400～32000，由此得出当水位为0.9米时，设对应的数字量为
。
则
当水位为0.7米时，同理可得对应的数字量为24320；当水位为0.3米时对应的数字量为14080.
主程序具体梯形图如下：
图8.1主程序梯形图
初始化子程序如下：
图8.2子程序流程图
9总结和展望
本次课程设计不太好做，这是因为就只给了一个题目我们而没有指定我们要实现的指标，这样做起来比较空洞，没有重点，不知道落脚点再哪。
所以在正式完成本课设之前对其做了一些假设，以使题目具体化。
例如，刚开始不知道水箱水位控制是按随动系统设计还是按定值系统设计，同时水箱又有单容和多容之分，总之为了使课设简单，自己做了以下假设，第一：
水箱按单容水槽对象进行设计，第二：
按照一般工程的控制的原则，选择了定值控制系统，同时算法选用PI调节。
虽然这样使题目细化，但还是没有一个既定的指标编程的时候不能计算具体数值。
因此，继续规定，假设水箱高度为为1m，定值控制系统要求给定水位为0.7m这样设计起来较为简单明了。
当然设计中始终有些不足。
大致有以下几个方面没有弄的很清楚：
第一是仪表方面，虽然知道是用的DDRZⅢ型仪表，输出的也是标准型号，但其设计安装方法以及如何测量水位高度，没有深入的了解。
第二是PLC编程中的PID算法中无扰动切换，因为这个掌握的不好，所以系统不能做到无扰动的切换，但是能够切换。
第三是做这个课设有点纸上谈兵的感觉，因为一切都是理论，没有现场调试过程，没有设计查错过程，程序虽然编译没有问题，但没有经过实际系统的检验，不一定能够满足系统要求，其实可以说是100%的不能满足实际系统的要求，因为程序中的参数只有现场调试并修改后才能满足要求。
但总的来说课程设计还是让我学到了很多东西，同时让我对以前的知识加以巩固，在课设中动过脑筋想过，这些都是一种收获。
10心得体会
本课设光看题目原理比较简单，开始时还以为比较容易，其实当慢慢深入时才会发现课设不是这么好做的。
首先题目过于宽泛，就说是水箱液位控制系统设计，不知道从何处着手。
其次是需要应用相关软件，如课设的过程中需要绘制一些电器原理图，这就要求自己对相关软件熟练操作。
例如画电机原理图和操作回路图的时候本来应该用专业软件autoCAD画的，但是由于平时没有学过，所以自己在word中直接画的，最终花了不少时间才完成。
课设不是三两天就能做好的，它需
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