学位论文基于plc的水位pid控制系统设计.docx
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学位论文基于plc的水位pid控制系统设计
基于PLC的水位PID控制系统设计
摘要
可编程控制器是近年来发展迅速，应用广泛的工业控制装置，是一种专为工业应用而设计的数字电子控制系统。
它采用了灵活、方便，快捷的可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成控制中的各类生产和生活过程。
基于PLC的PID水位控制系统已经广泛应用于人们的日常生产生活中，它成功的解决水箱对恒定水位的要求。
在工业和生活供水方面有它独特的应用，具有成本低，精度高，稳定性好，易于操作和管理，劳动强度低等优点。
基于PLC的PID水位控制系统采用西门子S7-200系列中PLC-CPU226为基础，结合模拟量模块E231、液位传感器、输入控制液压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于S7-200系列中PCL-CPU226的水箱水位控制系统，对水箱的水位进行监测与控制。
设计主要包括两个部分：
硬件部分和软件部分。
硬件部分：
CPU模拟量块液位传感器输入控制液压阀输出控制液压阀等
软件部分：
PID逻辑控制梯形图控制程序
关键词：
PLC，PID，水箱水位，自动控制
PLC-BASEDPIDCONTRAIYSTEMFORTHEWATERLEVEL
ABSTRACT
Programmablelogiccontrollerisdevelopedrapidlyinrecentyears,theapplicationofawiderangeofindustrialcontroldevices,isaspeciallydesignedforindustrialapplicationsofthedigitalelectroniccontrolsystem.Itusesaflexible,convenientandefficientprocesscontrolcanbemadeavailablefortheformandstructure,throughdigitaloranaloginputandoutputsignalconversionprocesstocompletethecontrolprocessofvarioustypesofproductionandlife.
PLCbasedonwaterlevelcontrolsystemPIDofalreadywidelyusedintheproductionofpeople'sday-to-daylife,itssuccesstosolvetheconstantlevelwatertankrequirements.Watersupplyintheindustrialandlifehasitsuniqueapplicationoflowcostandhighprecision,goodstability,easeofoperationandmanagement,andlowlaborintensity.
PLC-basedcontrolsystemthePIDlevelS7-200seriesPLC-CPU226-basedlightsimulationmoduleE235,liquidlevelsensors,typeofhydrauliccontrolvalves,hydraulicvalves,suchasoutputcontrol,basedontheformationofaS7-200seriesPCL-CPU226tankwaterlevelcontrolsystem,thewaterlevelofthewatertankmonitoringandcontrol.
Designmainlyincludestwoparts:
hardwareandsoftwareparts.
Hardwarecomponents:
CPUblocklevelanalogsensorinputtocontroltheoutputofhydrauliccontrolvalvessuchashydraulicvalves
Software:
PIDcontrolladderlogiccontrolprogram
KEYWORDS:
PLC，PID，levelwatertank，control
目 录
前 言
可编程控制器（Programmablelogiccontroller，PLC）是近年来发展迅速，应用广泛的控制装置，是一种为工业和生活应用而设计的数字电子控制系统。
它采用了灵活、方便的可编程序控制形式，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成控制中的各类生产过程。
当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，其应用已从单机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化。
从柔性制造系统，工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要的角色。
目前，PLC几乎在工业生产的所有领域都得到广泛的运用，因此了解并熟悉掌握PLC的基本原理及PLC控制系统的设计方法，已成为工业自动化工程技术人员的重要要求。
PLC是以微处理器为核心，将计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体的一种新的高可靠性的工业自动化控制装置。
它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，已经广泛应用在各行各业的生产过程和自动控制中，它正在迅速地改变着工厂自动控制的面貌和进程，将成为当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。
因此专家认为，可编程控制器技术、计算机辅助设计/计算机辅助生产（CAD/CAM）以及机器人技术，将成为工业生产自动化的三大支柱。
PLC不但在工业中有重要用途，它也在生活中应用的越来越多。
随着人类的进步社会的发展，我们的要求也在随之提高。
以往传统的方法已经不能够满足我们的要求，尤其是在控制方面。
以水箱水位控制为例来说明：
传统方法是人为频繁的进行观察以此为依据进行补充水，这种方法费时费力效果也差。
这就需要一种简便高效的方法来改变这种状况，来解决这个问题。
基于PLC的PID水位控制就为前面提出的问题提供了一个很好的解决方案。
PLC中的PID模块与传感器和流量控制阀一起配合使用可以随时的监控水箱里水位的高度，然后把数据输入PLC，经PLC分析后，做出反应，使输入阀门做出相应的动作，使水位保持恒定。
第1章PLC概述
1.1PLC的产生
1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为了适应生产工艺的不断更新需求，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，并提出10条招标指示：
1．编程方便，现场可修改程序；
2．维修方便，采用模块化结构；
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．成本可与继电器控制装置竞争；
7．输入可以为交流115V；
8．输出可以是交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
9．在扩展时，原系统只需少量的变更；
10．用户程序存储器容量至少能扩展到4KB；
这就是著名的GM10条，它是PLC出现的直接原因。
可编程序控制器（ProgrammableController）是美国数字设备公司（DEC）在1969研制成功的。
1.2可编程控制器的发展
PLC的发展与微电子技术和计算机技术密切相关，随着可编程控制器的应用领域不断扩大，它本身也在不断发展。
1．小型化方向发展
目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且将有灵活的组态特性，并能与其他机型连用。
既要简单经济，又要不断增强功能和使用方便性是小型PLC的发展方向。
2．大型化方向发展
主要有以下几个方面：
1、能不断加强。
2、应用范围不断扩大。
3、性能不断提高。
4、编程软件的多样化和高级化。
5、构成形式的分散化与集散化。
1.3PLC的特点
PLC与现有的各种控制方式相比，具有如下优点：
1.可靠性高
2.控制程序可变，具有很好的柔性
3．编程方法简单易学
4．功能强，性能价格比高
5.体积小，重量轻，能耗低
1.4PLC的基本构成
PLC主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
如图1-1所示。
PLC控制系统有输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。
图1-1PLC硬件图
1.5PLC的各组成部分
1、中央处理器
CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按时预先编好的系统程序完成各种任务。
2、存储器
存储器可以分为以下3种。
（1）系统程序存储器。
系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。
系统程序存储器是只读存储器，用户不能更改其内容。
（2）用户程序存储器。
根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。
（3）工作数据存储器。
用来存储工作数据的区域叫工作数据区。
工作数据是经常变化经常存取的，所以这种存储器必须可读写。
3、输入/输出单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。
输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离，功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件。
4、电源部分
PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。
开关电源的输入电压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能好。
有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。
编程器
编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。
编程器分为简易编程器和图形编程器两种。
编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供多台PLC使用。
1.6PLC的工作原理
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1-2所示PLC的扫描工作过程。
图1-2PLC的扫描工作过程
1.输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。
此时，输入映像寄存器被刷新。
2.程序执行阶段
PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
当指令中涉及到输入，输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态。
从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
3.输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
1.7PLC的主要应用
PLC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，其计时时间设定值由用户程序设定。
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。
4、步进控制PLC具有步进（顺序）控制功能。
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、数据处理PLC具有数据处理能力。
它能进行自述运算数据比较，数据传送，数制转换，数据显示和打印，数据通信等功能。
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进行控制，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。
8、PLC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。
第2章系统硬件设计
2.1系统要求
有一水箱需要维持恒定的水位,该水箱的水以变化的速度流出。
这就需要一个输入控制液体阀,以不同的流量给水箱供水,以维持水位不变,这样才能使水箱不断水。
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达到最优控制效果。
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。
这种切换有一个输入的数字量控制。
本设计使用一个液位传感器、一个输入液体控制阀、一个输出液体控制阀（手动）、可编程控制器等。
图2-1水位PID控制工艺图
2.2系统设计思路
采用PLC控制，运用PLC模拟量控制模块EM235和PID算法。
把传感器传输过来信号，经模拟量模块处理后，使用PID运算。
然后与设定数据进行比较，PLC做出相应的输出，对电磁阀进行控制。
这样就实现了对水位的控制。
2.3可编程控制器的选择
可编程控制器产品众多，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。
本设计选用西门子公司的S7-200PLC系列，其具结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控制器，出现于20世纪90年代。
本机自带RS-485通信接口，内置电源和I/O接口。
它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有丰富的指令系统和扩展模块。
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0.8μs，S7-200还有日期时间中断功能。
还可以提供两个独立的6KHZ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。
现将S7-200CPU的主要性能如表2-1，供用户在进行系统设计时进行选择。
表2—1SIMATICS7-200CPU主要性能表
项目
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
程序存储器
4KB
4KB
8KB
8KB
用户存储器类型
EEPROM
EEPROM
EEPROM
EEPROM
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块数量
无
2个模块
7个模块
7个模块
数字量I/O
128入/128出
128入/128出
128入/128出
128入/128出
模拟量I/O
无
16入/16出
32入/32出
32入/32出
内部继电器
256
256
256
256
计数器/定时器
256/256
256/256
256/256
256/256
顺序控制继电器
256
256
256
256
内置高速计数器
4个（20kHz）
4个（20kHz）
6个（20kHz）
6个（20kHz）
模拟量调节电位器
1
1
2
2
脉冲输出
2（20kHz,DC）
2（20kHz,DC）
2（20kHz,DC）
2（20kHz,DC）
通信中断
1发送器/
2接收器
1发送器/
2接收器
1发送器/
2接收器
1发送器/
2接收器
定时中断
2（1-255ms）
2（1-255ms）
2（1-255ms）
2（1-255ms）
硬件输入中断
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
4，输入滤波器
通信口（RS-485）
1
1
1
2
通过对上表各参数的比较,CPU226输入输出口多，可扩展模块多便于以后继续开发和升级，最后选用CPU226型。
2.4CPU226型PLC的特点
图2-2CPU226外部电路连接示意图
CPU226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。
8KB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。
如图2-2为CPU226外部电路连接图。
2.5EM235模拟量模块
由于液位传感器的输出为模拟信号,所以选用模拟量模块EM235。
因为它同时具有模拟量输入输出通道,可满足以后对系统的继续开发。
图2-3EM235模块模拟量I/O连线示意图
如图2-3所示为模拟量I/O组合模块EM235（4路模拟量输入、1路模拟量输出）I/O连接示意图。
24VDC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，电流信号输入端则接入B-接口。
若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。
若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口若为电流负载则接入MO、IO接口。
在进行接线时应注意以下几点。
1、传感器接线的长度应尽可能的短，并使用屏蔽双绞线。
2、敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角。
3、避免将信号线与电源线平行接近布置。
4、使用高质量的24VDC传感器电源，以保证无噪声及稳定运行。
5、仅在传感器侧端截屏。
6、未用通道应短接。
2.6液位传感器
液位传感器作为水位信号的检测元件，选用CYG型扩散硅压力变送器，安装在水箱的底部。
正常情况下，扩散硅压力传感器测量的是压力信号，根据压力与水位高度之间的关系，可知水箱中水位的高度。
因此可以根据测量的压力信号得到水位信号，从而将水位测量转换为压力测量。
这就实现了对水位信号的测量。
测得的信号经转换后，以电流的形式传给PLC。
图2-4液位传感器
2.7流量控制阀
目前国内的流量控制阀有很多种，由于系统要求不高，普通控制阀即可满足要求，这里选择直动式电磁阀。
直动式电磁阀：
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但直径一般不超过30mm。
可根据电流大小做出相应的调节。
图2-4直动式电磁阀
2.8PLC输入和输出分配表
PLC的输入和输出分配表（如表2-2所示）
表2-2I/O分配表
编号
地址
说明
功能
1
AQW0
输出模拟量
控制流量控制阀YV
2
I0.0
按钮，手动自动切换SB1
0为手动，1为自动
3
AIW0
输入模拟量
液位传感器的值
4
I0.1
急停按钮SB2
使系统快速停止
5
I1.5
手动供水起动按钮SB3
手动供水
6
I1.6
手动供水停止按钮SB4
手动供水停止
7
Q1.0
接触器KM1
使水泵得电
8
Q1.1
接触器KM1
断开水泵电路
9
Q1.5
高水位指示灯
提醒水位过高
10
Q1.6
低水位指示灯
提醒水位过低
YV为直动式电磁阀。
2.9接线图
图2-5EM231接线图
图2-6CPU226接线图
2.10手动供水电路图
图2-7手动供水电路图
在手动状态下，闭合SB3，使接触器KM1得电，水泵得电运行，向水箱里供水。
当水位达到预定值时，闭合SB4，使接触器KM2得电，长闭触点KM2得电断开，水泵失电，停止运行。
电路图如图2-7所示。
2.11报警系统
当水位过高或过低时会对系统造成危害，所以要避免这种情况的出现，需要设置报警电路。
本系统的报警电路是有两个指示灯组成。
当红色知识灯亮时说明水位高，当黄色知识灯亮时说明水位低。
由此为依据可以做出调整，使水位保持恒定。
第3章PID控制
3.1PID控制介绍
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。
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。
在工业控制过程中，除了大量的开关量控制以外，还有许多模拟量控制，例如对电压，电流，温度，压力，流量的控制。
有时，在同一个控制系统中既要对开关量控制还要对某些模拟量进行控制。
因此为适应生产实际要求，PLC各生产厂家纷纷推出了各种专用的模拟量输入
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