学位论文基于s7200液位过程控制系统设计含梯形图Word格式.docx
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目前可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。
与计算机技术相结合，形成工业控制系统、分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem）、现场总总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）、这将使PLC功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。
1.3课题研究的内容与目的
PLC变频控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU226以及PLC内部A/D、D/A转换模块，检测元件为扩散硅压力传感器，执行器为三菱变频器D400。
通过以上的器件设备、PID控制算法和PC编程软件等，实现对液位的自动控制。
本课题研究内容：
（1）通过PLC实现PID控制器
（2）对输入变量的转换与归一化
（3）熟悉力控组态软件的使用
（4）实现上位机对液位的实时监控
2PLC液位控制系统的总体设计
随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。
智能化也往往是从设备自动控制系统开始。
可编程控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。
2.1S7-200PLC的概述
可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年正式将这种装置命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序从放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符号后又返回到第一条，如此周而复始不断循环，一般而言，PLC的扫描过程分为内部处理（自诊断）、通信操作、输入采样、用户程序执行、输出刷新等几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间为扫描周期。
当PLC处于停止（STOP）状态时（自诊断）、通信操作、输入采样、执行用户程序、输出刷新，一直循环扫描工作。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
S7-200系列PLC
S7-200系列PLC是一类小型PLC，其外观如图2-2所示。
由于S7-200系列PLC具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统，使得它能近乎完美地满足小规模的控制要求，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络，皆能实现复杂的控制功能。
另外，其丰富的CPU类型及电压等级，使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。
1.S7-200PLC的结构
S7-200系列PLC将一个微处理器（CPU）、若干I/O点和一个集成电源集成在一个紧凑的机壳内，统称为CPU模块，其外形如图2-1所示。
图2-1S7-200CPU222
其硬件组成如下：
电源及输出端子：
连接输出器件及电源用的接线端子位于机箱顶部。
输入端子及传感器电源：
位于机身底部端子盖内。
状态指示灯：
位于机身左侧，显示CPU的工作方式、本机I/O的状态及系统错误状态。
存储卡（EEPOM卡）可以存储CPU程序。
RS-485的串行通信端口：
位于机身的左下部，是PLC主机实现人-机对话、机-机对话的通道，实现PLC与上位计算机的连接，实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。
扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器：
位于机身中部右侧前盖下。
扩展接口提供PLC主机与输入、输出扩展模块的借口，做扩展系统之用，主机与扩展模块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接；
模式选择开关具有RUN、STOP及TERM等3种状态；
模拟量电位器可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。
2.1.1STEP7-Micro/WIN简介
STEP7-Micro/WIN是S7-200系列PLC的编程软件，运行在32位Windows操作系统下（Windows95以后的微软视窗操作系统）。
它功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
它是西门子S7-200用户悄可缺少的开发工具。
除此之外，要对S7-200进行实际的编程和调试，必须在运行编程软件的计算机和S7-200CPU间配备下列设备中的一种：
（1）一条PC/PPI电缆或PPI多主站电缆，其价格便宜，用得最多。
（2）一块插在个人计算机中的通信处理器（CP）卡和MPI（多点接口）电缆。
STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户开发应用软件。
在STEP7-Micro/WIN32环境下可创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，实现用户所编辑程序的管理。
该软件还具有语法检查功能，可在编程中检查用户程序的语法错误。
利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。
1.软件的基本功能
STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。
适用于所有SIMATICS7-200PLC机型的软件编程。
支持梯形图（LAD）、指令表（STL）和功能块图（FBD）等3种编程语言，可以在三者之间随时切换。
STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助用户调试和测试程序。
这些特征包括：
监视S7-200正在执行的用户程序状态；
为S7-200指定运行程序的扫描次数；
强制变量值等。
指令向导功能包括：
PID自整定界面；
PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；
数据记录向导；
配方向导。
除此之外，该软件还具有运动控制、PID自整定等其他功能。
2.项目及其组件
STEP7-Micro/WIN把每个实际的S7-200系统的用户程序、系统设置等保存在一个项目（Project）文件中，扩展名为.mwp。
打开一个.mwp文件就打开了相应的工程项目。
如图2-2所示的是V4.0版编程软件的主界面，其中的“项目”中包括下列基本组件。
图2-2PLC编程主界面
程序块
程序块有可执行文件的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成。
代码被编译并下载到PLC，注释被忽略。
数据块
显示数据块的内容。
由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。
数据被编译并下载到PLC，注释被忽略。
用户可以在该窗口设置和修改变量存储区各个类型存储区的变量值。
系统块
系统块用来设置系统的参数，例如密码、STOP模式时PLC的输出状态（输出表）等，以适应具体应用。
系统块需经编译和下载到CPU内才起作用。
符号表
符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。
程序编译后下载到PLC时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中国信息不会下载到PLC。
状态表
状态表用来观察程序执行时指定的变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。
交叉引用表
交叉引用表提供3个方面的参考信息：
交叉引用信息、字节使用情况信息和位使用情况信息。
交叉引用表不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。
使用编程软件主界面中浏览条上的“检视”按钮，可以查看项目的各个组件，并且在它们之间切换。
3．设置编程计算机与CPU通信
（1）硬件连接
建立编程计算机（主站）与S7-200CPU（从站）的通信，可通过支持PPI协议的编程电缆和PLC进行上传、下载程序来实现，这种方式主要有下面3种形式。
通过PC/PPI编程电缆通信。
这是单主站模式，一台PLC和PC直接连接，PC接口为RS232串口。
4．建立和修改PLC通信参数
S7-200CPU提供了多种参数和选择设置以适应具体应用。
建立了计算机和PLC的在线联系，就可以在“系统块”窗口内对这些参数和选项进行软件检查、设置和修改。
单击浏览条中的“系统块”图标，将打开系统块对话框。
如图2-3所示：
设置完所有的参数后，单击工具条中的“下载”按钮，把修改后的参数下载到PLC。
只有把修改后的参数下载到PLC中，设置的参数才起作用。
图2-2系统块参数设置
2.1.2PLC内置PID模块控制指令应用
S7-200CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）。
PID是闭环控制系统的比例（P）－积分（I）－微分（D）控制算法，是根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。
在S7-200中，PID功能是通过PID指令功能块实现。
通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。
从而抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。
PID功能块通过一个PID回路表交换数据，这个表是在V数据存储区中的开辟，长度为36字节。
因此每个PID功能块在调用时需要指定两个要素：
PID控制回路号以及控制回路表的起始地址（以VB表示）。
由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。
S7-200中的PID功能使用占调节范围百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。
在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
PID功能块只接受0.0-1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。
其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。
因此，必须把外围实际的物理量与PID功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。
这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。
PID控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。
要衡量PID参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；
而实际上PID的参数也是通过观察反馈波形而调试的。
因此，没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID参数。
观察反馈量的连续波形，在本系统设计中，我们可以通过对组态王画面的设计，在画面中加入实时数据显示窗口，并将要显示的参数与此窗口连接，即可进行观察。
新版编程软件STEP7-Micro/WINV4.0内置了一个PID调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID参数。
对于没有“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID手动调节。
PID参数的取值，以及它们之间的配合，对PID控制是否稳定具有重要的意义。
这些主要参数是：
比例增益Kc
比例部分与误差同步，它的调节作用及时，较积分控制信号的反应快。
在误差出现时，比例控制能立即给出控制信号，使被控量朝误差减小的方向变化。
如果Kc太小，虽然没有超调量，系统输出量变化缓慢，调节时间过长。
如果闭环系统中没有积分作用，比例调节存在稳态误差，稳态误差与Kc成反比。
增大Kc使系统反应灵敏，是长速度加快，且可以减小稳态误差。
但是Kc过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，导致动态性能变坏，Kc过大甚至会使闭环系统不稳定。
如果PID控制器中有积分作用（如采用PI或PID控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将Kc调得小一些。
积分时间Ti
积分部分与误差对时间的积分成正比，因为积分时间Ti在积分项的分母中，Ti越小，积分速度越快，积分作用越强。
控制器中积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况（累加值）都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增大，反之不断减小。
积分项有减小误差的作用，一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值。
因此积分部分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。
但是积分作用具有滞后特性，不像比例部分，只要误差一出现，就立即起作用。
积分作用太强会使系统响应的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。
因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，构成PI或PID控制器。
PI控制器即克服了单纯的比例调节有稳态误差和缺点，又避免了积分响应慢、动态性能不好的缺点，因此广泛使用。
综上所述，积分作用太强（即Ti太小）使系统的稳定性变差，超调量增大；
积分作用太弱（即Ti太大）使系统消除误差的速度减慢，Ti的值应取得适中。
微分时间Td
微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量变化的趋势其作用是阻碍被控量的变化。
在图中启动过程的上升阶段，当c（t）<
c（∞）时被控量尚感未超过其稳态值，超调量还没有出现。
但是因为误差e（t）不断减小，误差的微分和控制器输出的部分为负，减小了控制器的输出量，相当于提前给出制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。
因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调量出现之前，就能提前给出控制作用。
微分时间Td表示了微分作用的强弱，Td越大，微分作用越强。
但是Td太大可引起频率较高的振荡，或使被控量接近稳态值时变化缓慢。
这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。
因为微分部分太强，抵制了被控量上升，导致被控量上升极为缓慢，到达稳态的时间过长。
如果微分时间设置为0，微分部分将起不到作用。
采样周期Ts
采样同期Ts越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。
但是Ts太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将Ts取得过小。
确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化时（如启动过程中的上升段）能有足够多的采样点数，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。
PID回路指令
PID指令（如图2-4）中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号（0~7）。
不同的PID指令不能使用相同的回路编号。
功能：
用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。
回路表的起始地址TBL：
VB；
回路号LOOP：
0～7的常数。
图2-4PID指令
PID调节时闭环模拟量控制的传统调节方式，其控制的原理基于式2-1。
（2-1）
式中：
M（t）——PID回路的输出，是时间的函数；
Kc——PID回路的增益；
e（t）——PID回路的偏差（给定值与过程变量之差）；
Mo——PID回路的初始值；
为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。
将式2-1离散化，第n次采样时控制器的输出为：
（2-2）
基于PLC的闭环控制系统如图2-5所示，图中虚线部分在PLC内。
图2-5PLC闭环控制系统框图
S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表，该表的长度为36个字节，包括回路的基本参数。
PID控制回路的选择
在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。
例如，只需要比例回路或比例积分回路。
通过设置常量参数，可选择需要的回路控制类型。
如果不需要比例回路，但需要积分或微分回路，可把比例增益Kc设为0.0。
如果不需要积分回路，可以把积分时间Ti设为无穷大。
即使没有积分作用，积分相还是不为零，因为有初值MX。
如果不需要微分回路，可以把微分时间Td置为零。
表2-1PID回路表：
参数
偏移地址
数据格式
I/O类型
描述
过程变量PVn
给定值SPn
输出值Mn
增益Kc
采样时间Ts
上一次积分值MX
上一次过程变量PVn-1
4
8
12
16
20
24
28
32
双字，实数
I
I/O
过程变量，0.0～1.0
给定值，0.0～1.0
输出值，0.0～1.0
比例常数，正、负
单位为s，正数
单位为min，正数
积分相前值，0.0～1.0
最近一次PID变量值
2.2建立液位控制系统结构
单容液位控制系统控制框图如下图2-6所示：
其中A/D转换、PID调节、D/A转换等运算都是在PLC内部执行，同时为上位机提供可用的数据，用以显示。
上位机也可对相应的地址进行赋值，来设定相关参数。
图2-6单容液位系统控制框图
2.2.1硬件组成
液位控制系统组成部分由硬件和软件两部分组成，硬件有水槽、扩散硅压力变送器、电动调节阀、S7-200PLC及模拟量扩展模块EM235、预装有组态王的PC。
（1）水槽装置（被控对象）
水槽有一个入水口，一个出水口，一个压力引水口。
水槽用挡板分隔为若干部分，使可调节挡板两边的液位互相流动，形成类似于连通器的形式，以至使得引压槽内的压力变化相对稳定，从而使压力变送器采集到得数据较准确，减小了对PID运算的扰动量。
（2扩散硅差压变送器，压力变送器的主要参数，扩散硅压力变送器输出4mA～20mA信号。
（3）电动执行器（变频器）
（4）西门子S7-200PLC及扩展模块EM231，EM232——主要进行数据采集、A/D转换、PID运算、D/A转换。
（5）水泵--向水槽供水提供原动力.
2.2.2控制方法及实现的功能
单容上水箱液位PID控制结构示意图如2-7所示。
图2-7单容上水箱液位PID单回路控制示意图
系统检测点清单如表2-2所示。
表2-
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