基于s7200的液位控制系统系统设计及PLC控制程序概要.docx
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基于s7200的液位控制系统系统设计及PLC控制程序概要
2015届本科毕业设计（论文）
题目：
基于s7-200的液位控制系统：
系统设计及PLC控制程序
学生姓名：
院（系）：
专业班级：
指导教师：
完成时间：
20年月日
题目
基于s7-200的液位控制系统：
系统设计及PLC控制程序
学生姓名
学号
专业班级
设计（论文）内容及其基本要求
1.储罐直径：
40cm，储罐高：
60cm，储罐介质：
水，管道直径：
16mm，驱动泵型号：
16CQ-SP，输入流量0-30升/min。
2.学习研究液位控制系统的基本原理和应用。
3.选择合适的液位传感器，实现液位自动监测和报警功能。
检测精度0.1级。
4.选择合适的电磁执行器，应用s7-200PLC设计液位闭环系统，采用二位式控制方法实现多液位的控制。
5.研究s7-200模拟量输入方法和二位式控制方法，完成相应的硬件选型和软件编程工作。
6.完成相关资料检索和开题报告。
7.完成论文的写作和15000字符以上的英文材料翻译
设计（论文）起止时间
2015年2月24日至2015年6月13日
设计（论文）地点
自动化教研室
指导教师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
毕业设计（论文）任务书
基于s7-200的液位控制系统：
系统设计及PLC控制程序
摘要：
可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，作为工业自动控制的核心控制部分，使系统的控制精度更高、反应速度更快、系统稳定性更强。
在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。
本设计以可编程控制器（PLC）为核心，把智能传感器检测、电磁阀和PLC控制相结合，提出了一种基于PLC的液位控制系统的设计方案。
系统运用液位传感器实时检测水箱液位的变化；并且由PLC处理，并控制电磁阀来实现对液位的控制，触屏显示器与PLC相联，可以通过触屏显示器改变液位阈值。
这种液位控制系统具有控制灵活，精度高，易于操作的特点。
关键词：
PLC；液位；自动控制；传感器
DesignofLiquidLevelControlSystemBasedonS7-200：
ThedesignofthesystemandThecontrolprogramofPLC
Abstract：
PLC（ProgrammableController,PLC）questionsdevelopedinrecentyearsisanew,veryusefulindustrialcontroldevice,asthecoreofindustrialautomaticcontrolsystemcontrolsection,thehighercontrolprecision,reactionfasterandbetterstabilityofthesystem.Inallkindsofmechanicalequipmentandproductionprocessofautomaticcontrolsystemhasbeenwidelyusedinindustrialautomation,hasbecomethemaincontrolcontemporaryoneofthedevices.
Thedesignwiththeprogrammablecontroller（PLC）asthecore,theintelligentsensor,solenoidvalveandPLCcontrol,thispaperputsforwardadesignschemeofcontrolsystembasedonPLC.Systemusesliquidlevelsensortocheckthereal-timechangesofliquidlevelofwatertank;andthePLCcontroltheliquidlevelthroughcontrollingsolenoidvalve.ThetouchscreendisplayisconnectedwithPLC,throughchangingthetouchscreendisplaylevelthresholdisset.Thecontrolsystemofliquidlevelhasthecharacteristicsofflexiblecontrol,highaccuracy,easyoperation.
KeyWords:
PLC;Level;Automaticcontrol;sensor
1绪论
1.1课题的背景及意义
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。
从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。
在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。
随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。
引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。
它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。
在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛。
不管是化工、能源、水利、石油还是生活用水供应、饮料食品加工。
各行各业中液位控制都有着广泛且重要的应用。
本设计是对现代液位控制系统的一种模拟，它可以应用到许多液位控制当中，如：
工业现场液位测量与控制、油罐液位测量、化工过程液位控制、制药罐液位控制、食品饮料液罐控制、大坝水位监控、饮用水和污水处理等。
尤其是对一些有毒液体的控制更能突显自动控制的重要性。
节省了人力、保证了安全。
具有很大的使用和推广价值。
1.2PLC的产生，定义和现状
1.2.1PLC的产生，定义
一、可编程控制器的产生
20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。
二、可编程控制器的定义
国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。
该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
1.1.2PLC的发展现状
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2.3PLC的功能、特点
PLC是面向用户专为在工作环境下应用而设计的专用计算机。
它具有以下几个显著特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的，要能适应这样一个具有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的工业环境中，那么，在PLC硬件设计方面，首先应对器件严格筛选和优化，而且在电路结构及工艺上采取了一些独特的方式。
例如，在输入/输出（I/O）电路中采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了抗干扰性能；各个I/O端口除采用了常规模拟滤波以外，还加上数字滤波；内容采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了合理的电路程序，对模块可进行在线插拔，调试时不会影响各机的正常运行，其平均无故障运行时间在3000~5000h以上。
（2）编程简单、直观
PLC是面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉继电器控制线路的特点，在PLC的设计上，没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用一种面向控制过程的梯形图语言。
梯形图语言与继电器原理图类似，形象直观，易学易懂。
电气工程师和具有一定知识的电工工艺人员都可以在很短的时间内学会。
PLC继承了计算机控制技术和传统的继电器控制技术的优点，使用起来灵活方便。
近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（SequentialFunctionChart）,使编程更简单方便。
（3）控制功能强
PLC除具有基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配上特殊的功能模块还可实现位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能。
PLC可连接成为功能很强的网络系统，低速网络的传输距离达500~2500m，高速网络的传输距离为500~1000m,网上结点可达1024个，并且高速网络和低速网络可以级连，兼容性好。
（4）易于安装，便于维护
PLC安装简单，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间是一半地方。
在从继电器控制系统改造到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器箱附近并将连线接向已有接线端，而且改换很方便，只要将PLC的输入/输出端子连向已有的接线端子排即可。
在大型PLC系统的安装中，远程输入/输出站安置在最优地点，远程I/O站通过同轴电缆和双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，远程子系统也意味着系统不同部分可在到达安装现场地前由PLC工程商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。
由于几乎所有的器件都是模块化的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，能指示器件是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
总之，在工业应用中使用PLC的优点是显而易见的。
通过PLPC的使用，使用户获得高性能、高可靠性带来的高质量和低成本
1.3本课题设计内容
本课题将在以下几方面对液位系统进行研究和论证：
控制系统可以根据生产的需要对液位进行来设定，当液位低于设定限位时自动关闭电磁阀提高液位，当液位高于限定值时打开电磁阀降低液位。
操作人员可以通过触摸屏进行液位设定，控制监控等操作。
2西门子S7-200系列PLC
2.1S7-200PLC系统的基本组成
S7-200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WINCC编程软件及通信电缆等组成。
基本单元
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.基本单元（S7-200CPU模块）也成为主机。
由中央处理单元（CPU）、电源及数字量输入/输出单元责成。
这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中，基本单元可以构成一个独立的控制系统。
扩展单元
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数.
编程器
PLC在正式运行时，不需要编程器。
编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。
S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。
STEP7-Micro/WINCC编程软件
STEP7编程软件是基于windows的应用软件，用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WINCC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
该软件功能强大，界面友好，有联机帮助功能，主要为用户开发PLC应用程序使用；同时也可实时监控用户程序的执行状态，是SIMATICS7-200用户不可缺少的开发工具。
本次设计中PLC系统的选择
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，完全能满足控制要求。
此PLC可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，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。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
2.2STEP7-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1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：
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。
2.3S7-200PLCCUP和输入模块选择
1、PLC选型
1）CPU选择的型号是西门子的CPU-226，它是200系列中一款高档次的CPU，其主要应用于具有较高要求的控制系统中。
和其它型号的CPU相比，其具有更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更强的内部集成的特殊功能。
主要特性如下：
l
•可携带7个模块l
•集成24个输入、16个输入共40个数字量I/O点，最大可扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点l
•13K字节的程序和数据存储空间l
•6个独立的30KHz的高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，并具有PID控制器l
•2个RS485通讯/编程接口，具有PPI通信协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力l
•I/O端子排可很容易的整体拆卸
2）模拟输入模块采用EM235，其输入信号可选择4~20mA信号，本实验即要求输入量为该数，满足要求，因此选用该型号。
3液位控制的基本原理和应用
3.1液位控制的基本原理
本课题设计要求为水罐的液位闭环系统，本控制系统主体由S7-200PLC、水泵、液位传感器、水罐和电磁阀组成，电磁阀用于控制水罐出水口的流量；液位传感器用于检测水箱液位；控制器的输出用于控制电动调节阀的开度，液位控制过程如图3-1所示
由图可知，此设计的控制原理和系统特性：
在上位机显示屏设定液位，并设定高低限报警水位，水罐由水泵上水，编写PLC程序，比较当前水位与设定水位，确定电磁阀的开闭。
3.2液位控制的应用
液位控制被测介质主要为为水、油、酸、碱、工业污水等导电及非导电液体。
液位控制广泛应用于石油、化工、电站、冶金、轻工、制药、造纸、食品及自来水厂和污水处理等领域的自动控制系统中，主要对多种敞口和密闭容器及地下水池、水槽内介质进行测量和远程控制，并可在中央控制室或仪表控制台上进行监控、显示、报警。
例如水塔的水位控制。
在我国，传统的水塔供水系统是非常的普遍，应用比较广泛，但是缺点就是能耗大、控制精度低。
但是，基于自控原理的水位控制器，会依据不断变化的用水量进行自行的调节，不仅可以满足用户用水的需求，和能够提高用户用水的质量。
液位控制系统有很多的优点，结构简单，成本低，安装方便，灵敏性好，节约能源等。
应用液位控制系统即可轻松实现水塔水位的控制。
在以前往往是人员低水箱进行操作，但是这样的话无法对水位进行时刻监视，就无法对水位进行控制，这是非常大的缺点。
因此，液位控制的发展对水位控制的重要性不言而喻，液位控制系统解决了这个难题，可以对水位进行监视和控制，最大限度的避免发生意外，提高了生产效率，节省了资源。
除此之外，在工业作业流程的日渐完善的情况下，液位控制系统在工业设备上的应用也非常的广泛，在当今的造船、发电机设备、水处理、电工造纸、印刷、等方面都得到了广泛的应用，获得了广大用户的一致好评。
4控制系统中的硬件选择
4.1液位传感器的选型
4.1.1液位传感器的选型考虑因素
液位变送器是一种常用的测量仪器，应用的范围是很广泛的，在很多的领域当中都有一定的应用。
液位变送器在选型的时候也是有一定的标准的，用户可以根据标准来选型。
1、测量对象，如被测介质的物理和化学性质，以及工作压力和温度、安装条件、液位变化的速度等；
2、测量和控制要求，如测量范围、测量（或控制）精确度、显示方式、现场指示、远距离指示、与计算机的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。
3、液位变送器在生产的时候有很多的于行业规范和标准的要求，需要进行特殊环境的工艺处理，既要求量程小、精度高，又要求耐高温、耐腐蚀及高过载承受能力的液位变送器。
所以在液位计选型的时候一定明确业危机的适用范围。
4.1.2CFBPY投入式液位器
1、概述
CFBPY投入式液位传感器，将扩散硅充油芯体封装在不锈钢壳体内，前端防护帽起保护传感器膜片的作用，也能使液体流畅地接触到膜片，防水导线与外壳密封连接，通气管在电缆内与外界相连，内部结构防结露设计。
CFBPY型内置微型信号处理电路，可进行远程传输，具有良好的稳定性和可靠性。
CFBPY投入式液位传感器广泛应用于水利、环保、工业过程控制、石油、化工、医药等领域的液位测量控制。
2、特点
•坚固密封
•高可靠，高精度
•多种封装类型可选择
•防结露、防雷击设计
•抗干扰强，长期稳定性好
•质保期：
12个月
3、性能参数
◇电源电压：
典型24VDC
◇外壳材质：
升级会员 