基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計

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中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計） 題目：基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計 學習中心： 內(nèi)蒙古學習中心 學 號： 090F27143005 姓 名： 郭嘉 專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 指導教師： 曹雪林 2016 年 08 月 15 日 中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計）指導教師指導意見表 學生姓名： 郭嘉 學號： 090F27143005 專業(yè)： 機械設計制造及自動化 畢業(yè)設計（論文）題目： 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計 指導教師意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 論文選題符合本專業(yè)方向，內(nèi)容敘述條理清晰、層次分明、邏輯性較強。語言表達流暢。文獻、圖的引入恰當、準確。對文章闡述起到支撐作用。 文章對液位控制作了全面的分析說明，因缺乏具體液位控制實際應用的設計說明，其針對性和實用性不足。 指導教師結(jié)論： 合格 指導教師 姓名 曹雪林 所在單位 呼和浩特職業(yè)學院 指導時間 2016.7.13——10.4 中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱意見表 學生姓名： 郭嘉 學號： 090F27143005 專業(yè)： 機械設計制造及自動化 畢業(yè)設計（論文）題目： 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計 評閱意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 本文以“基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計”為設計實例，闡述了一種通過PLC實現(xiàn)對頁面控制的設計，立意獨特，內(nèi)容豐富。所用資料及計算數(shù)據(jù)詳實可靠。論文結(jié)構(gòu)完整，層析較為清楚，語言較為流暢，格式較為規(guī)范。 修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。） 1、稍微調(diào)整下內(nèi)容格式。 畢業(yè)設計（論文）評閱成績 （百分制）： 75 評閱結(jié)論： 同意答辯 （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯） 評閱人姓名 胡琦 所在單位 中國地質(zhì)大學（武漢） 評閱時間 2015-10-14 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文《基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計》，是本人在導師的指導下獨立進行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料均已明確注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關人員已在文中說明并致以謝意。 本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學術道德和學術規(guī)范，沒有侵權(quán)行為，并愿意承擔由此而產(chǎn)生的法律責任和法律后果。 論文作者（簽字）： 郭嘉 日期： 2016 年 8 月15日 24 中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 在很多工業(yè)生產(chǎn)領域中，常常需要對水箱、貯罐、水池等容器中的液位進行監(jiān)控，針對人工控制液位的準度低、速度慢、靈敏度低等一系列問題。本文提出基于PLC的液位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過將液位傳感器檢測到的電信號送入PLC中，經(jīng)過A/D變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成變頻器相對應的電信來控制水泵轉(zhuǎn)速，最終達到控制液位的目的。通過仿真和分析結(jié)果表明本文所設計系統(tǒng)能夠正常運行并且達到了設計的目的，能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的很多弊端。 關鍵詞： 1、PLC 2、變頻器 3、PID  目 錄 一、緒論 7 二、系統(tǒng)控制方案 9 （一）系統(tǒng)控制原理 9 （二）系統(tǒng)硬件組成 10 三、系統(tǒng)調(diào)試 14 四、PLC程序設計 15 （一）梯形圖程序設計及工作過程分析 15 （二）PLC程序設計關鍵點 16 （三）程序設計編程基本原則與注意問題 19 （四）程序設計舉例 20 五、結(jié)論 22 致謝 23 參考文獻 24 目錄中正文內(nèi)容從第一頁開始 一、緒論 在工作生產(chǎn)過程中，液位控制技術有著十分廣泛的應用。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類流體的液位高度進行監(jiān)測和控制。比如：礦產(chǎn)浮選工藝、以及工業(yè)鍋爐等的大量的應用環(huán)境中都需要使用到液位控制技術。比如在污水處理應用系統(tǒng)中，通過對液面的控制能夠有效的調(diào)節(jié)污水處理， 調(diào)整各種中和藥劑的比例和污水處理的速度， 確保在單位時間內(nèi)能夠有效的對污水進行處理，與之類似的在礦物浮選、工業(yè)鍋爐等諸多應用領域中都需要對液面位置進行精確控制，以保證工業(yè)生產(chǎn)過程的正常有序開展。 然而，隨著工業(yè)控制越來越多的朝著大型化、復雜化和精確化的發(fā)展，傳統(tǒng)的液面控制技術已經(jīng)不能夠滿足當前工業(yè)生產(chǎn)的需求同隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進與提高，人們要求液面控制技術能夠快速、自動、精確的實施控制，并且能夠?qū)σ何豢刂七^程中出現(xiàn)的各種異常情況、以及液位控制的結(jié)果自動的對液位控制過程進行調(diào)整：當液面位置低于控制的預期時，能夠快速的調(diào)整液面位置，使其達到預期設定的液面位置。而且在液位控制過程中，能夠有效的處理各種突發(fā)和意外事件。當液面位置出現(xiàn)突發(fā)性的事件時，能夠快速的進行響應，并迅速將液面位置調(diào)整至目標液面位置。為了進一步提高液位控制的有效性和精確性，除了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)外，近年來，隨著控制技術的發(fā)展，液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的微處理器液位控制系統(tǒng)。 對于液位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制系統(tǒng)控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下： 1、簡單的機械式控制方式 其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。 2、復雜控制系統(tǒng)控制方式 這種控制方式是通過安裝在水箱下方的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到PLC，經(jīng)單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由D/A變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以達到控制水箱液位的目的。 PLC，是Programmable Logic Controller的縮寫，意為可編程控制器?？删幊炭刂破魇且晕⑻幚砥鳛榛A，綜合計算機、微電子、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術而發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置。其本質(zhì)是以微處理器為核心的計算機控制系統(tǒng)。美國國際電工委員會(IEC) 在1987 年對可編程序控制器作出如下定義: 可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應用設計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進行存儲執(zhí)行輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。定義還強調(diào)了PLC 是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，它也是一種計算機，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的”工業(yè)計算機。 本文要求系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)的需要對液位進行設定，當液位低于設定限位時自動啟動水泵進行加液，當液位到達設定值時停泵；操作人員可以通過觸摸屏進行液位的上限和下限的設定、控制監(jiān)控等操作。 二、系統(tǒng)控制方案 （一）系統(tǒng)控制原理 系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理如圖2—1所示，系統(tǒng)主要是由PLC、變頻器、AD/DA模塊、水泵、液位傳感器（液位計）、觸摸顯示屏等組成。 使用PLC作為整個系統(tǒng)的主要核心部分，液位的高低通過液位傳感器采集后，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成PLC可識別的數(shù)據(jù)，PLC在將輸入的數(shù)據(jù)與程序內(nèi)設定的值進行比較，并按PID運算進行誤差對比，最后由變頻器驅(qū)動水泵，并且向PLC反饋自身的工作狀態(tài)信號。 圖2-1 系統(tǒng)控制圖 多余空行 此外，系統(tǒng)帶有觸摸屏顯示裝置，可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、當前壓力、貯水池水位、設定壓力、壓力曲線、變頻器頻率、等各種控制參數(shù)等。系統(tǒng)工作壓力可以由觸摸屏設置。變頻器的作用是為三相水泵的電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使水管的水壓連續(xù)變化。液位計的作用是檢測當前液位壓力。在PLC內(nèi)部設定液壓期望值，壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制運算輸出給變頻器一個控制信號。 控制結(jié)構(gòu)方面：現(xiàn)場使用一臺交流電機，可以使用單臺PLC進行一對一的控制，并采用傳感器、變頻器等有關的各類對象的信息、 系統(tǒng)設計內(nèi)容方面：1. 、能夠遠程控制變頻器的啟動和停止； 2. 、具有水位過高和過低的報警和提示功能； 3. .、變頻器等其他設備的故障能夠及時的反映到PLC上下方多余空行，下面還有很多這種問題 。 （二）系統(tǒng)硬件組成 本系統(tǒng)主要是由兩個模塊構(gòu)成（如圖2—2）：分別是主控制模塊和變頻器調(diào)節(jié)模塊刪除下方空行 。 圖2—2 系統(tǒng)組成圖刪除下方空行 1. 、 主控制模塊 本系統(tǒng)選擇采用SIMENSE S7-200PLC作為主控制器， PLC 的CPU 上有一標準化MPI 接口，稱多點接口網(wǎng)絡，該接口既是編程接口又是數(shù)據(jù)通訊接口，使用S7 協(xié)議，通過此接口與上位計算機之間可進行數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成MPI 網(wǎng)絡。網(wǎng)絡上的設備稱為節(jié)點，每個節(jié)點有唯一的MPI 地址，該地址在S7－200硬件組態(tài)中設置。 PLC 帶有A/D 接口模塊SM331和D/A接口模塊SM332，能將接收到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的信號; 將處理完的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化為模擬量信號提供給電動調(diào)節(jié)閥，控制輸出。PLC通過液位傳感器接收來自水箱的狀態(tài)信息，根據(jù)控制目標（由觸摸顯示屏輸入設置），并按照一定的程序進行分析處理，控制信號通過輸出接口送往變頻器，從而控制整個系統(tǒng)有目的地運行。 選擇CPU226作為S7-200D的主機模塊，其具有40路數(shù)字量的I/O點，可連接7個擴展模塊，最大可以擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。通信方面，CPU226具有2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。各項性能均可滿足液位控制系統(tǒng)的要求。 選擇EM232作為S7-200的模擬量輸出模塊。S7-200輸出的數(shù)字量經(jīng)過光電耦合器，在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過運算放大器后驅(qū)動變頻器。光電耦合器和EM231模塊中的功能一樣，是將內(nèi)外電路隔開，防止外部電磁干擾信號對S7-200內(nèi)部電路造成干擾。EM232模塊提供電流輸出（4~20）mA和電壓輸出（1~5）V兩種模式，由于MITSUBISHI S500變頻器只能接受電流信號，所以選擇電流輸出模式。EM232模塊上部有七個端子，左邊起每三個位為一組，為一路模擬量輸出。每組中包含有電壓負載端子、電流負載端子盒公共端，控制系統(tǒng)只需要一路模擬量輸出下方多余空行 。 2. 、變頻器調(diào)節(jié)模塊 變頻器( Variable－frequency Drive，VFD) 是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流( 交流變直流) 、濾波、逆變(直流變交流) 、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT 的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。 本系統(tǒng)中，變頻器接收S7-200PLC發(fā)出的控制信號并向水泵電機供電，構(gòu)成開環(huán)或者閉環(huán)系統(tǒng)、變頻器室利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。本系統(tǒng)采用的MITSUBISHI S500變頻器，它所采用的矢量控制變頻可以把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓都可以控制的交流電源以供給水泵發(fā)動機。MITSUBISHI S500變頻器電路由整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)三個部分組成。整流環(huán)節(jié)為三相橋式不可控整流器；逆變環(huán)節(jié)為IGBT三相橋式逆變器；直流環(huán)節(jié)能夠起到濾波、直流儲能和緩沖無功功率的作用。 多余空行 傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定 (O0～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。 在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到A／D轉(zhuǎn)換器。 壓力變送器的工作原理見圖42-3。大氣壓力為PA，選定的零液位處壓力為PB，零液位至液面高度為H，其產(chǎn)生的壓差ΔP為 ΔP = PB - PA = Hρg公式中 ρ為水的密度g為重力加速度。 根據(jù)公式利用壓力變送器將PB轉(zhuǎn)換成DC4~20mA統(tǒng)一標準信號送入PLC中便 圖2-3 壓力傳送器工作原理示意 得知被測的液位。 圖2-3 壓力傳送器工作原理示意下面刪除空行 3. 、 觸摸顯示屏： 為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成; ； 觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器; ；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，分別為電阻式、電容感應式、紅外線式以及表面聲波式。 圖2-4 控制系統(tǒng)硬件圖下方多余空行 基于PLC和變頻器的液位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2-4所示?？刂葡到y(tǒng)的主控器S7-200PLC的EM231模擬量輸入模塊接受壓力傳感器送來的DA 4~20mA的水位信號，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號后送至CPU226中，CPU226對檢測值和設定值的偏差進行PID運算，運算結(jié)果經(jīng)EM232模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為94~20mA信號，輸出給變頻器，由變頻器來調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進水量，最終控制水箱內(nèi)的液位穩(wěn)定在設定值。 三、系統(tǒng)調(diào)試第三章內(nèi)容太少 設定PID的參數(shù)，然后啟動系統(tǒng)，開始采集當前也為高低和PID運算。當液位達到當前設置定值得上限值，水泵電機停止工作，當液位達到當前設置定值得上限值，需要時釋壓閥會自動打開釋放液體；當液位低于當前設定值下限是，水泵電機開始工作 圖3-1 PLC水位控制流程圖 四、PLC程序設計 除了硬件選擇以外，軟件編程也是該設計的一個重要環(huán)節(jié)。在PLC 編程中，其常用的編程語言有以下三種指令: ：基本指令、步進指令、跳轉(zhuǎn)指令?；局噶钍亲畛Ｓ玫囊环N指令，簡單易懂; 步進指令方法簡單，順序性較強，主要是對順序控制進行編程; 跳轉(zhuǎn)指令主要用于跳過順序程序的某一部分，正確地使用跳轉(zhuǎn)指令可以大大縮短程序的掃描執(zhí)行時間。 （一）梯形圖程序設計及工作過程分析 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯(lián)等術語和圖形符號，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程，絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖編程。 指令是用英文名稱的縮寫字母來表達PLC的各種功能的助記符號，類似于計算機匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成，比較抽象，通常都先用其它方式表達，然后改寫成相應的語句表，編程設備簡單價廉。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計算機常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過程比較詳細具體，包括每一框前的輸入信號，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達方式。 高級語言類似于BACIC語言、C語言等，它們在某些廠家的PLC中應用。通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有： 1 1、梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。 2 2、梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流：層次的改變也只能自上而下。 3 、梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器為“l(fā)態(tài)”，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“o0態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。 4 、梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。 5 、繼電器線圈在一個程序中不能重復使用：而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數(shù)不受限制。 6 、PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設計梯形圖時，可以減少許多有約束關系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設計大大簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。 當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情 （二）PLC程序設計關鍵點 在液位控制系統(tǒng)中，最主要的程序設計是PID控制器的設計與模擬量信號的處理。對于模擬量輸入信號，只需每隔一定時間間隔采集一次傳感器的輸出液位信號刷新到PLC。若選用的液位傳感器的測量范圍為0～100m，對該傳感器采集到的0～10V輸出信號，PLC模擬量模塊進行A/D轉(zhuǎn)換輸入到PLC，S7－200D PLC對模擬量進行規(guī)范化處理的程序如圖5所示。由于西門子S7－200D系列的PLC不允許將整形數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，因此需要將模擬量通道AIW0 的數(shù)據(jù)通過I_DI 指令轉(zhuǎn)換為DINT數(shù)據(jù)類型，并存放入AC0中，再將AC0中的數(shù)據(jù)使用DI_R轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，這樣提升了計算精度。對于0～10V的輸入信號來說，PLC 采集到的數(shù)據(jù)范圍在0～32000，最后通過MUL_R 指令換算出液位傳感器測量到的實際液位值存儲在VD200。 PID控制器是根據(jù)液位設定值與實際值的差值，按照PID算法計算控制器的輸出量，控制電磁閥的開度去改變液位的。PID控制是負反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化?？紤]液位控制系統(tǒng)屬于大滯后系統(tǒng)，控制器采用PI類型即可。S7-224XP PLC 能夠進行PID控制，S7－200CPU最多可以支持8 個PID 控制回路( 8 個PID 指令功能塊) 。計算機化的PID 控制算法有幾個關鍵的參數(shù)Kc( 增益)、Ti( 積分時間常數(shù))、Td( 微分時間常數(shù))、Ts( 采樣時間)。S7－200的編程軟件Micro/WIN 提供了PID 指令向?qū)?，可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)PID 控制，按照采樣時間Ti 執(zhí)行PID 功能塊。利用PID 指令向?qū)нM行編程，由于傳感器輸出信號為0～10V 的電壓信號，需要指定PID回路輸入類型為單極性。此外，PID指令向?qū)峁┝巳齻€輸出來反映過程值的低值報警、高值報警和過程值模擬量模塊錯誤狀態(tài)以及PID 控制的手動和自動之間的無擾切換的能力。完成后，會在項目中生成PID子程序、中斷程序和符號表等等。PID指令使用了一個120字節(jié)的V 區(qū)參數(shù)表來進行控制回路的運算工作，向?qū)⒆詣訛樵搮?shù)表分配符號名;除此之外，PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標準化程序也需要運算數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 配置向?qū)е噶钔瓿珊?，需在主程序中調(diào)用生成的子程序，如圖4-2 所示是一個最簡單的PID 子程序調(diào)用程序段。用SM0.0來使能子程序，PV_ I 是過程值的模擬量輸入地址AIW0( 上述模擬量輸入信號的規(guī)范化處理)，Setpoint_R 是設定值變量地址，本系統(tǒng)中直接輸入設定值常數(shù)50，根據(jù)向?qū)е性O定回路設定值的范圍( Low Rang～High Rang) 0．0～100．0，若此處輸入常數(shù)50 表示過程值的50%，而過程值的量程圍為0～100m 即設定值為50m，Output是控制量的輸出地址AQW0。為了使項目可以運行，還需要調(diào)試PID 參數(shù)，編程軟件 STEP 7－Micro /WIN V4.0內(nèi)置了一個PID調(diào)試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器輸出波形顯示，新的S7－200CPU支持PID參數(shù)自整定，老版本的(不支持PID自整定)CPU的PID控制回路也可以用手動調(diào)試PID參數(shù)，需要進行調(diào)試的參數(shù)有: 一是采樣時間。計算機必須按照一定的時間間隔對反饋進行采樣，才能進行PID 控制的計算; 二是增益。增益與設定值和反饋的差值的乘積作為控制器輸出中的比例部分; 三是積分時間。偏差值恒定時，積分時間決定了控制器輸出的變化速率; 四是將微分時間設置為0 就不起作用，控制器將作為PI 控制器工作。參數(shù)整定完成后，點擊“Update PLC”將PID參數(shù)應用到當前PLC中去，PID控制器輸出去控制電磁閥的開度，輸出模擬量的規(guī)范化處理與輸入模擬量類似，PLC循環(huán)掃描執(zhí)行程序，刷新輸出。 圖4-1 模擬量得規(guī)范化處理程序 圖4-2 PID子程序調(diào)用程序段 （三）程序設計編程基本原則與注意問題 1. 、程序設計（梯形圖）編程基本原則 （1）梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列。每個繼電器線圈為以邏輯行，又稱為一個梯級。每個梯形圖由多層邏輯行組成。每一邏輯行起于左母線，經(jīng)觸電、線圈終止于右母線。 （2）觸電不能放在線圈的右邊，即線圈與右母線之間不能有任何觸電。 （3）線圈不能直接與左母線相接，如果需要，可通過一個沒有使用的常閉觸電或特殊繼電器R9010相連接。 （4）觸電可以任意串聯(lián)、并聯(lián)，而且同一觸點可以無限次使用。 （5）輸出線圈可以并聯(lián)不能串聯(lián)，同一輸出線圈在同一程序中避免重復使用下面空行 2 2、程序設計注意問題 （1）PLC和觸摸屏組成監(jiān)控系統(tǒng)時，在畫面上很多時候需要有"“手動"“，"”自動"“等控制模式(一般都是多個只能一個時)。在程序里面可以用"“MOV"”指令。如:：當選擇"手動" 就將常數(shù)1存儲到一個寄存器里面， 當選擇“"自動" ： 就將2存儲到同一寄存器。只要判斷寄存器的數(shù)據(jù)是多少，就知道系統(tǒng)是那種控制方式。 這樣的思路好處是容易理解，不需要互鎖之類的麻煩程序。 （2）程序有模擬量控制時，如果讀取的模擬量基本上沒誤差，可以采取時間濾波的方式，延時一段時間(我做過一個系統(tǒng)，基本上能正常反映實際情況，但是偶爾會出現(xiàn)一次很大跳動，由于沒有加濾波，引起了系統(tǒng)停機，其實不算故障)。如果讀取的數(shù)據(jù)誤差很大，就需要采取其它的濾波方式。如算平均值等?？梢圆殚喯嚓P的資料。 （3）在程序調(diào)試過程中(特別是設備改造時，你的程序是加入到原來設備的程序中時)， 當程序語句中出現(xiàn)條件滿足，而輸出線圈不接通時，可以檢查你的這段程序是否是在這樣的語句之間，還有一種可能就是在中斷程序之后。條件滿足而沒輸出不接通，一般都是這段的程序不被掃描。 （4）在設計程序的時候，當出現(xiàn)工藝上的故障 (非控制系統(tǒng)控制)，，最好將故障現(xiàn)象保持，并有燈光聲音報警。 （5）當檢查所設計的程序無誤后，對所輸入的程序進行調(diào)試和檢測。 （四）程序設計舉例 假設情況如下：液位機量程0—3米，對應輸出信號0—10V，通過電位機進行模擬介入PLC模塊的模擬量輸入專口。要求PLC正確讀取液位機的輸出信號轉(zhuǎn)換成水池的液位；水泵控制具有手動與自動兩種模擬；自動模擬下，PLC內(nèi)部根據(jù)液位至控制水泵的啟動和停止，水泵在液位上升至2米時停止，降到1米時啟動；手動模擬下水泵通過按鈕手動啟動/停止；水位上升到2.5米時，觸發(fā)液位超上限報警，故障指示燈常亮；對水泵的運行狀態(tài)進行檢測，當水泵運行信號輸出后，檢測水泵運行反饋信號。如水泵運行信號，輸出1秒后未收到水泵運行反饋信號，則故障指示燈閃亮，同時復位水泵運行信號。ALW0 輸入信號0—10V，對應PLC寄存器數(shù)量0—3200D，輸入信號五路、輸出信號四路，見表4-1. 表4-1 I/O分配表 輸入/輸出 功能 I0.0 自動手動模擬裝換開關SA0，當I0.0接通時為自動模擬，I0.0斷開時為手動模擬狀態(tài)。 I0.1 水泵手動啟動按鈕SB1，常開點。 I0.2 水泵停止按鈕SB2，常閉點。 I0.3 故障復位按鈕SB3，常開點 I0.4 水泵運行狀態(tài)反饋，正常狀態(tài)下，水泵運行信號輸出后接通，水泵運行信號斷開后斷開。 Q0.0 自動模擬指示燈HL0. Q0.1 水泵運行狀態(tài)指示燈HL1. Q0.2 故障指示燈HL2，超液位報警時常亮，水泵反饋信號異常報警時閃亮。 Q0.3 水泵運行輸出KA3。 根據(jù)“液位機量程0—3米，對應輸出信號0—10V”可得出：1米對應3.33V，2米對應6.67V，2.5米對應8.33V，再由“ALW0 輸入信號0—10V，對應PLC寄存器數(shù)量0—3200D”可得出：1米對應數(shù)字量10667，2米對應數(shù)字量21333，2.5米對應數(shù)字量26667。 圖4-3 參考程序梯形圖 I0.0自動 / 手動，模擬開關，當改變它的狀態(tài)時，其前后沿都使Q0.3=0，目的是確保進入自動模擬或手動模擬狀態(tài)時，水泵都處于停止狀態(tài)。 I0.0=0（手動模擬狀態(tài)）：按一下啟動開關I0.1，使Q0.3=1，水泵運行，按一下啟動開關I0.2，使Q0.3=0，水泵停止。 I0.0=1（自動模擬狀態(tài)）：當液面上升2米高時，模擬塊輸出的數(shù)字量ALWO=21333，圖中2M支路的比較器動作，使Q0.3=0，水泵停止運行。同時T100得電開始延時，延時1秒時，如I0.4=1即水泵運行狀態(tài)反饋正常狀態(tài)下，其常閉點斷開，不會觸發(fā)M2.0，即不報警，但如I0.4=0（即水泵運行狀態(tài)反饋異常狀態(tài)），其常閉點閉合，將觸發(fā)M2.0，使M2.0=1，Q0.2閃動輸出，即發(fā)出反饋異常報警。當液面高度低于1米時，ALWO<10667，第二個比較器動作，使Q0.3=1,水泵運行。當液面高度高于2.5米時，ALWO>26667，第三個比較器動作，使Q0.3=0,水泵停。又使M2.1=1，Q0.2=1，發(fā)出故障報警。處理完故障后，按一下I0.3，其M2.0與M2.1=0，復位。 五、結(jié)論 隨著計算機技術的發(fā)展，計算機控制技術在過程控制中占有十分重要的地位。液位控制在工業(yè)控制領域中有十分重要的作用和應用價值。研究液位控制理論和實現(xiàn)技術，既能夠提高工業(yè)控制中的液位控制能力，同時又也助于提升工業(yè)控制中的控制自動化水平。而且由于液位控制的應用面十分廣泛，因此研究和設計面向工業(yè)控制領域中的液位控制系統(tǒng)，具有較強的統(tǒng)用和推廣應用價值。液位控制系統(tǒng)是PLC 在工業(yè)控制中的重要應用。本文采用PLC為主控制器、變頻器為執(zhí)行器，設計了一套液位控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點，能滿足一般化工生產(chǎn)過程中對液位的控制要求。 致謝 本論文是在曹雪林老師的親切關懷和悉心指導下完成的，他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。曹老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向曹老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后，再次對 關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！ 參考文獻 [1]. 吳智敏、陽勝峰，西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程，中國電力出版社，2009年05月第1版 [2]. 吳建強，姜三勇， 可編程控制器原理及應用， 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000年 [3]. 鄭萍主編，現(xiàn)代電氣控制技術，重慶大學出版社，2003年03月第二版 [4]. 祁鴻芳等，PID 算法在西門子 PLC模擬量閉環(huán)控制中的實現(xiàn)，機床電器，2005年1月 [5]. 廖常初.PLC編程及應用，機械工業(yè)出版社.2002年9月第1版 [6]. 薛美盛等，工業(yè)過程的先進控制，化工自動化及儀表，2002年29卷第2期 [7]. 王樹青等，先進控制技術及應用，化工自動化及儀表，1999年26卷第2期 [8]. 李 平等，預測控制研究的概況，化工自動化及儀表，1995年22卷第6期 [9]. 蔡子玉，基于西門子S7-200PLC的某反應釜壓力安全監(jiān)測與報警系統(tǒng)，安全技術, 2010年第3期 [10]. 楊達飛、歐艷華，基于PLC 的液位控制系統(tǒng)研究與設計，柳州職業(yè)技術學院學報，2015年第15卷第2期文中并沒有標出參考文獻序號