基于西门子S7-200的水箱液位控制课程设计.doc

自动控制系统 课程设计

设计题目 ： 基于PLC的水箱液位PID控制
专 业 ： 自动化
学 号 ： ###
姓 名 ： ###
指导老师 ： ###
成 绩：

控制工程学院
完成时间 ： 2014 年 7 月 4 日

东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 用 纸

基于PLC的水箱液位PID控制

摘 要

本设计的课题是基于PLC的水箱液位PID控制。在设计中，主要是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文设计中用到的PID算法较多，而在PLC方面的知识较少。
本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-200系列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讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。
关键词：S7-200系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，PID指令，

The liquid level control system based on PLC
Author：### Tutor：###

ABSTRACT

The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge.
Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, S7-200 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.

Keywords：S7-200 series PLC, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction,

目录
第一章 绪论 - 1 -
第二章 设计任务与要求 - 2 -
2.1 本文研究的目的、意义 - 2 -
2.2基本任务 - 3 -
第三章 设计基础储备 - 3 -
3.1 建模过程 - 3 -
3.2 实验设备介绍 - 4 -
3.2.1 PLC系统 - 4 -
3.2.2 双水箱锅炉系统 - 4 -
3.2.3 PowerFlex400变频器 - 4 -
3.3 PID控制器算法 - 5 -
3.3.1 模拟PID控制系统组成 - 5 -
3.3.2 模拟PID控制器的微分方程和传递函数 - 5 -
3.3.3 PID调节器各环节作用 - 5 -
第四章 主体设计部分 - 6 -
4.1 构建硬件回路 - 6 -
4.1.1 PLC接线 - 6 -
4.1.2变频器接线 - 6 -
4.2 编程 - 7 -
4.2.1 PLC编程 - 7 -

4.2.1.1 采用S7-200PID向导编程 - 7 -
4.2.1.2 采用PID指令编程 - 11 -
4.2.2变频器编程 - 13 -
4.3 调试 - 14 -
4.4 遇到的问题及解决方法 - 14 -
第五章 注意事项 - 19 -
5.1 安全注意事项 - 19 -
5.1.1 防止触电 - 19 -
5.1.2防止损坏 - 20 -
结 论 - 20 -
致 谢 - 21 -
参考文献 - 22 -

东北大学秦皇岛分校控制工程学院
《自动控制系统》课程设计任务书
专业 自动化 班级 ### 姓名 ###
设计题目：基于PLC的水箱液位PID控制
一、设计实验条件
地 点：实验室
实验设备：S7-200PLC、变频器、水箱
二、设计任务
设计用PLC控制的PID水箱液位控制,控制的任务是使水箱的液位等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位参数为被控对象。交流电动机带动泵通过入水阀门向上水箱供水,出水阀门同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位)的动态调整。能够较好的克服扰动。
三、设计说明书的内容
1、 设计题目与设计任务（设计任务书）
2、 前言（绪论）(设计的目的、意义等)
3、 主体设计部分
4、 参考文献
5、 结束语
四、设计时间与设计时间安排
1、设计时间：6月23日～7月4日
2、设计时间安排：
熟悉课题、收集资料： 3天（6月23日～ 6月25日)
具体设计（含上机实验）： 6天（6月26日～ 7月1日)
编写课程设计说明书： 2天（7月2日～ 7月3日)
答辩： 1天（7月4日）
第一章 绪论
可编程控制器（简称PLC或PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，是一种数字运算操作的电子系统。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术容为一体，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。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，是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。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。
PID控制依然是目前在工业过程控制系统中采用最多的控制方式。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。
由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由液位传感器、PLC、变频器等组成的系统，并采用了PID算法对其控制。
第二章 设计任务与要求
2.1 本文研究的目的、意义
意义：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。
目的：
1、掌握西门子S7-200的PID功能（使用PID向导）
2、熟悉经典的PID的参数，其中包括比例P、积分I、微分D，并学会通过控制结果的趋势图对PID参数进行在线调节
3、熟悉温度传感器、压力传感器等传感器与模拟量模块的接线方式，以及如何构成闭环控制系统
2.2基本任务

图2.1 水箱液位控制图
这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位参数为被控对象。交流电动机带动泵通过入水阀门向上水箱供水,出水阀门同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位)的动态调整。
第三章 设计基础储备
3.1 建模过程
系统示意图如图3-1所示：

图3.1 单容液位水箱示意图
其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度h与流入量Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有：

写成增量形式：
……1
式中，、和分别为偏离某平衡状态、 和的增量，A为水箱的横截面积。
静态时应有，。发生变化，液位h也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此也发生变化，与h的近似线性关系为： …………2
式中，R2为阀门2的阻力系数，称为液阻。将1、2两式整理得：

经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：
…………3
式中，为过程放大系数，；为过程的时间常数，；C为过程容量，。
式3为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。
3.2实验设备介绍
3.2.1 PLC系统
西门子S7-200系列PLC以其极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块而适用于各行各业各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论独立运行或连成网络皆能够实现复杂控功能。S7—200系列PLC在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括水电、核电、火电、各种输电、用电设施，各种机床、机械，环境保护设备及运动系统等。SIMATIC S7—200PLC系统构成包括基本单元（CPU模块）、扩展单元（接口模块）、编程器、通信电缆、存储卡、写入器、文本显示器等。
（1）基本单元（CPU）
S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，组成了一个功能强大的PLC。CPU的主要功能使进行逻辑运算及数学运算，并协调整个系统的工作。本设计用到的cpu模块为CPU 224 XP
（2） 扩展模块EM231
EM231是4个模拟量输入模块，直接与液位传感器的输出端连接，实时采集液位高度。
（3） 扩展模块EM232
EM232模块式2个模拟量的输出模块，与变频器连接，将PID运算结果送到变频器，控制变频器频率从而控制上水电机转速。
3.2.2双水箱锅炉控制系统
采用SAC-JGK 2型过程控制实验装置，其中用到了其中的下水箱、HB26S液位变送器、LZB-25转子流量计、射流式白吸泵。
3.2.3 PowerFlex40变频器
用于后向通道，通过控制变频器来控制电机转速，以实现对进水量的控制，从而最终实现对液位控制的目的。
3.3 PID控制算法
3.3.1、模拟PID控制系统组成

图3.2 模拟PID控制系统原理框图
3.3.2、模拟PID调节器的微分方程和传输函数
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID调节器的微分方程

式中
2、PID调节器的传输函数

3.3.3、PID调节器各校正环节的作用
1. 比例作用(P)
比例控制作用是最基本的控制规律。它能较快的克服扰动影响，使系统稳定下来，但有余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例控制参数对系统性能的影响如下：
（1） 对动态性能的影响:比例控制参数Kc 加大，使系统的动作灵敏， 速度加快； Kc 偏大， 振荡次数加多， 调节时间加长； 当Kc 太大时，系统就会趋于不稳定； 若Kc 太小， 又会使系统的动作缓慢。
（2） 对稳态性能的影响： 加大比例控制系数Kc， 在系统稳定
的情况下， 可以减小稳态误差Es s， 提高控制精度； 但是加大Kc只是减少Ess， 却不能完全消除稳态误差。能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
2. 积分作用(I)
积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用， 构成PI 控制或PID 控制。其中PI 控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的控制系统。积分控制规律对系统性能的影响如下：

25

（1） 对动态性能的影响： 积分控制参数Ti 通常使系统的稳定性能下降。Ti 太小系统将不稳定； Ti 偏小， 振荡次数较多； Ti太大，对系统性能的影响减少； Ti 合适时， 过渡特性比较理想。
（2） 对稳态性能的影响： 积分控制参数能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
3． 微分作用(D)
微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制， 使稳态误差减小， 提高控制精度。但是，如果微分时间常数Td 太大， 这时即使偏差变化速度不是很大， 但因微分作用太强而使控制器的输出发生很大变化，严重影响控制质量和安全生产。

第四章 主体设计部分
4.1 构建硬件回路
4.1.1 PLC接线
首先要了解传感器是二线制还是四线制（说通俗点，四线制就是传感器有四根线，其中两根与电源构成回路，提供电能，另两根是信号线，与处理器连接。二线制就是传感器只有两根线，传感器与处理器串联接入电路），然后根据实际情况按下图接线，图中的PS指的是“外部供电——四线制”的接法，而L+和M指的是“外部电源——二线制”的接法。
再者没有用到的模拟量输入口，则要按标准短接，如下图中的“未用”
需要注意的是，信号线不要太长，且传感器与CPU要使用同一个电源供电

图4.1 EM231模拟量输入接线图
4.1.2变频器接线

图4.2 变频器接线图
用到的端口有14和15，其中14接EM232的M0口，15接EM232的IO口。

4.2编程
4.2.1 PLC编程
4.2.1.1采用s7-200的PID向导编程

从工具栏中选择指令向导

选择PID，如下图

给定值即设定值，范围最好根据控制量的上下限进行设置，如此设置，在对液位进行调整时便于理解，如液位为0到100mm，可以采用此缺省值，则设定值输入50时，说明我们想要的理想值便是50mm（没有硬性规定，依个人习惯，当你输入某个值时，计算机得到的是一个比例数，只要便于自己理解和记忆即可）
比例、积分和微分，初调时积分调为无穷大，微分设为0，只保留比例功能，在线调整稳定后再视情况加积分和微分，采样时间采取缺省值

过程值本次实验采用单极性，如果传感器传出的模拟量有正有负才选用双极性，因为此压力传感器输出为4到20mA，故勾选“使用20%偏移量”。如果是0到20mA或者0到5V，则不使用20%偏移量。过程变量的值，只是在在线调节时为了读数方便而设定的，但是当选择20%偏移量后，便不可更改。输出，可以选择模拟量和数字量，数字量是PWM脉宽调制（如控制固态继电器控制温度），选择模拟量则要注意传感器是4到20ma（1到5v），还是0到20mA(0到5V)，以此判断是否选择20%偏移量。本次控制的是变频器，需要用4到20MA控制。

对于报警，第一次做，故没有勾选，做多了以后可以加进去，只是标志位，暂且用不到

给PID分配地址，可以选择建议地址，这些地址用来构成回路表，把常用的附下，详细的见200的手册

向导后面的设置均可以选择缺省值
完成后将在子程序调用中产生如下子程序，即PID

应用如下，其中PV_I是过程量，即传感器的反馈值（本实验反馈值接在了AIW4）；Setpoint是设定值，建议使用中间变量，这样方便修改调试，本次采用了MD0；Output是控制量输出端口，本次使用的为AQW4

4.2.1.2采用PID指令编写
梯形图如下：

4.2.2、变频器编程
设置速度基准值，由于本次实验采用模拟量控制PowerFlex40，变频器的速度基准值可以采用0到10V电压或者4到20mA的模拟量控制，而PLC模拟量模块只能输出0到5V或者4到20mA电流，故选用后者作为控制方式。

锅炉系统中的电机，允许的最大频率为50HZ，但是在试验中，当电机在50HZ运行时，产生了太大的噪声，故，将变频器的最大频率设为了40HZ，由于担心电机不断的起停会对电机造成太大损坏，故将最小频率设为了1

本次实验采用的是手动停止和启动变频器，故要对启动源和停止源进行设置

到这里，编程就完成了，很简单
注意：变频器更改参数前，要让变频器停止工作

4.3、调试
本设计中最主要的连机调试过程是进行PID参数整定。不同的控制对象和控制环境需要不同的PID参数，即使是同一个控制对象和控制环境，对控制品质的不同要求也需要对PID参数重新进行整定。
先调节比例，初始设为10左右，直至过程曲线比较平稳后，再根据稳态误差的大小对积分时间进行调节。由于液位控制是大惯性的，所以不建议使用微分，只使用PI调节
在调节稳定后，可以使用自整定得出较为完美的PID参数。
起初的图像曲线，效果极差，图像震荡很严重。

先将积分作用去除，适当加大死区后，用纯比例调出相对稳定的曲线后，再慢慢加入微分作用，效果如下：

由曲线看出，系统稳定后存在误差，由于我们知道纯比例环节不能消除余差，只有积分作用才有消除余差，故此时应该加大积分作用，改变积分时间后，效果如下：

再小范围对P和I进行调节。

当提高扰动幅度，之前效果明显下降，适当加大比例为7.5，积分时间不变得到较好的曲线曲线。

因为想让输出值曲线更加平滑一点，考虑到积分是否太大，适当加大积分时间，得到如图所示曲线。

死区设置为2000时的另一组PID参数得到的曲线

死区设为3100时，调出后的曲线：

4.4、遇到的问题及解决方法
1、在接线时，直接从另一个架子上的端子排引的信号线（没有断开传感器与另一个架子的连接，可能有未知的干扰），读数始终为32760，单独从传感器引线（断开其与其他设备的连接）后，问题解决
2、注意事项，EM231的输入端的M要与CPU的，或者模块的M端接在一起（传感器与模块使用同一个电源），为了抑制共模电压
3、关于模拟量地址
CPU 224 XP在CPU上集成了两个模拟量输入端口和一个模拟量输出端口。
CPU 224 XP本体上的模拟量输入通道的地址为AIW0和AIW2；模拟量输出通道的地址为AQW0。S7-200的模拟量I/O地址总是以2个通道/模块的规律增加。 所以CPU 224 XP后面的第一个模块上的模拟量输入通道的地址为AIW4；第一个输出通道的地址为AQW4，AQW2不能用
4、初次调试的图像波动特别的大，导致变频器频繁动作，发热较快，而且长时间调不好曲线，后来发现系统滤波里的死区没有设置过（如下图），经过多

当然，死区、PID参数、采样时间等都是影响输出曲线的因素，他们多是互相耦合，不能只是单单的看一种值变化的效果，得综合考虑各方面的影响，多调试，才能总结出大致规律，才能很好地从曲线的走向来判断出现的问题，以便更好、更快的调出满足要求的曲线。

第五章 注意事项
5.1 安全注意事项
5.1.1防止触电
严格要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，极低电阻不大于4欧姆。
当通电或者正在运行时，请不要做任何维护或者维修活动，接线箱盖子，变频器前盖板否则会有触电危险。
即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子否则基础各种充电回路可能造成触电事故。
不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防触电。
在开始布线或维修之前，请断开电源，经过十分钟以后，用万用表检测剩余电压后进行。
5.1.2防止损坏
水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。
在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏硬件。
系统应远离可燃物体，系统发生故障时，请断开电源，否则，系统可能应为电流过大导致火灾。
各个段子上的电压只能使用额定电压，以防爆炸，损坏。

结 论
设计任何一个过程控制系统，首先应全面了解被控过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后对过程控制系统进行设计、整定和投运。
依据以上系统设计的一般步骤，我们学习了以下水箱液位控制系统和PLC系统的相关知识：
1、 水箱控制系统的一般认识，包括：
² 水位控制原理、传感器的类型、特点。
² 执行器件，电动调节阀的原理与组成。
² 水箱控制系统特性的了解：
Ø 系统静态、动态特性、过渡过程；
Ø 自动控制的基本要求，如稳定性、快速性、准确性等品质指标；
Ø 受控对象的容量特性、平衡特性、时间特性。
² 过程控制基本规律：
Ø 传统PID控制；
2控制核心，PLC系统的了解：
² PLC的一般概念。
² PLC的特点及分类。
² PLC的一般组成，如整体式、模块式（CPU模块、I/O模块、模拟量模块、通讯模块等）。另外，还包括外围接口如人机界面等。
² PLC在水箱控制系统中的应用方法。
在系统设计过程中，我对系统建模、PID算法、PLC控制、变频器的设定及其参数整定有了系统的认识，同时也遇到了一些自己不理解或不能解决的问题，如系统的模型是根据试验数据计算得到的，在试验中存在许多人为的和非人为的误差，在计算公式中忽略了一些不是很重要的项目，调节器参数整定过程复杂等。另外，整个系统对控制精度也不能很好的确定，存在一定的误差，而且，由于时间和本身能力问题，原定的人机界面即触摸屏部分我没有完成。
综上，系统只包括了最基本的部分，有待今后进一步的完善。
致 谢
为期两周的课程设计结束了，在此感谢###老师对本次课程设计的精心指导。同时，还有感谢罗克韦尔实验室为本次课程设计提供的实验设备，让我们在这次试验中充分发挥了动手能力，将学到的知识应用于实践。

参考文献
(1) 孙津平主编、《数字电子技术》、西安电子科技大学出版社，2002年
(2) 周雪主编、《模拟电子技术》、西安电子科技大学出版社，2005年
(3) 刘万忠、刘明芹主编、《电器与PLC控制技术》化学工业出版社，2008年
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(5) 刘笃仁 韩保君编著、传感器原理及应用技术、西安电子科技大学出版社 2003年
(6) 唐介主编、《电机与拖动》，高等教育出版社、2007年
(7) 孙炳达主编、《自动控制原理》、机械工程出版社、2005年
(8) 钱平主编、《交直流调速控制系统》、高等教育出版社、2005年
(9) 王爱广、王琦主编、《过程控制技术》、化学工业出版社、2008年

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82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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