基于PLC的水塔水位控制系统毕业设计（论文）.pdf

四川理工学院毕业设计（论文）基于PLC的水塔水位控制系统设计 四川理工学院自动化与电子信息学院 摘要在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常 生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。然 而随着世界人口的不断增长，人们生活用水的增加，以往采用的继电器水塔水 位自动控制系统由于频繁操作会产生机械磨损，不方便维护和更新，已经不能 满足人们的实际需求，本文采用的是西门子S7-200系列小型PLC可编程控制 器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能进行性进 行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位 具体信息传至PLC构成的控制模块，经A/D转换后，进行数据比较，来控制抽 水电机的动作，同时进行数据还原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于 某个设定值是，就会发出危险报警的信号。本文以一个水塔水位控制系统的设 计过程，给出了基于PLC水塔水位控制系统的设计好实现的具体过程。关键词：水位控制，西门子S7-200,传感器ABSTRACTBased on PLC towers water level control system designI n the industrial and agricultural production process,often need to measure and control thewater level.Water level control applications in everyday life are very wide,such as water towers,groundwater,hydropower and other water level control case.But with the growing world population,it is the increase in water,relay towers used in the past,the water level automatic control system operation due to the frequent cause mechanical wear,convenient maintenance and updating can no longer meet the actual needs of the people,the paper used Siemens PLC S7-200 programmable controller as a series of small water tower water level automatic control system core,the water level of the tower the functions of automatic control system of the requirement analysis.Main achieved is through the actual water level sensor detects the water tower,specific information will be transmitted to the water level control module consisting of PLC,the A/D conversion,to compare data,to control the pumping action of the motor,while data reduction,the indicated level specific information,if the water level lower or higher than a set value,we will send the hazard warning signal.I n this paper,a water tank level control system design process,the water tower level control system based on PLC design a good implementation of the specific process.KEY WORDS:Water level control,Siemens S7-200,The sensor目录摘要.IABSTRACT.I第1章引言.1第2章 可编程器简介.22.1 可编程控制器的产生.22.2 PLC的发展.42.3 PLC的基本结构.52.3.1 中央处理单元(CPU).52.3.2 存储器.62.3.3 输入/输出模块.72.3.4 扩展模块.82.3.5 编程器.82.4 PLC的基本工作原理.82.5 PLC的主要应用.92.6 S7-200系列PLC元件功能.10第3章水塔水位控制系统方案设计.133.1 传统水塔水位控制.133.1.1 工作原理.133.1.2 外部接线与控制列表.133.L3程 序编辑及分析.153.2 PI D水塔水位控制系统的工作原理.153.2.1 设计分析.153.2.2 可行性试验.163.2.3 可行性分析.173.3 水位闭环控制系统.17第4章 PLC中PID控制器的实现.194.1 PI D 算法.194.2 PI D 应用.204.3 PLC实现PI D控制的方式.204.4 PLCPI D控制器的实现.214.5 PI D指令及回路表.23第5章 系统硬件开发设计.245.1 可编程控制器的选型.245.2 EM235模拟量模块.255.2.1 EM235的安装使用.265.2.2 EM235的工作程序编制.275.3 硬件连接图.275.4 控制系统I/O地址分配.28第6章 系统软件应用设计.296.1 水位PI D控制的逻辑设计.296.2 梯形图编程.336.3 控制程序.336.4 联机.33第7章结论.357.1 本课题研究结论.357.2 课题存在问题与展望.35致谢.36参考文献.37附录.38第1章引言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是 常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今 天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给 人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工 程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供 足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前 而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能 耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发 展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其 种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，乂有PID控制技术的 发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究 的课题。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生 活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是 在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精 度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC和PID技术能很好 的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。本论文侧重介绍“水塔水位PID控制系统”的软件设计及相关内容，使水 塔水塔维持一定的水位。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传液 位传感器反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在 全流量范围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实 现水塔供水且有效节能。水位PID控制系统集PLC控制技术、PID技术、电子 电力技术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采用该系统进行供水 可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性。第2章 可编程器简介2.1可编程控制器的产生可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶 金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力 上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程 软件和编程技巧，增强了 PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控 制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用 装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑(也简称PC)相混 淆通常将可编程控制器称为PLCo可编程控制器的产生和继电器一接触器控制系统有很大的关系。继电器一 接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工 作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工 作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作 相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制 柜使用，阻碍了产品更新换代。随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩 短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器一接触器控 制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司(GM公司)提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公 开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器一接触器控 制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即：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.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V,2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9.在扩展时，原系统只要很小变更；10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普 通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便 于扩充功能”的原则来设计。用可编程控制器代替了继电器一接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并 且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机 功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接 线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题 的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大 量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输 出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控 制器广泛地应用于各工业领域。1969年，第一台可编程控制器PDP14由美国数字设备公司（DE C）制作 成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生,在控制领域内产生了历史性革命。PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电 路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工 业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三 大支柱（PLC、机器人和CA C/CA M）种跃居首位。我国在八十年代初才开始使用PLC,目前从国外应进的PLC使用较为普遍 的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西 门子公司S系列等。2.2 PLC的发展虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展 过程大致可分为三各阶段：早期的PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定 时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工 业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存 储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软 件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一梯形 图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编 程语言一梯形图一直沿用至今。在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德 国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断 等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程1/0模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈 的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理 器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍 提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专 用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。12.3 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同，中央处理单元(CPU),如下图27所示。编程器输入电路中央处理单元(CPU)系统程序存储器2-1 PLC硬件结构输出电路电源口2.3.1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存 储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状 态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接 收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储 器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入 1/0映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将1/0映象 区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到 停止运行。进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2.3.2 存储器存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户 程序存储器。1、PLC常用存储器类型(1)RA M(Random A ssess Memory)这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。(2)E PROM(E rasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦 除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下 可擦除存储器内容)。(3)E E PROM(E lectrical E rasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修 3 改。2、PLC存储空间分配各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包 括以下三个区域：(1)系统程序存储区(2)系统RA M存储区(包括I/O映象区和系统软设备等)(3)用户程序存储区系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程 序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序 等。由制造厂商将其固化E PROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了 该PLC性能。系统RA M存储区：系统RA M存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。5（I）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态 和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存 储单元（RA M）以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量 I/O占用存储单元中一个位（bit）,一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16 个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量 I/O映象区。（2）系统软设备存储区：I/O映象区区以外，系统RA M存储区还包括PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储 区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC 断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用 户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通 过编程器输入到PLC机的RA M存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程 序存放在E E PROM中。2.3.3 输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借 口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关 量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电 平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输 入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部 件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编 程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参 数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有 接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上 都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出 有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要 用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统 中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须 通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换 后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在 标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。另外还有：0somV 0 TV、一5一+SV、10+10V,010mA等。模拟量输入模块接收标准量程的 模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给 中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成 标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。2.3.4 扩展模块当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接 口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控 制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接 口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频 恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O 模块等。2.3.5 编程器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可 与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用 是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁 带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息 可以重新装入PLC。2.4 PLC的基本工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却 与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描 方式或I/O扫描方式，若有键按下或I/O变化，则转入相应的子程序，若无则 继续扫描等待。PLC则是米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2-3所示PLC的扫描工作过程。2.5 PLC的主要应用经过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，从PLC 的功能来看，它的应用范围大致包括以下儿个方面：（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。它为用户提供儿十个甚至上千个 计时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以由操作人员在工业 现场通过人机对话装置实时设定，计时器的实际计时值也可以通过人一机对话装置实时读出或（3）计数控制 PLC具有计数功能。它为用户提供儿十个甚至上千个 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。计数器的实 际计数值也可以通过人机对话装置实时读出。（4）步进（顺序）控制 PLC具有步进（顺序）控制功能。在新一代的 PLC中，还可以IE C规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图（SFC）编制用户程序，PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更 简便。（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。新一代的大，中型PLC还能进行函数运算，浮点运算等。（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。因此，可以方便地 构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。（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。2.6 S7-200系歹U PLC元件功能1.数据类型数据类型S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整数型和实数型（浮点数）。布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括 16位符号整数（INT）和32位符号整数（DINT）o2.编程元件（1）输入映像寄存器I（输入继电器）,输入映像寄存器的工作原理：输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信 号的接口。PLC中的继电器与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是 软继电器，它实质是存储单元输入映像寄存器的地址分配：S7-200输入映像 寄存器区域有IBOIB15共16个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以 字节（8位）为单位进行地址分配的。（2）变量存储器V变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置 参数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻 址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号 有所不同，CPU221/222 为 VO.0-V2047.7 共 2KB存储容量,CPU224/226 为 V0.。V5119.7共5KB存储容量（3）内部标志位存储器（中间继电器）M内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于 继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在PLC中没有输入/输出端与之 对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外 部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱 动外部负载。（4）特殊标志位存储器SMPLC中还有若干特殊标志位存储器，特殊标志位存储器位提供大量的状 态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以 位、字节、字或双字来存取。（5）定时器TPLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定 时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。（6）计数器C计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。计数器可 提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。(7)累加器A C累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和 结果。CPU提供了 4个32位的累加器，其地址编号为A COA C3。累加器的可 用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加 器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32位。第3章水塔水位控制系统方案设计3.1 传统水塔水位控制水培上限液位开关S4不二水塔下限液位开关S3一出水口 n 水塔rb电磁阀三月五水流水池上限液位开关S2水池下限液位开关SI图3-1传统水塔水位控制布局图3.1.1 工作原理通过指示灯模拟上水水泵，结合钮子开关模拟水位监测信号，模拟了水塔 自动上水控制，当水池水位低于水池低位界面（si为ON）时，电磁阀Y打开进 水（Y为ON）,定时器开始定时，4s后，如果S1还不为OFF,那么阀Y指示灯 闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障，S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当S1 为OFF,且水塔水位低于水塔低位水位界时，S3为ON,水泵M运转抽水。当水 塔水位高于水塔高水位界时水泵M停止。3.1.2 外部接线与控制列表N图3-2传统水塔水位控制电气接线图表3-1水塔水位模拟控制接线列表名称PLC端子说明灯MQ0.0模拟水塔提水水泵电动机运行动作灯丫Q0.1模拟地面水池的进水阀门的开关动作开关S110.0模拟水池水位低限报警信号开关S210.1模拟水池水位高限报警信号开关S310.2模拟水塔水位低限报警信号开关S410.3模拟水塔水位高限报警信号3.1.3 程序编辑及分析（程序见附录）3.2 PI D水塔水位控制系统的工作原理传统的水塔水位控制方式具有占地面积大、投资高、水泵电机频繁起动、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、水漏失严重等缺点；不仅生活用水容 易受到二次污染，而且水泵电机的频繁起动使设备故障率高，检修、维护也存 在困难。因此如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，已是迫在眉 睫。在传统的水塔、水箱供水的基础上，加入了 PLC及液压变送器等器件.利 用PLC和组态软件来实现水塔水位的控制.提供了一种实用的水塔水位控制方 案。在系统中，只使用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程 计算初步确定，但还需要进一步调整达到最优控制效果。系统启动时，关闭出 水口，用于动控制输入控制液体阀，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。这种切换由一个输入的 数字量控制。口”3.2.1 设计分析图3-3设计分析示意图“水塔水位自动控制系统”的控制对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水 位高度正常情况下控制在C、D之间，如图（a）。当水位在低于C点时，水泵 开始进水，如图（b）。当水位高于D点时，水泵停止进水，如图（c）。当水 位低于C点并到达B点时就报警，采取手动启动水泵，如图（d）。当水位超过 D点并到达E点时上限报警，采取强制停止水泵，水位从溢流口流出，如图（e）。3.2.2 可行性试验图3-4为水塔水位控制器的外观正视图，由电源指示灯、报警确认灯、水 位指示灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深 处于不同位置时，水位指示灯B、C、D、E情况不同。0电源指示灯水位指，代灯0 0 0 0B C D E报警确认开关0 口报警谈认灯ON,OFF图3-4水塔水位控制器外观图当水位处于B点之下，指示灯B、C、D、E全亮，报警电路开始报警，即下限报警。当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开始进水。当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持 进水。当水位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮，停进状态，即水泵 不工作。当水位处于E点之上，指示灯B、C、D、E全灭，水泵不工作，报警电路 开始溢出报警，即上限报警。报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确 认电路复位，恢复其监测故障的功能。3.2.3可行性分析此方案采用纯硬件电路设计，避免了软件程序设计中的不稳定因素，提 高了实际运用中的可靠性。同时，对于不同类型的液体，此系统均有良好的兼 容性。当水塔中液体改变时，只需要将电位器中的阻值和该液体的阻值调节到 一个数量级上就可以很方便的实现此液体的水位控制操作。试验证明，此水塔 水位控制器不仅实现了对水塔水位的精确控制，而且，此系统更具有工业生产 的实际性。3.3水位闭环控制系统溢水管下水管 p E下水箱Y0图3-5供水系统控制原理图Ml、M2水泵Y0-Y3液位开关F1一手阀F2电磁阀为了精确的实现对水位的控制，必须建立闭环控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵，使水位处于动态的平衡状态。供水系统的基本原理如图3-5所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的三 个液压变送器，将水位值变换为420 mA电流信号进入PLC,把该信号和PLC 中的设定值的程序进行比较，并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水 位进行自动控制。当PLC出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控 制。手动控制采用交流接触器。上水箱液位低于Y3时，Ml、M2同时工作，F2打开。液位上升至Y2时,M2停止，F2关闭，Ml继续工作。液位上升至Y1时，Ml也停止。打开F1手阀 使上水箱放水，液位下降。当液位又低于Y1时Ml起动工作，如F1开度较大下 水量大于上水量，使液位继续下降至Y2时，M2启动工作同时F2打开，使上水 量大幅上升，保持液位。Y0为下水箱缺水报警开关下水箱液位低于Y0时意味 着水泵进水口缺水，此时应自动切断电源并报警。第4章PLC中PI D控制器的实现4.1 PI D算法PID(ProPortional IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无 论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得 到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成。积 分项的作用是消除系统静差，而微分项则改善系统的动态响应速度。PLC技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。图4.1是常见闭环控制系统的构成。设定值 sp(t)4-1闭环控制系统作为闭环控制的重要特征，采用了“误差”的概念，即:在闭环控制系统 中，利用给定输入sP(t)与实际输出c(t)经过测量装置装置转换后的反馈量 Pv(t)之间的差值e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。在实际闭环控制系统中，误差e(t)一个很小的变化量。因此，为了对系 统进行更精确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能,需要对误差进行放大(比例调节P)、积分(积分调节D、微分(微分调节D),才 能有效地控制系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分、微分等处理的装置称为“调节器”，当调节器具有“放大”、“积分”、“微分”功能时，即成为PID 调节器。在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用PID控制器、软件PID以及变频器内置PID来实现系统的PID调节功能，三种方法各 具优缺点，本设计选用PID算法的PLC实现方法。4.2 PI D应用在工业生产中，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。有人称赞它是控制领域的常青树是 不无道理的。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PLC控制系统中，经常采用模拟量输入/输出模块实现模拟量的数字化 处理，本系统选择S7-200系列E M235模拟量模块，对管网压力信号进行采样，并通过变频器调整液压阀输入与输出。4.3 PLC实现PI D控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下儿种方法：使用PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户 在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至 儿十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。(2)使用PID功能指令现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它 们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以 得到类似于是用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜得多。(3)用自编的程序实现PID闭环控制有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以 使用PID控制指令，但希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需 要用户编制PID控制程序。4.4 PLC PI D控制器的实现PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字 化，写成离散形势的PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图4-2所示。图中山为给定值，pu)为反馈量，c(t)为系统的输入量，PID控制器的输入输出关系式为：1 1,1M(/)=K-I e(t t H-dt+M()L ri 0 td _式中，-控制器的输出，“为输出的初始值，e(t)=sp(t)-pv(t)一 误差信号,Kc-比例系数，7；一积分时间常数，Td-微分时间常数。图4-2连续闭环控制系统方框图上式中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差积分和微分成正比。如果取其中一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。假设采样周期为八，系统开始运行的时刻为t=0,用矩形积分来近似精确 积分，用差