基于西门子S7-200的水箱液位控制课程设计

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

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.......................................................... 错误！未定义书签。第二章设计任务与要求 .. (3)

2.1 本文研究的目的、意义 (3)

2.2基本任务 (3)

第三章设计基础储备 (4)

3.1 建模过程 (4)

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 (4)

3.3.1 模拟PID控制系统组成 (4)

3.3.2 模拟PID控制器的微分方程和传递函数 (4)

3.3.3 PID调节器各环节作用 (4)

第四章主体设计部分 (4)

4.1 构建硬件回路 (8)

4.1.1 PLC接线 (4)

4.1.2变频器接线 (4)

4.2 编程 (4)

4.2.1 PLC编程 (4)

4.2.1.1 采用S7-200PID向导编程 (4)

4.2.1.2 采用PID指令编程 (4)

4.2.2变频器编程 (4)

4.3 调试 (4)

4.4 遇到的问题及解决方法 (4)

第五章注意事项 (21)

5.1 安全注意事项 (21)

5.1.1 防止触电 (4)

5.1.2防止损坏 (21)

结论.................................................................. 错误！未定义书签。致谢 (21)

参考文献 (23)

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：

12dh

Q Q A dt -=

写成增量形式：

12d h

Q Q A dt ??-?= (1)

式中，1Q ?、2Q ?和h ?分别为偏离某平衡状态10Q 、 20Q 和0h 的增量，A 为水箱的横截面积。

静态时应有12Q Q =，0dh dt =。1Q 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2Q 也发生变化，与h 的近似线性关系为：

22h Q R ??= (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：

221d h R A h R Q dt ?+?=? 经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：

020120()()()11K R H s W s Q s R Cs T s ===++…………3 式中，0K 为过程放大系数，02K R =；0T 为过程的时间常数，02T R C =；C 为过程容量，C A =。

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。S I M A T I C 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

1、PID 调节器的微分方程 ?????

?++=?t D I P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -=

2、PID 调节器的传输函数 ??

????++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()( 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K c 加大，使系统的动作灵敏， 速度加快； K c 偏大， 振荡次数加多， 调节时间加长； 当K c 太大时，系统就会趋于不稳定； 若K c 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K c ， 在系统稳定

的情况下， 可以减小稳态误差E s s ， 提高控制精度； 但是加大K c 只是减少E ss ， 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：

（1） 对动态性能的影响： 积分控制参数T i 通常使系统的稳定性能

下降。T i 太小系统将不稳定； T i 偏小，振荡次数较多； T i太大，

对系统性能的影响减少； T i 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T d 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