PID 水箱水位PLC控制
基于PLC和组态王的液位PID控制系统讲解
目录1 《控制系统集成实训》任务书 (2)2 总体设计方案 (4)2.1 系统组成 (4)2.2 水箱液位控制系统构成 (4)2.3 水箱液位控制系统工作原理 (5)2.4 仪表选型 (6)2.4.1 GK-01电源控制屏 (6)2.4.2 GK-02传感器输出与显示 (7)2.4.3 GK-03单片机控制 (7)2.4.4 GK-07交流变频调速 (8)2.4.4 GK-08 PLC可编程控制 (8)2.5 PLC设计流程图 (9)3 外部接线图 (10)4 I/0分配 (10)5 梯形图 (11)6 组态王界面 (15)6.1 主界面 (16)6.2 数据词典 (16)6.3 曲线监控 (17)6.4 水流动画程序 (18)7 调试和运行结果 (19)7.1 比例控制 (19)7.2 比例积分调节 (19)心得体会 (21)参考文献 (22)1.《控制系统集成实训》任务书题目：基于PLC和组态王的液位PID控制系统一、实训任务本课题要求设计液位PID控制系统，它的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度,并通过PID控制减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
1.实训模块：1、THKGK-1过程控制实验装置GK-02、GK-07、GK-08。
2、计算机及STEP7运行环境（安装好演示程序）、MPI电缆线，组态王软件。
2.控制原理和控制要求：控制原理如图所示，测量值信号由S7-200PLC的AI通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC 的AO通道输出。
用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。
S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机组态王软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。
二、实训目的通过本次实训使学生掌握：1）实际控制方案的设计；2）编程软件的使用方法和梯形图语言的运用；2）程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。
单容量水箱液位pid控制实验报告
单容量水箱液位pid控制实验报告一、实验目的本实验旨在通过单容量水箱液位pid控制实验，掌握PID控制器的基本原理及其在工程中的应用，熟悉液位传感器的使用方法，了解单容量水箱液位pid控制系统的组成和工作原理。
二、实验原理1. PID控制器PID控制器是一种用于工业过程自动化控制的常见算法。
PID是Proportional-Integral-Derivative（比例-积分-微分）三个英文单词的缩写。
PID算法通过对过程变量进行采样和比较，计算出误差，并根据误差大小进行调整。
其中比例项P、积分项I和微分项D分别代表了对过程变量偏差大小、偏差持续时间以及偏差变化率的反馈调整。
2. 液位传感器液位传感器是一种用于测量液体或固体物料高度或深度的设备。
常见的液位传感器有浮球式、压力式、电容式等多种类型。
本实验中采用电容式液位传感器进行测量。
3. 单容量水箱液位pid控制系统单容量水箱液位pid控制系统由水箱、液位传感器、PID控制器和执行机构（如电磁阀）组成。
系统的工作原理是：液位传感器采集水箱内的液位信号，将其转换为电信号并传输给PID控制器；PID控制器通过比较设定值和实际值之间的误差，输出相应的控制信号给执行机构，使其调节水箱内的水流量，从而维持水箱液位稳定在设定值。
三、实验步骤1. 搭建实验装置将单容量水箱与电磁阀、电容式液位传感器等连接起来，组成完整的单容量水箱液位pid控制系统。
2. 设置PID参数根据实际情况，设置合适的PID参数。
其中比例系数Kp、积分系数Ki 和微分系数Kd需要进行适当调整以达到最佳效果。
3. 进行实验测试将设定值设置为一定值，并记录下当前的反馈值。
根据反馈值计算出误差，并通过PID控制器输出相应的调节信号给执行机构。
随着时间的推移，观察液位是否能够稳定在设定值附近。
4. 调整PID参数如果发现液位不能够稳定地保持在设定值附近，需要对PID参数进行适当调整。
可以通过增大或减小比例系数、积分系数和微分系数来调整系统的响应速度和稳定性。
基于PLC的水位PID控制系统设计
基于PLC的水位PID控制系统设计摘要可编程控制器是近年来发展迅速，应用广泛的工业控制装置，是一种专为工业应用而设计的数字电子控制系统。
它采用了灵活、方便，快捷的可编程序控制形式和结构，通过数字量或模拟量的输入与输出过程中的信号转换，完成控制中的各类生产和生活过程。
基于PLC的PID水位控制系统已经广泛应用于人们的日常生产生活中，它成功的解决水箱对恒定水位的要求。
在工业和生活供水方面有它独特的应用，具有成本低，精度高，稳定性好，易于操作和管理，劳动强度低等优点。
基于PLC的PID水位控制系统采用西门子S7-200系列中PLC-CPU226为基础，结合模拟量模块E231、液位传感器、输入控制液压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于S7-200系列中PCL-CPU226的水箱水位控制系统，对水箱的水位进行监测与控制。
设计主要包括两个部分：硬件部分和软件部分。
硬件部分：CPU 模拟量块液位传感器输入控制液压阀输出控制液压阀等软件部分：PID逻辑控制梯形图控制程序关键词：PLC，PID，水箱水位，自动控制PLC-BASED PID CONTRAI YSTEM FOR THEWATER LEVELABSTRACTProgrammable logic controller is developed rapidly in recent years, the application of a wide range of industrial control devices, is a specially designed for industrial applications of the digital electronic control system. It uses a flexible, convenient and efficient process control can be made available for the form and structure, through digital or analog input and output signal conversion process to complete the control process of various types of production and life.PLC based on water level control system PID of already widely used in the production of people's day-to-day life, its success to solve the constant level water tank requirements. Water supply in the industrial and life has its unique application of low cost and high precision, good stability, ease of operation and management, and low labor intensity.PLC-based control system the PID level S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module E235, liquid level sensors, type of hydraulic control valves, hydraulic valves, such as output control, based on the formation of a S7-200 series PCL-CPU226 tank water level control system, the water level of the water tank monitoring and control.Design mainly includes two parts: hardware and software parts.Hardware components: CPU block level analog sensor input to control the output of hydraulic control valves such as hydraulic valvesSoftware: PID control ladder logic control programKEY WORDS: PLC，PID，level water tank，control目录前言 (1)第1章PLC概述 (2)1.1 PLC的产生 (2)1.2可编程控制器的发展 (2)1.3 PLC的特点 (3)1.4 PLC的基本构成 (3)1.5 PLC的各组成部分 (4)1.6 PLC的工作原理 (5)1.7PLC的主要应用 (6)第2章系统硬件设计 (7)2.1系统要求 (7)2.2系统设计思路 (8)2.3可编程控制器的选择 (8)2.4 CPU226型PLC的特点 (9)2.5 EM235模拟量模块 (10)2.6液位传感器 (12)2.7流量控制阀 (12)2.8 PLC输入和输出分配表 (13)2.9接线图 (14)2.10手动供水电路图 (15)2.11报警系统 (16)第3章PID控制 (17)3.1 PID控制介绍 (17)3.2 PLC实现PID控制的方式 (20)3.3 PLC PID控制算法 (20)3.4 PID指令及回路表 (22)3.5模拟量信号转换 (23)第4章软件设计 (24)4.1软件系统概况 (24)4.2水位PID控制的逻辑设计 (24)4.3梯形图编程 (27)4.4联机和运行 (30)结论 (32)谢辞 (33)参考文献 (34)前言可编程控制器（Programmable logic controller，PLC）是近年来发展迅速，应用广泛的控制装置，是一种为工业和生活应用而设计的数字电子控制系统。
PLC水箱液位控制设计
PLC水箱液位控制设计水箱液位控制是工程和工业应用中的一个重要任务，受到工业生产和生活的影响。
PLC（可编程逻辑控制器）被广泛应用于自动化控制系统中。
在这里，我们将讨论PLC在水箱液位控制中的设计和应用。
一、设计要求1.自动控制水箱液位:根据需要自动控制水箱液位，以保持水箱液位在合适的范围内。
2.液位传感器:使用能够准确测量液位的传感器，例如超声波、浮子或电容传感器等。
3.控制阀门:根据液位传感器的信号，控制阀门的开关来调节进出水的流量。
4.安全保护:设置安全保护机制，如最高和最低液位报警，以防止水箱溢出或干涸。
二、系统设计1.硬件设计：选择适当的液位传感器、PLC和执行器，如电磁阀，来实现水箱液位的控制。
2.软件设计：编写PLC的控制程序，包括液位传感器读取、液位控制算法和输出控制信号给执行器的逻辑。
3.输入输出设计：将传感器连接到PLC的输入模块，并将执行器连接到PLC的输出模块。
4.安全保护设计：为了确保系统的安全性，设计液位报警机制，当液位低于最低限制或高于最高限制时，触发报警信号。
三、工作原理1.初始状态：水箱液位低于最低限制，控制系统开始工作。
2.传感器读取：PLC读取液位传感器的信号，并将其转换为数字量进行处理。
3.液位控制算法：根据传感器信号，PLC计算水箱液位的偏差，并决定相应的动作，如开启或关闭阀门。
4.输出控制信号：根据液位控制算法的结果，PLC将控制信号发送到执行器（电阀）以调节进出水量。
5.液位报警：如果液位低于最低限制或高于最高限制，PLC将触发报警信号以提醒操作员。
四、实施细节1.选择合适的液位传感器：液位传感器的选择取决于应用场景和预算。
超声波传感器具有高精度和无接触的特点，但价格较高。
浮子和电容传感器价格较低，但精度较低。
2.选择适当的PLC：根据应用要求选择适当的PLC。
考虑到通信接口、输入输出数量和处理速度等因素。
3.选择适当的执行器：根据流量要求选择适当的执行器，例如电磁阀。
基于pid的二阶水箱液位控制
1.绪论液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。
双溶水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果。
以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。
PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求；在这组态软件编程语言可以弥补它的不足，因为运用此方法非常简单。
本文在S7-200环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对二阶水箱液位的控制。
1.1本设计主要研究内容（1）水箱液位串级控制系统总体设计（2）PLC程序设计（3）MCGS监控画面设计（4）PLC与MCGS变量连接和通讯（5）PID参数的整定2．串级控制系统设计2.1水箱系统组成水箱系统由两个串联水箱、一个大水箱、一个水泵、两个压力变送器、管道及若干阀组成。
两个压力变送器通过分别检测两个水箱压力来确定水位高度。
2.2信号间转换关系压力变送器检测水箱压力在0～5000pa范围内，经过压力变送器转换成1～5V模拟量电压信号； 1～5V模拟量信号经过转换成6400～32000数量信号，再将其输送到PLC 中；经过程序控制，对应0～50cm水箱水位。
本设计用PLC检测到下水箱压力变送器传来的数字量信号为3200～16000，其对应的水箱水位在0～30cm之间。
2.3二阶水箱系统结构二阶水箱液位控制系统的逻辑结构如图2.3.1图2.3.1本系统是由上下两个水箱串联组成，下水箱的液位为系统的主控制量，上水箱的液位为副控制量。
本系统的控制目的，不仅要使下水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在上水箱时，由于它们的时间常数均小于下水箱，故在下水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。
西门子PLC高级项目应用 第四章 水箱的PID控制
FACTORY I/O是一款蕴含了工业系统搭建、PLC编程、PLC控制系统调试等技能训练的PLC交互式教学仿真软件。FACTORY I/O提供超过20个典型的工业应用场景让您如身临其境般地练习控制任务。
创建虚拟水箱
选择Level Control
创建虚拟水箱
创建后的虚拟水箱
高级设置—手动输入PID参数
① 启用手动输入后，在PID_Compact组态界面才可以修改PID参数 ② 通过组态界面修改参数（此处修改的参数对应工艺对象背景数据块>Static>Retain>PID参数）需要重新下载组态并重启PLC。建议直接对工艺对象背景数据块进行操作。 ③ 控制器结构可在预调节和精确调节期间计算PID或者PI参数。
01
虚拟水箱控制系统搭建
液位的手动调节
液位的PID调节
第四章 水箱的PID控制
02
03
什么是虚拟水箱控制系统
PLC控制器
液位计
进水阀
出水阀
本项目采用FACTORY IO软件提供的虚拟水箱代替实际居民楼屋顶水箱，使用西门子S7-1200PLC（CPU1212C DC/DC/DC）作为虚拟水箱的控制器，对水箱进行液位控制。
高级设置—输出值限值
① 在“输出值的限值”窗口中，以百分比形式组态输出值的限值。无论是在手动模式还是自动模式下，都不要超过输出值的限值。 ② 手动模式下的设定值必须介于输出值的下限与输出值的上限之间的值。 ③ 如果在手动模式下指定了一个超出限值范围的输出值，则CPU会将有效值限制为组态的限值。 ④ PID_Compact可以通过组态界面中输出值的上限和下限修改限值。最广范围为-100.0到100.0，如果采用Output_PWM输出时限制为0.0到100.0。
(整理)基于PID调节的水箱水位的PLC控制组态图.
大纲要求
通过安全预评价形成的安全预评价报告，作为项目前期报批或备案的文件之一，在向政府安全管理部门提供的同时，也提供给建设单位、设计单位、业主，作为项目最终设计的重要依据文件之一。
（2）环境影响后评价。
2）购买环境替代品。
直接市场评估法又称常规市场法、物理影响的市场评价法。它是根据生产率的变动情况来评估环境质量变动所带来影响的方容
2.早期介入原则；
（3）专项规划环境影响报告书的内容。除包括上述内容外，还应当包括环境影响评价结论。主要包括规划草案的环境合理性和可行性，预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的合理性与有效性，以及规划草案的调整建议。
PID水箱水位PLC控制
微分（D）调节器
根据误差信号的微分进行调节，误差越大，调节幅度 越大。
PID控制器的参数
Kp
比例系数，影响系统的响应速度和调节精度。
Ki
积分系数，影响系统的稳态误差和积分项的 强度。
Kd
微分系数，影响系统的动态性能和超调量。
PID控制器的优点
05 实际应用与效果分析
实际应用情况
应用场景描述
控制策略实施
硬件配置
PID水箱水位控制广泛应用于工业和 民用领域，如水处理、冷却塔、锅炉 系统等。通过PLC（可编程逻辑控制 器）实现自动化控制，确保水箱水位 稳定，满足工艺需求。
在PLC控制系统中，PID算法用于调节 水箱进水和出水流量，以维持设定水 位。通过实时监测水位传感器信号， PLC计算偏差并输出控制信号至执行 机构。
PID水箱水位PLC控 制
目录
CONTENTS
• PID控制原理 • PLC简介 • PID水箱水位控制系统 • PID水箱水位PLC控制实现 • 实际应用与效果分析 • 结论与展望
01 PID控制原理
PID控制器的组成
比例（P）调节器
根据误差信号的大小进行调节，误差越大，调节幅度 越大。
积分（I）调节器
04 PID水箱水位PLC控制实 现
PLC选型与配置
PLC型号选择
根据控制需求和规模，选择合适 的PLC型号，确保其具有足够的输 入输出点数、处理速度和通讯接 口。
I/O模块配置
根据水位检测和阀门控制等需求， 配置适当的输入输出模块，包括 模拟量输入输出、数字量输入输 出等。
通讯设置
根据需要，配置PLC的通讯接口， 如RS485、以太网等，以便与上 位机或其他设备进行数据交换。
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1）连续系统PID算法
M
(t
)
KC
*[e
1 TI
t
edt TD
0
de dt
]
M
initial
其中： KC 为比例系数，PID回路的增益，用来描述PID回路的比例调节作用； M(t) 为PID回路的输出，是时间函数，决定执行器的具体位置； TI 为PID回路的积分时间，决定积分作用的强弱； TD 为 PID回路的微分时间，决定微分作用的强弱； e 为PID回路的偏差（给定值SP和过程变量PV之差）； Minital 为PID回路输出的初始值，即e=0时的阀位开度。
1.掌握PID指令的功能及应用编程
2.熟悉S7-200系列PLC的结构和外部 I/O接线方法
3【.教熟学悉任S务T】EP7-Micro/WIN编程软件的 1.使练用习方PI法D指令的基本使用方法，能
4.够熟正悉确水编箱制水水位箱PL水C控位制PL工C控作制原程理序和 程序设计方法
2.能够独立完成水箱水位PLC控制线
双字-实数
双字-实数
类型
输入 输入 输入/输出 输入 输入 输入 输入
输入/输出
输入/输出
说明
在0.0～1.0之间 在0.0～1.0之间 在0.0～1.0之间 可以为整数或负数 以秒为单位，必须为整数 以分钟为单位，必须为整数 以分钟为单位，必须为整数
在0.0～1.0之间
最后一次运算的PID过程变量
1 2 3 4 5 6 7
8
9
偏移 地址
0 4 8 12 16 20 24
28
32
域
过程变量PVn 设定值SPn 输出Mn 增益KC 采样时间TS 积分时间TI 微分时间TD
积分和或积分 前项MX
过程变量前项 PVn-1
格式
双字-实数 双字-实数 双字-实数 双字-实数 双字-实数 双字-实数 双字-实数
•LOOP为PID调节回路号，可在 0----7范围选取。为保证控制 系统的每一条控制回路都能正 常得到调节，必须为调节回路 号LOOP赋不同的值，否则系统 将不能正常工作。 © 2006 Embedded
PID指令 的使用 参数表初 始化 工作方式 切换
调节类型 选择
数据归一 化处理
描述
将设定值SPn、增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD按照地址偏移量 写入变量寄存器V中
手动工作方式切换到自动工作方式：应将手动工作方式中设定的输出值写入 PID参数表，并使SPn=PVn、PVn=PVn-1、积分和=输出值
PD调节：应将积分时间TI→∞，由于积分和初始值不一定为0，故即使没有积分 作用，积分项也不一定为0
PI调节：应将微分时间TD设置为0 ID调节：应将增益Kc设置为0，由于增益Kc同时影响积分项和微分项，故用于 积分项和微分项的增益Kc约定为1 PID回路输入数据归一化：PID回路有设定值SP和过程量PV两个输入量，PID指 令进行运算前必须先把16位整数转成浮点型实数，然后将实数转成0.0～1.0之间 的标准化实数。 PID回路输出数据归一化：PID回路输出一般是控制变量，而PID回路输出是0.0 ～1.0之间的标准化实数，必须将回路输出转成相应的实际实数数值。
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PID调节指令编程举例
某电炉恒温控制系统，温度在50 ～500 ℃可调，现采用PLC 的PID调节功能实现。系统采用EM231热电偶模块将热电偶检 测到的温度实际值送入PLC的AIW0单元中，作为温度反馈信 号；采用EM232模拟量输出模块将PID运算的结果输出到晶闸 管调功器，实现电炉的恒温控制要求。
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2）离散系统PID算法
M n MPn MI n MDn
其中：Mn 为采样时刻n的回路输出计算值； MPn 为采样时刻n的回路输出比例项值； MIn 为采样时刻n的回路输出积分项值； MDn 为采样时刻n的回路输出微分项值。
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序号
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•表中偏移地址表示相对于参数 表首地址的字节偏移量n。
•9个参数均为实型数据，分别 占用4个字节存储单元，共36个 字节的存储空间。
•参数2、4、5、6、7的数值固 定不变，可以©在200程6 Em序bedd中ed 预先设
指令格式
功能描述
使能输入有效时，PID调节指令对TBL为起始地 址的PID参数表中的数据进行PID运算。
A、通讯口中断
B、I／O中断
C、时基中断
D、顺序中断
答：ABC
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3、定时中断0的时间间隔存储在时间间隔寄存器 （ ）中，定时中断1的时间间隔存储在时间间 隔寄存器（ ）中。
A、SMB33 SMB34 C、SMB35 SMB36
答：BC
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B、 D、
任务十二 水箱水位PLC控制
复习
1、 S7-200系列PLC的中断事件包括三大类， 它们分别是（ ）、（ ）的（ ）。
A、通讯口中断 C、时基中断
B、I／O中断 D、顺序中断答：ABC© 2006 Embedded
2、 S7-200系列PLC的中断事件通讯口中断、I／O 中断和时基中断,其中最高优先等级属（ ），中 间级属（ ），最低优先等级为（ ）。
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在工程实际应用中，当被控对象的
结构和参数不能完全掌握，或得不
到精确的数学模型，而控制理论的
其它技术难以采用时，系统控制器
的结构和参数必须依靠经验和现场
调试来确定，这时应用PID控制技术
最为方比便例。（典P 型PID回路控制系统如
图所示）：控制
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4、梯形图中中断连接指令可用（ ）表示。
A、 B、
C、
答：A
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D、
复习
5、梯形图中中断允许指令可用（ ）表示。
A、 B、
C、 D、
答：D
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01
教学目标与任务
02
相关理论知识
03
训练任务
04
课堂练习
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【教学目标】
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手动工作方式是指不执行PID运算方 式，自动工作方式是指周期性地执行PID 运算方式。
PID回路输入量转成0.0～1.0之间的 标准化实数是指CPU从模拟量输入模块采 集到的过程量都是实际的工程量，其幅 度、范围和测量单位都会不同。在PLC内 部进行数据运算之前，必须将这些值转 换为无量纲的标准化格式，即0.0～1.0