基于PLC的液位控制

摘要

本次课程设计的课题是基于PLC的水箱液位控制系统的设计。涉及到的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析，S7-300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，应用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应用PLC语句编程来控制水箱水位。

关键词：S7-300西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、压力变送器、电动调节阀、变频器，PID指令。

目录

摘要............................................................................................................................................. I 第1章引言 . (1)

1.1 实验目的 (1)

1.2 实验原理 (1)

1.3 设计方案的确定 (2)

第2章系统硬件介绍 (2)

2.1 西门子PLC控制系统简介 (2)

2.3模拟量输入模块 (3)

2.4模拟量输出模块 (3)

2.5 电源模块 (4)

第三章系统硬件控制设计 (5)

3.1 系统设计 (5)

3.2 硬件设计 (6)

3.2.1 检测单元 (6)

3.2.2 执行单元 (7)

第四章软件设计 (8)

4.1 FC105 介绍： (8)

4.2 FC 106 介绍： (8)

4.3 FB41 介绍 (9)

4.4 软件控制流程图： (10)

第五章程序实现 (10)

5.1 step 7 软件编程： (10)

5.2程序调试与结果 (15)

5.3 过程中出现的问题与解决办法 (15)

第6章实验心得与体会 (19)

附录：程序清单 (20)

参考文献 (24)

第1章引言

1.1 实验目的

1熟悉可编程序控制器的工作原理、主要参数、硬件结构、模块特性、安装配置及指令系统、程序设计、调试方法。

2、熟悉S7-300模拟量模块的工作原理，掌握硬件安装接线的方法及软件的设置及编程。

3、掌握模拟量模/数、数/模转换的原理，输入输出编程方法及STEP7开发环境的使用。

4 掌握过程控制的中pid的调节方法，实现液位的自由控制。

1.2 实验原理

本次实验采用PLC 控制，将液位控制在设定高度，根据上水箱液位信号输出给PLC ，PLC根据P I D 参数进行PID 运算，输出信号给变频器，然后由变频器控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制液位的恒定的目的。

单容水箱液位的控制原理：

图1-1单容水箱液位的控制原理：

本次实验原理：根据设定的流量输出给PLC ，用PLC 的输出来控制变频器，用流量计测出流量信号的反馈给PLC ，有PLC 进行比较和运算输出给变频器，从而达到流量的平衡。

图1-2液位控制系统原理框图

1.3 设计方案的确定

液位高度与水箱底部的水压成正比，故可用一个压力传感器来检测水箱底部压力，从而确定液位高度。要控制水位恒定，需用PID算法对水位进行自动调节。把液位变送器检测到的水位信号4～20mA送入至S7-300 PLC中，在PLC中对设定值与检测值的偏差进行PID 运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节进水量。水泵电机的转速可由变频器来进行调速。

过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有，PID控制算法，预测控制自适应控制，智能控制。大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高达90%)可取得较好的控制结果。采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机的结合往往可以进一步提高控制质量。

图1-3实验系统流程图

第2章系统硬件介绍

2.1 西门子PLC控制系统简介

S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，可以和计算机连接，PLC作为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个，由于使用Flash EPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使S7-300成为完全无维护的控制设备。

S7-300系列PLC的主要特点是：

（1）功能强

●极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMECLAMS联网

的网络功能，使S3-300功能更强。

●强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接

系统和无槽位限制的模块化结构。

●快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。

（2）通用，着眼未来

●满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。

●模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。

●用于与SIMATIC其他产品相连的接口，集成了MMI(人机界面)设备，

用户友好的Windows STEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投

资。

2.2 CPU模块

CPU 314C-2 DP( 6ES7 314-6EH04-0AB0)：是紧凑型CPU，适合安装在分布式结构中。通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。集成的数字量和模拟量I/O 可直接与过程连接，PROFIBUS DP 主站/从站接口允许连接独立的I/O 单元。因此，CPU 314C-2 DP 既可以用作本地单元进行快速预处理，也可以用作带从属现场总线系统的一个高级控制。通过集成的与过程相关的功能还可以实现其它应用：计数，频率测量，PID 控制。

2.3模拟量输入模块

系统中从检测装置过来的模拟量需经过A/D转换才能输入到CPU处理，这就要求PLC有模拟量输入处理模块。SM 331模拟量输入[简称模入(AI)] 模块目前有三种规格型号，即12

8⨯

AI位模块和12

AI位模块、16

8⨯

AI位模块。

2⨯

本次实验的模拟量输入/输出模块采用，SM331 AI8x12bit(6ES7 331-7KF02-0AB0)，该模块有8输入通道（默认地址：PIW256-PIW271）、测量范围：0～10V电压、0～10KΩ电阻或Pt 100），输出范围0～10V电压值或4～20mA电流值

SM 331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。

2.4模拟量输出模块

经过CPU处理后的结果是数字量，而执行机构能接收的信号是模拟信号，这