基于PLC水箱液位控制系统毕业设计
基于S7-400串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控
2012届毕业设计说明书串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控系、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称教授专业：自动化班级：完成时间：2012年5月摘要本次毕业设计的课题是基于PLC的双容水箱液位串级控制系统的设计。
在设计中充分利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能、计算机技术、通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
并结合STEP 7环境编程的便利性，采用可靠的现场总线接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。
利用WINCC开发服务器端画面，在PLC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。
借助数据采集模块﹑WINCC组态软件和PID控制算法，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。
此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。
关键词：双容水箱；液位控制；S7-400西门子PLC；WINCC组态软件；PID 控制算法ABSTRACTThe graduation design subject is based on PLC double let water level cascade control system design. In the design make full use of WINCC human-computer interface, data collection function, the computer technology, the communication technology and the automatic control technology, so as to realize the water level of the cascade control. And combined with STEP 7 environment of the convenience of programming, the reliable field bus interface build WINCC and PLC, double let water tank of data communication between. Use WINCC development server picture, in PLC client environment write control program, and finally achieve the water level to the precise control. Drawing on data acquisition module, WINCC configuration software and PID control algorithm, the design and form a remote computer process control system, complete control system experiment and analysis. Methods using simple, reliable, and can be widely used in industrial production process of liquidlevel control problem. This system can also meet the needs of the factory for the control system, and has huge application prospect.Key words: double let water tank; the liquid level control; siemens S7-400 PLC; WINCC configuration software; PID control algorithm目录1 绪论 (1)1.1 液位控制系统简介 (1)1.2 过程控制系统的发展概况及趋势 (1)1.3 组态软件的发展概况及趋势 (2)1.4 课题的研究内容 (2)2 水箱液位控制系统简介 (3)2.1 系统组成 (3)2.1.1 被控对象 (3)2.1.2 电源控制台 (3)2.1.3 总线控制柜 (4)2.1.4 系统特点 (4)2.1.5 系统软件 (4)2.2 双容水箱控制系统结构 (4)3 单回路控制系统 (6)3.1 单回路控制系统的概述 (6)3.2 干扰对系统性能的影响 (6)3.3 控制规律选择 (7)3.4 PID控制规律特点 (7)3.5 PID控制规律的选择 (7)3.6 调节器参数的整定方法 (8)4 控制系统的设计 (12)4.1 S7-400PLC概述 (12)4.2 STEP 7软件的介绍 (13)4.3 硬件组态 (13)4.3.1 硬件组成 (13)4.3.2 建立项目 (14)4.3.3 组态硬件 (15)4.4 程序中的块介绍 (18)4.4.1块类型 (18)4.4.2 程序中调用的分层结构 (19)4.5 创建数据块DB41 (20)4.6 创建功能块FB41 (21)4.7 创建组织块OB1 (21)4.8 通信设置 (22)4.9 程序编写及下载 (23)4.9.1 程序编写 (23)4.9.2 软件设计流程图 (24)4.9.3 程序下载 (24)5 监控程序的设计 (25)5.1 WINCC简介 (25)5.2 监控界面的设计 (26)5.2.1 工程建立 (26)5.2.2 驱动连接 (27)5.2.3 变量定义 (28)5.2.4 画面组态 (30)5.2.5 变量关联 (31)6 水箱液位控制系统仿真调试 (33)6.1 S7-PLCSIM简介 (33)6.1.1 S7-PLCSIM的特性简介 (33)6.1.2 S7-PLCSIM与真实PLC的差别 (34)6.2 使用S7-PLCSIM仿真调试 (34)6.3 水箱液位控制内容与步骤 (36)6.4 水箱液位控制结论 (37)7 毕业设计总结 (42)参考文献 (43)REFERENCE (44)致谢 (45)附录 (46)1 绪论1.1 液位控制系统简介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、环保、水处理、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。
毕业生毕业设计任务书模板
毕业生毕业设计任务书模板毕业生毕业设计任务书模板毕业生毕业设计任务书模板（一）一、课题名称：基于S7-200PLC的液位控制系统二、指导老师：周莹三、设计内容与要求1、课题概述针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。
具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用Wincc组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。
2、设计内容与要求1）设计内容：1,一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。
2,在液位控制系统中液位泵是否能够实现精确的控制，直接影响到控制结果。
3,控制、方案的'选取，一个适当的控制方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常的重要。
4,控制参数的整定，一个系统有既定的方案，但是如果参数的整定错误也将会功亏一篑。
2）设计要求：1,以我院实训楼407的PCS4000过程及楼宇综合控制装置中的水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。
2,PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求；超调量20%,稳态误差≤±0.1;调节时间ts≤60s;3,组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；4,选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；四、设计参考书：《电气控制与PLC应用》《工厂电气控制设备》《电工手册》《计算机监控系统的设计与调试-组态控制技术》 《西门子PLC使用手册》《可编程控制器应用技术》五、设计说明书内容1、封面2、目录3、内容摘要（200~400字左右，中英文）4、引言5、正文（设计方案与选择，设计方案原理、计算、分析、电路仿真、论证，制作电路、电路硬件调试、软件程序编写流程、软硬件电路联调、电路操作说明及特点等）6、结论7、致谢8、附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排第1周：方案设计讨论，教师辅导；第2~3周：分系统方案设计初稿、元件选择、电路原理图绘制及电路仿真等；第4~5周：根据电路仿真的结果修改设计方案及电路原理、购置电子元件、根据所购元件的封装尺寸绘制PCB印制电路板图并制作PCB板、焊接电路并调试检修；第6周：编写并调试程序、软硬进行联调、根据制作的实际情况编写毕业设计文档初稿；第7周：对所编写毕业设计文档初稿进行自查、讨论并完善文稿、辅导答辩；第8周：毕业设计书成绩评定、答辩（答辩时严格按设计要求检验所设计制作的实物电路的功能指标）。
基于PLC的液位控制系统设计
摘要本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。
在设计中，笔者主要负责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多。
本文的主要内容包括：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、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。
AbstractThis graduation project topic is based on the PLC fluid position control system design. In the design, I am control the algorithm which the author primary cognizance the design, therefore designs in the paper with to the PID algorithm mentions many.The this article main content includes: water tank characteristic determination and experimental curve analysis，the S7-300 programmable controller hardware grasps，PID parameter installation and each parameter control performance comparison，experimental curve analysis obtains which using the PID control algorithm and overall system each part of introduction and programs using the PLC sentence controls the water tank water level.Key words: SIMATIC S7-300 PLC, the controlled member characteristic, the PID control algorithm, the expansion critical ratio method, the pressure change delivering, the electrically operated regulating valve.目录摘要 (I)ABSTRACT (I)第1章绪论 (1)1.1PLC的产生、定义及现状 (1)1.2过程工业控制算法的应用现状 (2)1.3PID控制的历史和发展现状 (3)1.4论文的研究内容 (5)第2章S7-300中小型PLC和控制对象介绍 (6)2.1西门子PLC控制系统 (6)2.1.1 CPU模块 (7)2.1.2 模拟量输入模块 (8)2.1.3 模拟量输出模块 (9)2.1.4 电源模块 (10)2.2控制对象特性 (11)2.2.1 一阶单容上水箱特性 (11)2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (14)第3章PID控制算法介绍 (18)3.1PID控制算法 (18)3.2PID调节的各个环节及其调节过程 (20)3.2.1 比例控制与其调节过程 (21)3.2.2 比例积分调节 (21)3.2.3 比例积分微分调节 (22)3.3串级控制 (22)3.4扩充临界比例法 (24)3.5在PLC中的PID控制的编程 (25)3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 (26)3.5.2 变量的范围 (28)3.5.3 控制方式与出错处理 (29)第4章控制方案设计 (31)4.1系统设计 (31)4.1.1 上水箱液位的自动调节 (31)4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 (32)4.2硬件设计 (33)4.2.1 检测单元 (33)4.2.2 执行单元 (34)4.2.3 控制单元 (36)4.3软件设计 (36)第5章实验情况介绍 (39)5.1上水箱液位比例调节 (39)5.2上水箱液位比例积分调节 (40)5.3上水箱液位比例积分微分调节 (41)第6章结论 (43)参考文献 (44)致谢 (46)第1章绪论1.1 PLC的产生、定义及现状可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。
PLC水箱液位控制系统大学设计方案
封面作者：PanHongliang仅供个人学习摘要本次毕业设计地课题是基于PLC地液位控制系统地设计.在设计中,笔者主要负责地是数学模型地建立和控制算法地设计,因此在论文中设计用到地PID算法提到得较多,PLC方面地知识较少.本文地主要内容包括：PLC地产生和定义、过程控制地发展、水箱地特性确定与实验曲线分析,FX2系列可编程控制器地硬件掌握,PID参数地整定及各个参数地控制性能地比较,应PID控制算法所得到地实验曲线分析,整个系统各个部分地介绍和讲解PLC地过控制指令PID指令来控制水箱水位.关键词：FX2系列PLC,控制对象特性,PID控制算法,扩充临界比例法,PID指令,实验.The liquid level control system based on PLCABSTRACTThe 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 curveanalysis, FX2 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：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.目录中文摘要II英文摘要IV1 绪论11.1 PLC地产生、定义及现状11.1.1PLC地产生、定义11.1.2PLC地发展现状11.2过程控制地发展21.3本文研究地目地、主要内容31.3.1本文研究地目地、意义31.3.2本文研究地主要内容32 FX2系列PLC和控制对象介绍42.1 三菱PLC控制系统42.1.1 CPU模块42.1.2 I/O模块52.1.3电源模块52.2 过程建模52.2.1 一阶单容上水箱对象特性52.2.2 二阶双容下水箱对象特性103 PID调节及串级控制系统133.1 PID调节地各个环节及其调节过程133.1.1比例控制及其调节过程143.1.2比例积分调节 (14)3.1.3比例积分微分调节153.2 串级控制163.2.1串级控制系统地结构163.2.2串级控制系统地特点163.2.3串级控制系统地设计163.3 扩充临界比例度法183.4 三菱FX2系列PLC中PID指令地使用193.5在PLC中地PID控制地编程203.5.1回路地输入输出变量地转换和标准化203.6变量地范围224 控制方案设计244.1 系统设计244.1.1上水箱液位地自动调节244.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统254.2 硬件设计254.2.1检测单元254.2.3控制单元264.3软件设计265 运行285.1 上水箱液位比例调节285.2 上水箱液位比例积分调节285.3 上水箱液位比例积分微分调节28致谢30参考文献31论文原创性声明1 绪论1.1 PLC 地产生、定义及现状1.1.1PLC 地产生、定义一、可编程控制器地产生20世纪60年代,在世界技术改造地冲击下,要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快地新型工业控制器.1968年,美国最大地汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备地十大条件后,立即引起了开发热潮.二、可编程控制器地定义国际工委员会（IEC ）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿,1985年1月又发表了第二稿,1987年2月颁布了第三稿.该草案中对可编程控制器地定义是“可编程控制器是一种数字运算操作地电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用了可编程地存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户地指令,并通过数字量和模拟量地输入和输出,.可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能地原则设计.1.1.2PLC 地发展现状20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃.更高地运算速度、超小型体积、更可靠地工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高地性价比奠定了它在现代工业中地地位.20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用.这个时期可编程控制器发展地特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化.这个阶段地另一个特点是世界上生产可编程控制器地国家日益增多,产量日益上升.这标志着可编程控制器已步入成熟阶段.上世纪80年代至90年代中期,是PLC 发展最快地时期,年增长率一直保持为30~40%.在这时期,PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC 逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位地DCS 系统.20世纪末期,可编程控制器地发展特点是更加适应于现代工业地需要.从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说,诞生了各种各样地特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样地控制场合；从产品地配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器地工业控制设备地配套更加容易.目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域地应用都得到了长足地发展.我国可编程控制器地引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始地.最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器.接下来在各种企业地生产设备及产品中不断扩大了PLC 地应用.目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器.上海东屋电气有限公司生产地CF 系列、杭州机床电器厂生产地DKK 及D 系列、大连组合机床研究所生产地S 系列、苏州电子计算机厂生产地YZ 系列等多种产品已具备了一定地规模并在工业产品中获得了应用.此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名地PLC 生产厂家.可以预期,随着我国现代化进程地深入,PLC 在我国将有更广阔地应用天地.1.2过程控制地发展进入90年代以来,自动化技术发展很快,并取得了惊人地成就,已成为国家高科技地重要分支.过程控制是自动化技术地重要组成部分.在现代工业生产自动化中,过程控制技术正在为实现各种最优地技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大地作用.在本世纪40年代前后,工业生产大多处于手工操作地状态,人们主要是凭经验用人工去控制生产过程.生产过程中地噶参数靠人工观察,生产过程地操作也靠人工去执行.因此,当时地劳动效率是很低地.40年代以后,生产自动化发展很快.尤其是近年来,过程控制技术发展更为迅速.纵观过程控制地发展历史,大致经历了下述几个阶段：50年代前后,过程控制开始得到发展.一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化.这是过程控制发展地第一阶段.这阶段主要地特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目地是保持这些参数地稳定,消除或减少对生产过程地主要扰动.在60年代,随着工业生产地不断发展,对过程控制提出了新地要求；随着电子技术地迅速发展也为自动化技术工具地完善提供了条件,开始了过程控制地第二阶段.在仪表方面,开始大量采用单元组合仪表.为了满足定型、灵活、多功能地要求,有出现了组合仪表,它将各个单元划分为更小地功能块,以适应比较复杂地模拟和逻辑规律相结合地控制系统地需要.70年代以来,随着现代工业生产地迅猛发展,仪表与硬件地开发,微型机算计地开发应用,使生产过程自动化地发展达到了一个新地水平.对全工厂或整个工艺流程地集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制,或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理,是这一阶段地主要特征.过程控制发展到现代过程控制地新阶段,这是过程控制发展地第三阶段.在新型地自动化技术工具方面,开始采用微处理器为核心地智能单元组合仪表；在测量变送器方面,教为突出地成分在线检测与数据处理地应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面,不仅Ⅲ型仪表产品品种增加,可靠性提高,而且是本质安全防爆,适应了各种复杂控制系统地要求.1.3本文研究地目地、主要内容1.3.1本文研究地目地、意义为了解决人工控制地控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题.从而我们现在就引入了工业生产地自动化控制.在自动化控制地工业生产过程中,一个很重要地控制参数就是液位.一个系统地液位是否稳定,直接影响到了工业生产地安全与否、生产效率地高低、能源是否能够得到合理地利用等一系列重要地问题.随着现在工业控制地要求越来越高,一般地自动化控制已经也不能够满足工业生产控制地需求,所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）.引入PLC使控制方式更加地集中、有效、更加地及时.液位控制系统它使我们地生活、生产都带来了不可想象地变化.它使在控制中更加地安全,节约了更多地劳动力,更多地时间.在我国随着社会地发展,很早就实行了自动控制.而在我国液位控制系统也利用得相当地广泛,特别在锅炉液位控制,水箱液位控制.还在黄河治水中也地到了利用,通过液位控制系统检测黄河地水位地高低,以免由于黄河水位地过高而在不了解地情况下,给我们人民带来生命危险和财产损失.1.3.2本文研究地主要内容一、一个系统是否能达到预期地控制效果,其系统地数学模型相当地重要,直接关系到控制结果地正确与否.二、在液位控制系统中,调节阀是否与所控制地液体发生化学反应等,直接地影响到控制结果.三、控制方案地选取,一个好地方案会让系统更加完美,所以方案地选取也非常重要.四、调节器参数地整定,一个系统有了好地方案,但是如果参数整定错误那也是功亏一篑.2FX2系列PLC 和控制对象介绍2.1 三菱PLC 控制系统FX2系列PLC 是三菱电机公司1991年继F 、F1、F2系列之后推出地产品,是目前运行速度最快地小型PLC 之一.下面我们以小型FX2系列PLC 为例介绍PLC 地硬件组成.图2.1为PLC 地原理图.图2.1PLC 地原理图2.1.1 CPU 模块CPU 是PLC 地核心组成部分,与通用微机地CPU 一样,它在PLC 系统中地作用类似于人体地神经中枢,故称为“电脑”.其功能是：1、PLC 中系统程序赋予地功能,接收并存储从编程器输入地用户程序和数据.2、用扫描方式接受现场输入装置地状态,并存入映像寄存器.3、诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中地语法错误.在PLC 进入运行状态后,从存储器中逐条读去用户程序,按指令规定地任务,产生相应地控制信号,去起闭有关控制电路.2.1.2I/O模块I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间地连接部件.PLC提供了各种操作电平与驱动能力地I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用.如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等.I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受地信号,或将CPU 地输出信号变换成需要地控制信号去驱动控制对象,以确保整个系统正常地工作.其中输入信号要通过光电隔离,通过滤波进入CPU控制板,CPU发出输出信号至输出端.输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式.2.1.3电源模块根据PLC地设计特点,它对电源并无特殊需求,它可使用一般工业电源.2.2 过程建模过程控制系统地品质,是由组成系统地过程和过程检测控制仪表各环节地特性和系统地结构所决定.在构成控制系统地分析和设计中,过程地数学模型是极其重要地基础资料.所以,建立过程地数学模型,对实现生产过程自动化有着十分重要地意义.可以这样说,一个过程控制系统地优劣,主要取决于对生产工艺过程地了解和建立过程地数学模型.2.2.1 一阶单容上水箱对象特性所谓单容过程,是指只有一个贮蓄容量地过程.单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类.一、自衡过程地建摸所谓自衡过程,是指过程在扰动作用下,其平衡状态被破坏后,不需要操作人员或仪表等干预,依靠起自身重新恢复平衡地过程.液位过程,图2.2所示为一个单容液位被控过程,其流入量,改变阀1地开度可以改变地大小.其流出量为,它取决于用户地需要改变阀2开度可以改变.液位h 地变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水地过程.若作为被控过程地输入变量,h为其输出变量,则该被控过程地数学模型就是h与之间地数学表达式.图2.2液位被控过程及其阶跃响应根据动态物料平衡关系有（2-1）将公式（2-1）表示成增量式为（2-2）式中：、、——分别表示为偏离某一平衡状态、、地增量；A ——贮蓄截面积.在静态时,,；当发生变化时,液位h 随之变化,贮蓄出口处地静压随之变化,也发生变化.由流体力学可知,流体在紊流情况下,液位h 与流量之间为非线形关系.但为了简化起见,经线形变化,则可近似认为与h 成正比关系,而与阀2地阻力成反比,即（2-3）式中：——阀2地阻力,称为液阻.为了求单容过程地数学模型,需消去中间变量.消去中间变量地方法很多,如可用代数代换法,可用信号流图法,也可用画方框图地方法.这里,介绍后一种方法.将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.3方框图. X t 0 0图2.3方框图单容液位过程地传递函数为（2-4）式中：——过程地时间常数,；——过程地放大系数,；C——过程地容量系数,或称过程容量.被控过程都具有一定贮存物料或能量地能力,其贮存能力地大小,称为容量或容量系数.其物理意义:是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化地大小.图2.1（b）所示为单容液位被控过程地阶跃响应曲线.从上述分析可知,液阻不但影响过程地时间常数,而且还影响过程地放大系数,而容量系数C仅影响过程地时间常数.在工业生产过程中,过程地纯时延问题是经常碰到地.如皮带运输机地物料传输过程,管道输送、管道反应和管道地混合过程等.下面以图2.4为例讨论纯时延过程地建模.图2.4所示,流量通过长度为l地管道流入贮罐.当进水阀开度产生扰动后,需要流经管道长度为l地传输时间后才流入贮罐,才使液位h发生变化.具有纯时延单容过程地阶跃响应曲线如图2.4曲线2所示,它与无时延单容过程地阶跃响应曲线在形状上完全相同,仅差一纯时延.具有纯时延单容过程地微分方程和传递函数为（2-5）式中：——过程地时间常数,；——过程地放大系数,；——过程地纯时延时间.二、无自衡过程地建模所谓无自衡过程,是指过程在扰动地作用下,其平衡状态被破坏后,不需要操作人员或仪表等干预,依靠其自身能力不能重新恢复平衡地过程.下面以图2.4所示为例,介绍其建模方法.如果将图2.2所示贮罐地出口阀2换成定量泵,则为图2.5所示.这样,其流出量与液位h 无关.当流入量发生阶跃变化时,液位h 即发生变化.由于流出量是不变地,所以贮罐液位或等速上升直至液体溢出,或者等速下降直至液位被抽干,其阶跃响应曲线如图2.5所示.图2-7所示过程地微分方程为 （2-6）式中：C ——贮罐地容量系数.过程地传递函数为 （2-7）式中：——过程地积分时间常数,.当过程具有纯时延时,则其传递函数为 （2-8）2.2.2 二阶双容下水箱对象特性在工业生产过程中,被控过程往往是由多个容积和阻力构成,这种过程称为多容过程.现在,以具有自衡能力地双容过程为例,来讨论其建立数学模型地方法.图 2.6（a）所示为两只水箱串联工作地双容过程.其被控量是第二只水箱地液位,输入量为与上述分析方法相同,根据物料平衡关系可以列出下列方程（2-9）为了消去双容过程地中间变量、、,将上述方程组进行拉氏变换,并画出方框图如2.7所示.双容过程地数学模型为（2-10）式中：——第一只水箱地时间常数,；——第二只水箱地时间常数,；——过程地放大系数,；——分别是两只水箱地容量系数.图 2.7所示为流量有一阶跃变化时,被控量地响应曲线.与单容过程比较,多容过程受到扰动后,被控参数地变化速度并不是一开始就最大,而是要经过一段时延之后才达到最大值.即多容过程对于扰动地响应在时间上存在时延,被称为容量时延.产生容量时延地原因主要是两个容积之间存在阻力,所以使地响应时间向后推移.容量时延可用作图法求得,即通过响应曲线地拐点D作切线,与时间（2-10）式中：——过程积分时间常数,；T——第一只水箱地时间常数.同理,无自衡多容过程地数学模型为（2-11）当然无自衡多容过程具有纯时延时,则其数学模型为（2-12）3 PID调节及串级控制系统3.1 PID调节地各个环节及其调节过程PID控制地原理和特点工程实际中,应用最为广泛地调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节.PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制地主要技术之一.当被控对象地结构和参数不能完全掌握,或得不到精确地数学模型时,控制理论地其它技术难以采用时,系统控制器地结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便.即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效地测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术.PID控制,实际中也有PI和PD控制.PID控制器就是根据系统地误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制地.（1）比例（P）控制比例控制是一种最简单地控制方式.其控制器地输出与输入误差信号成比例关系.当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）.（2）积分（I）控制在积分控制中,控制器地输出与输入误差信号地积分成正比关系.对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差地或简称有差系统（System with Steady-state Error）.为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”.积分项对误差取决于时间地积分,随着时间地增加,积分项会增大.这样,即便误差很小,积分项也会随着时间地增加而加大,它推动控制器地输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零.因此,比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差.（3）微分（D）控制在微分控制中,控制器地输出与输入误差信号地微分（即误差地变化率）成正比关系.自动控制系统在克服误差地调节过程中可能会出现振荡甚至失稳.其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件,具有抑制误差地作用,其变化总是落后于误差地变化.解决地办法是使抑制误差地作用地变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差地作用就应该是零.这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够地,比例项地作用仅是放大误差地幅值,而目前需要增加地是“微分项”,它能预测误差变化地趋势,这样,具有比例+微分地控制器,就能够提前使抑制误差地控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量地严重超调.所以对有较大惯性或滞后地被控对象,比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中地动态特性.3.1.1比例控制及其调节过程在人工调节地实践中,如果能使阀门地开度与被调参数偏差成比例地话,就有可能使输出量等于输入量,从而使被调参数趋于稳定,达到平衡状态.这种阀门开度与被调参数地偏差成比例地调节规律,称为比例调节.比例调节规律及其特点比例调节作用,一般用字母P来表示.如果用一个数学式来表示比例调节作用,可写成：（3-1）式中——调节器地输出变化值；——调节器地输入,即偏差；——比例调节器地放大倍数.放大倍数是可调地,所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调地放大器.比例调节作用虽然及时、作用强,但是有余差存在,被调参数不能完全回复到给定值,调节精度不高,所以有时称比例调节为“粗调”.纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小,而时间常数又不太小地对象.3.1.2比例积分调节对于工艺条件要求较高余差不允许存在地情况下,比例作用调节器不能满足要求了,克服余差地办法是引入积分调节.因为单纯地积分作用使过程缓慢,并带来一定程度地振荡,所以积分调节很少单独使用,一般都和比例作用组合在一起,构成比例积分调节器,简称PI调节器,其作用特性可用下式表示：（3-2）这里,表示PI调节作用地参数有两个：比例度P和积分时间.而且比例度不仅影响比例部分,也影响积分部分,使总地输出既具有调节及时、克服偏差有力地特点,又具有克服余差地性能.由于它是在比例调节（粗调）地基础上,有加上一个积分调节（细调）,所以又称再调调节或重定调节.但是,积分时间太小,积分作用就太强,过程振荡剧烈,稳定程度低；积分时间太大,积分作用不明显,余差消除就很慢.如果把积分时间放到最大,PI调节器就丧失了积分作用,成了一个纯比例调节器.3.1.3比例积分微分调节微分调节地作用主要是用来克服被调参数地容量滞后.在生产实际中,有经验地工人总是既根据偏差地大小来改变阀门地开度大小（比例作用）,同时又根据偏差变化速度地大小进行调节.比如当看到偏差变化很大时,就估计到即将出现很大地偏差而过量地打开（关闭）调节阀,以克服这个预计地偏差,这种根据偏差变化速度提前采取地行动,意味着有“超前”作用,因而能比较有效地改善容量滞后比较大地调节对象地调节质量.什么是微分调节？微分调节是指调节器地输出变化与偏差变化速度成正比,可用数学表达式表示为：（3-3）式中：——调节器地输出变化值；——微分时间；——偏差信号变化地速度.从上式可知,偏差变化地速度越大,微分时间越长,则调节器地输出变化就越大.对于一个固定不变地偏差,不管其有多大,微分做用地输出总是零,这是微分作用地特点.由于实际微分器地比例度不能改变,固定为100%,微分作用也只在参数变化时才出现,所以实际微分器也不能单独使用.一般都是和其它调节作用相配合,构成比例微分或比例积分微分调节器.比例积分微分调节又称PID调节,它可由下式表示：（3-4）PID调节中,有三个调节参数,就是比例度P、积分时间、微分时间.适当选取这三个参数值,就可以获得良好地调节质量.由分析可知,PID三作用调节质量最好,PI调节第二,PD调节有余差.纯比例调节虽然动偏差比PI调节小,但余差大,而纯积分调节质量最差,所以一般不单独使。
基于PLC的液位控制系统研究毕业设计(论文)
毕业设计论文基于PLC的液位控制系统研究摘要本文设计了一种基于PLC的储罐液位控制系统。
它以一台S7-200系列的CPU224和一个模拟量扩展模块EM235进行液位检测和电动阀门开度调节。
系统主要实现的功能是恒液位PID控制和高低限报警。
本文的主要研究内容：控制系统方案的选择，系统硬件配置，PID算法介绍，系统建模及仿真和PLC编程实现。
本设计用PLC编程实现对储罐液位的控制,具有接线简单、编程容易，易于修改、维护方便等优点。
关键字：储罐;液位控制;仿真;PLCAbstractThis article is designed based on PLC, tank level control system. It takes a series s7-200 CPU224 and an analog quantities of EM235 expansion module to level detection and electric valve opening regulation.System main function is to achieve constant low level PID control and limiting alarm.The main contents of this paper: the choice of the control system plan, system hardware configuration, PID algorithm introduced, system modeling and simulation, and PLC programming. PLC programming with the design of the tank level control have the advantage of simple wiring, easy programming, easy to modify, easy maintenance and so on.Key word: tank ; level ;control ;simulation ;plc目录摘要 (I)ABSTRACT ........................................................... I I 1 绪论. (1)1.1盐酸储罐恒液位控制任务 (1)1.2本文研究的意义 (2)1.3本文研究的主要内容 (2)2 控制系统方案设计 (3)2.1储罐液位控制的发展及现状 (3)2.2系统功能分析 (3)2.3系统方案设计 (4)3 系统硬件配置 (5)3.1电动控制阀的选择 (5)3.1.1 控制阀的选择原则 (5)3.1.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀性能和技术参数介绍 (10)3.2液位测量变送仪表的选择 (13)3.2.1 液位仪表的现状及发展趋势 (13)3.2.2 差压变送器的测量原理 (13)3.2.3 差压式液位变送器的选型原则 (14)3.2.4 DP系列LT型智能液位变送器产品介绍 (15)3.3PLC机型选择 (16)3.3.1 PLC历史及发展现状 (16)3.3.2 PLC机型的选择 (18)3.3.3 S7-200系列CPU224和EM235介绍 (20)4 PID算法原理及指令介绍 (21)4.1PID算法介绍 (22)4.2PID回路指令 (24)5 系统建模及仿真 (28)5.1系统建模 (28)5.2系统仿真 (30)5.2,1 MATLAB语言中Simulink交互式仿真环境简介 (30)5.2.2 系统仿真 (31)第6章系统编程实现 (33)6.1硬件设计 (33)6.1.1 绘制控制接线示意图 (33)6,1.2 I/O资源分配 (33)6.2软件设计 (34)6.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6编程软件介绍 (34)6.2.2 恒液位PID控制系统的PLC控制流程 (35)6.2.3 编写控制程序 (36)6.2.4 程序清单 (39)结束语 (40)参考文献 (41)致谢 (42)1 绪论1.1 盐酸储罐恒液位控制任务如图1.1所示为某化工厂稀盐酸储罐，该罐为钢衬聚四氟乙烯储罐，罐体高6米，容量为50立方米，重500千克。
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
系统硬件组态图
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
程序项目建立:
首先双击桌面上的 进入到SIMATIC MANAGER界面，进入主菜单“文件”，选择“ 新建项目向导”，弹出以下的窗口
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，在新项目选择CPU的型号 为CPU412-3H,如下示：
课题研究的目的、意义
本次设计所采用的是FCS的控制方案，FCS， 即现场总线控制。现场总线技术是当前自动化 领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域 的计算机局域网。所以掌握好这种技术对我们 自动化的学生来说，是很重要的，对我们今后 的发展也至关重要。
系统总貌图
设计需要实现的系统功能
系统功能指标:
水箱液位串级控制系统总体设计
PID控制系统:
本系统调节器采用的控制规律为PID控制， 即比例、积分、微分控制，其调节规律如下：
（1）比例：数学表述为 （2）积分：数学表述为
（3）微分：数学表述为
水箱液位串级控制系统总体设计
硬件配置:
水箱液位串级控制系统总体设计
监控系统:
论文主要内容
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
STEP7软件介绍:
STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/400站创 建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯 形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强 大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控 制系统，下图显示了该软件是如何对PLC硬件 进行编程和组态的。
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块， 至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程 序的语言选择上选择LAD语言，即梯形图语言 ，如下示：
毕业设计-基于PLC的液位控制系统设计-精品
无锡职业技术学院毕业实践任务书课题名称基于P L C的液位控制系统设计指导教师职称指导教师职称专业名称生产自动化班级学生姓名学号实习单位课题需要完成的任务：利用信捷PLC设计液位控制系统，完成如下任务：1、通过触摸屏、可变程序控制器变频器（PLC)、压力传感器、配电装置以及水泵实现液位控制系统的设计2、确定控制方案，选择PLC型号，定义输入/输出,画出PLC 端子接线图。
3、进行软件编程、完成控制梯形图并完成调试。
课题计划：10年2月26日——-—-10年3月10日确定毕业设计课题10年3月11日-——-- 10年3月22日调查参观、完成调研报告10年3月22日-----10年3月31日确定方案，完成方案论证10年4月1日-—-——10年4月20日设计电路，编制程序,完成论文计划答辩时间：10年4月21日-—---10年4月30日自动控制技术系系（部、分院）2010年4 月26 日PLCs -—Past, Present and FutureEveryone knows there's only one constant in the technology world, and that’s change. This is especially evident in the evolution of Programmable Logic Controllers （PLC） and their varied applications。
From their introduction more than 30 years ago， PLCs have become the cornerstone of hundreds of thousands of control systems in a wide range of industries。
At heart， the PLC is an industrialized computer programmed with highly specialized languages， and it continues to benefit from technological advances in the computer and information technology worlds。
基于PLC的液位控制系统设计
毕业论文（设计）题目：基于PLC控制的高精度液位控制系统的设计*名：***学号： *********专业：机械电子工程年月摘要在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量与控制，而日常生活中应用到的水位控制也相当广泛。
在以往水塔液位控制系统中，常规继电器的频繁操作容易导致机械磨损，不方便更新和维护，不能满足人们的实际需求；另外，随着人口的递增和生活条件的提高，人们用水的需求量也日益增加。
为了提高液位控制系统的质量和效率，节约能源，本次模拟水塔液位控制系统的装置考虑结合可编程逻辑控制器，继电器和传感器等技术，实现液位控制系统的自动控制。
本设计使用西门子S7-300 PLC可编程控制器作为液位控制系统的核心，配合硬件与软件实现液位控制池液位动态平衡，过高、过低水位报警等功能。
主要的实验方法是在水箱上安装一个自动水位测量装置，通过水位变送器检测水箱实际液位并将该液位反馈到PLC控制器，经A/D转换后，所得数据与PLC内部设定数据进行比较，控制器处理数据并发送相应指令改变电机的转速从而控制抽水速率，改变进水量，使水位稳定地保持在设定值附近。
此外，通过液位标定计算出控制器输出PIW数值与实际水位的关系，就可以在触摸屏上直观显示实时水位情况。
实验结果表明本设计能较好地完成自动液位控制的功能。
关键词：水塔液位控制，水位控制，继电器，PLCAbstractIn the course of routine industrial and agricultural production we the need to measure the water level and control it. Furthermore everyday level control applications are quite extensive , such as hydropower , water towers and other water control . According to the water supply system in the past, frequent operation towers will produce mechanical wear of conventional relay convenient maintenance and updates, that means it can not meet the actual needs of the people, and with Gradual growth of population and living conditions, the demand for water is also increasing .In order to improve the quality of the water supply system, energy conservation, so I considered use a programmable logic controller, relay and sensor technology, with hardware and software to achieve low water level alarm, warning switch between work and procedures manual / automatic to design practical level control tower scheme. I completed the set up of this simulation using the tank water tower , based on Siemens S7-300 PLC programmable controller tank water level control system as the core .I completed a water tank to complete the performance capability aiming at doing a needs analysis. The main experimental method used is to install an automatic water level measuring device on the tank. The level sensor detecting the water tank to measure the actual water leveland the control module to send information to the PLC, via A / D conversion, the data obtained is compared with the set level, the controller processes the data and sends the appropriate commands to control the motor speed change pumping rate, the water level maintained in the proper position. Than Touch screen completes the level display, fault alarm information display, real-time and historical curve curves show. If the water level is lower or higher than the set value, the hazard warning signal will be issued In this paper , PLC automatic water supply system based on good execution process level control .Keywords: tower water; water level control; relays; PLC目录第一章绪论 (1)§ 1.1研究背景 (1)§ 1.2 PLC的产生与发展 (1)1.2.1 PLC的产生 (1)1.2.2 PLC技术的发展 (2)§ 1.3设计任务 (3)第二章液位控制装置硬件设计 (4)§ 2.1 自动液位控制系统应用简介 (4)§ 2.2液位控制装置硬件组成 (4)§ 2.3 PLC的基本结构.............................. 错误!未定义书签。
PLC恒温水箱控制系统毕业设计
PLC恒温水箱控制系统毕业设计首先，我们将使用一种可编程逻辑控制器（PLC）来实现该系统。
PLC是一种专业设计用于自动化控制系统的计算机硬件设备。
它可以通过逻辑程序对输入信号进行处理，并根据程序中定义的逻辑规则来控制输出信号。
在本设计中，PLC将作为核心控制单元来实现恒温水箱控制。
其次，我们需要设计一个温度传感器来实时监测水箱内的温度。
温度传感器可以通过感知器的温度变化来产生相应的电信号，并将其传递给PLC进行处理。
在设计过程中，我们需要选择一个高精度、可靠性高的温度传感器，以确保控制系统的准确性和稳定性。
接下来，我们需要设计一个恒温控制回路，并将其连接到水箱中的加热器。
该控制回路可以根据PLC传递过来的温度数据，自动调整加热器的工作状态，以维持恒定的水箱温度。
在设计过程中，我们需要充分考虑水箱的体积、加热器的功率和加热时间等因素，以确保系统能够快速响应温度变化，并达到恒温的要求。
此外，为了满足实际生产的需求，我们需要在系统中设置一些安全保护措施。
例如，当水箱内温度超过设定的上限或下限时，PLC应该能够自动切断加热器的供电，以防止温度过高或过低导致的不可逆损坏。
此外，我们还可以设置报警系统，当温度超过安全范围时，发出警报以提醒操作人员及时处理。
最后，我们需要设计一个人机界面（HMI），以便操作人员能够方便地监控和控制系统的运行状态。
HMI应该提供实时的温度显示、温度设定功能以及对加热器工作状态的控制等。
另外，为了便于维护和故障排除，HMI还应提供一些系统参数的查看和修改功能。
综上所述，PLC恒温水箱控制系统是一个涉及多种技术和设备的复杂系统。
在实际的设计和实现过程中，我们需要仔细考虑系统的功能需求、硬件选型、软件编程以及安全保护等方面的问题，以确保系统能够稳定、高效地运行。
通过本篇文章的介绍，相信读者对PLC恒温水箱控制系统的设计和实现有了更深入的了解。
基于PLC的液位控制系统设计
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
液位控制系统的硬件组成
计算机液位控制系统电路图如图所示。在本控制系统中、用计算机实现控 制算法, PLC控制系统带有A/D模块SM331和D/A模块SM332。电动调节阀作为 执行机构。
控制系统硬件电路连接图
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
液位变送器 : 采用液位变送器 BP800采用工业用的扩散硅压力变送器， 含不绣钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补 偿 。压力传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，变送器为二 线制，故工作时需串接24VDC电源 。
电动调节阀 : 采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。。 电动调节阀号为: QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、 推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作 方便等优点，控制信号为4—20mADC或1—5VDC，输出4—2OmADC的阀位信 号，使用和校正非常方便。
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基于PLC的液位控制系统设计
建立数学模型
被控对象的数学模型 :
将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型 就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有:
2024年7月16日
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基于PLC的液位控制系统设计
表示为增量形式:
式中: ΔQ1，ΔQ2，Δh分别为偏离某一平衡状态的增量；A为水箱截 面积。
基于PLC的液位控制系统设计
本文设计的主要目的是控制下水箱的液位。使下水箱的 液位在某一比较小的范围变化。
研究对象是双容水箱的串级系统。 液位控制系统的组成：
控制器 电动调节阀 上水箱、下水箱 液位变送器等 电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器 用于检测上水箱和下水箱的液位。控制器的输出量用于控制 调节阀的开度。
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基于PLC水箱液位控制系统毕业设计
水箱液位控制系统是现代工业控制的重要组成部分，广泛应用于工业
生产和日常生活中。
本文将就基于PLC的水箱液位控制系统进行毕业设计
进行介绍。
本文毕业设计的目标是设计并实现一个基于PLC的水箱液位控制系统，实现水箱的液位控制和监测。
系统包括液位传感器、PLC控制器、水泵和
电磁阀等组成。
首先，设计师需要根据实际需求选择合适的液位传感器，并将其与PLC控制器进行连接。
液位传感器用于监测水箱中的液位，根据液位的变
化输出相应的信号给PLC控制器。
接下来，设计师需要使用PLC编程软件编写相应的PLC控制程序。
程
序的主要功能是根据液位传感器的信号，控制水泵和电磁阀的开启和关闭。
当水箱的液位低于一些设定值时，PLC控制器会开启水泵将水箱填满；当
液位超过一定设定值时，PLC控制器会关闭水泵，同时开启电磁阀，将多
余的水排出。
除了基本的液位控制功能外，设计师还可以在PLC控制程序中添加其
他功能，如报警功能。
当水箱的液位异常高或异常低时，PLC控制器可以
通过声音或灯光等方式发出警报，提醒操作人员进行处理。
在整个系统的设计和实现过程中，设计师需要考虑如何提高系统的可
靠性和安全性。
例如，可以在PLC控制程序中设置容错机制，确保系统在
出现异常情况时能够正常运行；同时，在选择和配置水泵和电磁阀时，要
考虑其工作负荷和可靠性，以确保系统的稳定运行。
在毕业设计完成后，设计师需要对系统进行测试和调试。
首先，需要检查液位传感器的安装和连接是否正常，确保其能够准确地监测水箱的液位变化；然后，利用测试仪器对PLC控制器的输出和输入进行测试，确保其能够按照预期进行控制。
总结而言，基于PLC的水箱液位控制系统是一项非常具有实用价值的毕业设计。
通过该设计，不仅可以提高水箱的自动化程度，还可以提高水资源的利用效率，减少人工操作错误的可能性。
同时，本设计也为进一步研究和开发更先进的基于PLC的控制系统提供了宝贵的经验和借鉴。