1、题 目：基于 PLC 的液位控制系统设计 姓 名： 学 号： 系 别： 专 业： 年级班级： 指导教师： 2013 年 5 月 18 日毕业论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或 汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文
2、题目：作者单位：作者签名：年 月 日目 录摘 要 .1引言 .11.研究现状 分析 .21.1 题研究背景、意义和目的 .21.2 液位控制系统的发展状况 .31.3 课题研究的主要内容 .32.控制方案设计 .42.1 系统设计 .42.2 单容水箱对象特性 .53.硬件配置 .83.1 控制单元 .83.2 检测单元 .83.3 执行单元 .94.软件设计 .94.1STEP 7-Micro/WIN 编程软件简介 .94.2 参数设定及 I/O 分配 .95.程序编程和系统仿真 .125.1 程序设计 .125.2 程序仿真和分析 .126.结论 .16参考文献 .16附录 .18致谢 .
3、211基于 PLC 的液位控制系统设计摘 要：针对人工控制液位的准度低、速度慢、灵敏度低等一系列问题。本文提出基于 PLC 的液位控制系统，系 统通过将液位 传感器检测到的电信号送入PLC 中， 经过 A/D 变换成数字信号，送入数字 PID 调节器中，经 PID 算法后将控制量经过 D/A 转换成水泵电机转速相对应的电信号送入水 泵电机来控制水泵转速，最终 达到控制液位的目的。通过仿真和分析结果表明本文所设计系统能够正常运行并且达到了设计的目的，能够准确、快速地控制液位，克服了 传统液位控制系统的很多弊端。关键词：S7-200；PLC ； PID 控制；液位控制The System Desi
4、gn for Level Controling Based on PLCAbstract: The purpose of this design is solving the controling of liquid level of low accuracy, slow speed, sow sensitivity, a series of problems. The system designed in this paper based on PLC to control the liquid level, after A / D converted into digital signal
5、s into the digital PID controller, PID algorithm will control the amount of after D / A conversion into electrical signal corresponding to the pump motor speed into the pump motor to control the pump speed, and ultimately achieve the purpose of the control level. The simulation and analysis results
6、shows that the designed system can run normally and it have achieved the goal of this design, it can control liquid level accuracy and high speed, it overcomes many disadvantages of traditional liquid level controling.Key Words: S7-200 ; PLC ; PID Control ; Level Control引言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
7、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2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 1。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，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的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄
8、河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制。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、调整方便而成为液位控制的主要技术之一 2。可编程控制器是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。目前常用的可编程控制器中，西门子公司的 S7-200 以其编程软件 STEP7 的简洁易用和通信网络的功能强大
9、得到业内人士的普遍认可。1. 研究现状分析1.1 题研究背景、意义和目的为了解决人工控制的控制准度低、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的自动化控制。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 3。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的
10、变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。3在我国随着社会的发展，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的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失 4。1.2 液位控制系统的发展状况近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作
11、室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。除了传统的 PID 控制系统外，近年来随着智能仪表和 PLC 的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及和应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现
12、各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等力一向快速发展 5。反观我国，虽然液位控制。系统在国内生产生活的应用十分广泛，但是国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。国内液位控制器仍以常规的 PID 控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势 6。随着科学技术的
13、不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是4高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。1.3 课题研究的主要内容（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）控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。（3）调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。2. 控制方案设计因为液位高度和水箱底部的水压成反比，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，可用 PID 算法对水位进行自动调节，把压力传感器检测到的水位信
14、号 420mA 送入 PLC 中，在 PLC 中对设定值和检测值的偏差进行 PID 运算，用运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节水量 7。系统启动后，液位变送器检测液位值,检测后将检测到的液位信号传送给PID 控制器，控制器根据液位情况来控制水泵的转速。水箱液位值小于设定值时，水泵转速增加，水箱注入水量增加，水箱液位逐渐上升到设定值；水箱液位大于设定值时，调节阀开度减小，水箱注入水量减小，水箱液位逐渐降低到设定值，系统原理结构图如图 1 所示。图 1 系统原理结构图2.1 系统设计系统启动，打开水箱的出水阀，水泵电机以一定的转速来控制进入水箱的液 位 变 送 器PLC 变频器 水泵 水箱
15、5水流量，调节手段是通过将液位传感器检测到的电信号送入 PLC 中，经过 A/D变换成数字信号，送入数字 PID 调节器中，经 PID 算法后将控制量经过 D/A 转换成水泵电机转速相对应的电信号送入水泵电机来控制通道中的水流量。当水箱的液位小于设定值时，液位传感器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是 PID 调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给水泵电机，使其转速增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的进水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID 调节器的输入偏差信号为零，水泵电机就维持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。当水箱的
16、液位大于设定值时，液位传感器检测到的信号大于设定值，设定值与反馈值的差就是 PID 调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给水泵电机，使其转速减小，以使通道里的水流量减小，减小水箱里的进水量，液位降低。当液位降低到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID 调节器的输入偏差信号为零，水泵电机就维持在那个转速，流量也不变，同时水箱的液位维持不变，系统原理图如图 2 所示 8。图 2 系统原理图进水口阀门水箱液位传感器水泵PLC变频器出水口62.2 单容水箱对象特性所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。本文研究的是有自衡能力的贮蓄过程，以下简称
17、自衡过程。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的过程。自衡过程的建摸：单容水箱液位被控过程中，其流入量 ，改变阀 1 的开度可以改变 的大1Q1Q小。其流出量为 ，它取决于用户的需要，改变阀 2 开度可以改变 。液位2Q2h 的变化反映了 与 不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程。若 作为被控过1 1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 之间的数Q学表达式，水箱水位控制模型如图 3 所示，液位控制过程阶跃响应如图 4 所示。1Q1h122Q图 3 水箱水位控制模型Xt t0 0h（t）7(a) (b
18、)图 4 液位被控过程及其阶跃响应根据动态物料平衡关系有dthAQ21将公式（1）表示成增量式为t21式中： 、 、 分别表示和某个平衡状态 、 、 的1Q2hd10Q20h偏差；A贮蓄截面积。在静态时， ；当 变化的时候，h 同时也变化，水箱出口处的静压211也变化， 也发生变化。 与 h 成正比，与阀 2 阻力 成反比，2 2R2RdQ式中： 阀 2 的阻力，称为液阻。2R为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量 。消去中间变量的方法很2Q多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。将式（2） 、式（3）拉氏变换后,画出方框图如图 5 所示。c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s )图 5 方框图单容液位过程的传递函数为1)(01210 sTKCRsQHW（1）（2）（3）
