1、分类号 TP273 单位代码 11395 密 级 学 号 1505320109 学生毕业设计题 目 基于PLC的水箱水位监控系统的设计作 者 刘建坤院 (系) 能源工程学院专 业 电气工程及其自动化指导教师 姬妍答辩日期 2017年5月20日榆 林 学 院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰 写 过 的 研 究 成 果 。对本文的研究做出重要贡献的个人
2、和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。论 文 作 者 签 名 : 年 月 日摘要I摘要随着社会的发展，人口的日益增多和人民生活水平的提高，对供水的稳定性提出越来越严苛的要求。以往采用传统的供水系统，不仅占地面积大，供水速度慢，可靠性差，接线也很复杂。当工业生产工艺发生改变时，控制电路就必须重新接线，系统缺乏灵活性、自动化程度低。当今的很多企业都采用可编程逻辑控制器代替传统的控制系统，来提高系统的自动化程度，为企业的生产效率提供了可靠的保障。本设计是基于 PLC 水箱水位监控系统设计，针对现在大部分水箱自动化程度低，控制过程也相对繁杂等
3、诸多因素，本设计是采用西门子 S7-200PLC 来对水箱水位监控系统进行控制的，通过液位变送器测得液位转化为电信号变送给 PLC 中，经过 PLC 的运算和 PID 调节把控制信号输出给电动调节阀后，电动调节阀控制阀门的开度来控制液位的恒压供水系统，在利用 MCGS 组态软件来进行液位控制的实时监控。得到了一个自动化程度较高并且可以通过 MCGS 组态界面就能简单快捷并灵活多变的控制液位的设计。关键词：水箱液位；PLC；MCGSABSTRACTIIDesign of Water Level Monitoring System Based on PLC Water TankABSTRACTTh
4、e increasing social progress, the increasing population and the improvement of peoples quality of life, the stability of the water supply more stringent requirements. Past water supply system, not only a large volume, and water supply efficiency is slow, wiring is also very complicated. When the ind
5、ustrial production process changes, it must be wired, lack of flexibility, low degree of automation. Many of todays enterprises are using programmable logic controller instead of the traditional control system, to improve the degree of automation of the system for the production efficiency of the en
6、terprise to provide a reliable guarantee.The design is based on PLC water tank water level monitoring system design, for now most of the water tank is low degree of automation, the control process is also relatively complex and many other factors, the design is the use of Siemens S7-200PLC water tan
7、k water level monitoring system to control, through the liquid level The transmitter measured the liquid level into the electrical signal sent to the PLC, after the PLC operation and PID control to control the signal output to the electric control valve, the electric control valve control valve open
8、ing to control the level of constant pressure water supply System, in the use of MCGS configuration software for real-time monitoring of liquid level control. Has been a high degree of automation and can be configured through the MCGS interface can be simple and quick and flexible control of the liq
9、uid level design.Key words: tank level; PLC; MCGS目录IV目录摘 要 IABSTRACTII1 绪论 11.1 设计的背景与意义 11.2 国内外现状 .11.3 西门子 PLC 介绍 22 水箱水位监控系统总体设计方案 32.1 系统组成 .32.2 系统设计方案 .33 水箱水位控制系统设计 53.1 系统构成 .53.2 仪表的选型 .53.2.1 CPU 选择 53.2.2 变送器的选择 63.2.3 执行器的选择 63.2.4 水泵的选择 63.3 工作原理 .83.4 PID 算法 84 软件设计 114.1 软件流程图 .114.2
10、 I/O 分配表和 PID 回路参数表 .124.3 梯形图 .125 系统组态设计 195.1 监控组态软件介绍 .19目录IV5.1.1 概念 .195.1.2 组态软件的特点 .195.2 组态界面的开发 195.2.1 建立工程 .195.2.2 建立流程画面 205.2.3 定义数据对象 215.2.4 动画连接 225.2.5 模拟设备连接 255.2.6 控制流程 255.2.7 报警显示 265.2.8 趋势曲线显示 275.2.9 水位控制系统效果展示 286 总结 29参考文献 .31致谢 .33榆林学院本科毕业设计11 绪论1.1 设计的背景与意义以往的人们都是操控陈旧的
11、继电器接触器调控液位高度，自动化水准很低，控制过程也相对的繁杂。自从可编程控制器泛起之后，可以让液位系统主动的维持液位高度，工作职员可以很轻松的在工作台上明白设备的工作情况，降低了工作 1伤害性的同时也提升了效率。可编程控制器是把过往的继电气控制技术、计算机技术和通信技术融为一体的自动控制设备，其操作和控制都很灵活简便，非常合适液位系统。现如今被广泛运用的可编程控制有西门子旗下的 S7-200PLC，其强大的功能获得了许多业内人士的认可。1.2 国内外现状液位监控系统不在只是局限于各种硕大的发电厂、钢铁、煤炭石油等领域，其通过本身的自动化监控系统的安全优点，已经开始进军到一部分民用水箱产品中。
12、但是目前阶段，它的成本还是很高。就好比把一部分手工打造的家用小型水塔改造成自动化控制系统的水箱，从本身外部硬件的改造和实施，相对于民用产品的落实性价比还是偏高的。因此大范围的使用依旧受到经济上的限制。从长久的规划来说，通过自动化的创新完善和硬件造价的下调，以及人们珍惜那些因为本身操作原因浪费的水资源，水箱水位监控系统仍然具备大范围推广的远景。我国目前处于发展中国家的范畴，只要是有一点点涉及到任何关于能源的所有领域中，水箱都是一个必不可少的 2重要组成部分，就算是多数发达国家也不特殊。其功能的完善与否直接影响到各个工厂最基本的生产安全和重要的生产效益。我国嵌入式技术在科研人员的努力研发后得到飞速
13、的发展使得控制系统技术依然已经迈进国际水平的范畴里。但是在调研的过程中发现仍有很多中小型企业和部分民用水箱还是需要专职的人员去调控。基于 PLC 的控制器原理简单，实用方便，适应性强，使供水系统更加的安全可靠。可编程逻辑控制器保存了继电器控制系统的操作简易、控制精准、控制程序可以随工艺改变而改变、易于与计算机通讯和维修简便等优秀性能。基于 PLC 水箱水位监控系统设计21.3 西门子 PLC 介绍SIMATIC PLC 是德国西门子在 1995 年推出的高性价比的 PLC 系统 3。微型的有 S7-200 系列，最小配置为 8DI/6DO；中小型的有 S7-300 系列；中高档的有S7-400
14、 系列。 S7 系列都具有模块化，无风扇布局和易于用户上手等特点。这让S7 系列的 PLC 成为了大众的首选，该系统给出了完成各种控制任务既简便又合理的解决方案。其主要功能有：快速的指令处理、诊断功能和密码保护等一系列的功能。榆林学院本科毕业设计32 水箱水位监控系统总体设计方案2.1 系统组成水箱液位控制系统结构图如图 2-1 所示，S7-200 是本次系统选取的控制器PLC,水箱是该系统选取的被控对象，水箱的实际液位在经过液位传感器的测量后把实时测量数据 4转变成电信号送至 PLC 输入模块, PLC 立刻对检测到的实时数据进行分化处理，按照系统给定的控制要求进行相应的运算，然后 PLC
15、把运算结果传输给模拟量输出模块送入执行器单元中，电动调节阀装置是系统选定的执行器单元。上位机的通信方式是由 PC/PPI 通信电缆和 PLC 串口建立连接后实现通信，工作人员需要给上位机载入西门子的编程软件和 MCGS 组态环境和运行环境，在有需要的情况下对控制算法进行有必要的编程和修改，并在运行过程控制实验中为工作人员提供优良的人机界面，同时也方便工作人员在调试实验的过程中进行必要的参数修改和响应曲线的实时显示。图 2- 1 水箱液位控制系统结构图2.2 系统设计方案本设计是通过使用西门子 S7-200 可编程控制器来实现水位 PID 控制调节，通过压力变送器对水位数据的检测 5，把检测结果
16、转换成标准电信号送入到EM235 中，在经过 EM235 送入执行器即电动调节阀中，通过改变电动调节阀阀门的大小，以此来达成水箱水位的平衡。工作人员可以在上位机的控制画面中，随时随地的监控系统运行过程中的实时状态，也可以在需要时对现场数据收集。然后在流程中以动画的方式、报警信息处理、流程控制、实时曲线输出等多种方基于 PLC 水箱水位监控系统设计4法,提供液位 PLC 控制系统的动态运行情况，显示 PV（液位检测值） 、OP（阀门开度） 、SP（设定值） 、并且在画面上实现、报表、报警信息及处理结果、实时曲线等功能。榆林学院本科毕业设计53 水箱水位控制系统设计3.1 系统构成水箱液位控制系统
17、由可编程控制器、执行器单元、被控过程和测量变送单元等四个重要部分组成。如图 3-1 所示。3.2 仪表的选型序号 器件名称 型号规格 数量1234CPU液位变送器电动调节阀水泵CPU-224DBYG 扩散硅压力变送器PSL202CM10-311113.2.1 CPU 选择本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。 6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编图 3-1 水箱控制系统示意图表 3-1 元器选型表基于 PLC 水箱水位监控系统设计6程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议
18、和自由方式通讯能力。 I/O 端子可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。本设计一共有 6 个输入 I 点和 4个输出 0 点，一个液位变送器输入电信号模块和一个电动调节阀输出信号模块所以需要一个输入/输出模块 EM235，所以 CPU 本设计选取的 PLC 是 CPU-224。3.2.2 变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用 420mADC 、15VDC 的电流（电压）信号，或 20100kPa 的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以本设计中选用
19、的是压力液位变送器 6。液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响， DBYG 扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体的压力，并将被测参量转换成 420mA DC 的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。因此，本设计采用工业用的 DBYG 扩散硅压力变送器。3.2.3 执行器的选择执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。控制阀接收来自控制器输出的控制信号
20、，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。控制阀包括执行机构和调节机构两部分。执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。因此本设计的执行器选用电动调节阀。电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国 PS 公司进口的 PSL202 型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同 6 步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。有输入控制信号420mA 及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积
21、小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用 PS 电子式直行程执行机构，420mA 阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。3.2.4 水泵的选择丹麦格兰富循环水泵的是一种运用很广泛的水泵，它的具体优点有：安装和维修都很便捷，并且有很强大的维修适应性；220V 电压就可以带动水泵的运行，榆林学院本科毕业设计7在运行过程中水泵能耗较低的同时还能保持大功率输出。所以，本设计选取的是CM10-3 型号。基于 PLC 水箱水位监控系统设计8图 3-2 CPU 外部接线图榆林学院本科毕业设计93.3 工作原理在虚拟水
22、箱控制系统中当实际值 PVSV 给定值时，在 MCGS 组态环境中由脚本程序调控电动调节阀大小，使流量变大或是变小使得液位上升或是下降；从而让水箱液位向给定值上靠拢。本设计的控制是一个负反馈控制的典型回路，在由实际的传感器将实时数据转化为标准电压信号送给 PLC 的 模拟 /数字功能模块，经过转化在从串行口供给上位机，与给定值比较得出偏差值，从而调整电动调节阀的大小，从而实行液位的自动调控，框图如图 3-3 所示。图 3-3 控制系统方框图3.4 PID 算法PID 控制器管理给出实时数据，让偏差快速向零靠拢，使系统到达稳定状态。偏差指的是给定值 SP 与过程变量 PV 的差。下方的公式是 P
23、ID 控制原则的根本：intaldtip MeKeKtM0（3-1）M（t） 输出的是 PID 运算的时间函数；PID 回路的比例系数；PID 回路的积分系数；PID 回路的微分系数； e PID 回路的偏差；PID 回路输出的初始值。因为在计算机内要运算该控制函数，务必将连续函数转化为偏差值的间断采样。计算机运用下列对应公式为基础的离散化 PID 运算方式 ：基于 PLC 水箱水位监控系统设计1011 ndintalninpn eKMeKM （3-2）采样时刻 n 的 PID 运算输出值；采样时刻 n 的 PID 回路的偏差采样时刻 n-1 的 PID 回路的偏差；1采样时刻 l 的 PID
24、 回路的偏差。运用计算机处理的重复性，可以对上述公式进行简化。简化后的公式为： 1ndninp eKMeKM1.比例项 MP= *e，而计算的敏感性是由比例系数来把控输出的，而偏差= SP-PV。为了便于计算取 cpK （3-4）CPU 采用的计算比例项的公式为 ncnPVSMP（3-5）回路的增益；采样时刻 n 的设定值；采样时刻 n 的过程变量。2.积分项 积分项 MI与偏差和成比例。为了方便计算取 isCTK（ 3-6）CPU 采用的积分项公式为： MXPVSMIniscn（3-7）3.微分项 微分项 MD与偏差的改动成比例。为了便于计算取 sdcdTK（3-8）计算微分项的公式为： 1
25、1nnnsdcn PVSPVSTKMD（3-9）（3-3）榆林学院本科毕业设计11基于 PLC 水箱水位监控系统设计124 软件设计4.1 软件流程图主程序开始首次扫描，调用初始化子程序主程序结束图 4-1 主程序流程图子程序开始装载 PID 参数连接 PID 中断服务程序子程序结束图 4-2 子程序流程图中断程序开始累加器清零水箱液位变送器输入变累加器将过程变量转化为实数给输入赋 0输入0？执行 PID 调节将输出值转化16 位整数将数值写入模拟量输出中断程序结束图 4-3 中断程序流程图YN榆林学院本科毕业设计134.2 I/O 分配表和 PID 回路参数表4.3 梯形图主程序图 4-4
26、I/O 分配表和 PID 参数表基于 PLC 水箱水位监控系统设计14榆林学院本科毕业设计15基于 PLC 水箱水位监控系统设计16榆林学院本科毕业设计17子程序基于 PLC 水箱水位监控系统设计18榆林学院本科毕业设计19基于 PLC 水箱水位监控系统设计205 系统组态设计5.1 监控组态软件介绍5.1.1 概念监控组态软件是说用于数据收集和过程控制的专用软件，其是在自控系统中处于一级监控的软件平台和开发环境，制作者可以依照各种不同的需求 7通过使用各式各样的组态模式创建开拓出灵活多变的组态界面和快速了解各种组态工程的便捷操作方式。根据其预先存放的各种模块可以短时间内构建实现监控所需要的各
27、项功能，还能满足大部分硬件的工作需求，给控制层供给了软、硬件的所有接口。5.1.2 组态软件的特点组态软件操作简单快捷 8，制作者根本不用了解太多编程语言的方法，完全可以在短时间之内创建出一个相对复杂的工程并满足要求开拓出其需要的全部功能。运行可靠，修改简单。组态软件构建开发的程序，用户如果需要修改硬件方面、系统布局时，根本不需要进行太大的调整就能快捷的完成系统的更新和升级。5.2 组态界面的开发5.2.1 建立工程如图 5-1 所示用光标双击软件菜单中“新建工程”按钮，在E：MCGSWORK下系统自动生成了一个新建工程，通常情况下工程名都是：“新建工程 A.MCG”(A 基本都是由数字组成的：0 、1、2)。鼠标点击“项目另存为”的按钮，在工程文件名的窗口中修改并输写出“水位控制”的字样，然后选择“保存”选项，工程就建立完毕了。
