基于PLC的液位控制(共27页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 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 录专心-专注-专业第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-

2、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

3、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420mA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

4、 ，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

5、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l 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。l 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。l 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l 满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。l 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。l 用于与SIMATIC其他产品

6、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

7、，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，即位模块、位模块和位模块。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：010V电压、010K电阻或Pt 100），输出范围010V电压值或420mA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

8、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，这就要求PLC配有模拟量输出模块。SM 332模拟量输出简称模出(AO)模块目前有3种规格型号：位模块、位模块和位模块。本次实验采用的SM331 A04x12bit(6ES7 332-5HDO1-0AB0)该模块有4路输出通道（默认地址：PQW272-PQW279）SM 332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路与负载连接。2.5 电源模块PS 307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS

9、307系列模块除输出额定电流不同外(有2、5、10A)，其工作原理和参数都一样。系统选用5A的电源模块。PS 307 5A模块基本电路如图2-1所示。PS 307 5A模块的输入接单相交流系统，输入电压120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围20()V，最大上升时间2.5s，最大残留纹波150mV，PS 307可安装在导轨上，除了给S7-300供电，也可给I/O模块提供负载电源。图2-1PS 307电源模块(10A)基本电路图 第三章 系统硬件控制设计3.1 系统设计 在这个部分中控制的是上水箱的液位。单相泵正常运行，打开出水阀，电动调节阀以一定的开度来

10、控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将液位变送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转换成与变频器开度相对应的电信号送入变频器，然后由变频器控制水泵，从而达到控制液位的目的。当上水箱的液位小于设定值时，液位变送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变频器，使其值增大，从而电动调节阀的开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，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，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不

11、变，同时水箱的液位也维持不变。系统的控制框图如图4-1所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成420mA的模拟电信号后输出到变频器，调节电动调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过液位变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。图3-1 上水箱液位自动调节

12、系统控制框图3.2 硬件设计3.2.1 检测单元在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。本次采样的对象时液位。液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为010KPa，精度为，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为420mA直流，接线如图4-2所示。图3-2 压力变送器的接线图接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正端(+)，中继箱内负端()接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感

13、器输出420mA电流信号。 图3-3压力变送器工作原理图压力变送器的工作原理见图4-3。大气压力为PA，选定的零液位处压力为PB，零液位至液面高度为H，其产生的压差P为 (4-1)式中，为水的密度，g为重力加速度。根据式(4-1)，利用压力变送器将PB转换成DC420mA统一标准信号送入PLC中，便得知被测的液位。3.2.2 执行单元变频器作为此次设计的执行单元，接受来自调节单元的输出信号，并转换成相应的数字量 ，从而控制水泵供水系统的进水流量，从而达到控制液位的目的。3.2.3 控制单元控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC是控制的中心元件，它是控制单元设计的重要部分。系统应用的是西门子

14、S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。PLC可以与计算机连接，便于计算机对PLC进行编程和管理。系统选用的S7-300PLC的各个模块分别是CPU 314-2DP、SM 331 位模拟量输入模块、SM 332 位模拟量输出模块、PS 3075A电源模块，这些模块在前面已经作了详细的介绍。模块的选择是根据系统的实际要求选择的，能满足系统的要求，符合节省成本的要求。 第四章 软件设计 4.1 FC105 介绍： 图4-1 FC105结构图 SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工

15、程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。FC105的数值换算公式为：OUT=(IN -K1)/(K2-K1)*(HI_LIM-LO_LIM )+LO_LIM 对双极性，输入值范围为-27648到27648，对应K1 =-27648，K2 =+27648， 对单极性，输入值范围为0到27648，对应K1 =0，K2 =+27648,如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。 通过设置LO_LIM HI_LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随

16、输入值的增加而减小。4.2 FC 106 介绍： UNSCALE功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。UNSCALE功能使用以下等式： OUT = (IN-HO_LIM)/(HI_LIM-HO_LIM)* (K2-K1) + K1，并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。 BIPOLAR：假定输出整型值介于-27648和27648之间，因此，K1 = -27648.0，K2 = +27648.0 UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1

17、 = 0.0，K2 = +27648.0 如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围，输出(OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。 图4-2 FC106 结构图4.3 FB41 介绍： 图4-3 FB411）常用输入参数说明：MAN_ON： BOOL：手动值ON；当该位为TURE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到；也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位；P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择有效；I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON

18、时，选择I（积分）控制有效；一般选择有效； INT_HOLD BOOL：积分保持，不去设置它；I_ITL_ON BOOL：积分初值有效，I-ITLVAL（积分初值）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用I-ITLVAL变量积分初值。一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值；D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用；CYCLE ： TIME：PID采样周期，一般设为200MS；SP_INT： REAL：PID的给定值；PV_IN ： REAL：PID的反馈值（也称过程变量）；GAIN ： REAL：比例增益；T

19、I ： TIME：积分时间；TD ： TIME：微分时间LMN_OFF： REAL：PID输出值偏置值（OFFSET）；I_ITLVAL：REAL：PID的积分初值；有I-ITL-ON选择有效4.4 软件控制流程图： ？ 图4-4 软件控制流程图 第五章 程序实现5.1 step 7 软件编程 ： 在进行软件设计前。必须先进行硬件组态.，使程序与硬件控制有机的结合起来。 图 5-1 硬件组态图2 因为本次设计采用的是电流信号，所以需将模拟量输入，输出模块的信号设置电流信号。 图5-2 SM332属性图 3 程序编写 。 整体的思路是，液位变送器采样的值通过FC105 转换为模拟量 ，将模拟量与

20、给定的值通过FB41进行PID 运算，随后将输出值通过FC106转换为电流信号，将电流信号送入变频器，通过变频器控制电动调节阀，达到控制液位的目的。程序见附录。4 本次设计采用的杰控软件进行界面的显示 。通过界面，设置 ，液位给定 ， P I D 参数 ，以及显示液位变送器采样输出值和pid 输出值 。通过杰控软件，定义相对应的数据，并开辟相对应的内存空间，存储所需要的输入输出值，再通过PLC 的装载指令，将相对应的值装入相应的地址空间，便可以实现良好的人界的交互。 图5-3 杰控界面图 图5-4 定义的设备数据表 图5-5 定义存贮区 图5- 6 定义变量5.2程序调试与结果在比例调节实验的

21、基础上，加入积分环节，在界面上设置 P为10，I 设置为 25观察得到被控制量回到设定值， 5.3 过程中出现的问题与解决办法 1 下载硬件组态时 ，出现无法转载或无法建立连接？ 解决方法 ：出现这个问题时，我们首先重启了PLC 的CPU 对其进行了复位，在此下载程序组态时，依然无法建立连接，随后便检查设备IP地址与计算机IP地址，打开计算机网络连接属性和 组态PN-IO的属性地址进行检查，发现前三位地址不一致，于是修改了地址，使其前三地址相同，最后一位地址不相同，然后复位CPU 重新下载获得成功。 2 程序运行时 SF 显示红灯 ？ 解决方法 ： 显示红灯，说明硬件组态与实际设备的型号不一致

22、，于是检查硬件组态，发现电源模块订货号错误，更正后重新下载后程序正确运行。3 FC105 模块的输入，即液位变送器的采样值 ，出现数字满量程 ，负值 。 解决方法: 当出现满量程时 ，首先检查水箱的液位是否已满，发现没有。说明可能液位变送器工作不正常。于是检查液位变送器与水箱是否连接正常，发现连通管内水未装满，导致连通管内充有一定量的空气，检测不正常。 随后打开连通管另一端，将水灌入，排除空气。随后检测值显示正常。出现负值时 ，检查了连线，发现连线接反。改变连线，采样正常。4 ： 程序运行，但发现电机与变频器没有正常运行 。 解决方法： 检查软件各模块输出值正常 ，检查设备参数设置，发现其值不

23、合理，没有将其设置为外控模式，随后修改，运行正常。4 杰控界面的液位给定值极P I D 个参数值无法传递到FB41的给定管脚。解决方法 :首先我们打开了杰控组态软件，检查设备数据表变量的定义是否弄错，发现本地参数的IP地址 和 远程参数的IP地址设置有误。无法进行通讯，随时修改后，重新运行程序，有显示回应。5 各参数值发现显示异常 ，界面中进FC105 装换后的输出值出现闪烁的现象 。 解决方法： 检查定义变量的关联是否正确，检查无误。随后在数据的内存空间上发现，由于设置地址的起始于结束地址，设置不合理，导致出现了内存覆盖的情况，这样就导致，同一段内存，在不同时刻存入了不同的值，因此数显了闪烁

24、的现象。7 在进行P I D 调节中 ，发现输出曲线超调态大 ，滞后时间太长？ 解决办法 ; 说明P设置太大了 ，于是重新进行了调试，通过先P 后I 的在D 的原则 ，将P 设置为20 观察曲线 超调非常大，于是改为10，发现超调减少，随后将 I 设置为 50 曲线光滑 ，但滞后时间长，改为25时 ，曲线基本平滑，且时间合理。 第6章 实验心得与体会在整个设计中，完成了通过PLC 应用PID算法对水箱液位的控制，在上水箱液位PID控制上取得了良好的控制效果，取得了满意的曲线。在实验的进行中感触颇多，当我看到这个课题，充满了期待并希望很快实现它。通过查阅相关资料，有了一个整体思路便开始了大胆的尝

25、试，但在进行的过程中发现了好多问题，小到如一个单位，字与双字在程序的表示，芯片引脚的输出类型， 这些细小的问题，。大到如 模拟量输入输出的转换，PID的参数如何调节。这些问题在队友以及老师的帮助下最终得到解决，在此要感谢朱老师在设计过程中的指导，对我提出的问题耐心的解答，对我的鼓励和支持， 同时也要感谢队友的支持与鼓励，在设计过程中的完美协作，使得设计最终完成。附录：程序清单参考文献1. 金以慧.过程控制.清华大学出版社.1993年4月第1版2. 郭宗仁等.可编程控制器应用系统设计及通讯网络技术.人民邮电出版社.2002年9月出版3. 黄云龙等.可编程控制器教程.科学出版社出版.2003年8月

26、4. 邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社.2002年1月第二版5. 陈在平等.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社.2002年7月第1版6. 袁任光.可编程控制器选用手册.机械工业出版社.2002年8月出版7. 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社.2002年9月第1版8. 林德杰.过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社.2004年1月第1 版9. 徐湘元等.过程控制的发展方向 智能控制.化工自动化及仪表.1998年25卷第2期（15页）10. 金 鑫等.典型工业过程鲁棒 PID 控制器的整定.控制理论与应用.第22卷第6期2005年12月（947953页）11. 祁鸿芳等.P

27、ID 算法在西门子 PLC模拟量闭环控制中的实现.机床电器.2005年1月（2325）12. 杨 智等.PID控制器设计与参数整定方法综述.化工自动化及仪表.2005年第5期32卷（17页）13. 李 铭等.模糊 PID控制算法在气缸位置伺服控制中的应用.机床与液压.2004年第10期(5557页)14. MoradiM H. New Techniques for PID ControllerDesignA .Proceedingsof IEEE Conference on ControlApplicationsC.Istanbul, Turkey,2003. 107.15. JohnsonM

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