基于P L C的液位控制系
统设计
LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】
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
姓名：濮孝金
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，PLC
Abstract
In 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 level and 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)
§研究背景 (1)
§ PLC的产生与发展 (2)
PLC的产生 (2)
PLC技术的发展 (2)
§设计任务 (3)
第二章液位控制装置硬件设计 (4)
§自动液位控制系统应用简介 (4)
§液位控制装置硬件组成 (5)
§ PLC的基本结构 (7)
中央处理单元(CPU) (7)
I / O模块 (7)
电源模块 (8)
§ PLC的工作原理 (8)
公共处理扫描阶段 (9)
输入采样扫描阶段 (9)
执行用户程序扫描阶段 (9)
输出刷新扫描阶段 (10)
§水箱液位控制系统组成及工作原理 (11)
液位控制系统结构图： (11)
液位控制系统工作原理 (11)
(12)
(13)
第三章液位控制系统软件设计 (15)
§ PLC软件程序介绍 (15)
梯形图的组成： (15)
梯形图的几个特点 (15)
梯形图的格式 (16)
§程序设计流程图 (16)
§ PLC中PID控制器的实现 (17)
PID算法 (17)
PLC实现PID控制的方式 (17)
连续调节器FB41的使用 (18)
§系统软件设计 (21)
第四章装置测试与结果分析 (25)
致谢 (28)
参考文献 (29)
第一章绪论
§研究背景
目前，城市液位控制系统主要为水厂、生活区、高层建筑液位控制系统等仍使用较传统的方法液位控制。给水工作人员基于历史数据和工作经验人工调节水泵电机的开停来实现水位的控制。当用水量增加时，水压降低，此时手动增大水泵功率；当用水量减少时，水压变大，此时把水泵电机功率降低或让水泵停机。由于水泵是液位控制工程的通用机械，消耗大量能源。在我国，每年在水泵上的能源消耗占总用电量的21％。为了节约能源，必须采取措施改良泵站，以适应负载的变化来运行。
传统的液位控制方式有很多不足之处，尤其是对多台泵水系统。首先，由于水泵电机工作时只有额定运行和停车两种工作状态，并且系统完全依赖于人工操作进行控制，如此以来就不能提供一个稳定的液位控制压力，而且断水、水管崩裂、管道共振等现象经常出现。其次，由于水泵电机只能工作在工频状态，长期高速运行，电能浪费较大，据统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例高达45%以上。再次，由于对电机的人为控制很难保证切换秩序准确性，加大了电机运行故障的可能性，容易造成电机在长远运作过程中不均匀磨损，机械磨损大就会缩短设备寿命且维护量大，设备和劳动力成本较高。最后，目前的城市生活区高层液位控制系统，基本都采用高位水箱或水塔液位控制，这种方式的建设既增加基础设施投资，也造成水资源二次污染。
使用新型基于PLC的控制塔与过去水塔液位控制方式相比，无论在设备投资方面，还是运行经济性、稳定性、可靠性、自动化程度方面都有着不可比拟的优点，再者还具有显着的节能效果。恒压液位控制系统，引起了国内几乎所有设备制造商的重视并不断投资研发，旨在生产高科技产品。目前，产品正向着高可靠性，全数字微机控制，多品种系列方向发展。追求高度自动化、智能化、标准化是未来液位控制系统着眼于开发城市建设智能楼宇、和液位控制管网的必然趋势。
本文重点介绍基于PID控制的自动液位控制装置的相关内容及设计，使模拟水塔的水箱液位保持动态平衡。通过软件调整PLC控制器内的参数，结合液位变送器反馈的实时液位信号再经PID计算输出控制量控制水泵功率调节进水，如此构成单闭环系统。水箱水位控制系统集PLC控制技术、PID控制技术，电力电子技术，微电子技术、计算机技术
和检测技术于一体，该液位控制装置可以提高液位控制的稳定性和可靠性，具有良好的控制水位动态平衡的效果。
§ PLC的产生与发展
PLC的产生
1960年随着小型计算机的产生和大型规模开发生产，人们都试图实现以小型工业控制计算机来代替传统的继电器控制接触器。然而，由于小型工业控制计算机输入、输出电路不通用且编程技术的复杂，因此并没有得到推广和应用。
20世纪60年代后期美国汽车制造业的竞争力日益激烈。为了满足生产工艺的需要，在1968年，通用汽车公司第一次公开招标，对控制系统提出了具体要求：①其基本的继电器控制系统的设计周期短，更换方便，接线简单且成本低；②计算机的功能和和继电器的控制系统可以结合在一起，并且要比计算机编程简单易学，易于使用；③系统的通用性好。
1969年美国数字设备公司按照上述要求，研制出世界上第一台
可编程逻辑控制器，并在美国通用公司自动装配生产线上首次成功应用，实现自动化生产控制。随后，日本、德国等相继出台，迅速开发了可编程逻辑控制器。但是，这一次主要用于顺序控制，虽然类似电脑设计的想法，但它仍然属于逻辑运算，因此它被称为可编程逻辑控制器，即PLC（ Programmablc逻辑控制器），后又为了区别改称PLC。
在20世纪70年代末，随着微电子技术和计算机技术的日益发展，具有更高计算功能的可编程逻辑控制器也快速发展，不仅硬盘要更换，逻辑编程取代布线逻辑，还要具备运算功能和数据传输功能，真正成为工业计算机控制设备。不仅如此，该逻辑控制器又具备小型化或超小型化的特点，且该功能采用微电脑技术，工业控制能力范围远远超出了
逻辑控制、顺序控制局限，因此叫做可编程逻辑控制器，也称为PC
（ Programmablc控制器）。然而，由于PC机与PC （个人计算机）相混淆，人们都习惯于缩写成PLC。
PLC技术的发展
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是：
1. 编程方便，可在现场修改程序；
2. 维修方便，最好是插件式；
3. 可靠性高于继电器控制柜；
4. 体积小于继电器控制柜；
5. 可将数据直接送入管理计算机；
6. 在成本上可与继电器控制竞争；
7. 输入可以是交流115V；
8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；
9. 在扩展时，原有系统只要很小变更；
10. 用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
这10项指标其实就是现在PLC的最基本功能，其核心要求可归纳为4点：
1.计算机代替继电器控制盘。
2.用程序代替硬接线。
3.输入/输出电平可与外部装置直接相联。
4.结构易于扩展。
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器
PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。它具有继电器控制系统的外部特性，又有计算机的可编程性、通用性和灵活性，开创了PLC的新纪元。
可编程控制器从产生到现在，经历了四次换代，总结如下表：
表1-1可编程控制器的发展代次
§设计任务
基于PLC的自动液位控制控制装置，以西门子S7-300 PLC为控制器，现场总线(Profibus-PA)仪表为变送装置，采用PID控制技术控制水泵的开关和转速，实现对水塔的液位、流量进行实时监控并保持水塔液位和流量的在液位控制中的动态平衡。
达到的指标：
（1）完成控制系统的硬件组态；
（2）实现液位控制动态平衡，即保证液位误差<2~3mm，流量误差
<10mL；
（3）结合S7-300 PLC的硬件组态完成PLC程序设计，达到液位和流量双指标。
第二章液位控制装置硬件设计
§自动液位控制系统应用简介
在实际生活中，液位控制系统是由多台水泵液位控制，比如下图所示的液位控制系统使用了5台水泵，4台工作在工频，1台用于变频工作（备用）。在正常的液位控制情况下，通常是由一定数量（比如3台）水泵轮流处于工频工作状态，这样可以避免因一台水泵故障, 导致整个液位控制系统瘫痪的弊端。另外未按变频运行的水泵也要轮流的处于工频运行, 使得各水泵的运行时间接近, 延长水泵和系统的使用寿命。液位控制系统实物图如下所示：
图2-1 5台水泵液位控制
图2-2 控制面板图2-3 液位控制池抽象出水塔液位控制的基本模型如下图2-4所示：
图2-4 水塔液位控制基本模型
§液位控制装置硬件组成
以上为生活中自动液位控制系统的应用实例，在本次毕业设计中，结合实验室具备的实验条件，采用西门子S7-300系统和水箱来模拟水塔液位控制系统，设计出基于PLC的自动液位控制控制装置，装置的硬件组成如下：硬件？
触摸屏
型号：TP 177B mono
通讯方式：Profibus-DP 触摸屏与PC 机通讯连接线
(PC Adapter ）
第一次使用需要安装驱动
变频器
MM440S7-300模块式PLC 该PLC 常用的以太网IP 地址
LED 灯负载PLC I/O 模块接线盒
实验台电源开关过程控制对象转速
温度
液位
24V 电源图
2-5 实验室硬件平台
其中基于模块化设计的S7-300 PLC 系统由导轨和各种模块组成，需要一个主机架和一个或多个扩展机架。
图2-6 单机架S7-300模块
硬件组态时，必须保证所组态的虚拟硬件系统与已安装的实际硬件系统相匹配，包括：虚拟系统中模块的组态顺序与实际机架上模块的安装顺序一致；虚拟系统中每个模块的订货号应与实际硬件模块相匹配，同时应注意有时订货号版本相近也可以兼容的情况。
电路图？
§ 水箱液位控制系统组成及工作原理
传感器？
液位控制系统结构图：
由水泵、比例阀、单容水箱、液位测量及放水开关，所组成的单回路液位控制系统如图2-11所示。
图2-11 液位控制系统结构图
液位控制系统工作原理
在本毕设使用水箱中，水泵和比例阀共同作用来调节进水速率；液位测量装置包括一个压力传感器和变送器，将液位转化为0~10V模拟电压信号；放水开关用来调节放水速率。
工作过程：首先调节手动阀到一定开度并保持不变，使进水速率只与水泵的工作状态有关；然后将放水开关调节到一定开度，再按图2-12的方式将液位系统与PLC系统连接，如此便构成进水由水泵调节的简单液位控制系统；再通过采集液位测量装置的液位反馈信号，并将该信号作为PID控制的反馈值，通过PLC内部的PID控制计算；最后输出一个控制信号通过D/A转化成电压信号来调节水泵功率，使液位值迅速变化到设定值。
图2-12 水箱硬件连接图示说明
首先调节手动阀到一定开度并保持不变，使进水速率只与水泵的工作状态有关；然后将放水开关调节到一定开度，再按上图2-12的方式将液位系统与PLC系统连接，如此便构成进水由水泵调节的简单液位控制系统；再通过采集液位测量装置的液位反馈信号，并将该信号作为PID 控制的反馈值，通过PLC内部的PID控制计算；最后输出一个控制信号通过D/A转化成电压信号来调节水泵功率，使液位值迅速变化到设定值，具体流程图如下2-13。
图2-13液位控制系统工作过程流程图
在水箱系统上，先用手动阀屏蔽掉比例阀，并关闭放水开关。然后从PLC的AO通道送出一个模拟电压到水泵信号输入端，将水箱注满足够清水(约270mm液位)，停止进水，将此时液位测量模块的输出值送入到PLC的AI通道，并在程序中通过模拟量输入输出地址PIW288读出液位对应的数字量的数值。接着，将放水开关打开一个小开度，液位下降后关闭放水开关，在程序中读入更新后的PIW288值，按照这个步骤，连续、均匀的记录一组数据，如下表2-1所示所示。
表2-1 实际液位与PIW对应数字量关系
图2-14 实测数据在excel中拟合出的曲线及公式
将获得的数据，在excel中拟合出曲线及公式，如图2-14所示。可以看出测量装置的线性度还比较好，计算出一次函数关系为 y=*，近似为：y=*，那么得到：实际液位=*PIW数值，整合对应关系完毕。
第三章液位控制系统软件设计
§程序设计流程图
根据实验室水箱的硬件组成，设计水箱水位控制系统的PLC控制流程图如下图3-1所示：
图3-1 液位控制系统液位控制流程图
其中，出水口阀门可开大开小，但最大不能大于进水量最大值，否则水箱的液位无法保持稳定（一直下降），这种情况在实际水塔液位控制过程中表现在用户用水量过大时水塔中的水量持续下降，此时会启动备用水泵加大液位控制力度，由于本闭合硬件有限，此处不做讨论。
§ PLC中PID控制器的实现
PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由
【比例项+积分项+微分项】组成，它们的作用分别是：比例用于达到控制器设定值；积分项的作用是消除系统静差；微分项则改善系统的
动态响应速度。
PID算法
PLC技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。如图3-2是常见闭环控制系统的构成。
图3-2 闭环控制系统
在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分、微分等处理的装置称为“调节器”，当调节器具有“放大”、“积分”、“微分”功能时，即成为PID调节器。
在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用PID控制器、软件PID以及变频器内置PID来实现系统的PID调节功能，三种方法各具优缺点，本设计选用PID算法的PLC实现方法。
PLC实现PID控制的方式
用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
(1)使用PID过程控制模块。
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。
(2)使用PID功能指令。
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-300的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以得到类似于是用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜得多。
(3)用自编的程序实现PID闭环控制。
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户编制PID控制程序。
连续调节器FB41的使用
本设计采用西门子PLC的库功能块FB41作为系统的PID调节器。
连续调节器FB41用于在SIMATIC S7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。
从“库”或是“别的项目”中找到功能块FB41，并将其复制到本项目的blocks文件夹下，如图3-3和图3-4所示为本次实验所需的各种
块。功能块(FB)通常要配合背景数据块(DB)使用，创建数据块DB1并使其为FB41的背景数据块，即一个存储FB41子程序中各种变量的地址空间。
图3-3 背景数据块DB1的创建图3-4本次实验所需“块”
从“库”中找到FB41和SFB41两个功能块，并为其创建背景数据块DB1和DB2，从OB1的调用中可以看出，这个SFB41是针对集成式CPU 314使用的，在本系统中调用它CPU会报错。所以本设计调用FB41并配合DB1使用。
图3-5 在OB1中调用FB41和SFB41比较
功能块FB41实质为一个子程序，在组织块(OB1或OB35)中调用，为实现内部功能和外部信息交互，它必然包含一些变量，按图3-6方式生成的背景数据块便是这些变量的一个集合。
图3-6 FB41的背景数据块DB1中部分变量
功能块FB41为系统提供，一般不能打开来查看其程序结构，但在使用手册中给出了其内部功能实现结构。
图3-7 FB41的内部结构
本设计中需要用到FB41的以下变量：
控制位：COM_RST(置1功能块重启)、MAN_ON(置0)、
PVPER_ON(置0)、
P_SEL(比例作用选择)、 I_SEL(积分作用选择)、D_SEL(微分作用选择)
参数：GAIN(比例增益)、TI(积分时间)、TD(微分时间)、
CYCLE(采样周期与0B35周期一致)
变量：控制量给定值、控制量反馈值、控制作用输出。
§系统软件设计
基于保持液位控制系统液位动态稳定的目的，并结合PLC内部设定规则，设计出系统的软件
对于液位控制，将PID控制周期设置为200ms，整个程序可以在OB1中写，将FB41的“CYCLE”设置为200ms；或在OB35中写，将FB41的“CYCLE”和OB35的中断周期都设置为200ms，本设计采用第二种方式。
图3-8 中断组织块0B35中断周期的修改
将DB1、液位给定、液位反馈在“符号表”中用符号表示，如图
3-9所示。
图3-9符号表编辑
程序结构如图3-10所示，包含四段。第一段，用来将反馈值
(PIW288)变换为一个比值(0~1)，并送到PV_IN中；第二段，用来将给定值变换为一个比值(0~1)，并送到SP_INT中；第三段:用来调用FB41实现PID控制，并将控制作用通过PQW288输出；第四段：用来监视反馈值。
图3-10 梯形图程序设计
创建一个变量表来调试程序，可以直接在变量表监视、修改变量值。本设计所需要监视和修改的变量如图3-11所示。
图3-11 变量表
变量表中的上述变量其作用如图14所示。
图3-12 变量表中变量作用说明
其中，PID参数设定为：增益P=5500、积分时间常数Ti=30s.微分时间常数Td=5s，采样周期Ts=200ms。以上是液位设定PIW数值为6000时液位的控制输出、反馈值情况，由于放水阀持续放水，因此PID 控制器保持一个持续输出的状态，液位基本达到稳定时，水泵工作在工频状态，如上图3-11所示控制器输出PIW数值为368，反馈值为6001（设定值为6000）。
第四章装置测试与结果分析
系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述
变频调速恒压液位控制系统的控制要求,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制,一台水泵控制进水。
图4-1 液位控制系统正在工作
在本次毕业设计所用水箱中，水箱（液位水平为30mm~310mm）水位首先保持在290mm左右，经反复调整，PID参数设定为:增益P=、积分时间常数Ti=30s.微分时间常数Td=5s，采样周期Ts=200ms。实验结果如下：
表4-1实验结果如下
其中，由于外部干扰、测量装置精度等限制，反馈液位数值（PIW 数值）在较小的范围内波动，现跟别取波动范围最小值和最大值与液位设定值比较，情况如下：
表4-2 设定值与最小反馈值关系
图4-2
表4-3 设定值与最大反馈值关系
图4-3
由上图4-2与图4-3中最小反馈值与最大反馈值跟设定值基本重合可以看出，液位控制装置基本达到了液位稳定的要求。在出水阀开度变化的情况下，控制器也能根据液位的变化情况调整进水量最后基本达到设定水位。
致谢
首先要感谢我的毕业设计指导老师张东，经过这段时间的忙碌和学习，本科毕业论文设计已经接近尾声，而本人动手能力并不强，由于实践经验的不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师张东的的督促和指导，想要完成这个设计是难以想象的。因此在此非常感谢我的毕设导师张东老师。张东老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期毕设审核，后期论文内容的筛选等各个环节中都给予了我及时的监督与支持。除了敬佩张东老师的专业水平外，他兢兢业业的工作精神也是我学习的榜样，并且将积极影响我今后的学习和工作。其次在设计的过程中我还得到了很多同学的帮助与意见。
另外要感谢PLC实验室负责人高放老师，高放极力为我们提供可靠的实验环境，让我们的毕设能够争取按时完成。
总得来说在完成毕业设计期间，遇到了很多困难。我明白，在今后的学习和工作中还会遇到更多新的阻碍，这些东西会给我带来新的体验和新的提升。因此，我坚信：只要我用心去发掘，勇敢地去尝试，一定会能更大的收获和启发的。现在我的毕业设计完成了，但还没有完成我
的学习之路，这次毕设让我感知我的生活不仅局限于那小小的满足感，山外山重重，等待我们去征服的还有太多太多。
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