基于PLC和组态王的液位PID控制系统讲解

基于PLC的过程控制实验装置液位模糊PID控制作者：徐春辉来源：《电脑知识与技术》2011年第16期摘要：对模糊PID 控制的结构、模糊PID控制器的设计及模糊PID 控制的PLC 实现进行了分析，并以PCT-II型过程控制系统实验装置为物理模拟对象，利用S7-300PLC实现了对液位的模糊PID控制。

结果表明，用PLC实现的模糊PID控制器简单实用，系统的性能大为改善。

关键词：过程控制系统实验装置；模糊PID；PLC；S7中文分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3967-02Liquid Level Fuzzy PID Control in the Process Control Experimental Device Based on PLCXU Chun-hui(School of Electric and Electronic Eng., East China Jiaotong Uni., Nanchang 330013, China)Abstract: The structure of fuzzy PID control and the fuzzy PID controller designing are analyzed in this article, so does the PLC implementation of fuzzy PID. Taking type PCT-II process control system experimental device as a Mock Object, the Liquid level's fuzzy PID control is realized based on S7-300PLC. Results shows that the fuzzy controllers consist of PLC are both simple and practical, and the performance of system is improved.Key words: process control system experimental device; fuzzy-PID; PLC; S7“PCT-II型过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象系统，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。

基于PLC和组态王的流量PID控制系统基于PLC和组态王的流量PID控制系统[摘要] 随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高,供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到目前人们的正常生活和工作.传统的供水方式普遍存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,难以满足当前经济生活的需要。

本文针对这些问题主要设计了一套由PLC、变频器、等主要设备构成的变频恒流供水及其监控系统。

可以有效地解决传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。

关键词：流量控制 PLC 组态王 PID控制Abstract：With the development of our social economy, the continuous improvement of people’s living standard, the construction of the water supply system is one of the important aspects of water supply of the economy，reliability and stability directly affect the current people’s normal life and work. Traditional way of water supply is widespread, low efficiency，poor reliability and high degree of automation is not weakness，it is difficult to meet the needs of the current economic life. Aiming at these problems mainly devised a composed of PLC，inverter, the main equipment such as variable frequency constant current supply and its monitoring and control system. Can effectively solve the problems existing in the traditional way of water supply, enhanced the reliability of the system.Key words: Flow control PLC King view PID control1.课题要求(1).总体控制要求：可以设计一流量PID控制系统,通过西门子PLC的DA输出，控制变频器频率,可使流量处于一个稳定状态。

摘要PLC在工业自动化中应用的十分广泛。

PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。

本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。

PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。

MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。

这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。

整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。

本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。

在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。

并根据算法的比较选择了增量式PID算法。

建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。

关键词：PID算法，MCGS，液位控制目录第一章课程设计内容与要求分析 (1)1.1课程设计内容 (1)1.2课程设计要求分析 (1)1.3 PID控制的原理和特点 (1)1.3.1比例（P）控制及调节过程 (1)1.3.2积分（I）控制及调节过程 (2)1.3.3微分（D）控制及调节过程 (3)1.4单容上水箱自衡过程的建摸................................................错误！未定义书签。

第二章课程设计的方案 (4)2.1 MCGS组态软件概述 (4)2.2系统设计PLC程序 (7)2.3 软件调试 (11)2.3.1 设备之间安装与连接 (12)2.3.2 系统的联机调试 (13)第三章课程设计总结 (19)参考文献 (20)附录...............................................................................错误！未定义书签。

课程设计说明书名称2010年 6月7日至 2010年6月11日共 1 周院系班级姓名学号系主任教研室主任指导教师目录绪论 . (2)第1章液位控制系统总体方案设计 . (3)1.1单回路控制系统 (3)1.2水箱液位的串级控制系统 (4)第2章过程控制装置概述 . (6)2.1系统简介 (6)2.2系统装置 (7)2.3 S7-300PLC 控制柜的组成 . (8)第3章硬件组态设计 . (10)3.1PLC 的选择 (10)3.2组态硬件 (11)第4章软件组态设计 . (12)4.1 实现WINCC 与S 7-300的软件通讯 (12)4.2 程序设计 (15)第5章调试过程及结果分析 . (20)5.1单容液位控制系统调试结果及分析 (20)5.2双容串级液位控制系统调试结果及分析 (23)第6章课程设计总结 . (26)参考文献： . (27)绪论课程设计是检验我们本学期学习的情况的一项综合测试，它要求我们把所学的知识全部适用，融会贯通的一项训练，是对我们能力的一项综合评定，它要求我们充分发掘自身的潜力，开拓思路设计出合理适用的自动控制系统。

课程设计也是教学过程中的一个重要环节，通过设计可以巩固各课程理论知识，培养独立分析和解决实际工程技术问题的能力，同时对工业的有关方针、技术规程有一定的了解，在计算绘图、编号、设计说明书等方面得到训练，为以后工作奠定基础。

工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。

它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

毕业设计开题报告1. PID 简述简述 过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、建材等工业生产过程中的自动控制程中的自动控制,它是自动化技术的一个极其重要的方面。

本次毕业设计是基于PLC 的液位控制系统的设计，它的控制对象是水箱的液位，是过程控制中经常遇到热工参数。

本人在这次设计中主要负责控制策略——PID 算法的确定，就在次将PID 算法作个简要的介绍。

算法作个简要的介绍。

在生产过程自动控制的发展历程中在生产过程自动控制的发展历程中,PID ,PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

它简单实用制方式。

它简单实用,,易于实现易于实现,,适用范围广适用范围广,,鲁棒性好鲁棒性好,,在现今的工业过程中获得了广泛的应用广泛的应用..据统计据统计,,目前工业控制器中约有90%90%仍是仍是PID 控制器。

PID 控制器的设计及其参数整定一直是控制领域所关注的问题。

其设计和整定方法得到国内外广泛研究, 著名的如Ziegler-Nichols 法、基于内模控制的方法及基于误差的积分的优化方法。

基于误差的积分准则由于能较好地反映闭环系统的性能以及易于计算的原因基于误差的积分准则由于能较好地反映闭环系统的性能以及易于计算的原因,,在PID 优化设计中被广泛采用。

（1）在工业生产过程控制中,模拟量的模拟量的 PID (比例、比例、积分、积分、微分)调节是常见的一种控制方式,这是由于这是由于PID 调节不需要求出控制系统的数学模型,至今为止,很难求出许多控制对象准确的数学模型,对于这一类系统,使用使用PID 控制可以取得比较令人满意的效果,同时同时PID 调节器又具有典型的结构,可以根据被控对象的具体情况,采用各种PID 的变种,有较强的灵活性和适用性。

在模拟量的控制中,经常用到经常用到PID 运算来执行来执行PID 回路的功能,PID 回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。

如果一个果一个 PID 回路的输出回路的输出M ( t)是时间的函数,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和(2)，即：，即：dt de K M edt K e K t M C tc C *+++*=⎰00)( 式中式中 e ——偏差；——偏差；T i ——积分常数；——积分常数；T d ——微分常数；——微分常数；K c ——放大倍数（比例系数）——放大倍数（比例系数）M 0——偏差为零时的控制值，有积分环节存在，此项也可不加——偏差为零时的控制值，有积分环节存在，此项也可不加以上各量都是连续量,第一项为比例项,最后一项为微分项,中间两项为积分项。

摘要本次课程设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。

本次课程设计的目的是在于了解简单过程控制系统的构成，掌握简单过程控制的原理和PLC控制系统软件的设计调试方法，并且熟悉掌握组态软件的应用方法。

在设计中，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控制算法得到实验曲线，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、PID指令、变频器。

目录摘要 (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 (7)2.1.3 模拟量输出模块 (8)2.1.4 电源模块 (10)2.2控制对象特性 (10)2.2.1 一阶单容上水箱特性 (10)2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (11)第3章PID控制算法介绍 (14)3.1PID控制算法 (14)3.2PID调节的各个环节及其调节过程 (16)3.2.1 比例控制与其调节过程 (17)3.2.2 比例积分调节 (17)3.2.3 比例积分微分调节 (18)3.3串级控制 (18)3.4扩充临界比例法 (20)3.5在PLC中的PID控制的编程 (21)3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 ....................... 错误！未定义书签。

3.5.2 变量的范围 ................................................................... 错误！未定义书签。

摘要在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。

在油工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度进行检测和控制。

由于其具有工况复杂、参数多变等特点，它对控制调节器要求极高。

针对人工控制液位的准度较低、速度较慢、灵敏度偏低等一系列问题。

本文提出了基于PLC的液位控制系统，系统主要通过将液位传感器检测到的电信号通过接口送入PLC中，经过A/D转换成数字信号，随后送入数字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。

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。

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得到业内人十的普遍认可。

关键词：西门子S7-200；PID；液位变送器AbstractIn industrial processes, the level variables are the most common, the most widely used process parameters. In the oil industry, chemical industry, power engineering, machinery manufacturing and food processing and many other areas, people need all kinds of fluid liquid level detection and control. Because of its complex conditions, parameter changing characteristics, its control regulator demanding. For manual control of the lower level of accuracy, speed, slow, low sensitivity and other issues. In this paper, based on the level of PLC control system, the system mainly through the level sensor detects the electrical signals through the interface into the PLC, after A / D converted into digital signals, then sent to a digital PID regulator by PID After controlling the amount of algorithms through D / A converter to the pump motor speed into an electrical signal corresponding pump motor to control the pump speed, and ultimately achieve the purpose of the control level. Through simulation and analysis results show that this system is designed to function properly and achieve the purpose of the design that can accurately and quickly control the liquid level, to overcome the many drawbacks of traditional level control system.In engineering practice, the most widely regulator control law is proportional, integral, differential control, referred to as PID control. PID controller with its simple structure, good stability, reliable, easy to adjust and become one of the major technical level control. Programmable controller is a very wide range of automatic control device applications, will traditional relay control technology, computer technology and communication technology integration, with a strong ability to control, flexible operation, high reliability, suitable for long-term continuous work features, ideal for liquid level control. The commonly used programmable controller, S7-200 programming software is simple to use and its communications network functions Siemens STEP7 powerful people in the industry get ten universally accepted.Keywords: Siemens S7-200, Level Transmitter, PID1引言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。

1《控制系统分析与综合》任务书题目：液位控制系统设计一、工程训练任务本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼，使学生掌握自动化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。

本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。

二、工程训练目的通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究打下坚实的基础。

三、工程训练内容1) 确定PLC的I/O分配表；2) 根据PID控制算法理论，运用PLC程序实现PID控制算法；3) 编写整个液位控制系统实训项目的PLC控制程序；4) 在组态王中定义输入输出设备；5) 在组态王中定义变量；6)设计上位机监控画面；7)进行系统调试。

四、工程训练报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、任务书3、正文4、收获、体会5、参考文献五、工程训练进度安排六、工程训练考核办法本工程训练满分为100分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

2总体设计方案2.1 关于组态王的概述组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。

它基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。

采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。

它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。

课程设计报告题目：基于组态王的双储液罐单水位PID控制系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的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。

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。