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液位控制系统课程设计目录第1章系统总体方案选择 (5)第2章系统结构框图与工作原理 (7)2.1 系统机构框图 (7)2.2 工作原理 (8)第3章各单元软硬件 (9)3.1 模拟控制对象系统 (9)3.2 控制台 (9)3.3 上位机及控制软件系统 (9)3.4 模拟量输入模块ICP-7017 (10)3.5 模拟量输出模块ICP-7024 (11)3.6 电动调节阀 (11)3.7 液位传感器 (12)第4章软件设计与说明 (13)4.1 用户窗口 (13)4.2 实时数据库 (16)第5章系统调试 (17)5.1 设备连接 (17)5.2 系统调试 (17)5.3 调试结果 (18)5.3 注意事项 (19)第6章总结 (20)附录程序清单 (21)第1章系统总体方案选择随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂。
对过程控制的要求越来越高。
过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。
由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。
为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方法是十分丰富的。
通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统，有复杂控制系统，也有满足特定要求控制系统。
在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。
对分析设计的要求，生产工艺比较简单要求并不高，所以采用管道流量控制系统进行设计。
管道流量控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
管道流量控制系统是最简单、最基本、最成熟的一种控制方式。
管道流量控制系统根据被控量的系统、液位管道流量控制系统等。
管道流量控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。
中国计量学院《过程控制工程设计课程设计》报告书写说明书基于PLC的PID液位控制系统组员姓名：组员学号：专业班级：分院：中国计量学院二0一一年五月二十四日摘要本次课程设计的课题是基于PLC的PID液位控制系统的设计。
本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析, 西门子SIEMENS S7-300PLC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讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。
经过比较，发现西门子的PLC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。
，我们选择西门子。
本份报告主要针对系统控制方案的设计和硬件选型，其余部分由其他组员负责。
附录软件程序。
除去附录目录等共13页。
关键词：西门子SIEMENS S7-300PLC，控制对象特性，PID控制算法，硬件选型。
中国计量学院现代科技学院过程控制工程设计课程设计目录摘要1绪论1.1 PLC的定义1.2本文研究的主要目的1.3本文研究的主要内容2西门子SIEMENS S7-300 PLC和控制对象介绍2.1西门子SIEMENS S7-300介绍2.1.1 CPU模块2.1.2 I/O模块2.1.3电源模块2.2控制对象介绍2.2一阶单容上水箱对象特性2.3二阶双容下水箱对象特性3 串级控制系统3.1串级控制3.1.1串级控制系统的结构3.1.2串级控制系统的特点3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定3.2PID参数3.2.1扩充临界比例度法4控制方案设计4.1系统设计4.1.1上水箱液位的自动调节4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统4.2硬件设计4.2.1检测元件4.2.2控制元件4.2.3控制单元4.2.4软件连接4.3软件涉及附录软件程序参考文献11绪论1.1PLC的定义国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。
南华大学过程控制仪表课程设计设计题目PLC控制的蓄水池液位系统学生姓名吴港南专业班级自动化1002班学号***********指导老师刘冲目录1.设计的目的和意义 (2)1.1设计目的 (3)1.2设计意义 (3)2.控制系统工艺流程及控制要求 (4)2.1基本任务 (4)2.2基求控制要求 (4)2.3给定条件 (4)2.4主要性能指标 (4)2.5工艺流程图 (5)3.总体设计方案 (6)3.1控制方法选择 (7)3.1.1控制方法选择 (7)3.1.2系统组成 (7)3.2系统组成 (8)4.软硬件设计 (8)4.1建模过程 (8)4.2硬件开发及系统配置 (10)4.2.1PLC系统—CPU、模/数转换模块、数/模转换模块 (10)4.2.1回路表 (10)4.2.2PID指令 (11)4.2.3程序流程图 (12)4.2.4程序 (14)5.课程设计实验 (18)6.遇到的问题及解决方法 (18)7.收获和体会 (19)参考文献 (19)·第1章设计的目的及意义1.1设计目的对蓄水池液位/压力控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
用液位/压力参数为被控对象。
交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。
1.2设计意义在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。
等级:课程设计课程名称电气控制与PLC课程设计课题名称液位自动控制系统设计与调试专业班级学号姓名指导老师电气信息学院课程设计任务书课题名称液位自动控制系统设计与调试姓名专业班级学号指导老师课程设计时间教研室意见审核人：一.课程设计的性质与目的本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程围的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二. 课程设计的容1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制水箱液位系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
三. 课程设计的要求1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
四.进度安排1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。
2.第一周星期二～星期四：详细了解搬运机械手的基本组成结构、工艺过程和控制要求。
确定控制方案。
配置电器元件，选择PLC型号。
绘制传送带A、B的拖动电机的控制线路原理图和搬运机械手控制系统的PLC I/O接线图。
设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。
3.第一周星期五：上机调试程序。
4.第二周星期一：指导编写设计说明书。
基于MATLAB水箱液位控制系统的设计课程设计太原理工大学过程控制系统课程设计设计名称水箱液位系统的控制设计目录摘要III任务书IV第1章绪论 41.1过程控制的定义 41.2过程控制的目的 41.3过程控制的特点 51.4过程控制的发展与趋势5第2章水箱液位控制系统的原理 62.1 人工控制与自动控制 6 2.2 水箱液位控制系统的原理框图 7 2.3 水箱液位控制系统的数学模型 8第3章水箱液位控制系统的组成113.1 被控制变量的选择113.2 执行器的选择 113. 3 PID控制器的选择143.4 液位变送器的选择15第4章PID控制规律174.1 比例控制174.2积分控制(I) 194.3微分控制(D) 194.4比例积分控制(PI) 204.5比例积分微分控制(PID) 20第5章利用MATLAB进行仿真设计..205.1MATLAB设计205.2 MATLAB设计任务215.3 MATLAB设计要求215.4 MATLAB设计任务分析215.5 MATLAB设计内容255.5.1主回路的设计255.5.2副回路的设计255.5.3主、副回路的匹配265.5.4 单回路PID控制的设计27 5.5.5串级控制系统的设计32 5.5.6串级控制系统的PID参数整定 34总结36参考文献36摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,?例如居民生活用水的供应,?饮料、食品加工,?溶液过滤,?化工生产等多种行业的生产加工过程,?通常需要使用蓄液池,?蓄液池中的液位需要维持合适的高度,?既不能太满溢出造成浪费,?也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数,特别是在动态的状态下,采用适合的方法对液位进行检测、控制,能收到很好的效果。
?PID控制(比例、积分和微分控制)是目前采用最多的控制方法。
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程,涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
目录系统总体方案选择第1章5·································系统结构框图与工作原理第2章7························· 2.1 系统机构框图7........................................... 2.2 工作原理8...............................................各单元软硬件第3章9...................................... 3.1 模拟控制对象系统9......................................控制台 3.2 9.................................................上位机及控制软件系统 3.3 9................................. ICP-7017 3.4 模拟量输入模块10.............................. ICP-7024 3.5 模拟量输出模块11..............................电动调节阀 3.6 11............................................液位传感器 3.7 12............................................软件设计与说明第4章13..................................13 4.1 用户窗口. (16)4.2 实时数据库············································系统调试5章第17··········································17 设备连接5.1 ··············································17 5.2 系统调试·············································· 5.3 调试结果18··············································19 5.3 注意事项··············································总结第6章20················································程序清单附录21·············································．第1章系统总体方案选择随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂。
目录一、《控制系统分析与综合》任务书31.1、工程训练任务31.2、工程训练目的31.3、工程训练内容31.4、工程训练报告要求41.5、工程训练进度安排41.6、工程训练考核办法5二、总体设计方案52.1、控制系统目标52.2、控制系统要求5三、硬件设计63.1、PLC系统设计的基本原则63.2、PLC控制系统设计的基本内容和步骤73.2.1、设计的基本内容73.2.2、设计的基本步骤73.3、PLC的选型73.3.1、PLC机型选择83.3.2、PLC容量的选择8四、软件设计94.1、PLC相关设定94.1.1、PLC的元件分配94.1.2、PLC程序顺序功能图104.1.3、PLC程序104.1.4、PID控制器参数整定13五、组态监控软件的设计145.1、建立新工程145.2、建立通讯口155.3、新建变量165.4、新建监控画面17六、运行调试步骤与结果196.1、调试步骤196.2、运行结果20七、收获与小结22八、参考文献23一、《控制系统分析与综合》任务书题目：液位控制系统设计1.1、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。
1.2、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。
1.3、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。
《过程控制》课程设计学生姓名：学号：210992专业班级：电气工程及其自动化（1）班指导教师：二○一二年六月十五日目录1.课程设计目的 (3)2.课程设计题目和要求 (3)3.设计内容 (4)3.1课程设计的方案 (4)3.2 硬件设计 (7)3.3 软件设计 (10)4.设计总结 (18)5.参考书目 (18)附录 (19)1、课程设计目的通过本课程设计, 主要训练和培养学生的以下能力:(1).查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；(2).方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意提高分析和解决实际问题的能力；(3).迅速准确的进行工程计算的能力,计算机应用能力；(4).用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
2、课程设计题目和要求题目：带PID的液位控制系统要求：1. 要求设计液位系统，要求通过阀门准确控制液位，采用带有增量式的PID，要求无余差，超调小，加热速度快。
2.硬件采用51系列单片机。
3采用keil c作为编程语言，采用结构化的设计方法3、设计内容3.1课程设计的方案在工业生产过程中，如图2.1所示的加热炉，为了保证生产正常进行，物料进出均需平衡，炉内温度也需恒定。
选择被控参数：根据工艺可知，加热炉的液位要求维持在某给定值上下，所以直接选取液位为被控参数。
加热炉的温度则以炉壁的温度为被控参数。
选择控制参数：液位控制以流出加热炉的物料流量为控制参数。
温度控制以供给燃料的流量为控制参数。
选择调节阀：液位控制为保证不产生溢出，选用气关式，选择对数流量特性。
温度控制燃料为可燃性物质，为保证安全，选用气开式，选择对数流量特性。
选择控制器：因为需精确控制液位和温度，且无余差，超调小，加热速度快，调节器采用PID作用。
液位控制的控制器用正作用调节器，温度控制的控制器用反作用调节器。
图2.1系统流程图图2.2是基于单片机为控制器单容加热炉液位和温度控制系统的基本组成硬件框图。
《简单控制系统设计》
专业电气自动化
班级自动化098
姓名冯海洋
指导教师李北芳
黑龙江建筑职业技术学院
材料学院
第1章总体方案选择
过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统（串级）。
单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。
在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本、同时也是最简单的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。
串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
由于本设计控制对象（单容水箱）比较简单，且不需要很高的控制精度，因此选用单回路控制方案。
下图为单回路控制系统结构框图：
图1-1 单回路控制系统结构框图
现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最为迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，是工业自动化的重要支柱。
计算机控制可分为集中控制、分布式控制和直接数字控制等。
直接数字控制（DDC）系统是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。
它的框图如图1-2所示：
图1-2 DDC 系统结构框图
实验室提供的是基于7017模拟量输入模块和7024模拟量输出模块的计算机控制控制系统。
综上所述，本次设计方案采用基于MCGS 组态软件的单回路计算机控制方案。
第2章 系统结构框图与工作原理
2.1 结构框图
将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如图2-1所示。
2-1 储槽液位控制系统框图
图中控制器为PID 控制器，7017和7024分别代表模拟量输入输出模块。
控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复杂东芝规律。
计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID 运算），计算结果（数字信号）在经过D/A 转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用，被控变量应选水箱的液位。
2.2 工作原理
原理分析：打开电源、启动抽水泵后，水箱液位开始上升，液位传感器实时采集液位数据，并将所采集到的数据经7017A/D 转换后，送至比较器与设定值（20cm ）比较，控制器根据比较结果输出相应控制值，经7024D/A 转换成模拟量后，驱动控制电动调节阀开度，从而调节水箱液位。
水箱液位
第3章各单元软硬件说明
3.1 主要硬件说明
3.1.1 模拟控制对象系统
模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应管路（含手动阀、转换阀）组成。
上、中水箱由水泵供水，两个水箱装有液位传感器。
水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交换器冷热流体管路上的温度、流量、压力都可以用于构成控制系统的被控参数。
管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。
单回路控制系统主要包括实验台上的上水箱、回水泵、循环泵、电子比例阀以及相应的管路和阀门。
3.2.2 模拟量输入模块ICP-7017
ICP7017模块的功能介绍：
ICP7017模块：4通道模拟量输入模块。
工作电源：直流24V
输入类型：电压、电流。
输入范围：150~150mv,-500~500mv,-1~1v,-5~5v,-10~10v,-2~20mA
通讯方式：485通讯
3.3.3 模拟量输出模块ICP-7024
ICP7017模块的功能介绍：
4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。
工作电源：直流24V
电流输出范围：0~20mA,4~20mA
电压输出范围：-10v~10v,0~10v,-5~5v,0~5v
通讯方式：485通讯
3.4.4 电动调节阀
这里用的是QSTP-16K智能电动单座调节阀，其主要技术参数如下:
型式：智能型直行程执行机构
输入信号：0～10mA/4～20mADC/0～5mVDC/1～5VDC
输入阻抗：250Ω/500Ω
输出信号：4～20mADC
输出最大负载：＜ 500Ω
信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间的任意值
电源：220V 10%/50Hz
3.4.5 控制规律
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，又称PID调节。
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、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控
制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3.4.6选用仪表：
通常选用DDE-Ⅲ型差压变送器测量输出信号。
3.4.7执行器（气动薄膜控制阀）的选择
因为该系统属液位控制系统所以前后压差较小所以应选用直通单座
阀。
3.4.8控制阀气开、气关形式的选择
①首先要从生产安全出发。
②从保证产品质量出发。
③从降低原料、成品、动力损耗来考虑。
④从介质的特点考虑。
从以上条件考虑控制阀应选用气关式。
3.4.9控制阀流量特性的选择
应选用理想特性。
总结
通过本次课程设计，我们不仅接触了过程控制在实验系统中的应用，也亲自进行了工业现场的过程控制设计。
这让我对过程控制的实现方法、应用领域都有了较深的印象。
工业中的过程控制一般是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。
过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。
本次课程设计是一个综合的设计，要求设计一个液位控制系统。
它不仅涵盖了我们过程控制这一门课的所学内容，同样还要求我们具备电气知识、计算机控制知识、单片机知识、PLC知识等等。
通过本次课程，我认识到做课程设计的重要意义和做设计的有效方法。
最后，感谢本次课程设计中李北芳指导老师的悉心指导。
