第二组 水箱水位控制

新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计说明书水塔水位控制专业班级：自动化09-40（1）班学生姓名：王俊指导教师：毛昀完成日期：2011年12月18日新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计任务书教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计评定意见设计题目：水塔水位控制学生姓名：王俊专业电气自动化班级09-40（1）班评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月日评定意见参考提纲：1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2.学生的勤勉态度。

3.设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

摘要本设计针对目前水塔水位控制系统存在的集成自动化程度低、可靠性差和运行效率低下的不足，结合目前工业领域的应用技术，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化的程度较高的水塔水位控制系统。

本文针对水塔水位控制系统中存在的问题，把PLC 可编程序控制器和变频器应用于水塔水位控制系统上，同时对问题进行了较深入的研究。

本文阐述了水塔水位控制系统的PLC控制、自动计数、数码显示的一些基本思路和方法，介绍了关于PLC工作特点及运行原理，以及介绍了三菱可编程控制器系列的FX2N 系列 PLC控制器主要功能模块及应用。

FX不仅编程简单，通用性强，抗干扰能力强，可靠性高，而且具有易于操作及维护，设计、施工、调试周期短等优点。

然后设计了水塔水位控制系统的基本模块及功能，并对系统的主回路和控制回路的硬件部分进行了详细介绍。

最后程序分析测试论证水塔水位控制的设计。

关键词：PLC；水塔水位；FX；C250计数器。

目录1 PLC简介 (1)1.1 PLC的产生、定义及现状 (1)1.2过程控制的发展 (2)1.3本文研究的目的、主要内容 (3)1.3.1本文研究的目的、意义 (3)1.3.2本文研究的主要内容 (3)2 FX2系列PLC和控制对象介绍 (4)2.1 三菱PLC控制系统 (4)2.1.1 CPU模块 (4)2.1.2 I/O模块 (4)2.1.3电源模块 (5)2.2 过程建模 (5)2.2.1 一阶单容上水箱对象特性 (5)2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 (7)3 PID调节及串级控制系统 (9)3.1 PID调节的各个环节及其调节过程 (9)3.1.1比例控制及其调节过程 (10)3.1.2比例积分调节 (10)3.1.3比例积分微分调节 (10)3.2 串级控制 (11)3.2.1串级控制系统的结构 (11)3.2.2串级控制系统的特点 (12)3.2.3串级控制系统的设计 (12)3.3 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用 (14)3.4在PLC中的PID控制的编程 (15)3.4.1回路的输入输出变量的转换和标准化 (15)4 控制方案设计 (17)4.1 系统设计 (17)4.1.1上水箱液位的自动调节 (17)4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 (18)4.2 硬件设计 (18)4.2.1检测单元 (18)4.2.2执行单元 (19)4.2.3控制单元 (19)4.3软件设计 (20)5 运行 (20)5.1 上水箱液位比例调节 (20)5.2 上水箱液位比例积分调节 (21)5.3 上水箱液位比例积分微分调节 (21)结论 (22)致谢 (23)1 PLC简介1.1 PLC的产生、定义及现状一、可编程控制器的产生20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。

二、可编程控制器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。

该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.2过程控制的发展进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。

过程控制是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。

在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。

生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。

因此，当时的劳动效率是很低的。

40年代以后，生产自动化发展很快。

尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。

纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：50年代前后，过程控制开始得到发展。

一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。

这是过程控制发展的第一阶段。

这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。

在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。

在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。

为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。

70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。

过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。

在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。

1.3本文研究的目的、主要内容1.3.1本文研究的目的、意义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。

从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。

在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。

一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。

随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。

引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。

在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。

而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。

还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。

1.3.2本文研究的主要内容一、一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。

二、在液位控制系统中，调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等，直接的影响到控制结果。

三、控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。

四、调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。

2 FX2系列PLC和控制对象介绍2.1 三菱PLC控制系统FX2系列PLC是三菱电机公司1991年继F、F1、F2系列之后推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC之一。

下面我们以小型FX2系列PLC为例介绍PLC的硬件组成。

图2.1为PLC的原理图。

图2.1 PLC的原理图2.1.1 CPU模块CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。

其功能是：1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。

3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。