PLC水箱液位控制设计.docx
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PLC水箱液位控制设计
基于S7-200PLC的水箱液位控制系统设计
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摘要
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的快速发展，计算机控制系统在工业领域的应用越来越多广泛，它的重要性也越来越受到人们的肯定。
基于MCGS和S7-200PLC的液位比值控制系统就是组态软件和可编程序控制器（PLC）联合应用的实例。
在这个设计中，利用MCGS组态软件对数据、图形进行组态，进而做出上下水箱的动态仿真画面。
然后PLC进行数据采集、处理并与MCGS平台进行通讯，从而对液位比值对象进行全面监控。
本设计采用了SIEMENS（西门子）公司的S7-200系列进行程序的编写。
将编写正确的PLC程序与在MCGS组态软件下做出的动态界面进行动态连接，在经过检查证明组态的设置没有错误后，进入MCGS的运行环境，可以在MCGS运行环境下看到液位的实时曲线的变化输出情况，随时对水箱的液位状况进行调整和监测。
在运行环境中可以通过鼠标在线的改变PID的参数设定值来实现对上水箱的液位调节和控制，使系统达到要求值，从而大大提高了工作效率。
关键词液位比值；PLC；MCGS
Abstract
Alongwithfastdevelopmentofthemicroprocessor，thecomputerandthedigitalcommunicationtechnology，thecomputercontrolsystemismoreandmorewidelyappliedinthefieldofindustry，anditsimportanceisalsoincreasinglyaffirmed.
Fluid-level-ratiocontrolsystembasedonMCGSandS7-200PLCistheapplicationmodelcombiningtheconfigurationsoftwarewithPLC.Inthisdesign，MCGSisappliedfordataandgraphicconfiguration;therebyadynamicdisplaypicturewithreal-timefeatureiscreated.ThenPLCacquiresandprocessesdatafromthesensors，andcommunicateswithMCGSplatform，thusmakesthefluid-level-ratioobjectsupervisedandcontrolledtotally.
TheprojectusesS7-200，aseriesofPLCproducedbySIEMENS，tomakeprogramming.ThecorrectPLCcodeisdynamicallylinedtothereal-timepicturecreatedbyMCGS，thenswitchestoMCGSrunningenvironmentaftercorrectconfiguration，thusthechangetendencyofthelevelscanbeviewedonthescreentomakethereal-timeadjustmentandsupervisionofthelevel.Underrunningenvironment，PIDparameterswillbetunedonlinesoastotakethebestcontrolofthelevelsofwatertankswiththesystemoperatingatthegivenpointandhighefficiency.
KeywordsFluid-Level-RatioPLCMCGS
1绪论
1.1PLC的产生、定义及现状
1.1.1PLC的产生、定义
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。
1.1.2PLC的发展现状
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。
对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。
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、背景和意义
近年来，有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。
但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低，有许多电气及仪表装置，在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。
由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽，这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。
九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。
信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高，价格进一步下降。
作为该领域的另一个重要组成部分工控软件，也受到越来越多的工程技术人员的重视，正在向着产业化方向发展。
工控软件的特点是开发周期长，被控对象复杂多样，且软件与具体工程和设备交织在一起。
长期以来，软件的通用性和可维护性一直困扰着工程技术人员。
设备管理人员
或主要编程人员的变动将给控制系统的运行带来极大的不便，甚至影响其正常工作，许多企业决策者也对此表现出极大的关注。
为改变这一状况，国内外许多专家、学者、工程技术人员对工控软件进行了积极的探索，然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题:
一是工控软件缺乏通用性，工控公司只提供特定设备的驱动程序，一旦设备更新或变动，系统就必须重新设计；二是国外工控软件价格昂贵，使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受，以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件
。
组态软件是近几年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具，组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。
随着计算机软件的发展，其功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。
成熟的商用软件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用。
开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，利用组态软件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem通用监控系统）开发了液位监控系统，采用计算机采集、处理数据、根据MCGS的液位实时曲线输出来改变参数的值，使系统输出稳定到设定值，从而提高了工作效率。
该系统性能稳定可靠、界面友好、扩充性强。
用户在组态环境下进行系统配置，可创建或定义多个用户策略，并生成数据库文件进行数据处理。
实践证明该系统可省去用户开发软件的费用和周期，只需极少的投入即可得到方便、美观、实用的组态软件。
目前，MCGS组态软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。
基于MCGS开发的液位监控系统。
MCGS为用户提供了广泛的可选性，用双水箱系统组成液位比值前馈反馈复合控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率，大大减少了生产工作人员的劳动强度。
MCGS为用户提供了广泛的可选性：
用双水槽系统可组合成单回路控制、串级控制、比值控制及前馈控制等多种控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态的调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率。
1.3.2本文研究的主要内容
可编程程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。
PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。
然而在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，许多开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。
从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。
工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的PLC产品生产出来，PLC控制系统越来越开放。
但由于PLC的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。
SIEMENS（西门子）在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在S7-200的PLC上得到较好的实现。
本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。
本课题的设计是先通过工控组态软件MCGS在组态环境下做出一个关于上下水箱液位控制的动态连接界面，接着应用SIEMENS（西门子）公司的S7-200系列进行程序的编写，在MCGS组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的PLC程序进行动态连接。
在通讯接口设备通讯状况良好的条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据的操作和改动就可以达到对上下水箱液位控制的目的。
操作人员可随时通过动画界监测到上下水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。
这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义
。
2西门子S7-200PLC介绍
SIMATICS7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
（1）极高的可靠性；
（2）极丰富的指令集；
（3）易于掌握；
（4）便捷的操作；
（5）丰富的内置集成功能；
（6）实时特性；
（7）强劲的通讯能力；
（8）丰富的扩展模块。
2.1S7-200PLC的结构
S7-200PLC硬件系统的配置方式：
主机中包含一定量的输入/输出点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。
一个完整的系统组成：
（1）基本单元包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。
（2）扩展单元是主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种I/O模块。
（3）特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块，它们是完成某种特殊任务的一些装置。
（4）相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。
（5）工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序。
S7-200系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。
CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。
存储器有两种类型：
只读类型的存储器EEPROM和读写随机存储器RAM，它们集成在CPU模块内部。
输入输出单元包含两部分：
一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。
2.2S7-200PLC的工作原理
S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:
输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。
输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。
在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。
执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。
在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。
即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。
CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。
如果发现异常，则停机并显示出错。
若自诊断正常，继续向下扫描。
写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。
扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200CPU有两种操作模式：
STOP模式和RUN模式。
对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序。
2.3S7-200PLC上控制算法的介绍
随着PLC技术不断增强，运行速度不断提高，不断可以完成顺序控制的功能，还可以通过PID指令完成复杂的闭环控制功能。
PID指令的功能是进行PID计算，其指令格式如下：
PID指令梯形图
图2-1PID梯形图
当EN有效时，根据PID参数表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。
PID指令的功能说明如下：
（1）TBL是参数表的首地址，是由变量寄存器VB指定的字节型数据；LOOP是回路号，是0～7的常数。
（2）在一个应用程序中，最多可用8个PID控制回路，一个PID控制回路只能使用1条PID指令，每个PID控制回路必须使用不同的回路号。
（3）影响允许输出ENO正常工作出错条件为：
SM1.1（溢出），SM4.3（运行时间），0006（间接寻址）
PID指令的参数表及初始化：
为执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中的有关参数，按照地址偏移量写入到寄存器V中。
一般是调用一个子程序，在子程序中对PID参数表进行初始化处理。
以TBL为首地址的参数表中共包含9个参数，用于进行PID运行的监视和控制。
在执行PID指令前，要建立一个PID参数表，PID参数表的格式如下：
表2-1PID指令参数表
地址偏移量
PID参数
数据格式
I/O类型
描述
0
PVn
双字，实数
I
过程变量当前值，0.0～1.0
4
SPn
I
给定值，0.0～1.0
8
Mn
I/O
输出值，0.0～1.0
12
Kc
I
回路增益，正、负常数
16
Ts
I
采样时间，单位为s，正数
20
Ti
I
积分时间常数，单位min，正数
24
Td
I
微分时间常数，单位min，正数
28
MX
I/O
积分项前值，0.0～1.0
32
PVn-1
I/O
最近一次PID运算过程变量值
3PLC控制方案设计
3.1设计要求
由于题目比较宽泛，没有一定的指标。
所以对题目指标进行一下规定，具体内容如下：
图3-1水箱图
假设如上图的水箱，水箱高度为100米，给定水位为60米。
由于水箱水位不能过高也不能过低，过高会造成危险，过低将导致供水不足。
所以设置高低限报警，当水位超过60米百分之二时报警，此时切断水泵的运行；当水位低于60米百分之二时报警，此时要求水泵全速运行以加快供水，当水位在高低限之间时有PI调节器控制变频器工作，使水位维持在给定值60米附近。
3.2系统设计
该系统是定值控制系统，由给定值（给定水位）和水箱的水位测量值进行比较，并将运算后的结果作为PI调节器的输入值，通过PI调节器的输出，去控制变频器工作，从而控制电机的转速即控制水泵的进水量，以达到对水位跟随定值控制的目的。
系统结构图如下：
图3-2水箱液位控制系统方框图
图中的PID控制器采用PI算法，即将微分时间常数置零，测量变送器由液位计进行测量变送。
3.3控制流程图
图3-3控制系统流程图
3.4系统模块选择与地址分配
根据控制要求，水箱水位监测需要一个模拟量输入点；PLC控制变频器需要一个模拟量输出点；上下限报警需要两个数字量输出点。
系统还需要有“手动/自动”切换，即在调试时，由现场手动操作水泵运行，正常生产时由PLC控制水泵运行，这两种状态的转换可通过接通或断开PLC控制回路来实现，设置一个数字量输入点。
所以本系统需要5个数字量输出点、1个数字量输入点、1个模拟量输入点、1个模拟量输出点。
查S7-200PLC模块特征表，由于选用的是CPU226模块，本身具有24个数字量输入/16个数字量输出点，所以不需带数字量输入/输出扩展模块。
另外还要选取模拟量输入/输出模块。
EM235是具有4个模拟量输入通道/1个模拟量输出通道，对以本工程来说应该满足要求了，但如果只选1个EM235模块，那么系统中就只有一个模拟量输出通道，如果这一通道一旦出现问题，那么系统就失去作用。
所以改为选取一个具有4个模拟量输入通道的EM231模块和一个具有2个模拟量输出通道的EM232模块。
表3.1I/O点及系统分配表
输入信号
输出信号
名称
地址号
名称
地址号
水位检测
AI0.0
低水位
Q0.3
手动/自动切换
I0.0
高水位
Q0.2
工频运行
Q0.0
变频运行
Q0.1
水位控制
AQ0.2
3.5硬件设计
3.5.1电气控制主接线图
电气接线图如下，电动机的工频运行和变频运行分别由接触器KM1、KM2控制，图中VVF代表变频器。
L1、L2、L3为三根母线，N为零线，运行时QF接通与母线的连接，然后又PLC内部的程序根据判断条件选择性的接通KM1、KM2，以控制水泵的转速。
图3-4主电路
升级会员 