基于PLC的双溶水箱液位串级控制的设计.docx

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基于PLC的双溶水箱液位串级控制的设计

基于PLC的双溶水箱液位串级控制的设计

【摘要】

本文首介绍了一种基于PLC的双溶水箱液位窜级控制的设计。

文章首先介绍了PLC的产生和定义、过程控制的发展。

其次根据水箱的特性确定与曲线分析。

对西门子S7-200系列可编程控制器的硬件进行掌握。

进行了PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较。

应PID控制算法所得到的曲线分析。

在MCGS软件上进行交互界面。

通过整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过控制指令PID指令来控制水箱水位。

此方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。

此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求，有着巨大的前景。

关键词：

PLC串级控制组态软件MCGSPID控制算法

Abstract:

thisarticlefirstdescribesthechannelingforadoubledissolutionbasedonPLCwatertankliquidlevelcontroldesign.Articlefirstdescribesthedefinitions,processcontrolanddevelopmentofPLC.Secondaccordingtothecharacteristicsdeterminethewatertankandcurvesanalysis.SiemensS7-200seriesPLChardwareformastering.PIDparametertuningandcomparisonofcontrolperformanceofindividualparameters.PIDcontrolalgorithmandanalysisoftheresultingcurve.OnMCGSsoftwareinterface.ThroughoutvariouspartsofthesystemofintroducingandexplainingthePIDcontrolinstructionsinstructtionsofPLCtocontrolwatertankwaterlevel.

Keywords:

controlconfigurationsoftwareMCGSofPLCcascadePIDcontrolalgorithm

1绪论

液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。

双溶水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果。

以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。

PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求；在这组态软件编程语言可以弥补它的不足，因为运用此方法非常简单。

本文在S7-200环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对双溶水箱液位的控制。

1.1过程控制系统的发展概况及趋势

过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的科学，随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月异地发展。

它不仅在传统地工业改造中起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。

生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，在社会生产的各个行业起着及其重要的作用。

其发展经历了一下几个方面：

1、局部自动化阶段（50年代）

2、过程计算机控制系统阶段（60年代）

3、集中控制、多参数控制阶段（70年代）

4、集散控制阶段（80年代）

目前过程控制正走向高阶级段的未来，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝着综合化、智能化的方向发展，即计算机集成制造系统：

以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

智能化是过程控制的发展必然趋势，对工业的发展有十分重要而现实的意义。

1.2PLC的发展概况及趋势

PLC的发展是提高生产力的要求推动的。

最早的自动控制采用继电器板进行的控制逻辑简单、体积大。

维护不便升级换代困难。

随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC（ProgrammableLogicController）。

最早的PLC主要作用是代替继电器。

完全用于逻辑（顺序）控制内存小、功能单一.但是，在回路调节时，仍需要单回路仪表或者OCS。

随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分代替了单回路仪表的功能。

PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。

通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。

正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己地自动化控制系统。

PLC在设计时就是面向工业环境地。

因此，可靠性和抗干扰能力都很强。

PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。

几乎所有大型地顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。

可以说，没有PLC就没有现代制造业。

PLC进一步融合OCS技术，发展到PAC（ProgrammableAutomationController）。

PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。

PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。

随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。

但小型化是有限度的，并不是越小越好。

因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。

同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。

PLC厂家积极向过程自动控制领域拓展。

PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。

同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。

在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能满足全厂控制的要求。

因此PLC的根基依然牢固。

目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。

在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化发展的必有之路。

总之，PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。

1.3组态软件的发展概况及趋势

随着计算机技术的飞速发展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放型好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。

监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。

通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层、它不但实现对现场的实时监控与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。

监控层的软件功能由监控组态软件来实现。

组态软件指一些数据采集与过程控制的专业软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层地各项功能，并能同时支持各种硬件厂家地计算机和I/O设备，与高性能地工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件地全部接口，进行系统集成。

目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。

1.4本文研究的主要内容

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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水箱液位串级控制系统总体设计

2.1水箱系统的组成

水箱系统由两个串联水箱、一个大水箱、一个水泵、两个压力变送器、管道及若干阀组成。

两个压力变送器通过分别检测两个水箱压力来确定水位高度。

控制系统面板左侧：

电源：

220VAC单相电源、空气开关、对象系统流程图。

右侧：

S7-200CPU224、EM235扩展模块、I/O接口。

图2-1为双溶水箱控制实验台

2.1.1西门子PLC控制系统

S7-200系列PLC适用于各行各业，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。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。

集成的24V负载电源CPU221～226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

图2-1-1为PLC的原理图。

图2-1-1PLC的原理图

2.1.2CPU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。

2.1.3I/O模块

I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。

PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。

如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等。

I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。

其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。

输出方式有三种：

继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。

2.1.4I/O接线图

图2-1-2I/O接线示意图

2.1.5信号间的转换关系

压力变送器检测水箱压力在0～5000pa范围内，经过压力变送器转换成1～5V模拟量电压信号，经过模拟信号接口输送给EM235扩展模块；1～5V模拟量信号经过EM235转换成6400～32000数量信号，再将其输送到PLC中；经过程序控制，对应0～50cm水箱水位。

本设计应用到水箱压力在0～2000pa之间，经过压力变送器转换成电压信号为1～2.6V，经过EM235转换成数字量信号6400～16640，其对应的水箱水位在0～20cm之间。

水箱压力值0～5000pa经压力变送器转换成电压值1～5V,其转换关系可用函数表达式表示:

{Y（x）-1}/（x-0）=（5-1）/（5000-0）（2-1-3）

化简为:

Y（x）=0.0008x+1（2-1-4）

EM235模块将1～5V压力信号转换为6400～32000数字信号,其转换关系为:

{Y（x）-6400}/（x-1）=（32000-6400）/（5-1）