基于PLC水箱水位监控系统设计.docx
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基于PLC水箱水位监控系统设计
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基于PLC水箱水位监控系统设计
分类号TP273单位代码11395
密级学号
学生毕业设计
题目
基于PLC的水箱水位监
控系统的设计
作者
刘建坤
院（系）
能源工程学院
专业
电气工程及其自动化
指导教师
姬妍
答辩日期
2017年5月20日
榆林学院
毕业设计（论文）诚信责任书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘要
随着社会的发展，人口的日益增多和人民生活水平的提高，对供水的稳定性提出越来越严苛的要求。
以往采用传统的供水系统，不仅占地面积大，供水速度慢，可靠性差，接线也很复杂。
当工业生产工艺发生改变时，控制电路就必须重新接线，系统缺乏灵活性、自动化程度低。
当今的很多企业都采用可编程逻辑控制器代替传统的控制系统，来提高系统的自动化程度，为企业的生产效率提供了可靠的保障。
本设计是基于PLC水箱水位监控系统设计，针对现在大部分水箱自动化程度低，控制过程也相对繁杂等诸多因素，本设计是采用西门子S7-200PLC来对水箱水位监控系统进行控制的，通过液位变送器测得液位转化为电信号变送给PLC中，经过PLC的运算和PID调节把控制信号输出给电动调节阀后，电动调节阀控制阀门的开度来控制液位的恒压供水系统，在利用MCGS组态软件来进行液位控制的实时监控。
得到了一个自动化程度较高并且可以通过MCGS组态界面就能简单快捷并灵活多变的控制液位的设计。
关键词：
水箱液位；PLC；MCGS
DesignofWaterLevelMonitoringSystemBasedonPLCWaterTank
ABSTRACT
Theincreasingsocialprogress,theincreasingpopulationandtheimprovementofpeople'squalityoflife,thestabilityofthewatersupplymorestringentrequirements.Pastwatersupplysystem,notonlyalargevolume,andwatersupplyefficiencyisslow,wiringisalsoverycomplicated.Whentheindustrialproductionprocesschanges,itmustbewired,lackofflexibility,lowdegreeofautomation.Manyoftoday'senterprisesareusingprogrammablelogiccontrollerinsteadofthetraditionalcontrolsystem,toimprovethedegreeofautomationofthesystemfortheproductionefficiencyoftheenterprisetoprovideareliableguarantee.
ThedesignisbasedonPLCwatertankwaterlevelmonitoringsystemdesign,fornowmostofthewatertankislowdegreeofautomation,thecontrolprocessisalsorelativelycomplexandmanyotherfactors,thedesignistheuseofSiemensS7-200PLCwatertankwaterlevelmonitoringsystemtocontrol,throughtheliquidlevelThetransmittermeasuredtheliquidlevelintotheelectricalsignalsenttothePLC,afterthePLCoperationandPIDcontroltocontrolthesignaloutputtotheelectriccontrolvalve,theelectriccontrolvalvecontrolvalveopeningtocontrolthelevelofconstantpressurewatersupplySystem,intheuseofMCGSconfigurationsoftwareforreal-timemonitoringofliquidlevelcontrol.HasbeenahighdegreeofautomationandcanbeconfiguredthroughtheMCGSinterfacecanbesimpleandquickandflexiblecontroloftheliquidleveldesign.
Keywords:
tanklevel;PLC;MCGS
3
1绪论
设计的背景与意义
以往的人们都是操控陈旧的继电器接触器调控液位高度，自动化水准很低，控制过程也相对的繁杂。
自从可编程控制器泛起之后，可以让液位系统主动的维持液位高度，工作职员可以很轻松的在工作台上明白设备的工作情况，降低了工作[1]伤害性的同时也提升了效率。
可编程控制器是把过往的继电气控制技术、计算机技术和通信技术融为一体的自动控制设备，其操作和控制都很灵活简便，非常合适液位系统。
现如今被广泛运用的可编程控制有西门子旗下的S7-200PLC，其强大的功能获得了许多业内人士的认可。
国内外现状
液位监控系统不在只是局限于各种硕大的发电厂、钢铁、煤炭石油等领域，其通过本身的自动化监控系统的安全优点，已经开始进军到一部分民用水箱产品中。
但是目前阶段，它的成本还是很高。
就好比把一部分手工打造的家用小型水塔改造成自动化控制系统的水箱，从本身外部硬件的改造和实施，相对于民用产品的落实性价比还是偏高的。
因此大范围的使用依旧受到经济上的限制。
从长久的规划来说，通过自动化的创新完善和硬件造价的下调，以及人们珍惜那些因为本身操作原因浪费的水资源，水箱水位监控系统仍然具备大范围推广的远景。
我国目前处于发展中国家的范畴，只要是有一点点涉及到任何关于能源的所有领域中，水箱都是一个必不可少的[2]重要组成部分，就算是多数发达国家也不特殊。
其功能的完善与否直接影响到各个工厂最基本的生产安全和重要的生产效益。
我国嵌入式技术在科研人员的努力研发后得到飞速的发展使得控制系统技术依然已经迈进国际水平的范畴里。
但是在调研的过程中发现仍有很多中小型企业和部分民用水箱还是需要专职的人员去调控。
基于PLC的控制器原理简单，实用方便，适应性强，使供水系统更加的安全可靠。
可编程逻辑控制器保存了继电器控制系统的操作简易、控制精准、控制程序可以随工艺改变而改变、易于与计算机通讯和维修简便等优秀性能。
西门子PLC介绍
SIMATICPLC是德国西门子在1995年推出的高性价比的PLC系统[3]。
微型的有S7-200系列，最小配置为8DI/6DO；中小型的有S7-300系列；中高档的有S7-400系列。
S7系列都具有模块化，无风扇布局和易于用户上手等特点。
这让S7系列的PLC成为了大众的首选，该系统给出了完成各种控制任务既简便又合理的解决方案。
其主要功能有：
快速的指令处理、诊断功能和密码保护等一系列的功能。
2水箱水位监控系统总体设计方案
系统组成
水箱液位控制系统结构图如图2-1所示，S7-200是本次系统选取的控制器PLC,水箱是该系统选取的被控对象，水箱的实际液位在经过液位传感器的测量后把实时测量数据[4]转变成电信号送至PLC输入模块,PLC立刻对检测到的实时数据进行分化处理，按照系统给定的控制要求进行相应的运算，然后PLC把运算结果传输给模拟量输出模块送入执行器单元中，电动调节阀装置是系统选定的执行器单元。
上位机的通信方式是由PC/PPI通信电缆和PLC串口建立连接后实现通信，工作人员需要给上位机载入西门子的编程软件和MCGS组态环境和运行环境，在有需要的情况下对控制算法进行有必要的编程和修改，并在运行过程控制实验中为工作人员提供优良的人机界面，同时也方便工作人员在调试实验的过程中进行必要的参数修改和响应曲线的实时显示。
图2-1水箱液位控制系统结构图
系统设计方案
本设计是通过使用西门子S7-200可编程控制器来实现水位PID控制调节，通过压力变送器对水位数据的检测[5]，把检测结果转换成标准电信号送入到EM235中，在经过EM235送入执行器即电动调节阀中，通过改变电动调节阀阀门的大小，以此来达成水箱水位的平衡。
工作人员可以在上位机的控制画面中，随时随地的监控系统运行过程中的实时状态，也可以在需要时对现场数据收集。
然后在流程中以动画的方式、报警信息处理、流程控制、实时曲线输出等多种方法,提供液位PLC控制系统的动态运行情况，显示PV（液位检测值）、OP（阀门开度）、SP（设定值）、并且在画面上实现、报表、报警信息及处理结果、实时曲线等功能。
3水箱水位控制系统设计
系统构成
水箱液位控制系统由可编程控制器、执行器单元、被控过程和测量变送单元等四个重要部分组成。
如图3-1所示。
仪表的选型
序号
器件名称
型号规格
数量
1
2
3
4
CPU
液位变送器
电动调节阀
水泵
CPU-224
DBYG扩散硅压力变送器
PSL202
CM10-3
1
1
1
1
CPU选择
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
本设计一共有6个输入I点和4个输出0点，一个液位变送器输入电信号模块和一个电动调节阀输出信号模块所以需要一个输入/输出模块EM235，所以CPU本设计选取的PLC是CPU-224。
变送器的选择
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。
在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC、1～5VDC的电流（电压）信号，或20～100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。
因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以本设计中选用的是压力液位变送器[6]。
液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，DBYG扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。
仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体的压力，并将被测参量转换成4～20mADC的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。
另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
因此，本设计采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器。
执行器的选择
执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。
控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。
控制阀包括执行机构和调节机构两部分。
执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。
因此本设计的执行器选用电动调节阀。
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同6步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
有输入控制信号4－20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。
采用PS电子式直行程执行机构，4－20mA阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等特点。
水泵的选择
丹麦格兰富循环水泵的是一种运用很广泛的水泵，它的具体优点有：
安装和维修都很便捷，并且有很强大的维修适应性；220V电压就可以带动水泵的运行，在运行过程中水泵能耗较低的同时还能保持大功率输出。
所以，本设计选取的是CM10-3型号。
图3-2CPU外部接线图
工作原理
在虚拟水箱控制系统中当实际值PVSV给定值时，在MCGS组态环境中由脚本程序调控电动调节阀大小，使流量变大或是变小使得液位上升或是下降；从而让水箱液位向给定值上靠拢。
本设计的控制是一个负反馈控制的典型回路，在由实际的传感器将实时数据转化为标准电压信号送给PLC的模拟/数字功能模块，经过转化在从串行口供给上位机，与给定值比较得出偏差值，从而调整电动调节阀的大小，从而实行液位的自动调控，框图如图3-3所示。
图3-3控制系统方框图
PID算法
PID控制器管理给出实时数据，让偏差快速向零靠拢，使系统到达稳定状态。
偏差指的是给定值SP与过程变量PV的差。
下方的公式是PID控制原则的根本：
（3-1）
M（t）——输出的是PID运算的时间函数；
——PID回路的比例系数；
——PID回路的积分系数；
——PID回路的微分系数；
e——PID回路的偏差；
——PID回路输出的初始值。
因为在计算机内要运算该控制函数，务必将连续函数转化为偏差值的间断采样。
计算机运用下列对应公式为基础的离散化PID运算方式：
（3-2）
——采样时刻n的PID运算输出值；
——采样时刻n的PID回路的偏差
——采样时刻n-1的PID回路的偏差；
——采样时刻l的PID回路的偏差。
运用计算机处理的重复性，可以对上述公式进行简化。
简化后的公式为：
（3-3）
1.比例项MP=
*e，而计算的敏感性是由比例系数来把控输出的，而偏差=SP-PV。
为了便于计算取
（3-4）
CPU采用的计算比例项的公式为
（3-5）
——回路的增益；
——采样时刻n的设定值；
——采样时刻n的过程变量。
2.积分项积分项MI
与偏差和成比例。
为了方便计算取
（3-6）
CPU采用的积分项公式为：
（3-7）
3.微分项微分项MD
与偏差的改动成比例。
为了便于计算取
（3-8）
计算微分项的公式为：
（3-9）
4软件设计
软件流程图
图4-2子程序流程图
I/O分配表和PID回路参数表
梯形图
主程序
子程序
5系统组态设计
监控组态软件介绍
概念
监控组态软件是说用于数据收集和过程控制的专用软件，其是在自控系统中处于一级监控的软件平台和开发环境，制作者可以依照各种不同的需求[7]通过使用各式各样的组态模式创建开拓出灵活多变的组态界面和快速了解各种组态工程的便捷操作方式。
根据其预先存放的各种模块可以短时间内构建实现监控所需要的各项功能，还能满足大部分硬件的工作需求，给控制层供给了软、硬件的所有接口。
组态软件的特点
组态软件操作简单快捷[8]，制作者根本不用了解太多编程语言的方法，完全可以在短时间之内创建出一个相对复杂的工程并满足要求开拓出其需要的全部功能。
运行可靠，修改简单。
组态软件构建开发的程序，用户如果需要修改硬件方面、系统布局时，根本不需要进行太大的调整就能快捷的完成系统的更新和升级。
组态界面的开发
建立工程
如图5-1所示用光标双击软件菜单中“新建工程”按钮，在E：
\MCGS\WORK\下系统自动生成了一个新建工程，通常情况下工程名都是：
“新建工程”（A基本都是由数字组成的：
0、1、2）。
鼠标点击“项目另存为”的按钮，在工程文件名的窗口中修改并输写出“水位控制”的字样，然后选择“保存”选项，工程就建立完毕了。
图5-1工程建立界面
建立流程画面
如图5-2所示：
第一步用鼠标在我们选用的组态软件上建立新界面[9]，首先用鼠标选中“用户窗口”选项，接着在“用户窗口”这一界面中选择“新建窗口”这一功能项，系统就会根据工程制作者的操作自动产生一个新的窗口界面并命名为“窗口1”操作如下：
首先我们要用鼠标选定刚刚创建的“窗口1”界面，然后根据系统快捷键的设定在键盘上按下ALT+ENTER的快捷键，然后“用户窗口属性设置”这一窗口就会弹出显示在界面中，我们在弹出来的窗口中将“窗口名称”上的窗口1修改为：
水位控制，就能够完成新界面的创立。
接下来我们选中刚刚创建并修改好的“水位控制”窗口，在本窗口的界面上找到并选择“动画组态”这一按钮，这样我们就可以进行下一步动画制作了。
我们在界面的最上方找到动画工具箱，上面的图形标识对应于不同的选择器，可以方便的让动画制作者在编辑图形时快速的选取用户窗口中需要选定的不同的图形对象；常用图符工具箱打开和关闭的方式是由图形标识来控制的。
在常用图符工具箱中被软件开发者提前放置了27种经常被使用的图符对象。
在新建立的窗口中图形对象是应用系统图形界面组成的最小单元，为了可以让制作者便捷快速的构建所需的图形和组态，MCGS系统为制作者提供了大量的常见和常用的图元、图符、动画构件对象，这些构件对象都被统一的称为系统图形对象[10]。
如下图所示：
在动画制作界面制作文字框：
我们可以在系统工具箱窗口中找到并双击标签这一功能项，然后根据我们所需求的大小用鼠标在窗口界面找到一个相对合适的位置创立一个矩形框。
输入文字符：
完成矩形框后，我们可以直接输入“水箱液位控制系统”文字符，在键盘上按下Enter键就可以让该字符显示在窗口界面上。
工程的制作者如果有要求或是需要修改矩形框中显示文字符的字体和颜色，首先我们要用鼠标选定那些需要修改或是调整的文字符，按下Enter键后，光标就会出现在字符开始的地方，并弹出一个新的窗口就可以修改字符的颜色和字体了在这里我们选择把字体颜色修改成绿色。
接下来我们用鼠标选择文字框边线隐去，然后再弹出的窗口中选择文字框选项中的无色填充并把边框颜色改为无边线就能在界面中只显示文字了。
最后我们点击动画工具箱里面的添加元件选项，从元件库中的储蓄罐、水泵、电动机、指示灯、按钮开关和传感器等不同的元件清单中选取我们创建工程所需要的1个电动球阀、1个水泵、1个电动机、1个液位变送器、2个报警指示灯、1个两用按钮开关、1个压力传感器、4水管等图形构件调整构件大小和摆放位置来组成我们工程所需要的组态画面。
我们还可以在工具箱中找到流动块这一按钮然后根据需求添加流动块用来表示液体在水管中流动的。
图5-2工程流程画面
定义数据对象
用鼠标在工程界面双击“实时数据库”窗口，在进入实时数据库窗口后在右上角有一个新增对象的选项，现在我们需要增加一定的数据量就可以根据需求多次点击该选项，在增加到需要的数据量之后。
如果我们想改变数据量的参数就可以双击新增的数据变量就可以更改数据的名称和数据的类型以及数字量等多种变量，根据要求我们更改了如下等多种数据变量，如图5-3所示。
图5-3实时数据库
动画连接
我们在动画制作环节中由图形对象创建组成的动画界面是无法运行和动作的，因此我们要对一开始创建的动画界面进行必要的动画设计，让其可以准确无误地展现图形构件的状态改变，满足我们在时候运行过程中实时监控的要求。
MCGS满足动画连接的根本模式是让制作者根据窗口界面中的图形构件和实施数据库中的数据变量建立桥梁形成一对一的连接，接着我们通过改变一些动画设置属性窗口中的重要属性来构成连接[11]。
在本工程的模拟运行中，界面中图形构件的外观和状态特性也跟实时数据库中数据变量的改变而改变，以此让图形构件实现动画自主运行。
我们根据要求从用户窗口点击进入本工程制作界面中，然后用鼠标双击选中界面中水箱构件，然后会在界面上弹出该构件的单元属性设置窗口。
根据图5-4所给出的数据值对该构件进行必要的修改保存，这样工程中的构件就可以和实时数据变量进行完美对接了[15]。
我们接下来在根据图5-2选中电动求阀、水泵、电机、指示灯和开关等各个图形构件进行动画连接。
这样这个工程的所以图形构件都完成了动画连接。
如图5-4所示。
图5-4动画连接图
模拟设备连接
我们返回到新建工程时界面会找到一个模拟设备窗口，模拟设备是MCGS组态软件按照制作者设置的工程需要的基本数据创建的一条或是几条模拟曲线，这些模拟曲线是给制作者调试工程用的[14]。
模拟设备可以根据制作者的需求完美的模拟出各种正弦波等波形，可以根据工程的需要让制作者来调整波形的幅值和周期等相关的数据量。
我们创建的工程动画能自主运行的根本就是模拟设备。
我们可以从设备窗口中的工具条上打开设备工具箱窗口。
如果在弹出的设备工具箱中没有发现模拟设备，那么就需要我们在弹出的窗口中打开设备管理窗口进行手动添加模拟设备。
如果我们仔细观察可以发现在可选设备中MCGS是能够满足绝大多数硬件设备的模拟。
在添加好模拟设备后我们就需要设置模拟设备的属性了，打开设备属性窗口后我们可以发现内部属性这一选项，选中后我们会发现有很多的通道[12]。
如果内部属性中有其他我们不需要的属性通道，我们可以全部删除然后自行增加所需要的属性通道，在添加的过程中可以自行改变通道属性，并加入通道地址。
在把属性通道与对应的实时数据库进行关联就可以了。
控制流程
e=SV-PV
if启动停止=1then
If（PVIf（PV>SV）thenPV=（PV）-（（OP）/100）
电动球阀=1
水泵=1
流动=OP
Endif
if（PV>=液位上限）THEN
液位高报警=1
ELSE
液位高报警=0
ENDIF
if（PV<=液位下限）THEN
液位低报警=1
ELSE
液位低报警=0
ENDIF
if启动停止=0then
流动=0
电动球阀=0
水泵=0
Endif
报警显示
（1）.定义报警
我们进入实时数据窗口后，点击“液位”数据变量，在弹出的属性设置窗口的报警属性中，启动“允许进行报警处理”这一功能；在报警设置中我们看到诸多的选项但是我们只是激活“上限报警”这一项功能，然后把上限报警值调整为：
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