PLC控制的水塔液位控制系统.doc

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PLC控制的水塔液位控制系统

摘要

 本文主要是对一水塔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、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。

作为单容水塔液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。

选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。

 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。

由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。

因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键，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。

 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

Abstract

Thispaperismainlythedesignprocessofawatertowerlevelcontrolsystem,relatestothedynamiccontrol,liquidlevelcontrolsystemmodeling,PLCcontrol,PIDalgorithm,thesensorandthecontrolvalveandaseriesofknowledge.Asasinglecapacitywatertowerlevelcontrolsystem,themodelisaoneorderinertialfunction,controlmethodusingthePIDalgorithm,thecontrolcoreisS7-200seriesCPU222andA/D,D/Aconversionmodule,sensorfordiffusionsiliconpressuresensor,controlvalvefortheelectriccontrolvalve.Chooseabovedevices,controlschemeandalgorithm,isinordertomaximizemeetsystemsuchascontrolprecision,timeandquantityofregulationandcontrolthequalityrequirements.Inpeople'sdailylifeandindustrialproductionandotherfieldsoftenrelatestothecontrolproblemsofliquidlevelandflow,suchasresidentslivingwatersupply,beverage,foodprocessing,solutionfilter,chemicalproductionandmanyotherindustriesintheproductionprocess,typicallyrequirestheuseofaliquidstoragetank,storageliquidpoolinthetheneedtomaintaintheappropriateheight,neithertoooverflowcausedbywaste,alsocannottoolittleandcannotmeetthedemandof.Becauseoftheinfluenceofpropertyandthecontrolmechanismoftheliquiditselffriction,noise,controlwithacertainpurelagandlagcharacteristicsofcapacity,processlevelisrisingslowly,non-linear.Theaccuracyandreliabilityofcontrolschemesoliquidlevelcontroldeviceisthekeytoinfluencetheperformanceofthewholesystem,sotheliquidlevelheightisanimportantparameterintheprocessofindustrialcontrol,especiallyinthedynamiccondition,adoptingsuitablemethodsfordetection,controloftheliquidlevel,cangetgoodeffect.Programmablelogiccontroller（PLC）isamemberofthefamilycomputer,isdesignedforindustrialcontrolapplicationsinmanufacturing,ismainlyusedtoreplacerelaylogiccontroltoachieve.PIDcontrol（proportional,integralanddifferentialcontrol）iscurrentlythemostusedcontrolmethod.

（二）目的与意义

可编程控制器PLC因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、的周期短，体积小，维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。

通过PLC对程序设计，提高液位系统的控制水平。

因此PLC在液位控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。

  从控制方式上比较：

用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。

而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

从工作方式上比较：

电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

从控制速度上比较：

电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。

从定时，计数上比较：

电器控制定时精度不高，易受环境温度变化的影响，且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。

从可靠性，可维护性上比较：

电器控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

（三）设计步骤

3.1系统分析与I/O分配

3.1.1水塔水位的工作流程：

当水池液体位于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统发出报警，若系统正常，此时水池下限位开关S4为OFF，表示水位高于下限水位。

当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。

当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，则水塔上限水位S4为OFF，水泵停止。

当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。

如图3.1.1

3.1.2PLC的基本结构

PLC是以微处理器为核心的计算机控制系统。

如图3.1.2所示

1、中央处理单元（CPU）

PLC的中央处理器与一般的计算机系统一样，是PLC的控制中枢，

其性能决定了PLC的性能。

它按PLC中程序赋予的功能有条不紊地进行工作。

2、存储器（RM/ROM）

存储器是具有记忆功能的半导体电路，主要用来存放系统程序、用户程序和工作数据等。

PLC中使用的存储器由只读存储器（ROM）、只读存储器（ROM）及可擦除只读存储器（EPROM）组成。

存储器是衡量PLC性能的一个重要指标。

3、I/O接口

输入接口一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，负责微处理器及外部设备交换信息。

它接受来自现场检测不见（如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关）以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入机内）等各种状态控制信号，并存入输入映像寄存器。

输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。

输入接口电路通常有两类：

一类为直流输入型，另一类是交流输入型。

输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象。

其作用是将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号并输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。

4、I/O扩展接口

小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的。

为了满足被控设备输入输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A转换模块等。

I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。

5、通讯接口

通讯接口用于PLC与编程器、计算机、变频器、触摸屏以及其他PLC等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。

6、编程器

编程器主要有两种。

一种是PLC专用编程器，有手持式和台式等。

另一种是基于个人计算机系统的PLC编程器。

7、电源

电源部件将交流电源转换成供PLC内部需要的直流电源。

它的好坏

直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC均采用开关式稳

压电源供电，同时还向各种扩展模块提供24V直流电源。

3.1.3I/O接口分配

I/O分配表:

表3.1.3水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表

2水塔水位控制系统的I/O设备

图3.1.3系统I/O接线图

3.2系统电路设计