基于PLC的液位控制系统的设计 doc.docx

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基于PLC的液位控制系统的设计doc

远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）

题目：

基于PLC的液位控制系统的设计

学习中心：

内蒙古学习中心

学号：

090F27143005

姓名：

郭嘉

专业：

机械设计制造及自动化

指导教师：

曹雪林

2016年08月15日

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表

学生姓名：

郭嘉学号：

090F27143005专业：

机械设计制造及自动化

毕业设计（论文）题目：

基于PLC的液位控制系统的设计

指导教师意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

论文选题符合本专业方向，内容叙述条理清晰、层次分明、逻辑性较强。

语言表达流畅。

文献、图的引入恰当、准确。

对文章阐述起到支撑作用。

文章对液位控制作了全面的分析说明，因缺乏具体液位控制实际应用的设计说明，其针对性和实用性不足。

指导教师结论：

合格

指导教师

姓名

曹雪林

所在单位

呼和浩特职业学院

指导时间

2016.7.13——10.4

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

学生姓名：

郭嘉学号：

090F27143005专业：

机械设计制造及自动化

毕业设计（论文）题目：

基于PLC的液位控制系统的设计

评阅意见：

（请对论文的学术水平做出简要评述。

包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。

还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。

）

本文以“基于PLC的液位控制系统的设计”为设计实例，阐述了一种通过PLC实现对页面控制的设计，立意独特，内容丰富。

所用资料及计算数据详实可靠。

论文结构完整，层析较为清楚，语言较为流畅，格式较为规范。

修改意见：

（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。

评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。

）

1、稍微调整下内容格式。

毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：

75

评阅结论：

同意答辩（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）

评阅人姓名

胡琦

所在单位

中国地质大学（武汉）

评阅时间

2015-10-14

论文原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的本科毕业论文《基于PLC的液位控制系统的设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。

论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。

对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：

郭嘉

日期：

2016年8月15日

摘要

在很多工业生产领域中，常常需要对水箱、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，针对人工控制液位的准度低、速度慢、灵敏度低等一系列问题。

本文提出基于PLC的液位控制系统，系统通过将液位传感器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成变频器相对应的电信来控制水泵转速，最终达到控制液位的目的。

通过仿真和分析结果表明本文所设计系统能够正常运行并且达到了设计的目的，能够准确、快速地控制液位，克服了传统液位控制系统的很多弊端。

关键词：

1、PLC2、变频器3、PID

一、绪论

在工作生产过程中，液位控制技术有着十分广泛的应用。

在石油工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度进行监测和控制。

比如：

矿产浮选工艺、以及工业锅炉等的大量的应用环境中都需要使用到液位控制技术。

比如在污水处理应用系统中，通过对液面的控制能够有效的调节污水处理，调整各种中和药剂的比例和污水处理的速度，确保在单位时间内能够有效的对污水进行处理，与之类似的在矿物浮选、工业锅炉等诸多应用领域中都需要对液面位置进行精确控制，以保证工业生产过程的正常有序开展。

然而，随着工业控制越来越多的朝着大型化、复杂化和精确化的发展，传统的液面控制技术已经不能够满足当前工业生产的需求同随着生产工艺的不断改进与提高，人们要求液面控制技术能够快速、自动、精确的实施控制，并且能够对液位控制过程中出现的各种异常情况、以及液位控制的结果自动的对液位控制过程进行调整：

当液面位置低于控制的预期时，能够快速的调整液面位置，使其达到预期设定的液面位置。

而且在液位控制过程中，能够有效的处理各种突发和意外事件。

当液面位置出现突发性的事件时，能够快速的进行响应，并迅速将液面位置调整至目标液面位置。

为了进一步提高液位控制的有效性和精确性，除了传统的PID控制系统外，近年来，随着控制技术的发展，液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的微处理器液位控制系统。

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制系统控制方式。

两种方式的实现如下：

1、简单的机械式控制方式

其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。

存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

2、复杂控制系统控制方式

这种控制方式是通过安装在水箱下方的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到PLC，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由D/A变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

PLC，是ProgrammableLogicController的缩写，意为可编程控制器。

可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机、微电子、通信、联网以及自动控制技术而发展起来的新一代工业控制装置。

其本质是以微处理器为核心的计算机控制系统。

美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器作出如下定义:

可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行输出，控制各种类型的机械或生产过程。

定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。

本文要求系统可以根据生产的需要对液位进行设定，当液位低于设定限位时自动启动水泵进行加液，当液位到达设定值时停泵；操作人员可以通过触摸屏进行液位的上限和下限的设定、控制监控等操作。

二、系统控制方案

（一）系统控制原理

系统控制系统原理如图2—1所示，系统主要是由PLC、变频器、AD/DA模块、水泵、液位传感器（液位计）、触摸显示屏等组成。

使用PLC作为整个系统的主要核心部分，液位的高低通过液位传感器采集后，在经过A/D转换模块转换成PLC可识别的数据，PLC在将输入的数据与程序内设定的值进行比较，并按PID运算进行误差对比，最后由变频器驱动水泵，并且向PLC反馈自身的工作状态信号。

图2-1系统控制图

此外，系统带有触摸屏显示装置，可以显示系统的工作状态、当前压力、贮水池水位、设定压力、压力曲线、变频器频率、等各种控制参数等。

系统工作压力可以由触摸屏设置。

变频器的作用是为三相水泵的电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使水管的水压连续变化。

液位计的作用是检测当前液位压力。

在PLC内部设定液压期望值，压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制运算输出给变频器一个控制信号。

控制结构方面：

现场使用一台交流电机，可以使用单台PLC进行一对一的控制，并采用传感器、变频器等有关的各类对象的信息、

系统设计内容方面：

1、能够远程控制变频器的启动和停止；2、具有水位过高和过低的报警和提示功能；3.、变频器等其他设备的故障能够及时的反映到PLC上。

（二）系统硬件组成

本系统主要是由两个模块构成（如图2—2）：

分别是主控制模块和变频器调节模块。

图2—2系统组成图

1、主控制模块

本系统选择采用SIMENSES7-200PLC作为主控制器，PLC的CPU上有一标准化MPI接口，称多点接口网络，该接口既是编程接口又是数据通讯接口，使用S7协议，通过此接口与上位计算机之间可进行数据传输，从而构成MPI网络。

网络上的设备称为节点，每个节点有唯一的MPI地址，该地址在S7－200硬件组态中设置。

PLC带有A/D接口模块SM331和D/A接口模块SM332，能将接收到的模拟量信号转化为数字量的信号;将处理完的数字量信号转化为模拟量信号提供给电动调节阀，控制输出。

PLC通过液位传感器接收来自水箱的状态信息，根据控制目标（由触摸显示屏输入设置），并按照一定的程序进行分析处理，控制信号通过输出接口送往变频器，从而控制整个系统有目的地运行。

选择CPU226作为S7-200D的主机模块，其具有40路数字量的I/O点，可连接7个扩展模块，最大可以扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

通信方面，CPU226具有2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。

各项性能均可满足液位控制系统的要求。

选择EM232作为S7-200的模拟量输出模块。

S7-200输出的数字量经过光电耦合器，在经过D/A转换器后，数字信号转换成模拟信号，再经过运算放大器后驱动变频器。

光电耦合器和EM231模块中的功能一样，是将内外电路隔开，防止外部电磁干扰信号对S7-200内部电路造成干扰。

EM232模块提供电流输出（4~20）mA和电压输出（1~5）V两种模式，由于MITSUBISHIS500变频器只能接受电流信号，所以选择电流输出模式。

EM232模块上部有七个端子，左边起每三个位为一组，为一路模拟量输出。

每组中包含有电压负载端子、电流负载端子盒公共端，控制系统只需要一路模拟量输出。

2、变频器调节模块

变频器（Variable－frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

本系统中，变频器接收S7-200PLC发出的控制信号并向水泵电机供电，构成开环或者闭环系统、变频器室利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置。

本系统采用的MITSUBISHIS500变频器，它所采用的矢量控制变频可以把工频交流通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压都可以控制的交流电源以供给水泵发动机。

MITSUBISHIS500变频器电路由整流环节、逆变环节、直流环节三个部分组成。

整流环节为三相桥式不可控整流器；逆变环节为IGBT三相桥式逆变器；直流环节能够起到滤波、直流储能和缓冲无功功率的作用。

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。

压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定（0～70