上下两个水箱液位串级控制PLC解读.docx
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上下两个水箱液位串级控制PLC解读
目 录
1、设计目的*************************************************
2、设计任务和技术要求***************************************
2.1、设计任务*********************************************
2.2、技术要求*********************************************
3、设计正文*************************************************
3.1硬件设计************************************************
3.1.1S7-200PLC简介************************************
3.1.2方案设计******************************************
3.2软件设计**********************************************
3.2.1系统分析******************************************
3.2.2系统实施及程序************************************
3.3监控组态设计******************************************
4、设计心得************************************************
5、参考文献*************************************************
6、指导老师评语*********************************************
1.设计目的
1．加深学生对计算机控制技术理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力；
2．PLC可编程序控制器广泛地应用于工业生产过程的自动控制领域,使得工业自动化程度和生产效率得到极大的提高，通过PLC应用系统的设计，提高学生对实际问题的分析和解决能力；
3．培养学生根据系统要求,编制相应的控制程序,再在设备上进行调试和检验的能力,由于整个过程相当于在工程现场完成一个小型的工程项目,这对于加深理解计算机控制技术的理论,熟练掌握可编程序控制器的使用和操作方法,加快学习梯形图语言的速度,以及建立工业控制系统概念、积累工程现场经验、培养动手能力等方面都有较大的帮助；
4．培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理、编写设计说明书和技术总结报告。
2.设计任务和技术要求
2.1设计任务
（1）.了解两个水箱液位串级控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。
（2）.逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调理电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。
（3）.逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作机理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。
（4）．绘制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。
（5）.编制PLC的程序，结合实验室现有设备进行调试，要求能尽量多地在实验设备上演示控制过程。
在完成可编程控制器为下位机的相关控制程序的基础上，用组态软件编程实现上位机的控制及其相关监控界面。
2.2技术要求
上下两个水箱的液位串级控制系统主要由上下两个水箱、管道、异步电动机、电机控制器、水压力传感器、涡轮流量计、电动调节阀、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。
其中水泵是动力系统；下水箱水位作为主调节量，上水箱水位作为辅助调节量。
动力系统通过管道把水送到上水箱，上水箱通过底部的阀门把水漏到下水箱。
系统中由电位器设置下水箱液位给定值，下水箱压力传感器检测下水箱液位，采用PID算法得出上水箱液位给定值，实现下水箱液位的控制。
上水箱压力传感器检测上水箱液位，电动调节阀控制进水速度，采用PID算法得出电动调节阀开度控制值，从而控制上水箱的液位。
上水箱液位控制是内环（副调节器），下水箱液位控制是外环（主调节器）。
3.设计正文
3.1硬件设计
3.1.1S7-200系列PLC概述
S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。
小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。
CPU222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。
CPU224具有更多的输入输出点及更大的存储器。
CPU226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。
四种型号的PLC具有下列特点：
（1）集成的24V电源
可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU221和CPU222具有180mA输出。
CPU224输出280mA，CPU226、CPU226XM输出400mA可用作负载电源。
（2）高速脉冲输出
具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。
（3）通信口
CPU221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。
CPU226、CPU226XM具有2个RS-485通信口。
支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
（4）模拟电位器
CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。
模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。
如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
（6）EEPROM存储器模块（选件）
可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。
（7）电池模块
用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。
选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。
电池模块插在存储器模块的卡槽中。
（8）不同的设备类型
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
（9）数字量输入/输出点
CPU221具有6个输入点和4个输出点；CPU222具有8个输入点和6个输出点；CPU224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。
CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。
（10）高速计数器
CPU221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。
综上特点，本次设计选择SIEMENSS7-200CPU224。
3.1.2电机选择
本次设计选择的电机型号是55ZYT51，功率29W，24V/2.25A，转速3000rpm。
3.1.3固态继电器选择
选择型号为ＧＺ－Ｗ，ＩＮＰＵＴ ８－３２ｖ，ＯＵＴＰＵＴ ５０ｖ１０Ａ
3.2方案设计
（1）上下水箱液位串级控制系统原理
上下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，外界环境的扰动较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。
上水箱下水箱液位控制系统中，上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。
控制框图如图1所示。
这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。
主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。
图1、上水箱下水箱液位串级控制原理图
在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。
它有两个PID回路，分别是PID1和PID2。
PID1为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为PID2的设定值，PID2控制上水箱的液位。
（2）硬件设计
系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。
a.检测单元
在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。
液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。
设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。
液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。
系统中用到的液位变送器是浙江浙大中控自动化仪表有限公司生产的中控仪表SP0018G压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为0~10KPa，精度为，由24V直流电源供电，可以从PLC的电源中获得，输出为4~20mA直流。
b.执行单元
执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。
执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。
执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积,以达到最终调节被控介质的目的。
可见来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。
当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。
系统中用到的调节阀是QS智能型调节阀，所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。
电动执行机构的组成框图。
来自PLC的模拟量输出DC4~20mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。
当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。
电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连接在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。
c.控制单元
控制单元是整个系统的心脏。
在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。
系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。
它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
3.3软件设计
3.3.1系统分析
本系统标准化时可采用单极性方案，外环即主回路的给定输入由电位器给出，反馈输入由下水箱的液位传感器决定，外环的输出作为内环即副回路的给定输入，反馈输入由上水箱的液位传感器决定，内环的输出是单极性模拟量用以控制电动调节阀阀门的开度，可以在0%--100%之间变化。
执行机构是电动调节阀，由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。
它有两个PID回路，分别是PID1和PID2。
PID1为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为PID2的设定值，PID2控制上水箱的液位。
按所要求采样速率进行PID计算，必须按定时器控制的速率从定时中断程序或从主程序执行PID指令。
采样时间必须通过回路表作为PID指令输入提供。
PID的回路表如下所示：
偏移地址
域
格式
类型
说明
0
过程变量PVn
双字-实数
输入
过程变量，在0.0-1.0之间
4
设定值SPn
双字-实数
输入
设定值，在0.0-1.0之间
8
输出Mn
双字-实数
输入/输出
输出，在0.0-1.0之间
12
增益Kc
双字-实数
输入
增益，可为正数或负数
16
采样时间Ts
双字-实数
输入
采样时间，以秒为单位，必须为正数
20
积分时间Ti
双字-实数
输入
积分时间，以分钟为单位，必须为正数
24
积分时间Td
双字-实数
输入
积分时间，以分钟为单位，必须为正数
28
积分前项MX
双字-实数
输入/输出
积分项前值，在0.0-1.0之间
32
过程变量前值PVn-1
双字-实数
输入/输出
最近一次PID运算的过程变量
根据以上PID回路表编写课程设计所满足的程序。
3.2.2系统实施及程序
主程序
子程序0
中断程序0
网络1
网络2
子程序1
中断程序1
网络1
3.3监控组态设计
组态软件是完成数据采集与过程控制的专用软件，它以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台和开发环境。
组态软件功能强大，使用方便，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现监控层的各项功能，并可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，使用组态软件可以方便、快速地进行系统集成，构成不同需求的数据采集与监控系统。
在完成可编程控制器为下位机的相关控制程序的基础上，用组态软件编程实现上位机的控制及其相关监控界面。
本系统的监控界面如下所示：
4.设计心得
短短两周的课程设计已经接近尾声，通过这两周的课程设计不仅加深了我们对所学知识的理解，同时在各方面的认识都有所提高，包括一下几方面：
首先、掌握了PLC设计过程。
我们在课堂上只是学了一些基础知识，这些课固然很重要，不管是现在，还是在将来的工作实践中都会指导我们的工作。
但要真正去完成一个工程只是会这些理论还远远不够。
就拿这次课程设计来说吧，当老师把任务给了我们，从总体设计、设备选型到最后设计每一步都用到所学的知识，但每一步又不同与所学的知识，因为实际设计过程不仅要考虑到理论上的可行性型，还有其他等方面的因素。
这也让我认识到，设计过程不是简单的理论知识的拼凑和组合，而是将理论和实际有机结合的过程。
其次、认识到了团队精神的重要性。
个人的力量是有限的而集体的智慧是无穷的。
我们在接到任务时进行了简单的分工，最后把各自的任务汇总在一起，形成统一的观点。
遇到问题我们一起讨论，共同克服，共同完成设计工作。
第三、虚心向他人请教是进步的捷径。
三人行必有我师，虚心向他人请教，汲取他人的经验来弥补自己的不足。
一个工程人的成长过程离不开终身的学习，遇到问题要立即请教，不能不懂装懂，更不能敷衍了事。
向他人请教不仅能学到东西，更能结识一位朋友一位老师，大家一起学习相互沟通共同进步其乐融融。
在这两个星期的日子里，虽然我们本学期学习过门课程，但是我们所学的知识只是一些很基础的理论知识，而且自己在这方面的实践经验少，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
5.参考文献
[1]殷洪义主编.可编程序控制器选择、设计与维护.机械工业出版社.2002.11
[2]邓则名,程良伦等编.电器与可编程控制器应用技术.机械工业出版社.1997.1
[3]方承远主编.工厂电气控制技术,第二版.北京机械工业出版社.2000
[4]汪道辉主编.逻辑与可编程控制系统.北京机械工业出版.2001
[5]易传禄等编.可编程序控制器应用指南.科学普及出版社.1993
[6]杨士元等编.可编程序控制器（pc）编程应用和维修.北京清华大学出版社.1995
[7]耿文学等编.微机可编程控制器原理使用及应用实例（修订版）.北京电子工业出版社.1993
6.教师评语如下表
课程设计
评语
课程设计
成绩
指导教师
（签字）
年月日
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