邢新田毕业设计05376016自动化.docx

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邢新田毕业设计05376016自动化

本科生毕业论文（设计）

题目：

基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计

院系：

信息科学与技术学院

专业：

自动化

*******

学号：

********

指导教师：

杨智（教授）

（职称）

二〇〇九年四月

摘要

微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

可编程控制器（ProgrammableLogicController---PLC）是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。

本文介绍了基于智能仪表、西门子S7-300型可编程控制器（PLC）、组态软件的液位控制系统的设计方案。

系统采用PID算法，实现液位的自动控制。

利用组态软件设计人机界面，通过串行口和可编程控制器通信，实现控制系统的实时监控、现场数据的采集与处理。

实验证明，控制系统效果比较令人满意，具有较大的工程实用价值。

关键词：

液位控制；智能仪表；可编程控制器；PID；人机界面

Abstract

Nowadaysintelligentmeasuringapplianceisimprovingmoreandmorequickly.Ithasbeenusedinmoreanmoreplaceofourlife.ItcanmakeElectriccircuitmucheasierthanbefore.Andthecontrolcanberealizedmuchmorepreciseandconvenient.Microelectronicsandcomputertechnologycontinuestodevelop,ledtofundamentalchangesinthestructureofinstrumentstomicro-computer（singlechip）asthemainbody,thecomputertechnologyandtheorganicintegrationofdetectiontechnologytoformanewgenerationof"smartmeters"inMeasurementofprocessautomation,measurementdataprocessingandfunctionaldiversificationofthetraditionalinstrument,comparedtoconventionalmeasuringcircuit,tremendousprogresshasbeenmade.

PLCisaveryusefulcontrolinstallment.Itiswidelyusedinalotofcontrolsysteminourlives.Itistheproductofthecomputer,control,communicationtechnology.ItcanmakeElectriccircuitmucheasierthanbefore.Andthecontrolcanberealizedmuchmorepreciseandconvenient.Itverysuitsthecontrolofwaterlevel.Itwillrelaythetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologiestogetherwiththecontrol,andoperationofflexibleconvenient,highreliability,suitableforcontinuouslong-termcharacteristicsofthework,verysuitableforliquidlevelcontrolrequirements.

Thisthesismainlyintroducesadesignofwaterlevelcontrolsystemwithintelligentmeasuringappliance,SIMATICprogrammablelogiccontroller（PLC）andconfigurationsoft.ThissystemadoptsincrementtypeProportional-Integral-Differentialarithmetictorealizethewaterlevelautomation.Forconveniencetomonitorthesystemandprocessdatainactualtime,wehavedesignedHumanMachineInterface（HMI）withconfigurationsoft.Theresultofexperimentationindicatesthatthissystemcouldrunquickly,accuratelyandstablywhichaccordswithouraimperfectly.

Thissystemhasbeenusedwidelyinthetemperaturecontrolsystemfieldforitslowcostandhighstabilizationadvantages.Experimentprovedthatthecontrolsystemmoresatisfactoryresults,withmorepracticalengineeringvalue.

Keywords:

WaterLevelControl；Intelligentmeasuringappliance；PLC；PID；HMI

致谢46

第一章前言

1.1课题研究背景、意义和目的

在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。

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检测和控制.由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为液位控制的主要技术之一。

微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高，不但能完成多种物理量的精确显示，同时可以带变送输出、继电器控制输出、通讯、数据保持等多种功能。

可编程控制器（ProgrammableLogicController---PLC）是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。

目前常用的可编程控制器中，西门子公司的S7-300PLC以其编程软件STEP7的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人士的普遍认可。

1.2液位控制系统的发展状况

近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。

液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。

使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。

除了传统的PID控制系统外，近年来随着智能仪表和PLC的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。

近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。

近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。

这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。

国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等方向快速发展。

反观我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。

国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。

智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。

我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。

所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。

随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。

1.3论文研究内容

本论文研究的是智能仪表与PLC技术在液位控制系统上的应用。

从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置，控制对象数学模型的建立，控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等，具体有以下几方面的内容：

第一章，对液位控制系统应用的背景进行了阐述，并说明了智能仪表和PLC在工业控制系统领域的发展状况，指出了本文的研究意义所在。

第二章，简单概述了智能仪表以及PLC的基本概念以及结构功能等基础内容。

第三章，介绍了控制系统设计的基本步骤和方法，包括了硬件的配置，电路图的设计，程序设计，系统的通信等内容。

第四章，研究了控制器的设计方法。

采用PID控制算法以及临界比例度法整定参数，最终完成控制器的设计。

第五章，介绍了人机界面的设计。

第六章，介绍了系统的测试及应用。

第七章，总结全文。

第二章智能仪表与可编程控制器基础

2.1智能仪表基础

2.1.1智能仪表的定义及发展现状

智能仪表是指仪表中配有微控制器，使其具有对数据、命令等进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。

随着微控制器（包括单片机、DSP、ARM等）技术的不断进步和普及，智能仪表得到了迅猛的发展。

新型智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进步[3]。

我国的仪表行业由于起步晚、水平低，与发达国家相比差距较大。

我国的智能仪表行业还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。

2.1.2智能仪表的功能

总结起来，智能仪表大体上能实现如下一些功能：

自动校正零点、满度和切换量程

可进行多通道、多参数巡回检测

自动修正各类测量误差

数字滤波及数据处理

控制算法

多种输出形式

数据通信

自诊断

2.1.3智能仪表的基本组成

智能仪表由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分包括微控制器及其接口电路、模拟量输入输出电路、开关量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道，以及其他外围设备。

智能仪表硬件组成框架图如图2-1所示。

智能仪表的软件，包括监控程序、中断服务程序以及实现各种算法的功能模块。

智能仪表的工作过程如下：

输入信号要经过开关量输入电路或模拟量输入电路进行变换、放大、整形、补偿等处理。

对于模拟量信号，需经A/D转换器转换成数字信号，再通过接口送入微控制器。

由CPU对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，通过接口送至显示器或打印机，也可输出开关量信号或经模拟量输出电路的D/A转换器转换成模拟量输出信号。

还可通过串行接口实现数据通信，完成更复杂的测量和控制任务。

开关量模拟量

信号信号通信数据键盘

开关量模拟量显示器打印机

输出信号输出信号

图2-1智能仪表硬件组成框架图

。

2.2可编程控制器基础

PLC即可编程逻辑控制器，英文全称是ProgrammableLogicController，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

2.2.1PLC的历史和发展趋势

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这就是传统的继电器控制系统。

到20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。

20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置，这样，继电器控制系统就需要经常更新和安装，阻碍了更新周期的缩短。

为改变这一状况，美国通用汽车公司（GM）在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。

1971年日本从美国引进了这项技术，很快研制了日本第一台PLC。

1973年西欧国家也研制出它们的第一台PLC。

我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用[1]。

目前比较著名的PLC生产厂家有日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机、松下电工，德国的西门子，法国的TE公司、施耐德公司，韩国的三星公司、LG公司和美国的AB、通用（GE）公司。

PLC现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展[2]。

2.2.2PLC的分类

对于PLC的分类通常可以根据他的结构形式、容量或功能进行。

按照硬件的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类，还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

PLC的容量主要指其输入/输出点数。

按容量大小，可将PLC分为：

·小型PLC：

I/O点数一般在256点以下；

·中型PLC：

I/O点数一般在256-1024点之间；

·大型PLC：

I/O点数一般在1024点以上。

按PLC功能上的强弱可分为低档机，中档机，高档机。

当然，上述分类的标准不是固定的，而是随着PLC整体性能的提高不断变化。

2.2.3PLC的基本结构

PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。

PLC的基本结构图如图2-2所示。

编程器或其他编程设备

图2-2PLC的基本结构图

中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般由运算器、控制器、寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。

CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。

它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

PLC中采用的CPU一般有三大类：

通用微处理器；单片机芯片；位处理器。

存储器主要用于存放系统程序和应用软件。

PLC所用的存储器基本上由ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除的只读存储器）及RAM（随机存储器）组成。

根据存储内容的不同，PLC的存储空间一般分为以下3个区域：

系统程序存储区、用户程序存储区、系统RAM存储区。

输入/输出单元从广义上分包含两部分：

与被控设备相连接的接口电路；输入输出的映像寄存器。

PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

2.2.4PLC的编程

常用的PLC程序设计方法有梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。

梯形图的使用直观方便,可以建立与电器接线图等价的梯形逻辑图,而且在全世界范围内通用,因此,成为多数PLC程序设计和维护人员的首选方法,在实际设计中有着广泛的应用。

2.2.5S7-300型PLC的特性

S7-300PLC是西门子公司的中型PLC，最多可以扩展32个模块。

S7-300PLC是模块式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密地固定在西门子S7-300标准的导轨（Rail）上。

S7-300PLC的结构示意图如图2-3和2-4。

图2-3S3-300PLC实物图

图2-4S7-300PLC主要结构示意图

第三章PID控制器设计

控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。

首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。

然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。

3.1PID控制器

PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。

PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID控制器出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有控制场合。

PID控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。

3.1.1PID控制器的基本结构

最典型反馈控制系统的方块图如图3-1所示，此系统为单位反馈，其中偏差值e为给定值与测量值的差值，u为控制量，d为系统中扰动量。

图3-1系统结构框图

PID控制器基本可以由以下的传递函数表示：

（3-1）

其中

为比例增益，

为积分时间，

为微分时间。

PID控制器的另一种表示方式也比较常见，称为并行结构（Parallelform），如下所示：

（3-2）

其时域输出方程为：

（3-3）

式（3-1）与式（3-2）实际上可以互相转换，两者参数间的关系如下所式：

，

，

（3-4）

此时，模型的积分时间和微分时间也相应改变，分别为：

，

3.1.2PID控制器各参数的作用

PID控制器包括积分、比例、微分三个部分，分别代表过去，现在，还有未来的控制作用，相应的控制参数,以式（3-1）为例，比例增益

、积分时间

、微分时间

的取值影响到系统控制效果的好坏。

三个部分对系统性能的影响如下所示：

（1）比例作用

引入比例作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即生效，使系统偏差快速向减小的趋势变化。

增大比例增益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高控制精度加快调节速度。

但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成闭环系统不稳定。

（2）积分作用

引入积分作用是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪，改善系统的稳态性能。

从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分调节的输出为常数。

积分作用的强弱取决于积分时间常数

的大小，

越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。

但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后，使系统稳定性下降，动态响应变慢。

因此，实际中一般不单独使用积分器，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI或PID控制器。

（3）微分作用

引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度，同时使相位超前，提高系统的相位裕度增加系统的稳定性。

微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。

直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。

因此，微分作用改善系统的动态性能。

微分作用的强弱取决于微分时间

的大小，

越大，微分作用越强，反之则越弱。

此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。

在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。

但是微分作用对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。

所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰能力产生不利的影响。

因此，微分器也不能单独使用[4]。

3.1.3过程控制中常见PID参数整定方法

从对象的开环响应曲线来看大多数工业过程都能用一阶惯性加纯滞后（FirstOrderPlusDelayTime）模型来近似描述，简记为FOPDT模型，其传递函数如下所示：

（3-5）

、

、

分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。

（1）飞升曲线法（阶跃响应法）

将系统开环后（不加入控制环节），给其输入一定幅值的阶跃信号，可得如下图所示的飞升曲线（即阶跃响应曲线）。

在曲线上最大斜率点P处作切线，FOPDT模型的参数如图3-2所示。

图3-2飞升曲线

再根据飞升曲线法的经验公式可得控制器各参数。

飞升曲线法非常方便简洁，只要知道过程对象的函数模型，即可根据公式算得PID控制器的三个参数。

但是飞升曲线法存在一定的弊端。

首先，它难以确定最大斜率处，并且能够利用的系统信息不足；其次，飞升曲线法只限定与FOPDT模型，对象广泛的其他经典过程对象，飞升曲线法则束手无策。

（2）临界振荡法（临界比例度法）

1942年，Ziegler和Nichols提出的另一种参数整定方法叫临界比例度法。

这种方法不像飞升曲线法那样依赖于对象的数学模型，而是通过实验由经验公式得到PID控制器的