双容水箱液位控制及PLC实现_精品文档.doc

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编号：

本科毕业设计（论文）

题目：

（中文）双容水箱液位控制及PLC实现

（英文）DoubletankwaterlevelcontrolandPLCachievement

摘　要

【摘要】伴随时代发展,进入21世纪崭新工业控制领域,PLC仍然能够引导自动化行业的发展,而长期以来PLC始终处于工业自动化控制领域主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，随着电子事业的飞速发展,PLC已经可以在各个领域去适应不同的客户要求。

本文是针对双容水箱液位系统，采用西门子公司的S7-300系列PLC编程软件中的PID控制功能块来实现控制算法以及编程和硬件组态，在AE2000A实验装置，WINCC组态环境下实现下水箱液位的控制，从而实现对P、I、D三参数的整定，以及实时监视被控对象的运行状态。

【关键词】双容水箱；西门子PLC；PID控制；WinCC

DoubletankwaterlevelcontrolandPLCachievement

Abstract

【ABSTRACT】Withthedevelopmentofthecomputer,PLCautomationisabletoguidethedevelopmentoftheindustry.WhilethePLCisalwaysinalongtimeinthefieldofindustrialautomation,itcontrolsthemainbattlefieldforawiderangeofautomationequipmenttoprovideaveryreliablecontrolapplications.Withtherapiddevelopmentofelectronicbusiness,PLChasbeenabletoadaptinvariousoffieldsanddifferentcustomerrequirements.

Thisarticleisforthetwo-tankwatersystem,usingSiemensS7-300seriesPLCprogrammingsoftwareinthePIDcontrolfunctionblocksforcontrolalgorithms,programming,hardwareconfiguration,theAE2000AexperimentaldeviceandWINCCconfigurationunderthecircumstancesachievetanklevelcontrol.ItrealizestheP,I,Dparametersettingofthethree,aswellasreal-timemonitoringoftheobjectandrunning.

【KEYWORDS】Two-tank，SiemensPLC，PIDControl，WinCC

目　录

摘　要 II

Abstract III

目　录 IV

第一章序言 1

1.1选题的背景与趋势 1

1.2选题的意义 2

第二章可编程PLC技术 3

2.1PLC的基本概念 3

2.1.1PLC的基本结构 3

2.1.2PLC的特点 4

2.1.3PLC的应用领域 5

2.2PLC的工作原理 6

2.2.1PLC的工作过程 6

2.2.2扫描循环时间 7

2.2.3输入/输出的滞后现象 7

2.3PLC的编程语言 8

2.4西门子PLC简介 9

2.4.1概述 9

2.4.2S7-300系统PLC介绍 9

2.4.3S7-300主要功能模块介绍 10

第三章STEP7和WinCC简介 11

3.1STEP7编程软件 11

3.1.1STEP7概述 11

3.1.2STEP7编程软件的功能 11

3.1.3STEP7编程的流程 12

3.1.4STEP7的编程模块 13

3.2组态软件技术 15

3.2.1组态软件概述 15

3.2.2组态软件的功能 16

3.2.3组态软件的发展趋势 16

3.3WinCC组态软件 16

3.3.1WinCC组态软件概述 16

3.3.2WinCC性能特点 17

3.3.3WinCC组态软件的基本构成 17

3.3.4WinCC选件 18

第四章PID控制算法 20

4.1PID简介 20

4.1.1比例调节（P调节） 20

4.1.2积分调节（Ti调节） 20

4.1.3微分调节（Td调节） 21

4.1.4比例积分微分调节（PID调节） 21

4.2数字PID控制算法 22

4.2.1位置式PID算法 22

4.2.2增量式PID控制算法 22

4.3确定PID控制器参数整定 23

第五章基于PLC的水箱液位控制系统硬件组成 25

5.1AE2000A过程控制系统PLC控制柜的组成 25

5.2水位控制系统实验装置及其组成 26

5.2.1AE2000A型过程控制实验装置概述 26

5.2.2双容水箱对象组成结构 26

第六章基于PLC的水箱液位控制的编程设计 29

6.1控制原理 29

6.2STEP7硬件组态及编程设计 30

6.3WinCC监控画面设计 34

第七章双容水箱液位控制实验结果分析 38

7.1一阶单容上水箱曲线测试 38

7.2二阶下水箱开环特性曲线测试 38

7.3单回路PID控制器参数整定 40

7.3.1P调节与分析 40

7.3.2PI调节与分析 41

7.3.3PID调节与分析 42

7.3.4对于单回路控制总体分析 43

7.4串级PID参数整定 43

7.4.1串级控制理论分析 43

7.4.2内环参数整定 44

7.4.3外环参数整定 44

7.4.3对于串级控制总体分析 46

第八章结论 48

参考文献 50

附录（PID单回路程序和串级程序） 52

1.单回路控制程序 52

2.串级程序PID控制的PLC程序 53

Ⅱ

第一章序言

1.1选题的背景与趋势

随着科学技术的飞速发展,PLC已进入日常生产的各个方面,PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。

PLC是继电器技术和“3C技术”（计算机、控制、通信）的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。

他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。

特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。

PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。

随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。

在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支（PLC,ROBOT,CAD/CAM）的主导地位。

1.2选题的意义

工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。

为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。

为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。

S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。

第二章可编程PLC技术

2.1PLC的基本概念

可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。

2.1.1PLC的基本结构[1]

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

中央处理器

（CPU）

输出电路

输入电路

显示区

系统程序存储区

用户程序存储区

图2-1PLC的硬件结构图

1.中央处理单元（CPU）

CPU模块主要由微处理器和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU是计算机的核心，其重要性好比大脑对于人一样，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。

由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。

2.信号模块

输入模块和输出模块简称I/O模块,开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，它们统称为信号模块。

输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供地连续变化地模拟量电压电流信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。

3.功能模块

为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。

它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。

4.通信处理器

通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工业义太网，或者用于实现点对点通信等。

5.电源模块

PLC一般使用AC200V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。

6.编程设备

S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络可以实现远程编程和传送。

编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。

2.1.2PLC的特点[1]