水塔水位PID控制系统设计设计图.docx

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水塔水位PID控制系统设计设计图

水塔水位PID控制系统设计

摘要

供水是一个关系国计民生的重要产业。

随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，有一个水箱需要维持一定的水位，该水塔里的水以变化的速度流出。

这就需要有一个输入控制液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，这样才能使水塔不断水。

研究设计的基于PLC控制的水塔水位PID供水系统,以西门子公司的S7-200系列中PLC-CPU226为基础，结合模拟量模块EM235、液位传感器、输入控制液压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于S7-200系列中PLC-CPU226的水塔水位控制系统，能完成逻辑控制、水位调节和数据采样等功能,实现对水塔的水位进行控制及检测。

在设计中大量运用PLC中PID来实现水塔水位的控制，为了精确地实现对水位的控制，建立成闭环控制系统，实现了水塔中的进、出水的水位自动控制。

关键词：

可编程控制器PLC，水塔水位，PID控制

WaterTOWERSpidCONTROLSYSTEMDESIGN

ABSTRACT

Watersupplyisanimportantindustryofthepeople'slivelihood.Withthesocialdevelopmentandpeople'slivingstandards,urbanwatersupplytoahigherdemand,thereisaneedtomaintainacertainwatertankwaterlevel,thewatertowersinordertochangethespeedoftheoutflow.Thisrequiresaliquidinputcontrolvalvetothedifferentspeedsofwatertowersinordertomaintainthewaterlevelchanges,sothatcontinuouswatertowers.

PLC-basedresearchanddesignofthetowerslevelPIDcontrolthewatersupplysystemtoSiemensS7-200seriesPLC-CPU226-basedlightsimulationmoduleEM235,liquidlevelsensors,typeofhydrauliccontrolvalve,hydraulicvalvecontroloutputandsoon,basedontheformationofaS7-200seriesofthePCL-CPU226towerswaterlevelcontrolsystem,tocompletelogiccontrol,waterregulationandfunctionofdatasampling,etc.,toachievethelevelofthewatertowerforcontrolanddetection.InthedesignofPIDmakeextensiveuseofPLCtoachievethelevelofcontroltowers,inordertoachievepreciselevelofcontrol,intoaclosed-loopcontrolsystem,thewatertowerinprogress,thewaterlevelofautomation.

Keywords:

ProgrammableLogicControllerPLC,WaterTowers,PIDControl

目　录

前　言

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。

其中，水位控制越来越重要。

在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。

一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。

因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。

任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。

就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。

传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。

可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。

同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。

比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。

虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。

但其原理都大同小异。

特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。

因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。

采用PLC和PID技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。

本论文侧重介绍“水塔水位PID控制系统”的硬件、软件设计及相关内容，使水塔水塔维持一定的水位。

通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传液位传感器反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实现水塔供水且有效节能。

水位PID控制系统集PLC控制技术、PID技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

第1章水塔水位自动控制系统的概述

1.1水位控制系统现状与发展

节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题.水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一.对变频调速水位控制系统的实际运行情况研究发现，目前国内在这方面普遍采用恒水位或恒压力变频调速PID控制技术，取得了一定的应用效果.但由于这类控制系统忽视了水泵-电机组效率，致使水泵-电机组经常处于低效区运行图1-1；另外，单目标的恒水位或恒压力控制不能保证电机经常处于节能运行状态以充分发挥变频调速的节能功效，造成了变频调速控制系统在实际运行中效率不高，节能效果未能充分体现,这也是变频调速控制技术多年来一直难以大规模采用的原因之一，水位控制类变频调速效率优化问题属于一类复杂的多变量、离散性强的非线性系统控制问题，要求控制图1-1水塔水位控制系统模型

系统在满足用水要求的同时，又要实现系统效率最优，采用传统的控制策略很难获得简便、实用的解决方法.本文结合水位控制类系统的特点，运用水位控制理论与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，设计一种水位控制以改善这类系统的控制策略与运行方式，同时给出采用PLC控制程序实现的此水位控制。

水塔水位控制系统模型如图1-1。

1.2水塔水位自动控制系统的组成

水位自动控制系统由PLC（核心控制部件）、高低位的水位检测电路（液位传感器）、输入控制液压阀、输出控制液压阀等部分组成。

1.3水位控制系统效率及运行模式分析

水位控制系统的效率主要由水泵的效率、电动机的效率和管道损失决定，本文主要研究水泵-电机组的效率问题。

由于水位控制系统的非线性、滞后性与时变性，采用传统的PID控制容易实现单目标，即水位恒定或水泵-电机组高效运行，而无法两者兼顾。

为此引入模糊控制，使系统能够最快地响应用户的用水要求并最大限度地工作在高效区，以期能充分发挥变频调速的节能功效，进一步提高系统的运行效率。

在分析变频调速水位控制的节能问题时，以不同转速下提供相同容积

图1-2控制系统框图

的水作比较得出图1-2：

水泵消耗的轴功率与异步电动机转速的三次方成正比，由此可知，水泵-电机组的效率与电机的转速成反比；其次，结合水泵与电机的效率特性，为使系统经常高效运行，不失一般性，设：

水泵-电机组的高效率区为异步电动机的转速n=0.6～1.0nN（nN为电动机的额定转速）；当电机转速n=0.8nN时，异步电动机的效率最佳。

图1-1给出了水位控制系统控制模型图，H表示水位高度，依水位高度将水箱划分为A、B、C三区。

A、C区分别为水位极高、极低区域，是高位、低位警戒区；B区为高效运行区，是系统经常运行的区域。

系统总的控制模式为：

当H∈A时，系统运行减机模式；当H∈B时，系统运行节能模式；当H∈C时，系统运行加机模式.系统效率η∝K∫n3dtn∈0.6～1.0nN系统节能模式是本文的研究重点，根据此图可设计一个水位控制器，使变频器的输出频率即电动机的转速随着水位的变化而自动改变，使系统能够在最快地响应用户用水要求的同时，在时间上最大限度地工作在高效区，这样，系统运行的效率就可以提高，此时的系统工作于最佳状态，从而提高系统的响应速度，达到系统稳定性与快速性的较好结合。

第2章PLC结构和工作原理

2.1PLC组成与基本结构

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的扩展性与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。

因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

2.1.1PLC的系统结构

目前PLC种类多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和微机相似。

主要包括CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

图2-1PLC结构示意图

如图2-1所示。

PLC控制系统有输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。

2.1.2PLC的基本工作原理

由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符号后返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

PLC的工作过程就是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为3个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

如图2-2所示PLC的扫描工作过程。

图2-2PLC的扫描工作过程

2.2PLC的主要应用

经过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，从PLC的功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面：

（1）逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。

（2）定时控制PLC具有定时功能。

它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以由操作人员在工业现场通过人——机对话装置实时设定，计时器的实际计时值也可以通过人——机对话装置实时读出或

（3）计数控制PLC具有计数功能。

它为用户提供几十个甚至上千个计数器，其计数设定值的设定方式同计时器计时时间设定值一样。

计数器的实际计数值也可以通过人——机对话装置实时读出。

（4）步进（顺序）控制PLC具有步进（顺序）控制功能。

在新一代的PLC中，还可以IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图（SFC）编制用户程序，PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更简便。

（5）PID控制PLC具有PID控制功能。

PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号。

通常采用专门的PID控制模块来实现。

（6）数据处理PLC具有数据处理能力。

它能进行自述运算数据比较、数据传送、数制转换、数据显示和打印，数据通信等功能。

新一代的大，中型PLC还能进行函数运算，浮点运算等。

（7）通信和联网新一代的PLC都具有通信功能。

它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。

因此，可以方便地构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。

（8）PLC还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：

定位控制模块，CRT模块等。

2.3S7-200系列可编程控制器

德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。

其第一代可编程序控制器是于1975年投放市场的SIMATICS3系列控制系统。

1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，产生了SIMATICS5系列，随后在20世纪末又推出了S7系列产品。

2.3.1S7-200PLC系统组成

1．CPU模块

从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代：

第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216。

第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。

它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU221，CPU222、CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

2．输入输出扩展模块

（1）设备连接

图2-3I/O扩展示意图

（2）最大I/O配置的预算

在进行I/O扩展时,各扩展模块在5VDC下所消耗的电流应不大于CPU主机模板在5VDC下所能提供的最大扩展电流.

各CPU在5VDC下所能提供的最大扩展电流如表2-4所示。

表2-1CPU提供的最大扩展电流

2.3.1S7-200系列PLC元件功能

1.数据类型

数据类型S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整数型和实数型（浮点数）。

布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括16位符号整数（INT）和32位符号整数（DINT）。

2.编程元件

（1）输入映像寄存器I（输入继电器）

输入映像寄存器的工作原理：

输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。

PLC中的继电器与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是软继电器，它实质是存储单元输入映像寄存器的地址分配：

S7-200输入映像寄存器区域有IB0～IB15共16个字节的存储单元。

系统对输入映像寄存器是以字节（8位）为单位进行地址分配的。

（2）变量存储器V

变量存储器主要用于存储变量。

可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。

变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222为V0.0～V2047.7共2KB存储容量，CPU224/226为V0.0～V5119.7共5KB存储容量

（3）内部标志位存储器（中间继电器）M

内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。

（4）特殊标志位存储器SM

PLC中还有若干特殊标志位存储器,特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取。

（5）定时器T

PLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。

每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。

其设定时间由程序设置。

（6）计数器C

计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。

计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。

（7）累加器AC

累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。

CPU提供了4个32位的累加器，其地址编号为AC0～AC3。

累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32位。

2.4PID控制器简介

基于偏差的比例（Proportlonal）、积分（Integral）和微分（Derivative）的控制器简称为PID控制器，它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。

由于PID控制器算法简单、鲁棒性强，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。

尽管工业自动化飞速发展，但是PID控制技术仍然是工业过程控制的基础。

根据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID控制技术占84.5%，优化PID控制技术占6.8%，现代控制技术占1.6%，手动控制占66%，人工智能（Al）控制技术占0.6%。

如果把PID控制技术和优化PID控制技术加起来，则占到了90%以上，而文献指出，工业过程控制中，95%以上的回路具有PID结构。

因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进控制技术的发展，PID控制技术仍然不过时，并且它还占着主导地位。

同时，由于工业过程对象的精确模型难以建立，系统参数又经常发生变化，因而在用PID控制器进行调节时，又往往难以得到最佳的控制效果。

2.4.1PID控制器的结构及原理

PID控制器是一种基于偏差“过去、现在和未来”信息估计的有效而简单的控制算法。

常规PID控制系统原理图如图2-4示。

图2-4PID控制系统原理图

整个系统主要由PID控制器和被控对象组成。

作为一种线性控制器，PID控制器

根据给定值SV和实际输出值PV构成控制偏差：

即e（t）=r（t）-y（t）（2.1）

然后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

由图2-5得到PID控制器的理想算法为

（2.2）

或者写成常见传递函数的形式为：

（2.3）

其中，Ti、Td分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

式（2.2）和式（2.3）是我们在各种文献中最经常看到的PID控制器的两种表达形式。

各种控制作用（即比例作用、积分作用和微分作用）的实现在表达式中表述的很清楚，相应的控制器参数包括比例增益凡、积分时间常数Ti和微分时间常数路。

这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏。

2.4.2数字式PID控制

在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保

证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。

在连续控制系统中，常

采用proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。

PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。

具有以下优点:

理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。

PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）:

e（t）=y（t）一r（t）

（2.4）

经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图2-5所示，图中u（t）为PID调节器输出的调节量。

图2-5PID控制原理图

PID控制器规律为：

（2.5）

式中：

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

相应地传递函数形式：

（2.6）

PID控制器各环节的作用及调节规律如下:

l）比例环节:

成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e（t）一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。

比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数凡的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。

2）积分环节:

表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。

只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。

积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。

3）微分环节:

对偏差信号的变化趋势（变化速率）做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。

但过大的偏差信号对于干扰信号的抑制能力却将减弱。

PID的三种作用是相互独立，互不影响。

改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。

然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。

如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。

数字PID控制算法是通过对式（2.6）离散化来实现的。

用一系列的采样时刻点nT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式:

（2.7）

式中:

T为采样周期;n为采样序号;e（n）为第n时刻的偏差信号;e（n-l）为第n-1时刻的偏差信号。

PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e（n）和e（n-l），而且还要把历次的偏差信号e（j）相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量u（n）对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u（n）可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。

为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为（2.8）:

（2.8）

式中：

为调节器输出的控制增量：

增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量Au（n）仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

2.4.3数字式PID控制的实现

PID控制器是控制系