完整版完整版容器液位调节阀远程控制系统的设计完整详细版毕业设计论文.docx
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完整版完整版容器液位调节阀远程控制系统的设计完整详细版毕业设计论文
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
西安邮电大学
毕业设计（论文）
题目：
容器液位调节阀远程控制系统的设计
院系：
自动化学院
专业：
自动化
班级：
自动0703班
学生姓名：
王党伟
导师姓名：
职称：
起止时间：
2011年1月10日至2011年6月17日
毕业设计（论文）诚信声明书
本人声明：
本人所提交的毕业论文《容器液位调节阀远程控制系统的设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。
论文作者签名：
时间：
年月日
指导教师签名：
时间：
年月日
西安邮电学院
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
王党伟
指导教师
沈建冬
职称
讲师
院（系）
自动化学院
专业
自动化
题目
容器液位调节阀远程控制系统的设计
任务与要求
1、学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法。
2、熟悉S7-300软件和组态王软件。
3、会使用组态王6.52软件画组态界面。
4、绘制电气原理图、装配图、接线图。
5、熟练掌握S7-300软件，具有一定的编程能力
开始日期
1月10日
完成日期
6月17日
院主任（签字）
2011
年
3
月
28
日
西安邮电学院
毕业设计（论文）工作计划
学生姓名_王党伟__指导教师___沈建冬______职称____讲师____
系别______自动化学院_________专业________自动化________
题目容器液位调节阀远程控制系统的设计
_______________________________________________________
工作进程
3月23日~4月12日学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法
4月13日~4月29日熟悉S7-300软件和组态王软件
4月30日~5月24日编写控制程序，画组态画面
5月25日~6月4日仿真该控制方案，并进行实际操作
6月4日~6月13日撰写毕业论文
主要参考书目（资料）
[1]廖常初.S7-300PLC编程及应用.北京：
机械工业出版社.2005
[2]钟肇焱主编,西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP.武汉：
华南理工大学出版社.2005
[3]组态王6.52软件资料
[4]邱道伊等，SPLC入门和应用分析.北京：
中国电力出版社，2008
论文（设计）过程中教师的指导安排
每周三下午、周五下午
对计划的说明
西安邮电学院
毕业设计（论文）开题报告
自动化学院自动化专业07级03班
课题名称：
容器液位调节阀远程控制系统的设计
学生姓名：
王党伟学号
指导教师：
沈建冬职称讲师
报告日期：
2011年3月30日
1．本课题所涉及的问题及应用现状综述
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。
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。
2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
重点研究的关键问题：
液位控制精度、基于S7-300软件的程序编写、熟悉组态王。
解决思路：
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。
通过西门子PLC控制器或智能仪表，水位传感器将检测到的实际水位转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节。
PLC控制器通过调节电动调节阀的工作来实现对水位的自动控制，
同时利用组态软件组态王设计一个人机界面（HMI），通过串行口与可编程控制器或智能仪表通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便
可行性分析：
做好硬件设计，完成PLC控制电路设计，水位检测电路设计，以及控制电路设计，完成人机界面设计。
最后，通过在实验室进行多次调试以及实验，对实验装置以及实验程序进行深入测试以及调试，使其尽可能达到最好的控制效果。
3．完成本课题的工作方案
第一周：
了解题目，寻找相关的资料。
第二周至第五周：
学习西门子PLC和组态软件组态王的使用方法。
第六周至第七周：
熟悉S7-300软件和组态王软件。
第八周至第九周：
编写控制程序，画组态画面。
第十周：
仿真该控制方案，并进行实际操作。
第十一周至第十三周：
撰写论文。
第十四周：
提交论文，并进行答辩。
4．指导教师审阅意见
指导教师（签字）：
年月日
说明：
本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。
西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表
学生姓名
王党伟
性别
男
学号
专业班级
自动0703班
课题名称
容器液位调节阀远程控制系统的设计
课题
类型
实际
应用
难度
一
般
毕业设计（论文）时间
2011年1月10日～6月17日
指导教师
沈建冬（职称讲师）
课题任务
完成情况
论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；其它（含附件）：
指导教师意见
分项得分：
开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分
指导教师审阅成绩：
指导教师（签字）：
年月 日
评
阅
教
师
意见
分项得分：
选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；外文翻译分
评阅成绩：
评阅教师（签字）：
年 月 日
验收小组意见
分项得分：
准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分
验收成绩：
验收教师（组长）（签字）：
年 月 日
答
辩
小组
意
见
分项得分：
准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分
答辩成绩：
答辩小组组长（签字）：
年月日
成绩计算方法
（填写本系实用比例）
指导教师成绩（％）评阅成绩（％）验收成绩（％）答辩成绩（％）
学生实得成绩（百分制）
指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评
答辩委员会意见
毕业论文（设计）总评成绩（等级）：
答辩委员会主任（签字）：
院（系）（签章）
年月日
备
注
西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1PLC的简介及其国内外发展趋势1
1.1.1PLC国内外现状1
1.1.3本论文研究的意义4
1.1.4本论文研究的主要内容5
第二章PID原理6
2.1PID的原理、算法简介及参数整定6
2.1.1比例（P），积分（I），微分（D）的控制原理6
2.1.2PID算法6
2.1.3控制器P、I、D项的选择9
2.1.4PID控制器的参数整定11
第三章程序及组态设计13
3.1S7-300介绍13
3.1.1S7-300PLC系统组成13
3.1.2STEP7的工程建立过程14
3.2程序设计15
3.2.1PLC程序15
3.3组态软件介绍16
3.4组态画面设计17
3.4.1组态王简介17
3.4.2组态王开发17
第四章实验结果分析21
4.1实验分析21
4.2结论及展望23
4.2.1结论23
4.2.2展望23
致谢24
参考文献25
摘要
过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成分。
通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期与程序进行的生产过程自动控制。
在现代工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
本课题主要以单容水箱为理论模型，主要以PID算法，组态王为上位组态软件，内置西门子S7-300PLC的A3000过程控制系统实现水箱液位的自动调节。
首先分别介绍PLC,PID的基础知识及其特点，应用领域，然后介绍了西门子S7-300PLC的具体设计过程和组态王的功能应用。
关键词：
西门子S7-300PLC，PID算法,组态王，A3000过程控制系统。
Abstract
ProcesscontrolautomationoftheproductionprocessisShorttitle,Usuallyrefers
tooil,chemicals,power,metallurgy,lightindustry,buildingmaterials,suchasindustrialproductionofnuclearenergyinacontinuouscycleorbyacertainprocedureandtheproductionofautomaticcontrol.Inthecourseofmodernindustrialproduction,Processcontroltechnologyisoptimalfortherealizationofallthetechnicalandeconomicindicators,enhanceeconomicefficiencyandlaborproductivity,improveworkingconditionsandprotectingtheenvironmentandotheraspectsofplayinganincreasingrole.
Thistopicisinsingleletwatertankfortheoreticalmodel,mainlyPIDalgorithm,kingviewforsuperiorconfigurationsoftware,built-inSiemenss7-300A3000processcontrolsysteminmillrealizationofautomaticadjustmentofthetanklevel.
FirstintroducedPLC,thePIDrespectivelythebasicknowledgeanditscharacteristics,applicationfield,thenintroducesSiemenss7-300PLCdesignprocessandconfigurationkingfunctionapplications.
Keywords:
SiemensS7–300PLC,PIDalgorithm,kingview,A3000processcontrolsystem.
第一章绪论
1.1PLC的简介及其国内外发展趋势
1.1.1PLC国内外现状
a.PLC的概念
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。
用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。
至今，在PLC的编程语言——梯形图中还可以看到这些布线的影子。
直到60年代末、70年代初可编程控制器问世，随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展，以及微处理器的出现，PLC产品朝小型和超小型化方面进行了一次飞跃，最终使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为：
可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等。
面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种机械或生产过程。
可程式逻辑控制器及其有关的外部设施，都按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
b．PLC国内外状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
c.PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的AD转换及DA转换。
PLC厂家都生产配套的AD和DA转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量IO模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
d．PLC的展望
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
PID的相关知识介绍及其发展趋势
PID英文全称为ProportionIntegrationDifferentiation，它是一个数学物理术语。
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，又称PID调节。
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、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品。
1.1.3本论文研究的意义
过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。
可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。
针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了以组态王模拟界面，西门子S7-300PLC为控制器的PID液位控制系统。
1.1.4本论文研究的主要内容
除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。
首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过PLC进行AD转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到PLC中，由PLC将数字信号转换成模拟信号。
最后，由PLC的输出模拟信号控制电磁阀，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。
第二章PID原理
2.1PID的原理、算法简介及参数整定
2.1.1比例（P），积分（I），微分（D）的控制原理
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它
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