单容水箱液位控制.docx

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单容水箱液位控制

华科学院

HUAKEINSTITUTEOFTAIYUANUNIVERSITYOF

SCIENCE&TECHNOLOGY

毕业设计（论文）

单容液位过程PLC控制系统设计

学生姓名______王孝阳_________

学号_____************__________

班级_____自动化082202H__________

所属院（系）__电子信息工程系__

指导教师______赵志诚_________

2012年6月14日

单容液位过程PLC控制系统设计

摘要

本设计中，利用PLC与MCGS组态软件进行组态构成水箱液位计算机控制系统。

使用S7-200PLC为控制系统的提供控制与检测通道，利用MCGS组态软件完成对系统的控制参数的设定与实时状态的监控，有效的提高了控制系统的控制效率。

在液位控制方面，构成了使用PID控制算法的液位定值控制系统，通过PID参数的整定设定了适当的控制参数，完成对上水箱液位的精确控制。

关键词：

液位控制，PLC，MCGS

Abstract

Inthisdesign,theuseofPLCandMCGSconfigurationsoftwareconfigurationtoconstituteawatertanklevelcomputercontrolsystem.TheuseofS7-200PLCcontrolsystemtoprovidecontrolanddetectionchannels,theuseofMCGSconfigurationsoftwareonthecontrolparametersofthesystemsetupandreal-timestatusmonitoring,andeffectivelyimprovethecontrolefficiencyofthecontrolsystem.Constituteasingleclosed-loopPIDcontrolalgorithmlevelsetpointcontrolsystem,levelcontrol,tuningofPIDparameterstosettheappropriatecontrolparameterstocompletetheprecisecontrolonthetanklevel.

Keywords：

Liquidlevelcontrol,PLC,MCGS

第1章绪论

1.1论文研究的目的，背景和意义

近年来,有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。

但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低，有许多电气及仪表装置,在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。

由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽,这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。

九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。

信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高，价格进一步下降。

作为该领域的另一个重要组成部分工控软件，也受到越来越多的工程技术人员的重视，正在向着产业化方向发展。

工控软件的特点是开发周期长，被控对象复杂多样，且软件与具体工程和设备交织在一起。

长期以来，软件的通用性和可维护性一直困扰着工程技术人员。

设备管理人员或主要编程人员的变动将给控制系统的运行带来极大的不便，甚至影响其正常工作，许多企业决策者也对此表现出极大的关注。

为改变这一状况,国内外许多专家、学者、工程技术人员对工控软件进行了积极的探索，然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题:

一是工控软件缺乏通用性，工控公司只提供特定设备的驱动程序，一旦设备更新或变动，系统就必须重新设计；二是国外工控软件价格昂贵，使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受，以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件。

组态软件是近几年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具，组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。

随着计算机软件的发展，其功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。

成熟的商用软件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用。

开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具,通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，利用组态软件MCGS开发了液位监控系统,采用计算机采集、处理数据、根据MCGS的液位实时曲线输出来改变参数的值,使系统输出稳定到设定值，从而提高了工作效率。

该系统性能稳定可靠、界面友好、扩充性强。

用户在组态环境下进行系统配置，可创建或定义多个用户策略，并生成数据库文件进行数据处理。

实践证明该系统可省去用户开发软件的费用和周期，只需极少的投入即可得到方便、美观、实用的组态软件。

目前，MCGS组态软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。

基于MCGS开发的液位监控系统。

MCGS为用户提供了广泛的可选性，用双水箱系统组成液位比值前馈反馈复合控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率，大大减少了生产工作人员的劳动强度[1]。

1.2论文研究的主要内容及工作简述

可编程程序控制器（简称PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。

PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。

然而在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，许多开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。

从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制[2]。

工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的PLC产品生产出来，PLC控制系统越来越开放。

但由于PLC的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。

SIEMENS（西门子）在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在S7-200的PLC上得到较好的实现[3]。

本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。

本课题的设计是先通过工控组态软件MCGS在组态环境下做出一个关于上水箱液位控制的动态连接界面，接着应用SIEMENS（西门子）公司的S7-200系列进行程序的编写，在MCGS组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的PLC程序进行动态连接。

在通讯接口设备通讯状况良好的条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据的操作和改动就可以达到对上水箱液位控制的目的。

操作人员可随时通过动画界监测到上水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。

这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义[8]。

第2章可编程序控制器

面对工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，可编程控制器一直在飞速发展。

可编程序控制器具有很强的抗干扰能力，还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于扩充。

PLC是用软件方式来实现“可编程”的目的的。

2.1PLC的特点和优势

可编程逻辑控制器（PLC）具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

可编程控制器在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件也需根据控制要求进行设计编制。

PLC的主要特点可概括如下:

1.高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；

（4）采用性能优良的开关电源；

（5）对采用的器件进行严格的筛选；

（6）良好的自诊断功能；

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

2.丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。

3.采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，绝大多数PLC采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，等均采用I/O模块化设计。

4.编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，很容易被理解和掌握。

5.安装简单，维修方便

PLC可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

2.2PLC的工作原理与功能

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：

1.输入采样：

即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；

2.执行程序：

PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；

3.刷新输出：

按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

PLC的功能可分为：

1、逻辑控制；

2、定时控制；

3、计数控制；

4、步进（顺序）控制；

5、PID控制；

6、数据控制:

PLC具有数据处理能力；

7、通信和联网；

8、PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求。

2.3西门子S7-200系列

SIMATICS7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）极高的可靠性；

（2）极丰富的指令集；

（3）易于掌握；

（4）便捷的操作；

（5）丰富的内置集成功能；

（6）实时特性；

（7）强劲的通讯能力；

（8）丰富的扩展

2.3.1S7-200的结构

S7-200PLC硬件系统的配置方式：

主机中包含一定量的输入/输出点,同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。

一个完整的系统组成：

（1）基本单元包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。

（2）扩展单元是主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种I/O模块。

（3）特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时,需要扩展功能模块,它们是完成某种特殊任务的一些装置。

（4）相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。

（5）工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序。

S7-200系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

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。

2.3.2S7-200的工作原理

S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:

输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。

输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。

在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。

执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。

在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。

即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。

CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。

如果发现异常，则停机并显示出错。

若自诊断正常，继续向下扫描。

写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。

扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200CPU有两种操作模式：

STOP模式和RUN模式。

对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序。

第3章上位机监控系统

本章介绍工业自动化控制组态软件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）的基本组成部分及其功能。

MCGS组态通用监控系统软件是集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与设备输出，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际问题的方案，在自动化的各个领域起着极其重要的作用。

3.1MCGS通用监控系统的构成

MCGS监控系统包括组态环境和运行环境两个部分，用户所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

运行环境必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。

由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。

MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据库进行可视化处理。

（1）实时数据库是MCGS监控系统的核心。

MCGS用实时数据库来管理所有实时数据。

从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。

实时数据库采用面向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。

（2）主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。

（3）设备窗口是MCGS监控系统与外部设备联系的媒介。

专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。

它通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。

（4）用户窗口实现了数据和流程的“可视化”。

用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：

图元、图符和动画构件。

（5）运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。

一个应用系统有三个固定的运行策略：

启动策略、循环策略和退出策略。

3.2MCGS通用监控系统主要功能

（1）良好的可维护性和可扩充性。

三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。

（2）MCGS系统可以与广泛的数据源交换数据，有强大的数据库连接能力，可以和更多的自动化设备相连接；与其它应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源。

（3）强大的网络功能。

（4）多样化的报警功能。

第4章单水箱液位定值控制系统的制作流程

4.1MCGS组态软件画面的制作

使用MCGS完成一个实际的应用系统，首先必须在MCGS系统的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在MCGS运行环境下运行。

本设计是在MCGS组态环境下进行的液位控制系统的制作。

首先将MCGS组态软件安装在所要使用的计算机中，安装MCGS组态软件的通用版本即可。

安装成功后，即可进入到组态环境中进行画面制作。

进入到组态环境中，首先要先建立一个新建的工程对象。

在新建工程对象成功后，单击进入主控窗口。

主控窗口负责调度设备窗口的工作、管理用户窗口的打开和关闭、驱动动画图形和调度用户策略的运行等。

主控窗口组态包括菜单的设计和系统属性的设置。

主控窗口所建立的菜单命令可以执行指定的运行策略，打开、关闭、隐藏和打印指定的用户窗口，退出运行系统，数据对象操作和执行指定的脚本程序等工作。

在组态界面上打开主控窗口，此窗口组态见如下图所示：

图4-1主控窗口示意图

然后打开设备窗口，设备窗口是MCGS系统与作为测控对象的外部设备建立联系的后台作业环境，负责驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。

系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。

进入设备窗口，从设备构件工具箱里选择相应的构件，配置到窗口内，建立接口与通道的连接关系，设置相关的属性，即完成了设备窗口组态。

单击设备组态按键，将所要用到的通用串口父设备0-[通用串口父设备]、设备0-[西门子S7-200PPI]通讯设备添加在设备窗口中。

图4-2设备组态的添加

接着在用户窗口下进行对水箱液位控制界面图的制作。

用户窗口用来放置各种图形对象，不同的图形对象对应不同的功能。

图4-5组态监控界面

4.2PLC程序的编写流程

本设计采用S7-200系列进行PLC编程。

首先将STEP7软件进行安装，安装成功后进入到STEP7编写程序环境下，利用界面上的编辑条进行梯形图的编写：

下面是介绍本次设计的水箱水位的调节的流程图。

通过此图可以对水箱的调节过程有清楚的了解。

图4-6水箱液位控制流程图

4.3系统调试

4.3.1硬件连接

目前S7-200及以上的PLC的应用大多采用PC/PPI电缆建立计算机与PLC之间的通讯。

单台PLC与个人计算机的连接或通讯，只需要一根PC/PPI电缆，首先设置PC/PPI电缆上的DIP开关，DIP开关的第1，2，3位用于波特率，第4，5位置0。

时期典型的单主机硬件连接及CPU组态。

把PC/PPI电缆的PC端连接到计算机的RS-232通讯口（一般是COM1），另一端连接到PLC的RS-485通讯口即可。

4.3.2参数设置

安装连接好硬件之后，可以按下面的步骤设置参数：

（1）打开“视图”中的“通讯（Communications）”选项，

图4-7通讯Communications

图4-8SepPG/PC接口的对话框

则会出现一个“通讯”对话框。

如图4-7所示。

在对话框中双击PC/PPE或CP5611J电缆的图标，系统将出现“SepPG/PC接口的对话框。

如4-8图所示

（2）单击Properties按钮,将出现“接口属性”对话框,检查各参数的属性是否正确,其中通讯波特率值要根据自己的通讯线缆型号,PC/PPI设为9.6Kb/s而CP5611可设为1.5Mb/s.

4.4.3建立在线联系

前几步都顺利完成后，就可以建立与西门子S7-200CPU的在线联系，步骤如下：

（1）在STEP7-200Micro/WIN32下，单击通讯图标，或从“视图”中选择“通讯”选项，则会出现一个“通讯建立”结果对话框，显示是否连接了CPU主机。

（2）双击“通讯建立”对话框中的刷新图标，STEP7-200Micro/WIN32将检查所连接的所有STEP7-200CPU站，并为每个站建立一个CPU图标。

（3）双击要进行通讯的站，在“通讯建立”对话框中可以显示所选的通讯参数，此时可以建立与STEP7-200CPU主机的在线联系，如主机组态，上装和下装用户程序等。

4.4.4建立修改PLC通讯参数

如果建立了计算机和PLC的在线联系，就可利用软件检查，设置和修改PLC的通讯参数。

步骤如下：

（1）单击引导条中的系统块图标，或从“视图”中选择“系统块（SystemBlock）”选项，将出现“系统块”对话框。

（2）单击“通讯口（Port（s））”选项。

检查各参数，认为无误后单击“确认”。

如果需要修改某些参数，可以先进行有关的修改，再单击“确认”退出。

此时如单击工具条中的“下载”按钮，即下载到PLC主机。

第5章实验系统数学模型建立

过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。

过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。

所以建立实验系统数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。

5.1实验液位控制对象概述

本次设计采用THSA-3型过程系统实验台。

即电压1~5V，电流4~20mA。

实验系统供电要求：

三相380V交流电。

5.1.1THSA-3型实验对象组成结构

过程控制实验对象系统包含有：

不锈钢储水箱、强制对流换热器系统、串接圆筒有机玻璃上水箱（Ф250×370mm）、中水箱（Ф250×370mm）、下水箱（Ф250×270mm）、三相4.5KW电加热锅炉，纯滞后盘管实验装置。

系统动力支路分为两路组成：

一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。

5.1.2THSA-3实验对象的检测及执行装置包括：

检测装置：

扩散硅压力液位传感器。

分别用来检测上水箱和小流量水泵的管道压力；电磁流量计、涡轮流量计分别用来检测小流量泵动力支路流量和单相格兰富水泵动力支路流量；

执行装置：

三相可控硅移相调压装置用来调节三相电加热管的工作压电动调节阀调节管道出水量；变频器调节小流量泵。

1.液位传感器

工作原理：

当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出V/A电压、电流转换器，转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。

2.电动调节阀

型号：

QSVP-16K

执行机构型式：

智能型直行程执行机构

输入信号：

0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC

输入阻抗：

250Ω/500Ω

输出信号：

4~20mADC

输出最大负载：

<500Ω

电源：

220V±10%/50Hz

信号断电时的阀位：

可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值

3．水泵

采用磁力驱动泵，型号：

16CQ-8P