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plc水箱液位控制课程设计
PLC控制的水箱液位控制系统
摘要
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。
由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。
因此液位控制装置的可靠性及控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。
PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。
作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。
选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
关键词PLC,PID,液位控制
第一章绪论
可编程控制器（简称PLC或PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置，是一种数字运算操作的电子系统。
它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术容为一体，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。
它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指标。
由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。
在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。
即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。
PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善及成熟。
尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。
由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。
因此液位控制装置的可靠性及控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。
本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。
第二章设计任务及要求
2.1基本任务
对单容水箱液位/压力控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
用液位/压力参数为被控对象。
交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数（液位/压力）的动态调整。
2.2基本要求
对单容水箱，用西门子S7-200为控制核心，辅助以单片机系统配套的A/D、D/A转换单元及电路,通过执行数字PID程序实现参数的自动调整（设定值在单片机键盘上完成）,使水箱的实际液位/压力值及设定值接近,最终稳定于设定值。
组成单闭环水位调节系统，,要求水位可以在一定范围内由人工设定，且各种测量、控制参数可在人机界面上显示、设定。
2.3给定条件
控制对象：
单容水箱为核心的水循环系统
检测元件：
压力式液位传感器
执行元件：
电动调节阀
2.4主要性能指标
液位控制范围：
0-30cm
最小区分度：
1cm
控制精度：
液位控制的静态误差≤1cm
2.5扩展功能
通讯端口采用的是RS-485总线，允许将S7-200CPU同编程器或其它一些设备连接起来。
通过扩展模块可增加CPU的I/O点数，也可提供其它通讯功能。
人机界面——触摸屏
第三章总体论证
3.1总体方案的选择
单容水箱的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为：
，此模型为一阶传递函数。
3.1.1控制方法选择
单容水箱液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的过渡过程控制。
PID控制适用及负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系统。
另外，PID算法有两种常见的实现形式：
位置型PID算法和增量型PID算法，结合本系统设计任务及要求，以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式PID控制方法最适合本系统采用。
3.1.2系统组成
以现代控制理论和PLC为基础，采用数字控制、显示、A/D及D/A转换，配合执行器及控制阀构成的PLC控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。
应以PLC为核心组成一个专用PLC应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
3.2确定系统功能、性能指标
1）可以进行水位设定，并自动调节水位到给定水位值；
2）可以调整PID控制参数，以满足不同控制对象及控制品质的要求；
3）可以实时显示给定值及水位实测值。
4）系统主要性能指标如下：
5）液位控制范围：
0-30cm
6）最小区分度：
1cm
7）控制精度：
液位控制的静态误差≤1cm
第四章系统设计
4.1建模过程
系统示意图如图4-1所示：
其具体的建模过程为：
被控过程的数学模型就是液位高度h及流入量Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系，有：
写成增量形式：
……1
式中，
、
和
分别为偏离某平衡状态
、
和
的增量，A为水箱的横截面积。
静态时应有
，。
发生变化，液位h也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此
也发生变化，及h的近似线性关系为：
…………2
式中，R2为阀门2的阻力系数，称为液阻。
将1、2两式整理得：
经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：
…………3
式中，
为过程放大系数，
；
为过程的时间常数，
；C为过程容量，
。
式3为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。
确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。
4.２模型参数的确定
由公式3我们知道，放大系数和时间常数及液阻和过程容量有关，又根据公式2可知液阻R2可由得出，而这些值可以由实验获得，其具体过程如下：
在不考虑容器扰动影响的情况下，管口流出处液体的速度为：
D为水箱底部出水口的直径，其测量值为0.007m，所以出水口的横截面积S=0.00003848m2。
在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只及液位高度有关。
因出水管的流量为
，通过查阅数据，多次求平均可得液阻值为6370.207。
另外，水箱底部截面积的实验测量值为0.06605m2，由此可求得过程放大系数K0=6370.207，过程的时间常数T0=420.7648。
所以系统无时延模型为：
4.３软、硬件功能划分
为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成，硬件的主要功能是液位信号的传感、A/D转换、D/A转换及输出命令的执行。
4.４系统功能划分、指标分配和框图构成
根据系统总体方案，系统由四个主要功能模块组成，其总体框图如图4-2所示：
图4-2 水位控制系统总体框图
4.4.1PLC系统
PLC系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统信息处理及协调控制功能。
由于系统对控制速度、精度及功能的要求无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS-51系列的单片机以及西门子S7-200系列的PLC。
所以本系统选用了西门子S7-200系列的PLC。
PLC本身的CPU不带有A/D、D/A转化功能，而本系统有模拟输入、输出量，所以PLC系统中还要包括扩展模块：
模/数转换模块、数/模转换模块。
4.4.2前向通道
前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大等电路。
由于液位变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路。
另外，信号的滤波可由软件实现，以简化硬件，降低硬件成本。
4.4.3后向通道
后向通道是实现信号输出的通道，PLC系统产生的控制信号控制电动调节阀的转动角度，实现对进水量的控制，从而最终实现对液位的控制目的。
第五章系统开发
5.1硬件开发——系统配置
5.1.1PLC系统——CPU、模/数转换模块、数/模转换模块
PLC系统以西门子S7-200系列CPU222为系统的核心，外扩EM231作为A/D转换模块和EM232作为D/A转换模块。
（1）CPU：
因本系统只有1模拟量输入——液位，1模拟量输出——电动调节阀转动的角度，而且要有扩展能力，所以选用PLC的型号为：
西门子S7-200系列的CPU222DC/DC/DC，即直流输入、直流输出、晶闸管输出型。
（2）模拟量输入模块——EM231
（3）模拟量输出模块－EM232
5.1.2前向通道——传感器
液位经压力式液位传感器和信号放大电路产生0-5V的模拟电压信号送入A／D转换器的输入端。
前向通道的设计主要是传感器的选择。
本系统为液位控制系统，其目的是把水箱液体的高度控制在给定值，被控参数是高度h，而不同的高度会产生不同的液压，所以液位控制系统选用压力式液位传感器，我们这里选用了扩散硅式压力传感器。
5.2PID操作指令
S7-200CPU提供PID回路指令（成比例、积分、微分循环），进行PID计算。
PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的9个参数。
5.2.1PID算法
PID控制器管理输出数值，以便使偏差（e）为零，系统达到稳定状态。
偏差是给定值SP和过程变量PV的差。
PID控制原则以下列公式为基础，其中将输出M（t）表示成比例项、积分项和微分项的函数：
式中，
——PID运算的输出，是时间的函数；
——PID回路的比例系数；
——PID回路的积分系数；
——PID回路的微分系数；
——PID回路的偏差；
——PID回路输出的初始值。
为了在数字计算机内运算此控制函数，必须将连续函数化成为偏差值的间断采样。
数字计算机使用下列相应公式为基础的离散化PID运算模式：
式中，
——采样时刻n的PID运算输出值；
——采样时刻n的PID回路的偏差；
——采样时刻n-1的PID回路的偏差；
——采样时刻
的PID回路的偏差。
利用计算机处理的重复性，可对上述公式进行简化。
简化后的公式为：
式中，
——积分项前值。
1.比例项
比例项
是PID回路的比例系数
及偏差
的乘积，其中比例系数控制输出计算的敏感性，而偏差是采样时刻设定值SP及过程变量PV之间的差。
为了方便计算取
。
CPU采用的计算比例项的公式为：
=
（SPn-PVn）
式中，
——回路的增益；
SPn——采样时刻n的设定值；
PVn——采样时刻n的过程变量。
2.积分项
积分项
及偏差和成比例。
为了方便计算取。
CPU采用的积分项公式为：
式中，
——采样时刻n-1的积分项（又称为积分前项值）。
3.微分项
微分项MD及偏差的改变成比例，为方便计算，取Kd=KcTd/Ts。
计算微分项的公式为：
5.2.2回路输入、输出转换及标准化
1.输入转换及标准化
一个回路具有两个输入变量，设定值SP和过程变量PV。
设定值通常为固定值，类似水箱液位控制的液位设定。
过程变量是及回路输出有关的量，因此可测量回路输出对被控制系统的影响。
在水箱液位保持在设定值的例子中，过程变量为电动调节阀的转动角度。
设定值及过程变量均为实际数值，它们的大小、范围及工程单位可能不同。
在这些实际数值可用于PID指令之前，必须将其转化成标准化的、浮点数表示形式。
✧实际数值转换为实数：
第一步是将实际数值从16为整数数值转换为浮点数或实数数值。
✧数值标准化：
下一步是将数值的实数表示转换为位于0.0～1.0之间的标准化数值。
可采用下列公式对设定值及过程变量实现这种转换：
Rnorn＝（Rraw／Span）＋Offset
水箱液位控制系统中的数值为单极性，其标准化公式为：
Ｒnorn＝Ｒraw／32000
2.输出转换及标准化
回路输出转换成比例的整数数值：
回路输出是控制变量，是标准化的、位于0.0-1.0之间的实数数值。
在回路输出可用于驱动模拟输出之前，回路输出必须被转换为16位的、成比例的整数数值。
这一过程是将过程变量转化及设定值转换为标准化的反过程。
5.2.3控制方式
S7-200PID回路没有内置的自动和手动控制方式，只要PID块有效，就可以执行PID运算，从这种意义上说，PID运算存在一种自动运行方式；当PID运算不被执行时，则可以说那是一种手动运行方式。
同其他指令，PID指令有一个使能位（即允许位），当允许位检测到一信号出现正跳变时，PID指令将进行一系列运算，实现从手动方式到自动方式的转变。
为了顺利转变为自动方式，在转换至自动方式之前由手动方式所设定的输出值必须作为PID指令的输入写入回路表。
PID指令对回路表内的数值进行下列计算，保证当检测到0-1过渡时从手动方式顺利转换为自动方式：
置设定值SPn=过程变量PVn
置过程变量前值PVn-1=过程变量PVn
置积分项前值MX=输出值Mn
5.2.4ID的编程步骤
1.设定回路输入及输出选项
✧回路输入选项：
循环进程变量可指定为字地址或已经定义的符号。
在回路计算之前，应选好缩放比例。
✧回路输出选项：
确定PID回路输出变量是数字量还是模拟量。
如果是模拟量输出，可指定为字地址或已经定义的符号。
如果是数字量输出，可指定为位地址或已经定义的符号。
在循环计算之后，应选好缩放比例。
2.设定回路参数
在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。
其中，要选定过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间和微分时间，并转换成标准值存入回路表中。
不建议为参数表地址创建符号名，PID向导生成的代码使用此参数表地址创建操作数，作为参数表内的相对偏移量。
如果为参数表地址创建符号名，然后改变为该符号指定的地址，由PID向导生成的代码将不能正确执行。
5.3软件开发
对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数的整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计的不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反，控制方案很好，但是调节器参数整定得不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
5.3.1确定输入/输出关系，建立数学模型，寻找合适算法
系统的设定值是水箱满水位的百分数，过程变量是由扩散硅压力传感器给出的。
输出值是电动调节阀转过的角度，可以是允许最大值的0%～100%。
设定值可以预先设定后直接输入回路表中。
过程变量是来自压力传感器的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性的模拟量，用来控制电动调节阀的转度，这个模拟量的范围是0.0～1.0，分辨率为1/32000（标准化）。
5.3.2调节器参数整定
系统整定，一般是指选择调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD的具体数值。
系统整定的实质，就是通过改变系统参数，使调解器特性和被控过程特性配合好，以改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。
由控制理论可知，在过程控制中，通常以瞬间响应的衰减率
=0.75作为系统性能的主要指标，以保证系统具有一定的稳定储备。
综合各种因素来说，简单易行的方法还是简易工程整定法。
采用反应曲线法整定调节器的参数。
反应曲线法也称动态特性参数整定法，它是在系统开环情况下进行的，利用广义
在调节阀的输入端加入一阶跃信号，利用快速显示记录仪在变送器的输出端记录被控参数的响应曲线。
广义过程的传递函数为：
式中，
为过程的时间常数；
为时延时间；
为自衡度。
由于
/T0=3.0/25=0.12<0.2，根据
=0.75准则，查表可知自衡度
=1，则PID调节器的个参数为：
比例度
=0.102积分时间TI=6min
微分时间TD=1.5min采样时间TS=1s
再由得增益=0.98
5.3.3程序流程图
有了前面所讲述的S7-200CPU提供的PID操作指令、PID编程步骤、电动调节阀参数的整定过程，再结合水箱液位控制系统本身的特点，可以从整体上来构思和规划出本系统的程序流程图，它应包括主程序、初始化子程序、定时中断程序三部分：
主程序OB1
主程序的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0。
子程序SBR0
子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并开中断。
5.3.4程序
主程序OB1：
初始化子程序SBRO：
✧
✧定时中断程序INTO：
（a）模拟量输入
（b）PID指令
（c）模拟量输出
系统运行时，调节阀控制方式有两种，一是手动控制，一是自动控制，两种运行方式之间的切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：
I0.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。
本系统的程序仅有自动控制方式的设计，I0.0=1时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中，从而控制调节阀的开度，以使水箱的液位达到设定的水位高度。
第六章连机调试
连机调试就是在样机中全速运行系统软件，观察系统运行情况，并根据运行结果修改控制参数，或对软、硬件方案件进行必要的修改，重复调试过程，直到系统能满足各项性能指标要求为止。
本例中最主要的连机调试过程是进行PID参数整定。
不同的控制对象和控制环境需要不同的PID参数，即使是同一个控制对象和控制环境，对控制品质的不同要求也需要对PID参数重新进行整定。
根据生产过程的实际情况，首先将检测传感器投入运行，观察其测量显示的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳定下来后，再从手动切换到自动控制。
在调节器从手动切换到自动运行前必须做好细致的检查工作，检查调节器的PID参数是否配置好等。
检查完毕后，当测量值及给定值的偏差为零时，将调节器由手动切换到自动，于是实现了系统的投运。
系统投入自动运行后，观察系统的控制质量指标是否达到设计要求，否则，在对调节器的PID参数适当的微调，以期达到较好的控制质量的设计。
第七章注意事项
7.1安全注意事项
7.1.1防止触电
严格要求系统可靠接地，包括现场对象系统，控制系统，极低电阻不大于4欧姆。
当通电或者正在运行时，请不要做任何维护或者维修活动，不要打开机柜后门，接线箱盖子，变频器前盖板否则会有触电危险。
即使电源处于断开时，除维护、维修外，请不要接触任何具有超过安全电压的裸露端子否则基础各种充电回路可能造成触电事故。
请不要用湿手操作设定各种旋钮及按键，以防触电。
对于电缆，请不要损伤他，不要对他家过重的应力，使它承受重物或对它钳压、否则可能会导致触电。
在开始布线或维修之前，请断开电源，经过十分钟以后，用万用表检测剩余电压后进行。
7.1.2防止烫伤
不要接触热水管道，避免高温烫伤，在电机停止后不要立刻操作，不要惊醒任何维修工作。
7.1.3防止损坏
水泵运行状态，绝对禁止进行水泵切换控制操作，否则可能损坏变频器。
在水箱水位没有达到一定高度，不能启动调压器输出，否则可能损坏硬件。
系统应远离可燃物体，系统发生故障时，请断开电源，否则，系统可能应为电流过大导致火灾。
各个段子上的电压只能使用额定电压，以防爆炸，损坏。
确认电缆及正确的段子相连接，否则，可能会发生爆裂、损坏等事故。
总结
随着现代化工业生产迅速发展，各生产工艺设备相互间紧密地联系着，各设备的生产操作也是相互联系、相互影响的，所以分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后对过程控制系统进行设计、整定和投运。
依据以上系统设计的一般步骤，在指导老师老师的引导和帮助下，我学习了以下水箱液位控制系统和PLC系统的相关知识：
1、水箱控制系统的一般认识，包括：
✧水位控制原理、传感器的类型、特点。
✧执行器件，电动调节阀的原理及组成。
✧水箱控制系统特性的了解：
Ø系统静态、动态特性、过渡过程；
Ø自动控制的基本要求，如稳定性、快速性、准确性等品质指标；
Ø受控对象的容量特性、平衡特性、时间特性。
✧过程控制基本规律：
Ø双位控制；
Ø传统PID控制；
Ø数字控制。
2控制核心，PLC系统的了解：
✧PLC的一般概念。
✧PLC的特点及分类。
✧PLC的一般组成，如整体式、模块式（CPU模块、I/O模块、模拟量模块、通讯模块等）。
另外，还包括外围接口如人机界面等。
✧PLC在水箱控制系统中的应用方法。
在系统设计过程中，我对系统建模、PID算法、PLC控制、调节阀的选定及其参数整定有了系统的认识，同时也遇到了一些自己不理解或不能解决的问题，如系统的模型是根据试验数据计算得到的，在试验中存在许多人为的和非人为的误差，在计算公式中忽略了一些不是很重要的项目，调节器参数整定过程复杂等。
另外，整个系统对控制精度也不能很好的确定，存在一定的误差，而且，由于时间和本身能力问题，原定的人机界面即触摸屏部分我没有完成。
综上，系统只包括了最基本的部分，有待今后进一步的完善。
致谢
本设计课题从选题、收集相关资料、提供良好设计的环境，到系统的具体设计过程中的资料查询、方案论证、软硬件设计、联机调试，再到本文的写作、完善，历时两个多月。
通过本次课题设计，我巩固了以前所学的许多基础知识和专业知识，开阔了视野，增长了知识，并学到了许多实用的东西，如对工业控制系统的设计有了明确的认识，培养了分析、设计能力和实际的动手能力，为即将走向工作岗位打下了一定的基础。
这些成果的获得离不开一些人的帮助，他们是：
✧老师：
在整个设计过程中，我的导师老师给了我热情的支持和帮助，精心的指导，并提出了许多建议和修改意见，使我能够顺利的完成此课题。
另外，在此设计过程中，老师严谨的治学态度，踏实的工作作风给我留下了深刻的印象，同时为即将踏足工作岗位的我树立了良好的学习榜样。
✧班同学：
在毕业论文的编写和相关资料的查找以及整个系统的设计过程中，我的同学也给了我很多好的想法和建议。
✧参考文献的作
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