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1、 liquid level control; PID; PLC; Kingview1 绪论1.1 项目研究背景和意义在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。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。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。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、调整方便而成为液位控制的主要技术之一。可编程控制器（Programmable

2、Logic Controller-PLC）是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。目前常用的可编程控制器中，西门子公司的S7-200PLC以其编程软件STEP7的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人士的普遍认可。1.2 液位控制系统现状近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，

3、工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控

4、制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等方向快速发展。反观我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。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

5、控制系统发展的必然趋势。1.3 项目研究内容可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。本系统研究的是PLC技术在液位监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。本系统通过德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，液位传感器将检测到的实际水箱液

6、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中进行调节，输出信号，控制变频器电压，来控制补水泵转速，实现对水箱液位的控制。同时利用亚控公司的组态软件组态王设计监控界面，通过RS485与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线:硬件设计，软件编程，参数整定等。2 PLC与组态王基础2.1 可编程控制器基础PLC即可编程逻辑控制器，英文全称是Programmable Logic Controller，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计

7、数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于钢铁、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。2.1.1 PLC的历史和发展趋势20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这就是传统的继电器控制系统。到20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型

8、号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置，这样，继电器控制系统就需要经常更新和安装，阻碍了更新周期的缩短。为改变这一状况，美国通用汽车公司（GM）在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年日本从美国引进了这项技术，很快研制了日本第一台PLC。1973年西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977

9、年开始工业应用。目前比较著名的PLC生产厂家有日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机、松下电工，德国的西门子，法国的TE公司、施耐德公司，韩国的三星公司、LG公司和美国的AB、通用（GE）公司。PLC现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展。2.1.2 PLC的基本结构PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运

10、算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。1、主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各

11、种暂存数据和中间结果。2、输入/输出（I/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3、电源图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。4、编程编程是PLC利用外部设备，用户可用以输

12、入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。5、输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。6、外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。PLC的基本结构如图2.1所示：图2.1 PLC基本结构2.1.3 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令

13、，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当

14、所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。2.2 组态王基础随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。组态王编辑人机界面（HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。2.2.1 人机界面的定义组态王是亚控科技在组态王6.0x系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程，有十多位资深软件开发工程

15、师历时一年多的开发，及四十多位试用户一年多的实际现场考验。使用更方便，功能更强大，性能更优异，软件更稳定，质量更可靠。人机界面，其实广义的解释就是“使用者与及器件沟通、传达及接受信息的一个接口”，在自动控制领域的作用日益显著，人机界面正在成为引导工业生产制造走向成功的重要因素，因为越来越多的系统趋向于过程控制可视化。而组态王正是可以实现这样一个界面的软件。2.2.2 组态王的特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完

16、成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。2.2.3 组态王的控件1、工程管理组态王工程管理器为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属

17、性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.51开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。2、画面制作系统（1）支持无限色和过渡色组态王6.51调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。（2）图库使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，一次构造，随处使用，节省了工程人员投资

18、。（3）按钮和图形组态王支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王支持多种图形格式，如Gif 、Jpg、 Bmp等，用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。 （4）可视化动画连接向导通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。3、报警和事件系统组态王的报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分 布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种

19、输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。4、报表系统组态王提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。5、控件组态王支持Windows标准的Active X控件（主要为可视控件），包括Microsoft提 供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件。

20、Active X控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项复杂的任务，而无须在组态王中做大量的复杂的工作。一般的 Active X控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来 完成工作5。组态王新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将ODBC数据源里的大量数据在组态王中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是ODBC数据源）；PID调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种PID控制算法：标准型，归一参数型，和近似微分型）。6、OPC全面支持OPC标准（组态王6

21、.0既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端）开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。OPC节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用。并且组态王提供SDK开发包，用户可以自己利用VC，VB编制程序，利用组态王的OPC接口来访问组态王的变量和变量的域。7、通讯系统（1）支持远程拨号组态王6.0支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。（2）

22、开发中进行硬件测试 开发系统中有硬件测试界面，在不启动运行系统的情况下，能测试对硬件设备的读写操作，并且IO变量支持时间戳和质量戳，能随时判断数据采集的时间和检查通讯质量的好坏。（3）支持网络DDE，组态王6.0版本支持win2000操作系统下的DDEshare方式，实现组态王与excel和VB程序间通过网络进行数据交换。3 PLC控制系统设计3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 1、最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员

23、在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2、保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3、力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和

24、社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4、适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用

25、系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行。1、分析控制对象在确定采用PLC控制后，应对被控对象（机械设备、生产线或生产过程）工艺流程的特点和要求作深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围和要求，根据工业指标，合理地制定和选择控制参数，使PLC控制系统最大限度的满足被控对象的工艺要求。2、PLC控制系统的硬件配置PLC控制系统的硬件配置主要包括PLC机型的选择、输入/输出模块的选择、画出输入/输出端子的接线图等内容。3、软件设计软件设计就是在硬件的基础上，分配输入输出元件的地址号，应用相关编程软件编写用户应用程序。根据控制要求设计出梯形图、或功能块图、或语句表等语言的程序，这是整个设计的核心工作。4、输入程序并调试程序将编译好的程序下载到PLC中，先进行模拟调试，然后进行现场调试。如果控制系统是由几个部分组成，则应先做局部调试，然后进行整体调试。调试中出现的问题，要逐一排除，直至调试成功。5、程序固化若程序需频繁修改，可选用R