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1、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
2、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 WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Water supply is an important industry of the people s livelihood With the social development and people s living standard
3、s urban water supply to a higher demand there is a need to maintain a certain water tank water level the water towers in order to change the speed of the outflow This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level changes so that co
4、ntinuous water towers PLC based research and design of the towers level PID control the water supply system to Siemens S7 200 series PLC CPU226 based light simulation module EM235 liquid level sensors type of hydraulic control valve hydraulic valve control output and so on based on the formation of
5、a S7 200 series of the PCL CPU226 towers water level control system to complete logic control water regulation and function of data sampling etc to achieve the level of the water tower for control and detection In the design of PID make extensive use of PLC to achieve the level of control towers in
6、order to achieve precise level of control into a closed loop control system the water tower in progress the water level of automation Key words Programmable Logic Controller PLC Water Towers PID Control 目 录 前 言 1 第 1 章 水塔水位自动控制系统的概述 2 1 1 水位控制系统现状与发展 2 1 2 水塔水位自动控制系统的组成 2 1 3 水位控制系统效率及运行模式分析 3 第 2 章
7、 PLC 结构和工作原理 4 2 1 PLC 组成与基本结构 4 2 1 1 PLC 的系统结构 4 2 1 2 PLC 的基本工作原理 5 2 2 PLC 的主要应用 6 2 3 S7 200 系列可编程控制器 6 2 3 1 S7 200 PLC 系统组成 7 2 3 1 S7 200 系列 PLC 元件功能 7 2 4 PID 控制器简介 9 2 4 1 PID 控制器的结构及原理 9 2 4 2 数字式 PID 控制 10 2 4 3 数字式 PID 控制的实现 12 第 3 章 水塔水位控制系统方案设计 14 3 1 系统的工作原理 14 3 1 1 设计分析 14 3 1 2 可行
8、性试验 15 3 1 3 可行性分析 16 3 2 水位闭环控制系统 16 3 2 1 PLC 的选择 18 3 2 2 供水的控制方法 18 第 4 章 PLC 中 PID 控制器的实现 20 4 1 PID 算法 20 4 2 PID 应用 21 4 3 PLC 实现 PID 控制的方式 21 4 4 PLC PID 控制器的实现 22 4 5 PID 指令及回路表 24 第 5 章 系统硬件开发设计 26 5 1 可编程控制器的选型 26 5 3 EM235 模拟量模块 28 5 3 1 EM235 的安装使用 29 5 3 2 EM235 的工作程序编制 29 5 4 硬件连接图 30
9、 5 5 控制系统 I O 地址分配 30 第 6 章 系统软件应用设计 31 6 1 水位 PID 控制的逻辑设计 31 6 2 梯形图编程 35 6 3 控制程序 38 6 4 联机 39 结 论 40 谢 辞 41 参考文献 42 附 录 43 外文资料翻译 46 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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 0n N n N 为电动机的额定转速 当电机转速 n 0 8n N 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 K n3dtn 0 6 1 0n N 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 1 PLC 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
