2017毕业论文-基于plc的储罐液位控制系统研究

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1、宁夏理工学院毕业设计 I 摘要 本文设计了一种基于 PLC 的储罐液位控制系统。它以一台 S7-200 系列的 CPU224 和一个模拟量扩展模块 EM235 进行液位检测和电动阀门开度调节。系 统主要实现的功能是恒液位 PID 控制和高低限报警。 本文的主要研究内容：控制系统方案的选择，系统硬件配置，PID 算法介 绍，系统建模及仿真和 PLC 编程实现。本设计用 PLC 编程实现对储罐液位的 控制,具有接线简单、编程容易，易于修改、维护方便等优点。 关键字：储罐;液位控制;仿真;PLC 宁夏理工学院毕业设计 II Abstract This article is designed base

2、d on PLC, tank level control system. It takes a series s7-200 CPU224 and an analog quantities of EM235 expansion module to level detection and electric valve opening regulation. System main function is to achieve constant low level PID control and limiting alarm. The main contents of this paper: the

3、 choice of the control system plan, system hardware configuration, PID algorithm introduced, system modeling and simulation, and PLC programming. PLC programming with the design of the tank level control have the advantage of simple wiring, easy programming, easy to modify, easy maintenance and so o

4、n. Key word: tank ; level ;control ;simulation ;plc 宁夏理工学院毕业设计 III 目录 摘要I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 盐酸储罐恒液位控制任务 .1 1.2 本文研究的意义 .2 1.3 本文研究的主要内容 .2 2 控制系统方案设计.3 2.1 储罐液位控制的发展及现状 .3 2.2 系统功能分析 .3 2.3 系统方案设计 .4 3 系统硬件配置.5 3.1 电动控制阀的选择 .5 3.1.1 控制阀的选择原则5 3.1.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀性能和技术参数介绍 9 3.2 液位测量变送仪表的选择 12

5、3.2.1 液位仪表的现状及发展趋势 .12 3.2.2 差压变送器的测量原理 .12 3.2.3 差压式液位变送器的选型原则 .13 3.2.4 DP 系列 LT 型智能液位变送器产品介绍.14 3.3 PLC 机型选择.15 3.3.1 PLC 历史及发展现状15 3.3.2 PLC 机型的选择17 3.3.3 S7-200 系列 CPU224 和 EM235 介绍.18 4 PID 算法原理及指令介绍 20 4.1 PID 算法介绍.20 4.2 PID 回路指令.22 5 系统建模及仿真26 5.1 系统建模 26 5.2 系统仿真 28 5.2,1 MATLAB 语言中 Simuli

6、nk 交互式仿真环境简介.28 5.2.2 系统仿真 29 第 6 章 系统编程实现.31 6.1 硬件设计 31 6.1.1 绘制控制接线示意图 31 6,1.2 I/O 资源分配.31 宁夏理工学院毕业设计 IV 6.2 软件设计 32 6.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6 编程软件介绍.32 6.2.2 恒液位 PID 控制系统的 PLC 控制流程 33 6.2.3 编写控制程序 34 6.2.4 程序清单 37 结束语.38 参考文献.39 致谢.40 宁夏理工学院毕业设计 1 1 绪论 1.1 盐酸储罐恒液位控制任务 如图 1.1 所示为某化工厂稀盐酸储罐，

7、该罐为钢衬聚四氟乙烯储罐，罐体高 6 米， 容量为 50 立方米，重 500 千克。钢衬四氟乙烯储罐的介质工作温度为-100C250C， 耐腐蚀性强，对卤素、卤代烃、强氧化剂、沸酸、碱、多种有机溶剂都有良好的耐蚀性。 其工艺流程为，稀盐酸从储罐顶部流入，罐体下部装有一电子开关阀， AC220V 供电， 由一个 DC24V 继电器控制，根据生产需要随时打开或关闭阀门。由于工艺要求，必须将 储罐内液体保持在 4.5 米，即要求罐体内液位恒定不变。同时要求设置高低限报警，当 液面高于 5.4 米时，高限报警，红灯亮；当液面低于 3.0 米时，底限报警，黄灯亮；正 常运行时绿灯亮。要求用一台 PLC

8、实现这些控制要求，试设计合适的控制系统，并且选 用相应的设备，实现该系统的控制要求。 图 1.1 稀盐酸储罐工艺流程图 宁夏理工学院毕业设计 2 1.2 本文研究的意义 在工业生产过程中，液位是最常见、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，自 动控制难度较高。 为了解决人工控制的控制准确度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我 们引入了工业生产的自动化控制。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的 安全与否、生产效率的高低、能源

9、是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着 现代工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经不能够满足工业生产控制的需求， 所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称 PLC） 。引入 PLC 控制方式使控制更加的集中、 及时和有效。 本文应用一台 PLC 通过 PID 模块实现对储罐液位的恒定控制，较传统的控制方法硬 件接线简单，易于改变参数，而且更加快速、准确。对其它类似控制有一定的借鉴意义。 1.3 本文研究的主要内容 本文研究的是 PID 模块在 PLC 液位控制系统中的应用。从整体上分析和研究了控制 系统的方案设计，硬件配置，被控对象数学模型的建立，系统仿真，PLC 编程实现等， 具

10、体有以下几个方面的内容： 1. 介绍盐酸储罐恒液位控制任务，指出本文的研究意义所在和研究的主要内容。 2. 介绍了控制系统设计的基本步骤和方法，包括了系统功能分析，控制方案设计。 3. 系统硬件配置。为系统实现选择合适的硬件。 4. 介绍 PID 算法和指令。 5. 对被控对象进行建模及系统仿真。 6. 介绍 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6 编程软件，绘制控制接线图等。应用 PLC 编程 实现本课题的控制要求。 7. 总结全文。 宁夏理工学院毕业设计 3 2 控制系统方案设计 2.1 储罐液位控制的发展及现状 储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。准确

11、的液位测 量是生产过程控制的重要手段。液位控制的发展主要依赖于两个方面，即检测仪表的发 展和控制算法的发展。早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰 式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。但随着生产规模的进一步扩大，所需的储罐 数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，如法兰式液位变送器需要 保温，施工及维护工作量较大；吹气式液位检测用的吹气管要特殊订货，且还要定期更 换，吹气式要消耗仪表气，有能耗，还需要敷设气源管。这一系列问题的解决有待于新 的测量方法的出现，从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光 纤、超声波等高科技的研究成果。将各种新技术、

12、新方法应用到储罐测量领域。电子式 测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位检测方法中，许多新的测量原理，包 括压电式、应变式、浮球式、电容式、雷达式、超声波式、磁致伸缩式、伺服式、混合 式等检测技术被应用到新型液位检测仪表的开发中。由于这些方法测量精度高、可靠性 强、持续时间长、安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量技术。就控制 算法而言，在传统的 PID 算法基础上，人们开始将模糊算法等一些高级算法加入到控制 器中，使控制器的性能得到大大的增强。相信随着新的检测仪表和控制算法的不断涌现， 液位检测控制系统将更加精确和方便易用，并且将会在更多领域，发挥其效能。 2.2 系统功能分

13、析 由任务分析可知，系统具有以下功能： 1、 PID 手/自动切换 手动控制主要用于安装、调试和正常运行下的故障处理。 当设备处于正常状态时 PID 自动运行 2、 高低限报警 根据控制要求，该液位控制系统要求设置高低限报警，当液位高于 5.4 米时，高限 宁夏理工学院毕业设计 4 报警，红灯亮，当液面低于 3.0 米时，底限报警，黄灯亮。正常运行时绿灯亮。 3、 系统性能指标 将储罐内的稀盐酸液位控制在 4.5 米 2.3 系统方案设计 由工艺要求可知，该系统只有一个被控变量即：液位；其控制精度要求也不是很高， 根据在满足控制要求的情况下，尽量选择简单易行的控制方案这一原则，这里选用单回 路

14、反馈控制系统。单回路控制系统结构比较简单，所需自动控制装置少，投资较低，操 作维护也比较方便，该控制方案完全可以满足本系统的控制要求。单回路反馈控制系统 由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称对象） 、测量变送装置、 控制器和控制阀。其方框图如图 2.1 所示： 图 2.1 该系统单回路控制系统方块图 宁夏理工学院毕业设计 5 3 系统硬件配置 3.1 电动控制阀的选择 控制阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀的选择 合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。 3.1.1 控制阀的选择原则 1) 阀门开、闭形式的选

15、择 对于一个具体的控制系统来说，究竟选电开式还是选电闭式，要由具体的生产工艺 来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择： A. 首先要从生产安全出发。即当电源供电中断，或控制器出故障而无输出，或控制 阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备 的安全，不致发生故障。 B. 从保证产品质量出发。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低 产品的质量。 C. 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位 置时，不应浪费原料、成品和动力。 D. 从介质的特点考虑。比如：精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选电开式，以保证 在控制阀失去能源

16、时能处于全闭状态，避免蒸汽浪费。如果釜液是易凝结、易结 晶、易聚合的物料时，控制阀则应选择电关式，以防控制阀失去能源时阀门关闭， 停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。 根据以上几条原则综合考虑，这里我们选电开阀。这样即使控制阀断电，阀门也会 处于关闭状态。不会使盐酸一直流向储罐，以致盐酸溢出造成事故。 2) 口径大小的选择 控制阀口径的大小直接决定着介质流过它的能力。从控制的角度看，控制阀口径选 的过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，阀的流量 特性将会发生畸变，阀性能就较差。反过来，如果控制阀口径选的太小，在正常情况下 宁夏理工学院毕业设计 6 都在大开度下工作，阀的特性也不好。此外控制阀的口径选的过小也不适应生产发展的 需要，一旦设备需要增加负荷时，控制阀原有的口径太小就不够用了。因此，从控制的 角度来看，控制阀口径的选择应留有一定的余地，以适应增加生产的需要。在正常工况 下，阀门开度处于之间。15% 85% 3) 流量特性的选择 目前我国生产的控制阀有线性特性、对数特性（即等百分比特性）和快开特性三种， 尤其以前两种特性的控制阀应用最多。