安徽电气工程职业技术学院毕业论文、实习报告题目：PLC控制的水箱液位控制系统系部：专业：姓名班级：学号：指导教师：教师单位：安徽电气工程职业技术学院题目类型：毕业论文实习报告2011年月日.................................................-21-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与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,液位控制目录PLC控制的水箱液位控制系统 I摘要 I第一章绪论 -1-第二章设计任务与要求 -2-2.1基本任务 -2-2.2基本要求 -2-2.3给定条件 -2-2.4主要性能指标 -2-2.5扩展功能 -3-第三章总体论证 -3-3.1总体方案的选择 -3-3.1.1控制方法选择 -3-3.1.2系统组成 -3-3.2确定系统功能、性能指标 -4-第四章系统设计 -4-4.1建模过程 -4-4.２模型参数的确定 -6-4.３软、硬件功能划分 -6-4.４系统功能划分、指标分配和框图构成 -6-4.4.1PLC系统 -7-4.4.2前向通道 -7-4.4.3后向通道 -7-第五章系统开发 -8-5.1硬件开发——系统配置 -8-5.1.1PLC系统——CPU、模/数转换模块、数/模转换模块 -8-5.1.2前向通道——传感器 -8-5.2PID操作指令 -8-5.2.1PID算法 -9-5.2.2回路输入、输出转换及标准化 -10-5.2.3控制方式 -11-5.2.4ID的编程步骤 -12-5.3软件开发 -12-5.3.1确定输入/输出关系，建立数学模型，寻找合适算法 -12-5.3.2调节器参数整定 -13-5.3.3程序流程图 -13-5.3.4程序 -14-第六章连机调试 -17-第七章注意事项 -18-7.1安全注意事项 -18-7.1.1防止触电 -18-7.1.2防止烫伤 -18-7.1.3防止损坏 -18-总结 -19-致谢 -20-参考文献 -21-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，技术不断完善与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与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与要求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/压力值与设定值接近,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≤1cm2.5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控制适用与负荷变化大、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与要求，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与D/A转换，配合执行器与控制阀构成的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与控制品质的要求；3) 可以实时显示给定值与水位实测值4) 系统主要性能指标如下：5) 液位控制范围：0-30cm6) 最小区分度：1cm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与流入量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，与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与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，出水速度只与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PLCPLC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。