上下兩個水箱液位串級控制PLC

1、. . . . 目       錄1、設計目的*2、設計任務和技術要求*2.1、設計任務*2.2、技術要求*3、設計正文* 3.1硬件設計*3.1.1 S7-200 PLC簡介*3.1.2 方案設計*3.2 軟件設計*3.2.1系統(tǒng)分析*3.2.2 系統(tǒng)實施與程序*3.3監(jiān)控組態(tài)設計*4、設計心得*5、參考文獻*6、指導老師評語*1.設計目的（1）掌握S7-200系列可編程控制器硬件電路的設計方法。（2）熟練使用S7-200系列可編程控制器的編程軟件，掌握可編程控制器軟件程序的設計思路和梯形圖的設計方法。（3）. 掌握S7-200系列可編程控制器程序的應

2、用系統(tǒng)的調試、監(jiān)控、運行方法。（4）.在完成可編程控制器為下位機的相關控制程序的基礎上，用組態(tài)軟件編程實現(xiàn)上位機的控制與其相關監(jiān)控界面。（5）.通過課程設計使學生能熟練掌握數(shù)據(jù)的查詢（圖書、網(wǎng)絡），PLC課程所獲知識在工程設計工作中綜合地加以應用，使理論知識和實踐結合起來。2.設計任務和技術要求2.1設計任務（1）.了解兩個水箱液位串級控制系統(tǒng)的物理結構、閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學結構和PID控制算法。（2）.逐一明確各路檢測信號到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理、連接方法、信號種類、信號調理電路、引入PLC的接線以與PLC中的編址。（3）. 逐一明確從PLC到各執(zhí)行機構的輸出通道，包括各執(zhí)行機構的

3、種類和工作機理，驅動電路的構成，PLC輸出信號的種類和地址。（4）繪制系統(tǒng)的電路原理圖，編制I/O地址分配表。（5）.編制PLC的程序，結合實驗室現(xiàn)有設備進行調試，要求能盡量多地在實驗設備上演示控制過程。在完成可編程控制器為下位機的相關控制程序的基礎上，用組態(tài)軟件編程實現(xiàn)上位機的控制與其相關監(jiān)控界面。2.2技術要求上下兩個水箱的液位串級控制系統(tǒng)主要由上下兩個水箱、管道、水泵、異步電動機、電機控制器、水壓力傳感器、渦輪流量計、電動調節(jié)閥、可編程控制器與其輸入輸出通道電路等構成。其中電動機和水泵是動力系統(tǒng)；下水箱水位作為主調節(jié)量，上水箱水位作為輔助調節(jié)量。動力系統(tǒng)通過管道把水送到上水箱，上水箱通過

4、底部的閥門把水漏到下水箱。系統(tǒng)中由電位器設置下水箱液位給定值，下水箱壓力傳感器檢測下水箱液位，采用PID算法得出上水箱液位給定值，實現(xiàn)下水箱液位的控制。上水箱壓力傳感器檢測上水箱液位，電動調節(jié)閥控制進水速度，采用PID算法得出電動調節(jié)閥開度控制值，從而控制上水箱的液位。上水箱液位控制是環(huán)（副調節(jié)器），下水箱液位控制是外環(huán)（主調節(jié)器）。3.設計正文3.1硬件設計3.1.1 S7-200系列PLC概述S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號。小

5、型PLC中，CPU221價格低廉能滿足多種集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的單元，通過可連接的擴展模塊即可處理模擬量。CPU 224具有更多的輸入輸出點與更大的存儲器。CPU 226和226XM是功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復雜控制系統(tǒng)的要求。四種型號的PLC具有下列特點：（1）集成的24V電源可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU 221和CPU222具有180mA 輸出。CPU224輸出280mA，CPU 226、CPU 226XM輸出400mA 可用作負載電源。（2）高速脈沖輸出具有2 路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHz，用于控制步進電機或伺服

6、電機，實現(xiàn)定位任務。（3）通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1個RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2個RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。（4）模擬電位器CPU221/222有1個模擬電位器，CPU224/226/226XM有2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運行時的參數(shù)。如定時器、計數(shù)器的預置值，過程量的控制參數(shù)。（5）中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。（6）EEPROM 存儲器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具，無需編程器并可進行輔助軟件

7、歸檔工作。（7）電池模塊用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時器、計數(shù)器）可通過部的超級電容存儲大約5 天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。（8）不同的設備類型CPU 221226 各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。（9）數(shù)字量輸入/輸出點CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點；CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點；CPU 224 具有14個輸入點和10個輸出點；CPU226/226XM 具有24個輸入點和16個輸出點。CPU22X主機的輸入點為24V直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流（MOS型）兩種類型。（10

8、）高速計數(shù)器CPU 221/222有4個30KHz高速計數(shù)器，CPU224/226/226XM有6個30KHz的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更快的脈沖信號。3.1.2 方案設計(1)上下水箱液位串級控制系統(tǒng)原理上下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調節(jié)器調節(jié)對象，下水箱液位作為主調節(jié)器調節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖1所示。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可避免

9、的。主回路和副回路結合有效地抑制環(huán)境的擾動。圖1、上水箱中水箱液位串級控制框圖在這里，執(zhí)行機構仍然是電動調節(jié)閥，依舊由PLC經過PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個PID回路，分別是PID1和PID2。PID1為外環(huán)，控制下水箱的液位，它的輸出值作為PID2的設定值，PID2控制上水箱的液位。（2）硬件設計 系統(tǒng)硬件的設計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。a.檢測單元 在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調節(jié)流

10、入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產過程順利進行。設計中涉與到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙大中控自動化儀表生產的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為010KPa，精度為 ，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為420mA直流。b.執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調節(jié)單元的輸出信號，并轉換成直角位移或轉角位移，以改變調節(jié)閥的流通面積，從而控制流入

11、或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。 執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構（調節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機構首先將來自調節(jié)器的信號轉變成推力或位移，對調節(jié)機構（調節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機構的推力或位移，改變調節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積,以達到最終調節(jié)被控介質的目的?？梢妬碜哉{節(jié)器的信號經信號轉換單元轉換信號制式后，與來自執(zhí)行機構的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機構，以確定執(zhí)行機構作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調節(jié)閥的動作，改變調節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質的流量。當位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調節(jié)閥處于某一開度。系統(tǒng)中用到的調節(jié)閥是QS智能型調節(jié)閥，所用到的執(zhí)

12、行機構為電動執(zhí)行機構，輸出為角行程，控制軸轉動。電動執(zhí)行機構的組成框圖。來自PLC的模擬量輸出DC420mA信號Ii與位置反饋信號If進行比較，其差值經放大后，控制伺服電動機正轉或反轉，再經減速器后，改變調節(jié)器的開度，同時輸出軸的位移，經位置發(fā)生器轉換成電流信號If。當Ii=If時，電動機停止轉動，調節(jié)閥處于某一開度，即Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉角，K為比例常數(shù)。電動調節(jié)閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電時可進行手動控制，保證系統(tǒng)的調節(jié)作用。c.控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。在系統(tǒng)中，PLC是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設計的重要部分。 系統(tǒng)應用的是

13、西門子S7-300系列的PLC，其結構簡單，使用靈活且易于維護。它采用模塊化設計，本系統(tǒng)主要包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。3.2軟件設計3.2.1系統(tǒng)分析本系統(tǒng)標準化時可采用單極性方案，外環(huán)即主回路的給定輸入由電位器給出，反饋輸入由下水箱的液位傳感器決定，外環(huán)的輸出作為環(huán)即副回路的給定輸入，反饋輸入由上水箱的液位傳感器決定，環(huán)的輸出是單極性模擬量用以控制電動調節(jié)閥閥門的開度，可以在0%-100%之間變化。執(zhí)行機構是電動調節(jié)閥，由PLC經過PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個PID回路，分別是PID1和PID2。PID1為外環(huán)，控

14、制下水箱的液位，它的輸出值作為PID2的設定值，PID2控制上水箱的液位。 按所要求采樣速率進行PID計算，必須按定時器控制的速率從定時中斷程序或從主程序執(zhí)行PID指令。采樣時間必須通過回路表作為PID指令輸入提供。PID的回路表如下所示：偏移地址域格式類型說明0過程變量PVn雙字-實數(shù)輸入過程變量，在0.0-1.0之間4設定值SPn雙字-實數(shù)輸入設定值，在0.0-1.0之間8輸出Mn雙字-實數(shù)輸入/輸出輸出，在0.0-1.0之間12增益Kc雙字-實數(shù)輸入增益，可為正數(shù)或負數(shù)16采樣時間Ts雙字-實數(shù)輸入采樣時間，以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時間Ti雙字-實數(shù)輸入積分時間，以分鐘為單位，必須

15、為正數(shù)24積分時間Td雙字-實數(shù)輸入積分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù)28積分前項MX雙字-實數(shù)輸入/輸出積分項前值，在0.0-1.0之間32過程變量前值PVn-1雙字-實數(shù)輸入/輸出最近一次PID運算的過程變量根據(jù)以上PID回路表編寫課程設計所滿足的程序。3.2.2 系統(tǒng)實施與程序主程序子程序0中斷程序0網(wǎng)絡1網(wǎng)絡2子程序1中斷程序1網(wǎng)絡1 3.3監(jiān)控組態(tài)設計組態(tài)軟件是完成數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它以計算機為基本工具，為實施數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、生產控制提供了基礎平臺和開發(fā)環(huán)境。組態(tài)軟件功能強大，使用方便，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)監(jiān)控層的各項功能，并可向控制層和管理層提供

16、軟、硬件的全部接口，使用組態(tài)軟件可以方便、快速地進行系統(tǒng)集成，構成不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。 在完成可編程控制器為下位機的相關控制程序的基礎上，用組態(tài)軟件編程實現(xiàn)上位機的控制與其相關監(jiān)控界面。本系統(tǒng)的監(jiān)控界面如下所示：4.設計心得短短兩周的課程設計已經接近尾聲，通過這兩周的課程設計不僅加深了我們對所學知識的理解，同時在各方面的認識都有所提高，包括一下幾方面：首先、掌握了PLC設計過程。我們在課堂上只是學了一些基礎知識，這些課固然很重要，不管是現(xiàn)在，還是在將來的工作實踐中都會指導我們的工作。但要真正去完成一個工程只是會這些理論還遠遠不夠。就拿這次課程設計來說吧，當老師把任務給了我們，從總體設

17、計、設備選型到最后設計每一步都用到所學的知識，但每一步又不同與所學的知識，因為實際設計過程不僅要考慮到理論上的可行性型，還有其他等方面的因素。這也讓我認識到，設計過程不是簡單的理論知識的拼湊和組合，而是將理論和實際有機結合的過程。其次、認識到了團隊精神的重要性。個人的力量是有限的而集體的智慧是無窮的。我們在接到任務時進行了簡單的分工，最后把各自的任務匯總在一起，形成統(tǒng)一的觀點。遇到問題我們一起討論，共同克服，共同完成設計工作。第三、虛心向他人請教是進步的捷徑。三人行必有我?guī)?，虛心向他人請教，汲取他人的經驗來彌補自己的不足。一個工程人的成長過程離不開終身的學習，遇到問題要立即請教，不能不懂裝懂，更不能敷衍了事。向他人請教不僅能學到東西，更能結識一位朋友一位老師，大家一起學習相互溝通共同進步其樂融融。在這兩個星期的日子里，雖然我們本學期學習過門課程，但是我們所學的知識只是一些很基礎的理論知識，而且自己在這方面的實踐經驗少，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能