上下兩個(gè)水箱液位串級(jí)控制PLC

1、. . . . 目       錄1、設(shè)計(jì)目的*2、設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)要求*2.1、設(shè)計(jì)任務(wù)*2.2、技術(shù)要求*3、設(shè)計(jì)正文* 3.1硬件設(shè)計(jì)*3.1.1 S7-200 PLC簡(jiǎn)介*3.1.2 方案設(shè)計(jì)*3.2 軟件設(shè)計(jì)*3.2.1系統(tǒng)分析*3.2.2 系統(tǒng)實(shí)施與程序*3.3監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)*4、設(shè)計(jì)心得*5、參考文獻(xiàn)*6、指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)*1.設(shè)計(jì)目的（1）掌握S7-200系列可編程控制器硬件電路的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路和梯形圖的設(shè)計(jì)方法。（3）. 掌握S7-200系列可編程控制器程序的應(yīng)

2、用系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控、運(yùn)行方法。（4）.在完成可編程控制器為下位機(jī)的相關(guān)控制程序的基礎(chǔ)上，用組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制與其相關(guān)監(jiān)控界面。（5）.通過(guò)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能熟練掌握數(shù)據(jù)的查詢(xún)（圖書(shū)、網(wǎng)絡(luò)），PLC課程所獲知識(shí)在工程設(shè)計(jì)工作中綜合地加以應(yīng)用，使理論知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。2.設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1）.了解兩個(gè)水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和PID控制算法。（2）.逐一明確各路檢測(cè)信號(hào)到PLC的輸入通道，包括傳感器的原理、連接方法、信號(hào)種類(lèi)、信號(hào)調(diào)理電路、引入PLC的接線(xiàn)以與PLC中的編址。（3）. 逐一明確從PLC到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出通道，包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的

3、種類(lèi)和工作機(jī)理，驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成，PLC輸出信號(hào)的種類(lèi)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(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，要求能盡量多地在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上演示控制過(guò)程。在完成可編程控制器為下位機(jī)的相關(guān)控制程序的基礎(chǔ)上，用組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制與其相關(guān)監(jiān)控界面。2.2技術(shù)要求上下兩個(gè)水箱的液位串級(jí)控制系統(tǒng)主要由上下兩個(gè)水箱、管道、水泵、異步電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、水壓力傳感器、渦輪流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、可編程控制器與其輸入輸出通道電路等構(gòu)成。其中電動(dòng)機(jī)和水泵是動(dòng)力系統(tǒng)；下水箱水位作為主調(diào)節(jié)量，上水箱水位作為輔助調(diào)節(jié)量。動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)管道把水送到上水箱，上水箱通過(guò)

4、底部的閥門(mén)把水漏到下水箱。系統(tǒng)中由電位器設(shè)置下水箱液位給定值，下水箱壓力傳感器檢測(cè)下水箱液位，采用PID算法得出上水箱液位給定值，實(shí)現(xiàn)下水箱液位的控制。上水箱壓力傳感器檢測(cè)上水箱液位，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)水速度，采用PID算法得出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(diào)節(jié)器），下水箱液位控制是外環(huán)（主調(diào)節(jié)器）。3.設(shè)計(jì)正文3.1硬件設(shè)計(jì)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(gè)不同的基本型號(hào)，常見(jiàn)的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號(hào)。小

5、型PLC中，CPU221價(jià)格低廉能滿(mǎn)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(guò)可連接的擴(kuò)展模塊即可處理模擬量。CPU 224具有更多的輸入輸出點(diǎn)與更大的存儲(chǔ)器。CPU 226和226XM是功能最強(qiáng)的單元，可完全滿(mǎn)足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。四種型號(hào)的PLC具有下列特點(diǎn)：（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(fù)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(dá)20KHz，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服

6、電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。（3）通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1個(gè)RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2個(gè)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(gè)模擬電位器，CPU224/226/226XM有2個(gè)模擬電位器。模擬電位器用來(lái)改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，過(guò)程量的控制參數(shù)。（5）中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過(guò)程信號(hào)的上升沿作出響應(yīng)。（6）EEPROM 存儲(chǔ)器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具，無(wú)需編程器并可進(jìn)行輔助軟件

7、歸檔工作。（7）電池模塊用戶(hù)數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器）可通過(guò)部的超級(jí)電容存儲(chǔ)大約5 天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲(chǔ)器模塊的卡槽中。（8）不同的設(shè)備類(lèi)型CPU 221226 各有2種類(lèi)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(diǎn)CPU 221具有6個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn)；CPU 222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)；CPU 224 具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)；CPU226/226XM 具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。CPU22X主機(jī)的輸入點(diǎn)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(lèi)型。（10

8、）高速計(jì)數(shù)器CPU 221/222有4個(gè)30KHz高速計(jì)數(shù)器，CPU224/226/226XM有6個(gè)30KHz的高速計(jì)數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更快的脈沖信號(hào)。3.1.2 方案設(shè)計(jì)(1)上下水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)原理上下水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過(guò)程特性呈現(xiàn)大滯后，外界環(huán)境的擾動(dòng)較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡(jiǎn)單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級(jí)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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。控制框圖如圖1所示。這里的擾動(dòng)主要是水箱的出水閥的擾動(dòng)，有時(shí)是認(rèn)為的因素，有時(shí)是機(jī)械的因素，擾動(dòng)總是不可避免

9、的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動(dòng)。圖1、上水箱中水箱液位串級(jí)控制框圖在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，依舊由PLC經(jīng)過(guò)PID算法后控制它的開(kāi)度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè)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(shè)定值，PID2控制上水箱的液位。（2）硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括檢測(cè)單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計(jì)，他們互相聯(lián)系，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。a.檢測(cè)單元 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流

10、入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉與到液位的檢測(cè)和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)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(yīng)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(dòng)化儀表生產(chǎn)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(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入

11、或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。 執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積,以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的?？梢?jiàn)來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后，與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)比較，其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度。系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是QS智能型調(diào)節(jié)閥，所用到的執(zhí)

12、行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為角行程，控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。來(lái)自PLC的模擬量輸出DC420mA信號(hào)Ii與位置反饋信號(hào)If進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后，控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器后，改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，同時(shí)輸出軸的位移，經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)If。當(dāng)Ii=If時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度，即Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角，K為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作，它的上部有個(gè)手柄，和軸連接在一起，在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。c.控制單元 控制單元是整個(gè)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(shè)計(jì)的重要部分。 系統(tǒng)應(yīng)用的是

13、西門(mén)子S7-300系列的PLC，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)。它采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)分析本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)度，可以在0%-100%之間變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由PLC經(jīng)過(guò)PID算法后控制它的開(kāi)度以控制水管里的水流量，控制兩個(gè)水箱的水位。它有兩個(gè)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(shè)定值，PID2控制上水箱的液位。 按所要求采樣速率進(jìn)行PID計(jì)算，必須按定時(shí)器控制的速率從定時(shí)中斷程序或從主程序執(zhí)行PID指令。采樣時(shí)間必須通過(guò)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(lèi)型說(shuō)明0過(guò)程變量PVn雙字-實(shí)數(shù)輸入過(guò)程變量，在0.0-1.0之間4設(shè)定值SPn雙字-實(shí)數(shù)輸入設(shè)定值，在0.0-1.0之間8輸出Mn雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出輸出，在0.0-1.0之間12增益Kc雙字-實(shí)數(shù)輸入增益，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)16采樣時(shí)間Ts雙字-實(shí)數(shù)輸入采樣時(shí)間，以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時(shí)間Ti雙字-實(shí)數(shù)輸入積分時(shí)間，以分鐘為單位，必須

15、為正數(shù)24積分時(shí)間Td雙字-實(shí)數(shù)輸入積分時(shí)間，以分鐘為單位，必須為正數(shù)28積分前項(xiàng)MX雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出積分項(xiàng)前值，在0.0-1.0之間32過(guò)程變量前值PVn-1雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出最近一次PID運(yùn)算的過(guò)程變量根據(jù)以上PID回路表編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)所滿(mǎn)足的程序。3.2.2 系統(tǒng)實(shí)施與程序主程序子程序0中斷程序0網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2子程序1中斷程序1網(wǎng)絡(luò)1 3.3監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)組態(tài)軟件是完成數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它以計(jì)算機(jī)為基本工具，為實(shí)施數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控、生產(chǎn)控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，使用方便，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層的各項(xiàng)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(jìn)行系統(tǒng)集成，構(gòu)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(jī)的相關(guān)控制程序的基礎(chǔ)上，用組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制與其相關(guān)監(jiān)控界面。本系統(tǒng)的監(jiān)控界面如下所示：4.設(shè)計(jì)心得短短兩周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，通過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)不僅加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)在各方面的認(rèn)識(shí)都有所提高，包括一下幾方面：首先、掌握了PLC設(shè)計(jì)過(guò)程。我們?cè)谡n堂上只是學(xué)了一些基礎(chǔ)知識(shí)，這些課固然很重要，不管是現(xiàn)在，還是在將來(lái)的工作實(shí)踐中都會(huì)指導(dǎo)我們的工作。但要真正去完成一個(gè)工程只是會(huì)這些理論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。就拿這次課程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)吧，當(dāng)老師把任務(wù)給了我們，從總體設(shè)

17、計(jì)、設(shè)備選型到最后設(shè)計(jì)每一步都用到所學(xué)的知識(shí)，但每一步又不同與所學(xué)的知識(shí)，因?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)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(rèn)識(shí)到，設(shè)計(jì)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的理論知識(shí)的拼湊和組合，而是將理論和實(shí)際有機(jī)結(jié)合的過(guò)程。其次、認(rèn)識(shí)到了團(tuán)隊(duì)精神的重要性。個(gè)人的力量是有限的而集體的智慧是無(wú)窮的。我們?cè)诮拥饺蝿?wù)時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分工，最后把各自的任務(wù)匯總在一起，形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。遇到問(wèn)題我們一起討論，共同克服，共同完成設(shè)計(jì)工作。第三、虛心向他人請(qǐng)教是進(jìn)步的捷徑。三人行必有我?guī)?，虛心向他人?qǐng)教，汲取他人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)自己的不足。一個(gè)工程人的成長(zhǎng)過(guò)程離不開(kāi)終身的學(xué)習(xí)，遇到問(wèn)題要立即請(qǐng)教，不能不懂裝懂，更不能敷衍了事。向他人請(qǐng)教不僅能學(xué)到東西，更能結(jié)識(shí)一位朋友一位老師，大家一起學(xué)習(xí)相互溝通共同進(jìn)步其樂(lè)融融。在這兩個(gè)星期的日子里，雖然我們本學(xué)期學(xué)習(xí)過(guò)門(mén)課程，但是我們所學(xué)的知識(shí)只是一些很基礎(chǔ)的理論知識(shí)，而且自己在這方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能