毕业设计（论文）-PLC水塔水位控制系统设计.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书绪 论一、课题的背景及研究的目的和意义现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术的发展为自动控制系统的发展带来了日新月异的变化。在工业、国防、科研等诸多应用领域里，自动控制系统正发挥着越来越大的作用。一般住宅或大楼顶楼通常设置水塔储存有一定的水量以提供充足的水压供用户使用，另外配备有地下水槽储存自来水公司提供的水源，地下水槽中的水作为顶楼水塔的供水源头。由于自动控制技术的发展，控制理论在工业生产和生活中得到了显著的应用。由于当前可编程控制器plc和变频技术已日趋成熟，因而利用plc和变频器进行水塔水位的控制，它可以避免人工操作或者机械装置进行水塔水位控制出现的各种问题。plc和变频器相结合的水塔水位控制方式与过去的人工或机械装置水塔水位控制方式相比，其运行方式的经济性，系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无与伦比的优势，而且还具有显著的节能高效的特点。通过plc和变频器结合的水塔水位控制系统具有不可替代的应用价值。构成自动控制系统核心的可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，它具有功能强、可靠性高、操作灵活、编程简单适合于工业环境等一系列优点，目前可编程控制器已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用，成为各行业通用的控制核心产品，在工业控制领域中plc控制技术将成为世界潮流。变频调速是以变频器向交流电动机供电，构成电机的调速系统。变频器是把固定电压，固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。在感应电机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，效率高。采用变频器构成变频电源进行电动机调速己得到广泛应用，所以本文采用变频器调节水泵转速。plc和变频器都是以计算机技术为基础的现代工业控制产品，将二者有机地结合起来，用plc来控制变频器，是当代工业控制中经常使用的装置，本设计用plc的模拟量输出模块来控制变频器。它具有高效、节能和高品质等供水优点。本设计介绍了plc和变频器在水位控制系统中的应用。在水塔水位控制系统中利用变频器和plc相结合使用的方式，在节能、恒水位控制等方面均有显著的效果。二、毕业设计的主要工作本课题是以大楼顶楼的水箱为控制对象，采用plc和变频器相结合的控制方式，主要通过研究plc来控制变频器实现水塔水位的控制。plc控制变频器实现恒水位供水系统主要有可编程控制器、变频器、压力变送器和现场的水泵一起组成一个完整的闭环调节系统，plc根据压力检测值和给定值之间的偏差进行pid运算，运算结果输出给变频器控制其输出频率，调节水泵转速从而保持水塔水位的恒定。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。全部工作为：硬件设备选型，估算所需i/o点数，进行i/o模块选型，绘制系统硬件连接图，i/o连接图，分配i/o点数，列出i/o分配表，使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改，最后用西门子wincc flexible设计人机界面。第一章 可编程控制器及其变频器可编程控制器（plc）是计算机技术与继电器逻辑控制相结合的一种新型控制器，它以微处理器为核心，是用做数字控制的专用计算机。近几年来，在国内已得到迅速推广普及。plc正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。美国国际电工委员会对plc的定义如下：可编程逻辑控制器，简称plc (programmable logic controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.1 plc的发展历程与趋势1.1.1 plc的发展历程世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司(dec)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的plc主要由分立组件和中小规模集成电路组成，这一阶段plc主要用于简单的逻辑运算及定时、计数运算，控制功能比较简单。该阶段的产品称为可编程序逻辑控制器。20世纪70年代中期出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使plc增加了运算、数据传送、比较以及模拟量运算等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代中期，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、功能不断完善，大中型plc多配crt屏幕显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变的简单，此外还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入开放阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。1.1.2 plc的发展方向plc未来的发展将向两个方向发展。1、 大型化方向plc的cpu从早期的1位逐渐的发展到64位，晶振频率已达到几百兆赫兹，从单向cpu到多向cpu的并行处理发展，提高了处理能力和响应速度及模块化程度，存储器的容量也成倍增加。由于硬件性能的提高，使cpu向大型化方向发展提供了硬件保障。2、 小型化方向为了满足不同工业环境下的控制要求，各plc生产厂家研制出了小型化高性能的整体式plc。在提高系统可靠性的基础上，产品体积越来越小，功能越来越强。同时plc制造厂家也开发了多种类型的高性能模块，当输入输出点数增加时，可以根据控制需要采用灵活的组合方式进行工作。1.2 plc的特点与基本结构及类型1.2.1 plc的特点1、 应用简便（1）应用灵活、安装简便标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，使plc不仅适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且适应工艺流程变化较多的场合，安装和现场接线简单。从硬件连接方面讲plc对现场环境要求不高，在接线和配置方面都极其方便。（2）编程简单plc采用电气操作人员习惯的梯形图编程，直观明了。在程序开发方面速度快，修改和调试都很方便。plc编程的重点是控制思想而非设计程序。（3）操作方面，维修容易已经编好的plc程序直观清晰，有一定plc基础知识的人员可以很好的读懂，在操作方面相当简单。另外plc的自诊断功能可使运行维护人员及时准确的了解故障原因以便于及时的维修。2、 可靠性高plc具有较高的可靠性，主要原因是在硬件和软件方面都采取了严格的措施。在硬件方面选用优质的原材料和器件，采取严格的制造工艺。在软件方面，为了避免程序出错导致的重大事故，在运行中的每次扫描都对程序进行检查，如果发现程序运行有错则立即中止运行并发出报警信号。3、 抗电磁干扰性能好，环境适应性强plc是直接应用于工业环境的控制产品，在特殊的工业环境下（如温度高，湿度大，强烈震荡中）不需要采取其他措施就可以保证正常的工作。4、 功能完善plc基本功能包含逻辑运算、定时、计数、数值计算、数制转换等，扩展功能具有a/d转换、d/a转换、pid控制、高速计数、通信联网、中断控制等。完善的功能使它的控制水平大大提高。5、 成熟的工控网络体系，通信便捷，易于远程实时监控随着计算机网络通信技术的高速发展，近年来工控网络通信使得plc网络通信技术得到了飞速的发展，目前基本的网络形式为设备层网络、控制层网络和信息层网络的三层网络结构。1.2.2 plc的基本结构plc的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成（如图1-1）。1.主机主机部分包括中央处理器（cpu）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。cpu一般是由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路集成在一块芯片上。cpu通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、输入/输出接口电路连接。系统程序是用来控制和完成plc各种功能的程序，由plc制造厂家用cpu的指令系统编写固化在rom中。用户程序存储器用来存放编程设备输入的用户程序。2输入/输出接口（i/o）i/o接口是plc与被控设备连接的部件。现场设备输入给plc各种控制信号通过输入接口电路将这些信号转换成cpu能够接受和处理的信号，输出接口电路将cpu送出的弱电控制信号转换为现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备执行机构。i/o接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。3电源 电源部件将交流电源转换为提供给cpu、存储器、i/o接口等内部电子电路工作所需要的直流电源，它的好坏直接关系到plc功能的可靠性。目前大部分plc采用开关式稳压电源供电，用锂电池作停电时的备用电源。图1-1 可编程控制器的基本结构4编程器编程器是plc的一种主要的外部设备编程器。plc的编程方式分为两种，一种是手持编程器，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示plc的工作情况。另一种是利用上位计算机中的专业编程软件，它主要用于编写较大型的程序。5输入/输出扩展单元i/o扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。6外部设备接口此接口可将编程器、打印机、等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。1.2.3 plc的类型plc的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，plc的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、i/o点数、实现的功能进行大致的分类。1）按结构形式分类plc按照硬件的结构形式可以分为整体式结构和模块式结构。整体式结构：整体式结构的plc把cpu、存储器、输入/输出、外部设备接口和电源等集中安装在同一机体内，这种结构的特点是：结构简单、重量轻、体积小、价格低等优点；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低，适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品开发应用场合。模块式结构：模块式结构的plc把cpu和i/o模块等做成各自相对独立的模块，然后组装在一个带有电源单元的母板上，或者采用无母板的相互插接方式连接。模块式plc的特点是i/o点数多、模块组合灵活、便于扩展，可构成具有不同控制规模和功能的plc，适用于复杂过程控制系统的应用场合。2）按i/o点数分类 超小型plc：i/o点数一般小于64点，开关量i/o信号为主，功能以逻辑运算为主，并有定时和计数功能。结构紧凑，为整体式结构。用户程序容量在2561k字。小型plc：i/o点数一般为65128点，开关量i/o信号为主，控制功能简单，用户程序储存器容量一般为1k4k，结构形式为整体式。中型plc：i/o点数一般为129512点，兼有开关量和模拟量的i/o信号，控制功能较丰富，用户程序储存器容量为3.6k13k，多数采用模块式结构。大型plc：i/o点数一般为1000点以上，控制功能完善，用户程序储存器容量一般为13k以上，采用模块式结构。超大型plc：i/o点数一般为896点以上，用户程序储存器容量一般为13k以上，采用模块式结构，支持cpu单元。3）按实现的功能分类低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、crt显示、打印机打印等功能。1.3 plc的基本工作原理plc是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在plc运行时，cpu根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。plc工作时将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。plc在执行用户程序时所需输入继电器和输出继电器的数据取自i/o映像区，而不是直接与外部设备发生关系。当处于停止工作模式时，plc只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时，plc要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作，plc工作流程如图1-2所示。图1-2 可编程控制器的工作流程plc在工作中不仅执行用户程序，而且在每次的循环过程中，plc还要完成内部的处理、通信服务等工作。plc运行时，一次循环可分为5个阶段：内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理。plc的这种周期性的循环工作方式称为扫描工作方式。1）内部处理阶段在内部处理阶段，plc检测cpu内部的硬件是否正常，将检测定时器复位，以及其他内部工作。2）通信服务阶段plc同其他设备间通信，响应编程器输入的命令。更新编程器显示的内容。如果此时的plc处于工作状态则还要完成以下的三个阶段的操作内容。3）输入处理阶段输入处理又被称作为采样，在plc的存储器中，专门设置了一片区间用来存放输入信号和输出信号的状态。在此阶段，plc顺序读入所有端子的通断状态，并且把读入的信息存在输入映像区，输入映像区的状态被刷新。然后进入是程序处理阶段，处理程序时输入映像区隔离，在下一个扫描周期的输入处理阶段输入信号才能被读入。4）程序处理阶段根据plc梯形图程序扫描先左后右、先上后下的原则，逐句扫描和执行。如果遇到跳转指令则根据跳转条件在执行程序跳转位置。当程序涉及到输入/输出状态时，plc从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应的输入继电器状态，从输出映像寄存器读取对应输出继电器状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果存入有关元件寄存器中。5）输出处理阶段cpu将输出映像区中的每位状态传送到输出锁存器，梯形图中输出继电器线圈接通时，对应的输出映像区中位的状态为on。信号经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器线圈通电，其常开触点闭合，外部负载开始工作。如果梯形图中输出继电器线圈断开，对的输出映像区中的位为off状态，在输出处理阶段之后，继电器输出单元中对应的硬件继电器线圈断电，常开触点断开，外部负载断开。可编程序控制器对用户程序进行串行循环扫描的工作分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图1-3所示。图1-3 循环扫描工作原理1.4 plc的应用系统设计1.4.1 plc的应用系统设计原则随着plc的控制功能不断提高和完善，它在工业控制领域中的控制作用越来越大。plc对工业环境的要求不高，特别是在较差和复杂的工业环境下还可以高效可靠的运行，plc几乎可以完成所有的工业控制。在设计plc系统时一般要遵循一定的原则。1）满足控制要求。最大限度地满足被控对象的工艺要求是设计控制系统首要前提。2）安全可靠。控制系统长期运行中是否安全、可靠、稳定的运行是设计控制系统的重要原则。3）经济实用。在满足控制要求的前提下，要注意降低系统成本，使得plc控制系统达到简单、经济、合理。4）适应发展。要考虑到功能的扩充，适当留有冗余量。1.4.2 plc的应用系统设计步骤plc系统设计与调试流程图如图1-4所示。图1-4 plc系统的设计与调试流程图1）熟悉被控对象的工艺过程，分析控制要求。2）确定i/o设备。3）plc的硬件系统配置。4）分配i/o点。5）设计应用系统梯形图程序。6）初步调试程序。7）联机调试。8）编写技术文件。1.5 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。1.5.1 异步电动机旋转原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流互相作用产生的力矩。如果磁场以转速顺时针旋转，转子绕组产生切割磁力线，产生了转子电流，通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力。电磁力使转子绕组以转速旋转，方向与磁场旋转方向相同。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速低于定子磁场的转速，转子转速和磁场转速之差称为转差： 转差与定子磁场转速之比称为转差率： 同步转速由决定，式中为输入电流的频率；为旋转磁场的极对数。因此可以得到转子的转速为 1.5.2 异步电动机调速由于异步电动机转速为，所以它的调速方法有以下三种：1）改变磁极对数，称为变极调速变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速又适用于恒功率调速。缺点是次调速方法为有极调速，并且极数有限，只用于不需要平滑调速的场合。2）改变转差率,称为变转差率调速以改变转差率为目的的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因数低，电流大，效率低。调压调速既非恒功率调速也非恒转矩调速，比较适合用于风机、泵类特性负载。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，常常用在通风类或恒转矩类负载，其缺点是低速时损耗大效率低。3）改变频率，称为变频调速当极对数和转差率不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续的改变供电频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或者是恒功率调速。1.5.3 变频器的分类变频调速是以变频器向交流电动机供电，并且构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换成为可以调节的电压和可调频率的交流电的变换器。是异步电动机变频调速的控制装置。1）按变频器主电路结构形式分类按变频器主电路的结构形式可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电。再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节。2）按变频电源的性质分类按变频电源的性质可分为电压型变频器和电流型变频器。对于交直交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。电压型变频器在电路中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，故而施加在负载上的电压值基本不受负载的影响而保持恒定，类似电压源，因而称之为电压型变频器。电流型变频器与电压型变频器的不同之处在于电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。3）按vvvf调制技术分类变压：variable voltage，简称为vv。变频：variable frequency，简称为vf。交直交变频器按vvvf调制技术可分为paw和pwm两种方式。paw是把vv和vf分开完成的，称为脉冲幅值调制方式，简称为paw方式。pwm是将vv与vf集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制方式，简称为pwm方式。1.5.4 变压变频协调控制进行电动机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电动机的电压和频率进行协调控制。异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。1）基频以下调速在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流恒定，就可以控制电机的转矩为恒定，这就是恒转矩控制，电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。由于恒定控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定控制属于恒转矩控制。恒定控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器输出电压，并使之二者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。恒定控制最容易实现，它的变频机械特性基本是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。2）基频以上调速当电动机的电压随着频率的增加而升高时，若电动机的电压已经达到电动机的额定电压时，继续增加电压有可能破坏电动机的绝缘。为此，在电动机达到额定电压后，即使频率增加扔维持电动机电压不变。这样，电动机所能输出的功率由电动机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化，具有恒功率特性。在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时的电动机调速属于恒功率调速。1.5.5 变频器的作用变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的提升、下降和变速运动。变频应用还可以大大地提高工艺的高效性，同时可以比原来的定速运行电动机更加地节能。变频器主要有以下作用：1） 控制电动机的启动电流。2） 降低电力线路的电压波动。3） 启动时需要的功率更低。4） 可控的加速功能。5） 可调的运行速度。6） 可调的转矩极限。7） 受控的停止方式。8） 节能。9） 可逆运行控制。10）减少机械传动部件。第二章 基于plc的水塔水位控制系统设计2.1 项目控制要求本系统一般应用在住宅或大楼顶楼设置的水塔或水箱。用户用水量不稳定，有时用水量多有时用水量少，但是水塔必须提供充足的水压供用户使用。水塔的进水可由水泵泵入，另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔供水使用。本系统设计的目的是对水塔中水位进行恒液位控制。本系统可用一个模型来模拟水塔水位的恒液位控制。水箱的高度为200cm，水箱中的液位高度可在0200cm范围内进行调节。如设定水箱水位值为100cm，则不论水箱的出水量如何，调节进水量，都要求水箱水位都能保持在100cm的位置，如出水量少，则要控制进水量少，相反如果出水量大则要求控制进水量也大，水箱示意图如图2-1所示。水塔水位控制系统主要由可编程控制器、变频器、压力变送器及水泵等组成。图2-1 水箱水位控制示意图2.2 控制系统设计思路系统基本工作原理:因为液位高度与水箱底部的水压成正比，所以可以用一个压力传感器来检测水箱底部的压力，从而可以确定水箱液位的高度。要控制水位恒定，需要用pid算法对水位进行自动调节。把压力传感器检测到的水位信号420ma送入至plc中，在plc中对设定值与检测值的偏差进行pid运算，运算的结果输出至变频器，变频器去调节水泵的转速，从而调节进水量的多少来保持水箱水位的恒定。本系统设计还应遵循以下的原则： 蓄水池容量应大于最大用水量； 水泵扬程应大于水箱最高点的高度；这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于plc产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定plc的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过pc机来改变plc存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于plc的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒液位控制场合。2.3 控制系统的元件选型2.3.1 plc及其模块选型s7-200 plc是小型模块式的plc，整机i/o点数从1040点，在小型自动化设备中得到了广泛的应用。s7-200 plc在工业生产中也得到了充分的应用，它可以用于开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等功能。可用于模拟量控制，具有pid控制功能，可实现过程控制，也可以用于运动控制，具有发送高速脉冲功能。根据控制系统实际所需端子数目，考虑plc端子数目要有一定的预留量，因此选用的s7-200型plc的主模块为cpu224，其开关量输出为10点，输出形式为dc24v输出；开关量输入cpu224为14点，输入形式为dc24v输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是em235，该模块有4个模拟输入(aiw)，1个模拟输出(aqw)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成a/d的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成d/a的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。em235模块可以针对不同的标准输入信号，通过dip开关进行设置。表2-1 控制系统i/o分配表输入输出i0.0启动sb1q0.0控制水泵运行i0.1停止sb2m0、v0、i0plc控制变频信号ra、a+、a-压力变送器信号本系统中plc选用s7-200 cpu224，为了能接受压力传感器的模拟量信号和调节水泵电机转速，特选择一块em235的模拟量输入输出模块。2.3.2 变频器选型为了能调节水泵电机转速从而调节进水量，选择西门子g110的变频器。用于基本驱动系统的高性价比变频器西门子g110变频器是一种使用灵活、结构小巧、价位适中的变频调速装置，可用于各种速率的驱动系统，功率范围可从120w-3kw不等。西门子g110 系列变频调速装置操作简便，加之西门子g110 变频器与价位适中的标准电动机相组合的系统所具有的良好性价比，使之成为大多数应用对象驱动装置的首选。g110变频器总共有10个控制端子，端子编号分别为110。1、2号端子为一数字输出信号，可用来输出某开关信号；35号端子为数字量输入信号，各端子都可往变频器输入一开关信号；6号端子为输出24v电源正极；7号端子为输出0v（电源负极）；810号端子的功能按控制方式来确定，在模拟控制方式下，8号端子为输出+10v，9号端子为模拟量输入信号，变频器按此信号大小决定输出频率；10号端子为0v。2.3.3 触摸屏选型为了能对水位值进行设定并对系统运行状态的监控，特选择用西门子人机界面tp170b触摸屏。人机界面装置是操作人员与plc之间双向沟通的桥梁，很多的工业被控对象要求控制系统具有人机界面功能，用来实现操作人员与计算机控制系统之间数据的交换。人机界面装置用来显示plc的i/o状态和各种系统信息，接收操作人员发出的各种命令和设置参数，并将它传送到plc中。触摸面板tp170b采用5.7in、蓝色或16色stn-lcd，有2个rs-232接口、1个rs-422/485接口和1个cf卡插槽，支持位图、图标、背景图画和矢量图形对象，动态对象有图表、柱形图和隐藏按钮，有配方功能。使用microsoft windows ce3.0操作系统，用组态软件wincc flexible来组态。2.3.4 压力变送器选型一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如420ma dc等）， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。将水压这种压力的力学信号转变成420ma这样的电子信号，压力和电压或电流的大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大，由此得出一个压力和电压或电流的关系。cyyb-120系列压力变送器为两线制420ma电流信号输出产品。它采用cyyb-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、v/i变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420ma标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、a/d转换器及计算机数据采集系统连接方便。2.3.5 水泵选型水泵选用凌波1zdb-65自吸旋涡清水泵。泵体材料为铸铁，该泵采用优质机械材料密封。产品具有运行平稳、性能可靠、全扬程运行、经久耐用的优点；该泵的特点是小流量、高扬程、体积小、容易安装。适用范围：1、输送清水，液体温度45。2、家庭主管增压供水、高层建筑增压。3、农业灌溉、工业供水。工作条件：1、输送介质温度：常温型 +5+45。2、最高环境温度：+50。3、最大吸程：8米。4、三相 380v/50hz。表2-2 1zdb-65自吸旋涡清水泵参数表型号最大流量(l/min)最大流量(m3/h)最大扬程(m)最大吸程(m)功率(kw)口径(mm)重量(kg)1zdb-65583.56580.7525122.4 em235 模块2.4.1 em235的端子与接线siemens s7-200模拟量扩展模块em235含有4路输入和1路输出，为12位数据格式，它的端子及其接线图如图2-2所示。图2-2 em235端子接线图其中ra、a+、a-为第一路模拟量输入通道的端子，rb、b+、b-为第二路模拟量输入通道的端子，rc、c+、c-为第三路模拟量输入通道的端子，rd、d+、d-为第四路模拟量输入通道的端子。m0、v0、i0为模拟量输出端子，电压输出大小为-10+10v，电流输出大小为020ma。l+、m接em235的工作电流。2.4.2 em235的技术规范表2-3 em235技术规范表模拟量输入特性模拟量输入点4输入范围电压（单极性）信号类型：010v、05v、01v、0500mv、 0100 mv、050 mv电压（双极性）信号类型：10v、5v、2.5v、1v、500mv、 250mv、100mv、50mv、25mv电流信号类型：020ma数据字格式双极性全量程范围-32000+32000单极性全量程范围032000分辨率12位a/d转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出10v电流输出020ma数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12 位电流11 位2.4.3 dip设定开关em235有6个dip设定开关。通过设定开关，可选择输入信号的满量程和分辨率，所有的输入信号设置成相同的模拟量输入范围和格式，如下表2-4所示。表2-4 dip开关设定表单极性满量程输入分辨率sw1sw2sw3sw4sw5sw6onoffoffonoffon05012.5offonoffonoffon010025onoffoffoffonon0500125offonoffoffonon01250onoffoffoffoffon051.25onoffoffoffoffon0205offonoffoffoffon0102.5双极性满量程输入分辨率sw1sw2sw3sw4sw5sw6onoffoffonoffoff2512.5offonoffonoffoff5025offoffononoffoff10050onoffoffoffonoff250125offonoffoffonoff500250offoffonoffonoff1500onoffoffoffoffoff2.51.25offonoffoffoffoff52.5offoffonoffoffoff105如本系统中压力传感器输出420ma的信号至em235，该信号为单极性信号，dip开关应该设置为：on、off、off、off、off、on。第三章 基于plc的水塔水位控制系统的实现3.1 plc的i/o分配及其硬件连接图3.1.1 plc的i/o分配plc的i/o分配如下：启动按钮为i0.0；停止按钮为i0.1；q0.0为控制水泵电机运行。3.1.2 硬件连接图plc与压力传感器、变频器的硬件连接电路如图3-1所示。图3-1 系统硬件连接图3.2 变频器参数设置西门子g110变频器参数设置如表3-1所示。表3-1 g110变频器参数设参数号参数名称设定值说明p0304电机额定电压380vp0305电机额定电流1.99单位：ap0306电机额定功率0.75单位：kwp0310电机额定频率50单位：hzp0311电机额定转速3000单位：r/minp0700选择命令信号源2由端子排输入p1000选择频率设定值2模拟设定值p1080最小频率5单位：hz3.3 pid控制3.3.1 pid算法在工业生产过程控制中，模拟量pid（由比例、积分、微分构成的闭合回路）调节是常用到的一种控制方法。运行pid控制命令，s7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及pid参数，进行pid运算，求得输出控制值。参数表中有9个参数，全部为32位的实数，共占用36个字节。pid控制回路的参数表如表3-2所示。表3-2 pid控制回路的参数表地址偏移量参数数据格式参数类型说明0过程变量当前值双字，实数输入必须在0.01.0范围4给定值双字，实数输入必须在0.01.0范围8输出值双字，实数输出在0.01.0范围12增益双字，实数输入比例常量，可为正数或者负数16采样时间双字，实数输入以秒为单位，必须为正数20积分时间双字，实数输入以分钟为单位，必须为正数24微分时间双字，实数输入以分钟为单位，必须为正数28上一次的积分值双字，实数输出0.0和1.0之间，根据pid运算结果更新32上一次过程变量双字，实数输出最近一次pid运算值典型的pid算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行pid运算，算法如下： 比例项：能及时地产生与偏差成正比的调节作用，比例系数越大，比例调节作用越强，系统的调节速度越快，但过大会使系统的输出量震荡加剧，系统的稳定性降低。积分项：与偏差有关，只要偏差不为0的情况下，pid控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除系统误差，提高控制精度，但积分的动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用积分环节。从式子中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢。微分项：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数增大时，超调量减少，动态性能得到改善，如果过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。3.3.2 pid控制回路选项在很多控制系统中，有时不是三种控制回路都选择使用而是只采用其中的一种或两种控制回路。通过设置常量参数值选择所需的控制回路。（1）如果不需要积分回路，则应将积分时间设为无限大。由于积分项的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。（2）如果不需要微分运算，则应将微分时间设定为0.0。（3）如果不需要比例运算，但需要i或者id控制，则应将增益值指定为0.0。因为是计算积分和微分项公式中的系数，将循环增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的循环增益值为1.0。3.3.3 水塔水位pid控制回路参数表在pid参数整定方法中，最基本和最简单的方法为凑试法。对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先只整定比例部分。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统已满意系统性能指标要求，那么只需用比例调节器即可，比例系数也由此确定。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时先置积分时间常数为一较大值，并将经上一步整定得到的比例系数缩小为原值的0.8倍，然后减少积分时间常数，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。经过反复改变比例系数与积分时间常数，以期得到满意的控制过程。上述方法如果还不能保证有满意的系统动态过程，则加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间为零。在第二步的基础上增大微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间常数，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。依据pid控制器参数的工程整定方法，各种调节系统中pid参数经验数据可参照下表3-3所示。表3-3 pid控制器参数工程整定表控制系统参数范围温度=2060%=180600s=3180s压力=3070%=24180s液位=2080%=60300s流量=40100%=660s供水箱的控制要求见2.1系统控制任务。pid回路参数表设定根据pid控制器参数工程整定方法及表3-3的数据估算本系统的pid参数如表3-4所示。表3-4 pid控制回路的参数表地址参数数值vb200过程变量当前值水位检测计提供的模拟量经a/d转换后的标准化数值vb204给定值0.5vb208输出值pid回路的输出值（标准化数值）vb212增益2.0vb216采样时间0.2vb220积分时间3vb224微分时间0（关闭微分环节）vb228上一次的积分值根据pid运算结果更新vb232上一次过程变量最近一次pid的变量值3.3.4 水塔水位pid控制框图和系统流程图图3-2 系统pid控制框图图3-3 水位控制系统流程图3.3.5 水塔水位控制回路程序编写分析pid调节及i/o分配。模拟量输入：aiw0：模拟量输出：aqw0。表3-5 编写符号表序号符号地址说明1设定值vd204范围为01实数2回路增益vd2123采样时间vd2164积分时间vd2205微分时间vd2246控制输出vd208范围为01实数7检测值vd200范围为01实数8启动i0.09停止i0.110触摸屏液位设定vd100范围为0200实数11触摸屏显示液位值vd110范围为0200实数第四章 基于plc的水塔水位控制系统的软件设计4.1 step7-micro/win软件的使用 step7-micro/win软件是s7-200的编程软件，可以在全汉化的界面下进行操作。4.1.1 软件界面介绍双击pc桌面上的step7-micro/win软件，即可打开软件界面。图4-1 打开编程软件软件窗口画面如上图4-1所示，包括标题栏、菜单栏、浏览条、指令树、输出窗口、状态条、局部变量表和程序编辑区等。（1）浏览条。提供按钮控制的快速窗口切换功能。可用“检视”菜单