毕业设计论文--顾亚辉.doc

摘要在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。在油工业、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、参数多变等特点，它对控制调节器要求极高。针对人工控制液位的准度较低、速度较慢、灵敏度偏低等一系列问题。本文提出了基于PLC的液位控制系统，系统主要通过将液位传感器检测到的电信号通过接口送入PLC中，经过A/D转换成数字信号，随后送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成水泵电机转速相对应的电信号送入水泵电机来控制水泵转速，最终达到控制液位的目的。通过仿真和分析结果表明本文所设计系统能够正常运行并且达到了设计的目的，能够准确、快速地控制液位，克服了传统液位控制系统的很多弊端。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为液位控制的主要技术之一。 可编程控制器是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。目前常用的可编程控制器中，西门子公司的S7-200以其编程软件STEP7的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人十的普遍认可。关键词：西门子S7-200；PID；液位变送器AbstractIn industrial processes, the level variables are the most common, the most widely used process parameters. In the oil industry, chemical industry, power engineering, machinery manufacturing and food processing and many other areas, people need all kinds of fluid liquid level detection and control. Because of its complex conditions, parameter changing characteristics, its control regulator demanding. For manual control of the lower level of accuracy, speed, slow, low sensitivity and other issues. In this paper, based on the level of PLC control system, the system mainly through the level sensor detects the electrical signals through the interface into the PLC, after A / D converted into digital signals, then sent to a digital PID regulator by PID After controlling the amount of algorithms through D / A converter to the pump motor speed into an electrical signal corresponding pump motor to control the pump speed, and ultimately achieve the purpose of the control level. Through simulation and analysis results show that this system is designed to function properly and achieve the purpose of the design that can accurately and quickly control the liquid level, to overcome the many drawbacks of traditional level control system. In engineering practice, the most widely regulator control law is proportional, integral, differential control, referred to as PID control. PID controller with its simple structure, good stability, reliable, easy to adjust and become one of the major technical level control. Programmable controller is a very wide range of automatic control device applications, will traditional relay control technology, computer technology and communication technology integration, with a strong ability to control, flexible operation, high reliability, suitable for long-term continuous work features, ideal for liquid level control. The commonly used programmable controller, S7-200 programming software is simple to use and its communications network functions Siemens STEP7 powerful people in the industry get ten universally accepted. Keywords: Siemens S7-200, Level Transmitter, PID 1引言 1.1题研究背景、意义和目的为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。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、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也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使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。传统供水系统采用基于PLC的PID 控制原理，PID控制原理简单，使用方便，适应性强，广泛应用于各种工业过程控制领域 ，使供水系统更加的安全可靠。 可编程逻辑控制器既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机通信和维修方便等诸多高品质性能，又采用一种可编程运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。因此，现在PLC在液位控制领域得到了广泛而深入的应用。1.2 液位控制问题国内外研究现状近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。除了传统的PID控制系统外，近年来随着智能仪表和PLC的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。由于液位控制系统取得了很大的进步，因此出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及和应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等力一向快速发展。反观我国，虽然液位控制。系统在国内生产生活的应用十分广泛，但是国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。1.3 研究概述及发展趋势随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。1）PLC关于液位控制的发展趋势人们的生活的提高，同时对生活的要求也越来越高，同样对液位控制的及时性、精准性也要求越来越苛刻！基于PLC的液位控制有着，第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。所以基于PLC的液位控制系统的发展前景还是非常宽广！长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击，如今PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展。2）PLC在工业和经济上的发展前景目前我国在大量引进进口PLC的同时，也在发展国产PLC的同时，主要面临着二大问题：其一是技术问题，在国际上PLC迅速发展的形势下，我国大多数PLC厂家还没有拥有自主知识产权，能够参与国际竞争的PLC产品，这其中主要的因素是研发实力不够。虽然资金投入、生产和质量管理等因素也占有非常大的比重，但对产品的质量起着决定性作用的是研发投入、研发成果产品化以及生产工艺等。其二是竞争问题，由于国内PLC市场大部分由外国的产品所占领，大、中型PLC产品中，几乎全部由国外几大公司垄断，随着我国使用PLC市场的不断扩大，国外几大公司几乎每年都会针对市场推出新的产品，而我国没有自己的自主知识产权的产品，在经济竞争中就只能处于被动的地位。1.4 本文的组织结构本文的主要内容安排如下：第1章简要介绍了PLC液位控制系统的背景、技术的研究、发展趋势以及液位控制的意义和方法，国内外的研究现状和发展趋势以及论文研究的意义。第2章主要介绍了PLC的一些相关的知识及其的一些组成部分的阐述。第3章简要介绍系统的整体设计思路和元器件的选择及其相关知识的介绍。第4章简要介绍了PID控制器的原理，控制算法，指令的使用，归一化处理以及参数整定，最后简要介绍了闭环控系统和开环控制系统的比较。第5章简要介绍了系统的硬件设计，其中介绍了，液位变送器以及西门子S7-200PLC等器件，以及它们的使用方法。第6章主要介绍了系统的软件设计，讲述了本次设计的中心思想，I/O口的使用在本次设计中的作用，一些变量在程序中所占用的内存，程序设计的流程图，重点程序设计梯形图的讲解。第7章是总结部分，对本次毕业设计进行总结。2 PLC相关知识及特点介绍2.1 PLC的定义PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文的全称为可编程序逻辑控制器，定义是：它是一种数字类型的具有运算及操作功能的一个电子系统，是专门用于工业的生产环境中。它使用的是一种可以编程的特殊类型的存储器，用来在其内部进行存储已经编写好的程序，执行某些逻辑等运算的功能，还可以进行顺序控制，定时也是它的其中一种功能，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是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，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。在此次毕业设计中，实验室中提供的PLC是德国的西门子（SIEMENS）公司生产的。而且，可编程序控制器在我国的其它行业中也得到了相当广泛的应用，在化工等领域的应用频率是最高的。西门子（SIEMENS）公司生产的PLC。包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等不同的系列。 我们使用的西门子S7-200系列，其优点是：体积小且具有网络通信的能力，当然还有其它的特点，当使用时就可以发现它的好处。S7系列的PLC产品，一般分为微型的PLC（如S7-200），还有小规模类型的PLC，其性能也是非常好的，还有S7-300系列的PLC，也是中、高性能的PLC。2.2 PLC的分类可编程序控制器的分类方法可以从三个方面来进行划分。首先是从可编程序控制器的控制规模上去分类，按控制规模分类：它可以分为大型机、中型机和小型机。小型机：控制点在256点之内就被叫做小型机，它可以用来进行单机控制或者是小型系统的控制。西门子公司生产的小型机有S7-200：它的处理速度0.81.2ms ；数字量248点；存贮器2k ； 模拟量35路 。中型机：控制点在256点与2048点之间的就被称作中型机,它可以用来对设备进行直接的控制，它还可以监控很多比他比它低一个级别的可编程序控制器，中型机适和与对中型或者大型控制系统的控制。 西门子公司生产的中型机有S7-300：它的处理速度0.81.2ms ；数字量1024点；存贮器2k ； 模拟量128路；工业以太网；网络PROFIBUS；MPI。大型机：控制点在2048点以上的被叫做大型机,它既能完成较复杂的算术运算又可以完成复杂的矩阵运算。它在对多个比它级别低的可编程序控制器进行监控管理的同时还能对设备进行直接地控制，西门子公司生产的大型机有S7-400 ：处理速度0.3ms / 1k字；I/O点12672；存贮器512k ；其次是从可编程序控制器的性能高低去分类，最后是从可编程序控制器的结构特点上去分它可以分为模块式、整体式。按结构形式去划分：模块式：是根据其功能将PLC系统的各个组成部分分成若干个模块，比如分为CPU模块、输入模块、电源模块、输出模块等。虽然各模块功能比较单一，但是模块的种类却十分的丰富。比如，某些可编程序控制器，除了具有些基本的I/O模块以外，还具有一些特殊的功能模块，位置检测模块、通讯模块、PID控制模块、像温度检测模块等等。各模块虽然功能是独立的，但是外形尺寸是统一的，可根据需要灵活地配置。整体式：将CPU、电源、I/O系统、存储器集成在一个单元里面的叫做整体式结构的可编程序控制器，同时该单元也被叫做作基本单元。这样做的好处就是当控制点的点数满足需求时，可以接入扩展的单元。它的结构特点是体积小、紧凑、成本低、安装方便。2.3 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，传统的继电器控制系统中的逻辑器件和繁杂的连线被软件程序所取代，所以PLC控制系统的可靠性大大的提高了（2）控制系统结构简单，通用性强PLC控制系统实质性的好处是当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只需对程序进行简单的修改，对硬件部分稍作改动即可，而不像继电器控制系统那样，在一个装配好的控制盘上，对系统进行修改几乎是不可能的事情。同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件的不同。所以说PLC控制系统有极高的柔性，即通用性强。（3）编程方便，易于使用 PLC作为通用工业控制类型的计算机，是面向众多工厂的一种具有很强控制能力的工控设备。它与其它的外部设备接线十分的方便，编程语言对于使用者来说也是十分容易的。（4）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，最新生产的PLC的底部的长度是小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小，所以很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4 PLC的主机模块2.4.1 中央微处理器（CPU）中央处理器（CPU）是PLC主机模块的心脏和大脑。它具有理想的控制功能。PLC的CPU是各生产厂家研制设计。各种型号的PLC都有对应的CPU系列相匹配。所以应该熟悉和充分掌握所选用的控制器的中央微处理器的工作性能及基本结构。1CPU的基本结构CPU由运算器和控制器组成。其中运算器是由算数逻辑单元及一些寄存器组成。运算器是PLC执行算数运算和逻辑运算的逻辑器件，负责对输入的数据信息进行加工处理。控制器是指令译码器、时序发生器和操作控制器等元器件组成。控制器负责经指令译码器译制好的二进制代码的调用，付出控制信号，协调各部分的正常工作。2CPU的功能CPU具有接收程序、运行程序和监控系统运行的功能。（1）接收程序。CPU对系统和用户程序都能接收。（2）运行程序。无论系统程序，还是用户程序，或者是扩展功能的控制程序，在执行时，都必须把它们调入内存（或在内存中直接调用）。其过程如下：CPU通过控制总线发出操作命令，通过地址总线读取数据存放的地址，通过数据总线读取指令和操作数据，将它们存入指令寄存器。然后，通过译码器对程序中的指令代码逐条翻译，变成控制信号，同时信号合成，经过放大形成可驱动指令代码信号的脉冲，去驱动负载元器件。（3）监控系统运行。PLC可工作在运行状态，也可以工作在监控状态对系统实施监控。并可以工作在编程状态、修改程序、改变相关数据和监控运行状态。3. CPU模块性能参数CPU模块是数字系统的核心元器件，它必须具备一定的工作性能和在相关的性能参数允许的范围内，才能达到理想的最佳效果。 （1）主频。主频就是CPU的工作频率，是系统时钟在单位时间内振荡的次数，主频越高，CPU运行的速度越快。但是，也不是越高越好。由于主频必须与外频相匹配，所以，只有最合适的主频才是最好的。 （2）外频。外频是整机系统总线的工作频率。 （3）差频。差频是主频和外频之间相差的倍数，即主频=外频*倍频。为了提高CPU的工作效率，采用提高外频的措施比较好。 （4）运算速度。CPU在每秒钟能够执行的指令数，称为CPU的运算速度，单位是每秒百万条指令。 （5）字长。字长是CPU一次传送数据的二进制的位数，一般的字长为8位、16位、32位及64位。 （6）工作电压。CPU的额定工作电压一般是5V。但是由于CPU模块集成度高、工作速度高、功耗较大，发热较严重，从而会降低使用寿命。因此，只有降低工作电压是降低功耗的好办法。（7）周期。PLC的CPU的周期分为三种：一是时钟周期；二是机器周期；三是扫描周期。时钟周期是CPU内核时钟振荡一次所用的时间。机器作为一个基本操作所占用的时间，称为一个机器周期。CPU执行一次扫描占用的时间称为扫描周期。三者的关系：若干个时钟周期构成一个机器周期。若干个机器周期构成一个扫描周期（8）总线长度。CPU中配置了地址总线、数据总线和控制总线。2.4.2 存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序的内容主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。用户程序存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言写的应用程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器，其内容可由用户随意修改或删除。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用的器件的ON/OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器件类型有三种：ROM、RAM和EEPROM。（1）只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失去的，当断电后仍能保存存储的内容。一般用来存放PLC的系统程序，这部分程序和数据由生产厂家烧制而成，用户是不能修改的。（2）随机存取存储器（RAM） 顾名思义这类存储器是用来保存PLC内部元器件的实时数据。（3）可电擦出可编程的只读存储器（EEPROM）这种存储器是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。2.4.3 输入/输出单元 PLC的输入和输出信号类型可以是开关模拟量。输入/输出接口单元包含两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其他元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。2.4.4 电源部分 PLC一般使用220V的交流电源或者24V的直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供的5V、12V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。PLC所采用的开关电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。 电源部件的位置形式可有多钟，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，则多采用单独的电源模块。2.4.5 通信接口 为了实现“人机”或“机机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通过这些接口可以显示与设定单元、触摸屏、打印机相连，提供方便的人机交换途径；也可以与其他的PLC、计算机以及现场总线网络相连，组成多级系统或者工业网络控制系统。2.5 PLC的工作原理研制生产PLC的最初想法是为了代替由继电器和接触器组成的传统的控制装置，但是这两者其运行的方式在一定程度上有所不同。继电器控制装置其运行方式是硬逻辑并行运行。就是如果当前继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的相应位置上都会立即同时通电或断开。 PLC 的CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms 以上，而PLC 扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样在对于I/O 响应要求不高的场合，PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 当PLC上电后，处于正常的运行时，它将不断重复扫描过程，并不断的循环下去。输入采样阶段：这个阶段它将最开始扫描所有的输入端子，同时还要将各输入的状态存入相对应的映像寄存器中，这时候输入映像寄存器就会被刷新。用户程序执行阶段：到了这个阶段后，PLC会按照从左到右、从上到下的顺序执行程序。当指令中包含有输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态。然后进行相应的计算，最新的运算结果马上再存入到相应的元件映像寄存器中。输出刷新阶段：当用户的程序执行完毕以后，在输出刷新阶段，元件映像寄存器中的所有输出继电器的状态会被一起转存到输出锁存器中，并通过一定的方式集中地输出出来，最后让输出端子驱动外部的负载。输出锁存器的状态不会改变，当下一个输出刷新阶段开始之前，所以相应的输出端子的状态也不会发生变化。正常情况下，PLC的一个扫描周期的内容包括下图所示的内容。图2.1 可编程控制器的扫描周期3 液位检测系统设计及元器件的选择3.1 系统整体思路介绍目前采用的是水箱液位的PID调节，有两级水箱，如果控制一个水箱是单回路反馈PID控制。单回路系统是指在一个调节对象上用一个PID调节来保持参数的很定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构，两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制，系统具体装置如下图1所示：图1需要注意的是，系统运行前需要控制液位水箱水路上的手动阀全部打开，打开水箱的出水阀至适当的位置。系统通过PLC控制液位的高度，实现的方法是，通过液位传感器把检测到的信号变成相应的电信号传到PLC模拟输入通道中，由PLC经过PID算法计算得出的输出信号，经过信号处理输出到执行器电动调节阀中控制阀门的开度，使得液位达到指定的高度，这个过程需要一定的时间，输出的信号和电动调节阀的开度成正比，反之控制器参数选择不合适，则会使得控制质量变坏，达不到预期的效果，所以PID参数的选择是很重要的，要很好的去整定，系统可以设定比例积分微分的参数，观察积分的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行试验，将他们得到的结果进行对比，就可以知道3个环节分别的作用系统的控制图如图2所示：PLC主控系统统PID控制器D/A电机驱动模块水泵A/D压力传感器SVPV图2其中SV给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4-20ma的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节阀的开度，以控制水的流量，使得水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换为相应的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SV与控制量PV经过PLC的CPU的检查运算成了偏差信号e，又输入到PID调节器中，又开始了新的调节，所以系统能实时调节水箱的液位。3.2 液位传感器的分类按招使用的方法将液位测量分为接触式和非接触式两个大类。接触式液位测量主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计和磁致伸缩式液位计等。它们共同的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在一定的磨损且容易被液体粘住或腐蚀。非接触式液位测量主要有：微波雷达液位计、放射线液位计、激光液位计及超声波液位计等。目前，国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法，有以下几大类1）雷达液位传感器雷达传感器实质是用发射、反射、接收的过程来检测距离远近。所以可用在有害等不适合人靠近的情况下。其实它是一类特殊形式的电磁波，物理特性和可见光类似，雷达信号有用穿透空间的功能。雷达信号能否被反射，有两个因素影响：1)所测物质导电性大小；2)所测物质介电常数，全部导电介质都会反射雷达信号只有介质的导电性弱的问题，能够被很精确的检测到，雷达波不容易受到干扰，而且能够穿透一些不导电介质，不用在穿透过去的地方开孔，就可以实现非接触测量，能够使用与各种各样的场合，比如真空测量，液位测量，粉灰位或固体料位测量，就算在灰尘、粉尘浓度大并伴有很强旋涡的环境下，测量结果也是很精确的，但是雷达传感器的测量信号运行时间极短，这样要分析处理信号要有极高的技术，使得它的价格高额、技术要求过硬。2）超声波液位传感器 超声波液位传感器的发展飞快、应用最普遍，适用于检测明渠液位和开口容器内液位，他是检测换能器发射的脉冲由空气传到介质上，然后介质反射脉冲到换能器上的时间，在计算出换能器到被测介质之间的距离。 在对比换能器所装高度，就能计算出液位高度，缺点是声波在介质传播速度最容易被环境因素影响，在测量的可靠性和准确性上有所欠缺。3）同位素/放射性液位传感器它的原理是放射性同位素射线（如射线、射线、射线）具有穿透于反射能力，测量射线、射线、射线到达被测物质时通过被测物质或者经过被测物质反射的衰减原理、监测穿过被测物质之后射线信号的强弱、通过计算达到测量液位的目的。 液位高度越高，介质吸收放射线力度越大，检测器输出就会越低，在得知检测器内的介质吸收能量的情况，在经过一些列信号转换，即可得出被测液位的高度。了解放射性自身的特点后，可以将它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场所，而且不同介质密度对射线的吸收也不同，所以可以用来测量密度不同的液体的分界面，气体和固体或液体和固体的分界面。 但是用的是射线衰减原理，测量信息的能量会因为干扰而损失，测量的准确度不是很高，并且射线的辐射作用对人体也是有恙的。4）电子类液位传感器 测量原理是把液位变化这个非电量转变为电量的变化，设计测量电路将电量变化参数检测出来，达到测量液位变化的目的。电容式液位传感器是最普遍也是相当成熟的，它不仅可靠性较高、并且测量范围广泛 、适用于测量各种各样的介质、导电或非导电介质的液位、唯一不能够测量的只有导电的粘性介质。电容式液位计：电容器两极极板间的电介质是空气和液体，运用电子学测量出电容值，从而检测出液体的高度；它结构简单，唯一缺点是所测液体要有一致的、稳定的介电常数，要加上温度补偿，测量仪器与传感器的连接要用长电缆，电缆中的干扰和寄生电容的影响很大，测量精度不靠谱。电容液位传感器是利用被测液体的导电率，将液位变化转换成静电电容变化来测量的一种液位计，但对导电介质或者粘性介质，容易发生挂料，误差概率大、干扰会严重影响到测量结果。 电阻式液位计：检测器在空气中的阻值远远大于它浸在液体中的阻值，利用电子学方法测量液体容器底部与液体顶部之间的电阻，经过计算可以得到液位高度，其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染与沉积物能产生错误输出，在直流工作时会产生电解，响应速度慢。5）热学式液位计通过热电阻发出的信号判断检测元件有没有进到液体中。它体型小、适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等。6）光学液位计 大部分是光纤液位传感器，其原理是利用光的强弱变化来进行液位测量。它可以是用发光元器件将射出来的光通过传输光纤送到光敏感元件上，在敏感元件的球面上，有一部分光透过而残余的光被反射回来。当触摸敏感元件和液相，与空气的接触相比，透光球面上的光增加，反射相应降低，反射的光敏感元件可以知道是否暴露于液体。敏感元件玻璃的折射率和被测物质的折射率决定了反射光量，并将通过传输光纤以受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。塑料测杆探头加工成的斜面或锥面也能做光纤传感器。光源光线射进测杆后，假如测杆在空气中那么发生全反射时光线按原路射回，如果测杆插到液体内，因为液体的折射率比空气高，锥形截面处发生光折射，全内反射效应消失，就可以通过接收的光功率测量点液位，它的最大问题就是油滴和冷凝作用可能会使测量精度有所误差。这种液位传感器具有结构简单，实现难度不大、造价低廉、抗电磁干扰能力强、绝缘性好、响应时间短、能用于易爆易燃等场合的优势。但是受到最大影响的地方就是光源的强度波动和连接器损耗变化等，所以它的测量范围小、精度低、能量容易丢失，一般不用于测量低粘度液位，长远的稳定性差。7）液压类液位计 这种液位计能够进行连续测量 A气泡式液位计：使被测液位值转化成空气的压力值，测量这个压力值，利用它的被测压力与液体相对密度乘落差之积成正比的原理测量液位，但它的问题就是检测方式非常复杂。B. 压力传感器：利用液位变化时器件底部某点上的压力也会跟着变化的原理来设计的。当测量没有物质的容器时，一般都用直接测量底部中心点的压力来检测，它的精度主要是受到压力表的精度限制，而且要求被测液体的密度已知且密度恒定不变。液位传感器还有很多分类，比如按功能进行分类，可以分为连续式液位传感器、点式测量液位传感器等等。不过全球现在最常使用的还是：核辐射法、光导法、超声法、微波法、雷达法、电容式、射频导纳式等多种传感器技术和智能化测量控制技术、各自都有优缺点和适应性并且应用都非常广泛。3.3 针对本次设计应用选择种类本次毕业设计的主要目的是选择合适的液位传感器和测量电路进行液位检测，采用PLC或上位机作为控制系统，进行实时系统数据处理和采集存储，保证系统工作在最佳状态，提高系统的测量精度，提高系统的工作效率。 而在接到这个题目之后，先是搜集了十多份材料，下载了关于多数液位传感器的资料，最终确定了使用压力液位传感器为本次设计的传感器。3.4液位变送器模块设计3.4.1液位变送器工作原理液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA/15VDC）。用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压强公式为： = .g.H + Po式中：P ：变送器迎液面所受压强：被测液体密度g ：当地重力加速度Po ：液面上大气压H ：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为： .g.H ，显然 , 通过测取压强 P ，可以得到液位深度。功能特点：稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.1%FS/ 年。在补偿温度 0 70范围内，温度飘移低于 0.1%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.3%FS 。具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。安装方便、结构简单、经济耐用。3.4.2 液位变送器主要技术参数工艺: 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选，量程: 0-0.5-200米，输出: 0-10V (3线制)供电: 7.5-36VDC 推荐24VDCCBM-2100/CBM-2700投入式静压液位计可靠防腐并带有陶瓷测量单元的探头，用于净水、污水及盐水的物位测量。GY500投入分体式液位变送器采用扩散硅压阻芯体,316全不锈钢结构，壳体采用隔离防爆设计,该投入式液位计主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。电路采用信号隔离放大，截频干扰设计（抗干扰能力强，防雷击）过压保护，限流保护，抗冲击，防腐等设计。被测介质：液体（弱腐蚀性）压力类型：表压量 程： 00.1M1M3M5M10M20M50M100M200M500M （水位高/深度,最小 量程为0.1米）输 出：420mA（二线制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三线制）综合精度： 0.25%FS、0.5%FS供 电： 24V Dc（936VDC）绝缘电阻： 1000 M/100VDC负载电阻: 电流输出型：最大800电压输出型：大于50K介质温度：-2085环境温度：-2085储存温度：-4090相对湿度： 095% RH密封等级：IP68过载能力： 150%FS响应时间：5mS稳 定 性：0.15%FS/年振动影响：0.15%FS/年（机械振动频率20Hz1000Hz）电气连接：3/5芯导气屏蔽电缆全密封；标准配线8米压力连接：投入式连接螺纹材料：304/316L不锈钢3.4.3 液位变送器电路原理图4 系统设计目前比较流行的控制算法是PID算法，这种算法比较容易实现。因此本次设计我主要采用了PID控制算法，所以本章主要介绍了PID算法的的相关知识。4.1 PID算法控制原理模拟闭环控制是一个更好的方法，PID控制，PID在工业应用中已经60年了，现在仍然被广泛应用。人们在应用过程中已经积累了很多的经验，PID的研究已经达到了一个比较高的水平。比例控制（P）是一个简单的控制模式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。它的特点是响应速度快，控制时间持久，但不能消除残余误差。在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号成比例的不可分割的关系。积分控制可以消除残余的错误，但具有滞后的特点，余差不能很快被有效控制。在微分控制（D）时，控制器的输出和输入的差分误差信号（即误差变化率）成正比。微分控制具有超前作用，它可以猜测错误趋势。避免出现较大的误差，微分控制不能消除残余误差。PID控制，P，I，D每个环节都有自己的长处和短处，一起使用时，又相互制约，但只有合理选择的PID值，才可以得到一个较高的质量控制。4.1.1 PID控制算法PID控制器D/A电机驱动模块水泵压力传感器A/DSVPV图4.1 闭环控制系统如图4.1所示，PID控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系: （4-1）控制器的输出为： （4-2）-PID回路输出-比例系数P-积分系数I-微分系数DPID调节的传输函数为： （4-3）数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表4.1所示：表4.1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以经过离散化后，PID的输出方程为: （4-4）式中， 比例项 积分项 微分项 上式中，积分项是包括从第一个采样周期到现在采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的自带的PID指令去完成位置式PID控制量的算法。4.1.2 PID在PLC中的回路指令西门子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，见表4.2表4.2 PID回路指令名称PID运算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形图使用方法：当EN端口执行条件使能存在的时候，就可以进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节的空间，所以VD100到VD132都被占用了。其中LOOP是回路号，可以是07，不可以重复使用。PID回路在PLC中的地址分配情况如表4.3所示。表4.3 PID指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量