基于PID的上水箱液位控制系统设计毕业论文

1、基于 PID 的水箱液位控制系统设计班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 撰写日期：目录第一章绪论1 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。第二章 系统组态设计 3 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。2.1 MCGS 组态软件概述 3 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。2.2 新建工程 2.3 设备配置 2.4 新建画面 2.5 定义数据对象 .2.6 设备连接 2.7 控制面板的设计 第三章 PLC 设计 . 4 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 . 5 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 . 5 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 . 9 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 12 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 15 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 18 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。3.1

2、PLC 概述18 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。3.2 系统设计 PLC 程序20 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。第四章 课设总结23 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。参考文献26 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。附录错误！未定义书签。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。第一章 绪论第一章 绪论可编程控制器 (Programmable Controller) 是计算机家族中 的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。 早期的可编程控制器 称作可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller) ，简称 PLC，它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，因此，

3、今天这种 装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机 (Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC, PLC自 1966 年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良， 功能强大。” 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。基于 PLC的液位控制系统可以很好的满足工业中的液位控制 系统的要求，为控制带来便捷与准确，在现在讲求效率的社会里 具有重要的实用价值。在以前的工业中，液位控制的实现方法莫 过于人为的去看然后去调，或者通过固定的液位开关，当液位达 到一定的高度后液位开关自动闭合或断开来控制液位的。随着自 动化不断地发展，在工业中很多时候需要我们连续的去控

4、制液位， 时刻的去观察液位的高度，而且越来越多的时候需要在计算机上 进行监测液位和控制液位，这就是本设计的目的。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰 赘。液位是过程控制中的一项重要参数，他对生产的影响不容忽 视。为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时 有效地控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制系统中的一 个重要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性而且非常典 型实用 1 。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。PLC 在工业自动化中应用的十分广泛。 PID 控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。 本设计就是基于 PLC第一章 绪论的 PID 算法对液位进行控制。 PLC 经传感电路进行液

5、位高度的采 集，然后经过自动调节方式来确定完 PID 参数后，通过控制直流 泵的工作时间来实现液位的控制。 MCGS监（ 视与控制通用系统 ） 是 用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节 就是通过 MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高 度和泵的起停情况进行监测，而且可以对 PLC进行启动、停止、 液位高度设置等控制。 整个系统运行稳定、 简单实用，MCGS与 PLC 通信流畅 。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作 为工业控制计算机， PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成 闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中

6、用得较多的调节方法。 大中型 PLC都有 PID 模块，目前许多小型 PLC也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、 热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。第二章 系统组态设计第二章 系统组态设计2.1 MCGS 组态软件概述MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制 通用系统 ） 是一套基于 windows95/98/NT 操作系统 （ 或更高版本 ） ， 用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用 户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程

7、控 制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作 工具。 MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用 VC+语言编程， 通过 OLE技术向用户提供 VB编程接口，提供丰富 的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系18 统的功能 18 。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。工程创建的一般过程为： 工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和 工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要 求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中 实时数据库变量的对应关系， 分清哪些变量是要求与设备连接的， 哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。

8、锹籁饗迳琐筆襖鸥娅 薔。工程各项搭建框架： MCGS称为建立新工程。主要内容包括： 定义工程名称、 封面窗口名称和启动窗口 （封面窗口退出后接着 显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库， 设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在 MCGS组态环境中， 建立了由五部分组成的工程结构框架。 封面窗口和启动窗口也可 等到建立了用户窗口后，再行建立。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。设计菜单基本体系： 为了对系统运行的状态及工作流程进行 有效地调度和控制， 通常要在主控窗口内编制菜单。 编制菜单分第二章 系统组态设计两步进行， 第一步首先搭建菜单的框架， 第二步再对各级菜单命 令进行功能组态。

9、在组态过程中， 可根据实际需要， 随时对菜单 的内容进行增加或删除， 不断完善工程的菜单。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。制作动画显示画面： 动画制作分为静态图形设计和动态属性 设置两个过程。 前一部分类似于 “画画”，用户通过 MCGS组态软 件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合” 成各种复杂的画面。 后一部分则设置图形的动画属性， 与实时数 据库中定义的变量建立相关性的连接关系， 作为动画图形的驱动 源。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中， 选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块） ，由 这些模块实现各种人机交互操作。 MCGS还

10、为用户提供了编程用 的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件） ，使用简单的编程 语言，编写工程控制程序。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。完善菜单按钮功能： 包括对菜单命令、 监控器件、 操作按钮 的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、 报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。编写程序调试工程： 利用调试程序产生的模拟数据， 检查动 画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序： 选定与设备相匹配的设备构件， 连接设 备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。 此项操作在设备窗口内进行。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。在上位机工程的设计上， 经过对实际工程的

11、分析， 主要设计 的窗口是：液位控制，报警曲线直接加在其中。2.2 新建工程1鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于 MCGS安装 在 G 盘根目录下，则会在 G：下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程 X.MCG”，其中 X 表示工程的序号。 鯊第二章 系统组态设计腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存 窗口。3在文件名一栏内输入“液位控制” ，点击保存按钮，工程 创建完毕。2.3 设备配置 在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器； 选择工程目录区的设备中的 COM，1 双击右边的新建按钮进入设备 配置向导，选择 PLC亚控仿真 PL

12、CCOM单, 击下一步， 为配置 设备取名 PLC1，单击下一步。选择设备串口 COM1一, 直单击下一 步完成设备配置。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.4 新建画面在 MCGS组态平台上，单击“用户窗口” ，在“用户窗口”中 单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口 0”，见图 2-1 选中“窗 口 0 ”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置” ，将“窗口 名称”改为：液位控制； 将“窗口标题”改为： 液位控制；在“窗 口位置”中选中“最大化显示” ，其它不变，单击“确认” ，见图 2-2 。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第二章 系统组态设计图 2-1 新建窗口图 2-2 窗口属性选中刚创建的“液位控

13、制”用户窗口，单击“动画组态” ，进6第二章 系统组态设计入动画制作窗口。图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面 的最小单元， MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画 构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的 功能也各不相同。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。为了快速构图和组态， MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象。如图 2-3 所示： 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。图 2-3 MCGS 工具箱建立文字框：打开工具箱，选择“工具箱”内的“标签”按 钮 ，鼠标的光标变为“十字”形，在窗口任何位置拖拽鼠标， 拉出一个一定大小的矩形。 怂阐譜

14、鯪迳導嘯畫長凉。输入文字： 建立矩形框后， 光标在其内闪烁， 可直接输入 “液 位控制系统” 文字，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下， 文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字 标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行 文字的修改。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。设定文字框颜色：选中文字框，按工具条上的“填充色”按 钮，设定文字框的背景颜色（设为白色）；按“线色”按钮改变 文字框的边线颜色（设为没有边线）。设定的结果是，不显示框第二章 系统组态设计图，只显示文字。设定文字的颜色：按“字符字体”按钮改变文 字字体和大小。按“字符颜色”按钮，改变文字颜色（为蓝色）。

15、嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。添加对象元件：单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理” 或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱。 熒绐譏钲鏌 觶鷹緇機库。从“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐，按 “确认”，则所选中的罐在桌面的左上角，可以改变其大小及位 置，如罐 17、罐 53。从“对象元件库管理”中的“泵”中选取 1 个泵（泵 40），见图 2-4 所示。分别对泵、罐进行文字注释，方 法见上面做“液位控制系统”。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。流动的水是由 MCGS动画工具箱中的“流动块”构件制作成的。 选中工具箱内的“流动块”动画构件。移动鼠标至窗口的预定位 置，（鼠标的光标变为十字形

16、状），点击一下鼠标左键，移动鼠 标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左 键，生成一段流动块。再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直原 来方向），生成下一段流动块。当想需要结束绘制时，双击鼠标 左键即可。当需要修改流动块时，先选中流动块（流动块周围出 现选中标志：白色小方块），鼠标指针指向小方块，按住左键不 放，拖动鼠标，就可调整流动块的形状。在流动块属性设置中， 流动块颜色改为蓝色，填充色设为浅蓝色，管道宽度设为 16，流 动块宽度设为 10，流动块长度设为 6。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。第二章 系统组态设计图 2-4 元件管理图库2.5 定义数据对象 数据变量是构成实时数据库的基

17、本单元，建立实时数据库的 过程也即是定义数据变量的过程。 定义数据变量的内容主要包括： 指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变 量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限 等。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。分析变量名称：表 2-1 列出了样例工程中与动画和设备控制 相关的变量名。表 2-1 工程变量表变量名称类型注释水泵开关型控制水泵“启动” 、“停止”的变量液位一数值型液位控制罐的水位高度，用来控制液位控制罐的水位变化液位二数值型储水罐的水位高度，用来控制储水罐的水位变化液位组组对象用来液位报警时使用液位三数值型用来更改液位控制值时使用9第二章 系统组态设计PID

18、启动开关型对下位机进行 PID 启动正常启动开关型用来对下位机进行正常启动鼠标点击工作台的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。按“新增对象” 按钮，在窗口的数据变量列表中，增 加新的数据变量，多次按该按钮，则增加多个数据变量，系统缺 省定义的名称为“ Data1”、“Data2”、“Data3”等。选中变量，按 “对象属性”按钮或双击选中变量，则打开对象属性设置窗口。 以“液位一”变量为例。在基本属性中，对象名称为：液位一； 对象类型为： 数值；其它不变。在存盘属性中 , 数据对象值的存盘 选中定时存盘， 存盘周期设为 5 秒。同样的方法创建其它的变量。 创建完组对象对象后， 在组对

19、象成员中选择 “液位一”，存盘属性 选择定时 100S 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。10第二章 系统组态设计11第二章 系统组态设计图 2-5 变量创建图2.6 设备连接设备连接是为了实现上位机和下位机之间的连接。在本系统 中，设备连接实现的是下位机三菱 FX1n型号的 PLC与液位控制工 程之间的连接。本设计连接采用 RS232 协议。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。在“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱” ，在设备管理窗口单击“设备管理”，然后会出现如下的界面， 然后将通用串口父设备和 PLC下的三菱 FX 系列编程口添加到右侧界面，然后点确定。这时 在设备

20、管理下有这两个设备。由于 PLC是外部设备，所以必须要 加在通用串口父设备下，添加设备操作如图2-6 。然后设置父设备和 PLC的参数值，使其一致，这样才能实现通讯。设定的参数12第二章 系统组态设计如图 2-7 所示： 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。图 2-6 设备添加13第二章 系统组态设计图 2-7 设备通信设置在上面的右图设置设备内部属性一栏，设置 PLC内部与之相通信的通道， 设置的值有 X0、X1、Y1、Y2、Y3、M4、M6、M7、D497、D500、D501，它们与数据对象中的变量对应。其中这些量对应的 工程内部的变量如图 2-8 所示设置： 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。14第二章 系统组态

21、设计图 2-8 变量设置这样就完成了对设备的连接。 这时 PLC 中相应的数据可传到 对应的数据对像里。2.7 控制面板的设计 控制面板是用来实现上位机对下位机的控制的。设计步骤如 下：1在工具箱里选择元件库管理按钮，然后在里面的“其他” 这一类中选择框图，然后放在合适的位置。2在工具箱里拖出 7 个按钮和一个输入框， 分别更名为启动、 PID 启动、3个停止、退出系统、停止复位，输入框为“更改液位 值”。双击按钮，在其中的操作属性中依次作如下的修改：启动、 PID 启动、停止按钮分别设置为：对数据对象值进行置一，数据 量分别为 Data48，Data49，Data50。3 个停止分别为对 D

22、ata48、 Data49 清零和对 Data50 置一，停止复位是对 Data50 清零。“退 出系统”按钮则选择退出运行系统项，如图 2-9 所示。 塤礙籟馐决穩 賽釙冊庫。15第二章 系统组态设计图 2-9 设置窗口3输入框的设置是用来对 D500寄存器进行写入的，其中在 左侧进行一次文本操作， 即注释为 “液位高度输入框”。输入框的 属性设置如图 2-10 ：裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。16第二章 系统组态设计图 2-10 输入框属性设置4在按钮下面设置三个文本区域， 然后点击显示输出项， 则 会出现图 2-11 ，在表达式上填写 data11 ，输出类型为字符串输出，格式为向中对齐。 同理

23、在后面两个文本区域进行相同操作，只不过表达式分别写为 data12 、week11，然后在创建一个策略， 此策略在后面会在讲述。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。17第二章 系统组态设计图 2-11 设置窗口18第三章 PLC 课设第三章 PLC 设计3.1 PLC 概述早期的 PLC一般称为可编程逻辑控制器。 20 世纪 70 年代初出现了微 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 及处理等功能， 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

24、及处理的计算机存 储元件都以继电器命名。 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。 这时的 PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义， 其主 要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、 定时等。它在硬件上以准 计算机的形式出现， 在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要 求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路， 存储器采用磁 芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。 在软件编程 上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形 图。因此，早期的 PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易 懂，便于安装，体积小，能耗

25、低，有故障指使，能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 中期的 PLC（70年代中期 80 年代中后期）：20世纪 70 年代中末期，微处理器的出现使 PLC发生了巨大的变化， 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，美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC的中央 处理单元（ CPU），使其功能发生了飞跃。这样，使 PLC得功能大大增强。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外， 还增加了模拟量模块、 远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。 并扩大了存储器的容量，使各种逻辑

26、18第三章 PLC 课设线圈的数量增加， 还提供了一定数量的数据寄存器， 使 PLC得应用范围得 以扩大。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外， 还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。 鎦诗涇艳损楼紲 鯗餳類。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。 栉缏歐锄棗鈕种 鵑瑶锬。20世纪 80 年代初，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、 产品系列 化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可

27、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成熟阶段。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 近期的 PLC（80 年代中后期至今）：上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC发展最快的时期， 年增长率一 直保持为 3040%。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的 市场价格大幅度下跌， 使得各种类型的 PLC所采用的微处理器的当次普遍 提高。而且，为了进一步提高 PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开 发了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC软、硬件功能发生了巨大变化。 峴 扬斕滾澗辐滠兴渙藺。在这时期， PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能

28、力得到大幅度提高， PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取 代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。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。目 前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领 域的应用都得到了长足的发展。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。19第三章 P

29、LC 课设我国可编程控制器的引进、 应用、研制、生产是伴随着改革开放开始 的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。 接下来在各种企业的 生产设备及产品中不断扩大了 PLC的应用。 目前，我国自己已可以生产中 小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电 器厂生产的 DKK及 D系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子 计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中 获得了应用。此外， 无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我 国比较著名的 PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入， PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。3.2 系统设计 PLC程序本次设计用到了 STEP7-MicroWIN_V4 软件，打开软件软件主界面如下：图 3-1 软件主界面本次设计 PLC 梯形图程序如下：20第三章 PLC 课设以上是程序网络 1 的梯形图和相应参数注释网络 2 梯形图如下：21第三章 PLC 课设图 2- 梯形图网络