基于S7-200PLC的双容水箱液位控制器设计毕业论文

本科毕业论文（设计）基于S7-200PLC的双容水箱液位控制器设计系（部）信息工程系专业电气工程及其自动化学号20107084411学生姓名指导教师提交日期2014年5月22日中工I摘要本论文目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建过程控制系统，通过S7-200PLC实现对液位的串级PID控制。最后借助数据采集模块﹑西门子触摸屏和数字控制器，设计并组建远程过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键字：液位，模型，PID控制，PLC控制系统IIAbstractThepurposeofthispaperistodesigntheliquidlevel'sconcatenationcontrolsystemofthedoublecapacitywatertank.Thisdesignmakesfulluseoftheautomaticcomputertechnique﹑thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizeconcatenationcontrolofwatertank'sliquid.First,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects'model,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,IDesigntheconcatenationcontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystem.Afterwards,Idesignandsetuptheindicatorprocesscontrolsystem,realizePIDcontroloftheliquidlevelwithS7-200PLC.Finally,Idesignandsetupthelongdistancecomputercontrolsysteminvirtueofthedatacollectionmodule﹑SiemenstouchscreenanddigitalPIDcontroller，accomplishcontrolsystemexperimentandanalyzetheoutcome.Keywords:liquidlevel,model,PIDcontrol,computerprocesscontrolsystemIII目录摘要..................................................................IAbstract...............................................................II1引言...................................................................11.1选题的目的和意义.................................................11.2国内外研究现状发展趋势...........................................12系统设计说明...........................................................32.1要求.............................................................32.2作用说明.........................................................33系统设计研究...........................................................43.1系统建模.........................................................43.1.1数学模型建立方法............................................43.1.3双容水箱数学模型建立........................................53.2PID算法.........................................................93.2.1PID控制理论的发展与现状....................................93.2.2PID控制原理及特点..........................................94系统设计..............................................................144.1系统总体设计....................................................144.2PLC及外围模块的选型............................................144.3I/O口分配......................................................164.4电气原理图设计..................................................174.5S7-200PLCPID指令简介..........................................185调试..................................................................196结论..................................................................21参考文献...............................................................22致谢...................................................................23中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）11引言1.1选题的目的和意义液位控制[1]问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业在生产加工过程中通常要对蓄液池中的液位进行适当的控制。在工业生产中通过液位的检测与控制，可以了解容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当，提高生产效率以及产品的质量。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数[2]，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，就需要要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量。目前国内外的液位控制的方法有很多，控制要求不高的情况下常用的有：1、液压式水位控制阀，其原理：当液位下降时，阀内的弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水，水箱内的水位逐渐上升，阀门内所受的压力逐渐增大，当水位上升到预设的液位时弹簧所受的力与阀内所承受的压力达到平衡，阀门[3]自动停止加水。该控制方法适用于工矿企业、民用建筑中的各种水箱、太阳能水箱的自动供水系统。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。2、浮球水位控制器，是利用浮球在液体中的上升或下降，接通球体内部的重力开关，再由浮球内部的触点开关去控制相关电器设备。浮球水位控制器分为管式浮球与缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大的液体，缆浮球适合污水。3、超声波液位控制器，适用于腐蚀性的液体、污水等液位的控制。但是液位控制系统是一个非线性系统，采用上述控制方式存在溶积延迟时间长[4]、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度的控制要求。采用组态软件编制上位机控制界面和算法程序，组建接近于实际的控制系统。双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制[5]可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。1.2国内外研究现状发展趋势随着时代的发展，双容水箱控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，双容中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）2水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。双容水箱控制[6]系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、等高校。双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱数学模型，具有较强的代表性和工业背景，对双容水箱建模是非常有意义的。同时，双容水箱的非线性，时滞对象是比较典型的可抽象成的数学模型[7]，许多被控对象的整体或局部可抽象为水箱模型，具有很强的代表性和产业背景，对双容水箱建模是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模的研究和控制在工业生产上对液位控制系统的研究策略具有重要的指导意义，如工业锅炉液位控制，结晶器等的液位控制。而两个水箱控制可用于研究复杂的非线性系统，具有较强的理论基础，属于基础研究与应用。同时，它还具有很强的综合性，涉及的控制理论，智能控制理论，流体力学等学科。水箱液位控制系统[8]是整机设计的重要部分，一般应用在船舶、发电站、污水净化站、蓄水库等需要监控液位的地方，目前并没有相关文献规范液位控制系统的设计方法，只是依靠以往的经验理论进行设计工作。船舶上用到的多输入/输出的液位控制系统是一个非线性系统，常存在容积延迟时间长、抗干扰能力差的现象。运用滑模控制算法、并用组态王(Kingview)编制了上位机控制界面和算法程序[9]，组件接近于实际的控制系统。通过在线运行，获得滑模变结构控制自适应能力强，动态、静态品质优良，鲁棒性好等优点，有效地解决了类似系统难于控制的问题。对液位控制系统，一般是在工作点附近线性化后再加以控制的。控制方法有PID控制[10]、基于线性模型的模糊控制[1]、人工神经网络等等。针对双容水箱普遍存在容积延迟问题和传统PID单回路控制难于达到控制要求的特点，提出了基于串级技术和PLC控制器的双容液位控制系统。系统根据双容水箱的数学模型，采用微分先行的串级控制技术、PLC控制器、MCGS软件组态[4]实现了双容液位的高精度控制盒实时显示。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，只能适应一般的控制系统，而不能控制滞后、复杂、时变温度系统。然而适应于较高控制场合的智能化[11]、自适应控制仪表，国内技术还不够成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表很少。由于工业过程控制的要求，特别是在微电子技术和计算机技术领域的迅速发展以及自动控制理