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南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第1页共34页基于plc的液位控制系统设计的初步方案1.工作原理：说明：S4为检测水池水位下限的模拟开关S3为检测水池水位上限的模拟开关S2为检测水塔水位下限的模拟开关S1为检测水塔水位上限的模拟开关水塔水位的工作方式：当水池液面低于下限水位（S4为ON表示），电磁阀Y打开注水，S4为OFF，表示水位高于下限水位，则电磁阀关闭。若3秒内开关S4仍未由闭合转为分断状态，表明电磁阀Y未打开，出现故障，则指示灯Y闪烁报警。当水池液面高于上限水位（S3未ON表示），电池阀Y关闭。当水塔水位低于下限水位（S2为ON表示），水塔M工作，向水塔供水，S2为OFF，表示水位高于下限水位，水泵M停止。若3秒内开关S2仍未由闭合转为分断，表明水泵M未工作，出现故障，则指示灯M闪烁报警。当水塔液面高于上限水位（S1为ON表示），水泵M停止。南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第2页共34页南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第3页共34页3.程序流程第1章绪论第1.1节水槽装置的概述液位控制常采用PID控制，该控制方法具有响应迅速、稳态误差小等优点。但当系统内部参数发生变化或受到外界干扰时，参数整定就比较困难，给学生实验带来很大的不便。为了满足自动化、冶金、化工等专业的实验室水槽液位控制的要求,我们对其进行了深入研究，设计了水槽装置PLC控制系统，该系统具有较强的适应内部参数变化和克服外界干扰的能力，具有一定的应用价值。第1.2节西门子PLC简介1.2.1可编程控制器概述可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，个人计算机(PersonalComputer)也简称PC，为了避免混在一起，人们将最初用于逻辑控制的可编程器叫做PLC（ProgrammableLogicController），通常也称为可编程控制器。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第4页共34页体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200系列PLC作为主控制器，完成一套过程控制实验系统，涵盖了《可编程控制器》、《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一搞，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1.2.2PLC的指导思想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扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。1.2.3PLC的历史和发展过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。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。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，成为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单元都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。PLC的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通讯网络技术等高新技术的发展是分不开的，他们推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求。PLC的发展经历了以下四个阶段：南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第5页共34页（1）初始阶段：第一台PLC的问世到70年代中期。产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，CPU由中小规模的集成电路组成，控制功能较简单。因为它能完成逻辑运算功能，又被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。典型的产品：MODICON公司的084ALLEN-BADLEY公司的PDQ－IIDEC公司的PDP－14日本日立公司的SCY－022（2）扩展阶段：70年代中期到70年代末期。产品主要在控制功能上得到较大的发展，来自两个方面：①从可编程序控制器发展的控制器－完成的是逻辑运算及扩展了其它运算功能，称之为可编程序控制器（Programmablecontrol）即PC（PLC）；②从模拟仪表发展的控制器－完成的是模拟运算及扩展其它逻辑运算功能，称之为单回路或多回路控制器（数字调节仪表）。典型的产品：MODICON公司的184，284和384西门子公司的SIMATICS3系列日本立石公司（OMRON）的SYSMAC－C系列等日本三菱公司的FX1系列和FX2系列等（3）通讯阶段：70年代末期到80年代中期。与计算机通讯的发展相联系，初步形成了分布式的通讯网络体系，但各制造厂各自为政，通讯系统自成体系，产品的功能得到发展，可靠性也大大提高。典型的产品：西门子公司的SIMATICS6系列GOULD公司的M84，884等（4）开放阶段：80年代中期开始至现在。开放系统的提出，使PLC得到了较大的发展，主要表现在通讯系统的开放，通讯协议的标准化使各厂家的产品可以通讯。这期间产品的规模增大功能不断的完善，大中型产品多数有CRT显示功能，采用标准软件，增加高级编程语言等。典型的产品：西门子公司的SIMATICS5系列ALLEN－BRADLEY公司的PLC－5等第1.3节主要任务为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。工业自动化可分为机械自动化和过程自动化，过程控制系统是指对连续性工业生产过程如化工石油石化冶金电站轻工等工业生产过程中以流体为主的有关的物理量（温度、压力、流量及液位等四个参数）的自动调节控制。过程控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的先进的实验装置。本实验装置建成后，可以形成一套独特的真实工业对象过程控制系统全仿真工业现场的实验装置。成果形式提供水槽装置可编程控制器控制系统实验装置。.本设计主要基本要求包括：（1）正确理解系统应用的目的和要求、掌握工程应用的一般程序。（2）熟悉某一种类型PLC的特点、使用及程序编制。（3）具有使用仪表使用手册、查阅相应资料的能力。（4）了解计算机辅助设计软件的基本使用方法。（5）具有根据调研、收集和查阅到的资料来分析判断确定论文/设计方案的能力。（6）初步具备运用自动化装置选型的能力。（7）具有归纳、整理技术资料，撰写技术论文的能力。南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第6页共34页（8）具有阐述论证论文/设计成果的能力，并通过答辩。第2章基本知识介绍第2.1节液位水槽装置的基本原理2.1.1液位水槽装置简单介绍在本设计中，用水槽1和水槽2构成液位L1与液位L2的串级控制系统。水槽1的液位L1为副变量，水槽2的液位L2为主变量。其主调节器2接受主参数信号，它的输出作为副调节器1的外给定信号。而副调节器1则是根据副参数与主调节器来的给定信号去调节阀，达到控制的目的。串级控制系统是比较常见的一种复杂控制系统。由于它具有主、副两台调节器，且有一个副环，它具有许多简单控制系统所不具有的优点，一般来说，串级控制系统的调节质量要比简单调节系统的调节质量高。当控制精度要求较高，简单调节系统不能满足要求时，串级调节系统往往会取得比较满意的结果，调节质量会大大提高。但是，如何更好地发挥串级调节系统的特点，以提高质量，这就与副参数的选择，或者说与副回路的构成有着密切的关系。由于串级控制系统具有主、副两台调节器，因此它的投运和整定比简单调节系统要复杂一些。南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第7页共34页L1T槽1L2T槽2槽1槽2槽槽槽槽槽1234SPLRC101LRC101LRC101LRC102图2-1水槽液位串级控制系统工艺流程图2.1.2液位水槽装置各设备的选型表2-1液位水槽装置设备选型名称型号规格精度数量制造厂家中央处理器模块（CPU）CPU312IFM内存RAM扩展到64K1模拟量输入模块（AI）SM331处理2点输入信号。2模拟量输出模块（AO）SM332处理1点输出信号1电源模块PS-3075A，24VDC1PC适配器RS232串行通信接口6ES7972-0CA23-0XA01南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第8页共34页电容式差压变送器1151DP-5E22M1B3D2量程：0～31.1kPa～186.8kPa工作电源：24VDC输出电流：4～20mADC二线制0.52北京市新大云传感技术公司精制自吸泵25ZDB-40-0.55电压：220V功率：0.55KW流量：2.8～3m3/h口径：25吸程：8.10扬程：40～45m转速：2860r/min1台州喷龙机电有限公司单相自吸水泵DBZ650-4.6-50功率：650W转速：290转/分扬程：50m温升：75℃流量：4.6m3/h吸程：9m频率50HZ1中外合资台州谊聚机电有限公司电气转换器QZD-1000A输入信号：4～20mA输出压力：0.02-0.1MPa气源压力：0.14MPa2江苏常熟仪表厂气动薄膜调节阀ZMBP-100K公称直径：8㎜公称压力10MPa阀开关型式：气开式介质温度：－40～25℃信号压力：20-100KP行程：10㎜2空气过滤减压器QFH-611输出：0.6kgf/cm2流量：3M3/h2上海自动化仪表厂第2.2节PLC的结构和原理第2.2.1节PLC控制组件S7-300PLC控制系统：S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。图1-8所示为S7-300PLC、控制系统结构图。第2.2.2节PLC的功能、特点PLC是面向用户专为在工作环境下应用而设计的专用计算机。它具有以下几个显著特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计的，要能适应这样一个具有很强的电噪声、电磁干扰、南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第9页共34页机械振动、极端温度和湿度很大的工业环境中，那么，在PLC硬件设计方面，首先应对器件严格筛选和优化，而且在电路结构及