摘要在工業生產過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數之一。在油工業、化工生產、電力工程、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類流體的液位高度進行檢測和控制。由于其具有工況復雜、參數多變等特點，它對控制調節器要求極高。針對人工控制液位的準度較低、速度較慢、靈敏度偏低等一系列問題。本文提出了基于PLC的液位控制系統，系統主要通過將液位傳感器檢測到的電信號通過接口送入PLC中，經過A/D轉換成數字信號，隨后送入數字PID調節器中，經PID算法后將控制量經過D/A轉換成水泵電機轉速相對應的電信號送入水泵電機來控制水泵轉速，最終達到控制液位的目的。通過仿真和分析結果表明本文所設計系統能夠正常運行并且達到了設計的目的，能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統液位控制系統的很多弊端。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為液位控制的主要技術之一。 可編程控制器是一種應用廣泛非常的自動控制裝置，它將傳統的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續工作的特點，非常適合液位控制的要求。目前常用的可編程控制器中，西門子公司的S7-200以其編程軟件STEP7的簡潔易用和通信網絡的功能強大得到業內人十的普遍認可。關鍵詞：西門子S7-200；PID；液位變送器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題研究背景、意義和目的為了解決人工控制的控制準度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現在就引入了工業生產的自動化控制。在自動化控制的工業生產過程中，一個很重要的控制參數就是液位。一個系統的液位是否穩定，直接影響到了工業生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現在工業控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經也不能夠滿足工業生產控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時。液位控制系統它使我們的生活、生產都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節約了更多的勞動力，更多的時間。在我國隨著社會的發展，很早就實行了自動控制。而在我國液位控制系統也利用得相當的廣泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們人民帶來生命危險和財產損失。傳統供水系統采用基于PLC的PID 控制原理，PID控制原理簡單，使用方便，適應性強，廣泛應用于各種工業過程控制領域 ，使供水系統更加的安全可靠。 可編程邏輯控制器既保留了繼電器控制系統的簡單易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機通信和維修方便等諸多高品質性能，又采用一種可編程運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。因此，現在PLC在液位控制領域得到了廣泛而深入的應用。1.2 液位控制問題國內外研究現狀近幾十年來，控制系統已被廣泛使用，在起研究和發展上也已趨于完備，控制的概念更是應用在許多生活周遭的事物。液位控制系統已是一般工業界所不可缺少的，蓄水槽、污水處理廠等都需要液位元的控制。使用液位控制系統來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。除了傳統的PID控制系統外，近年來隨著智能儀表和PLC的發展，加入智能型控制的系統也得以應用。由于液位控制系統取得了很大的進步，因此出現了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、光電液位開關等，這些控制器的出現大大提高了控制系統的精度，實現了控制系統的豐富多樣性。在自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外液位控制系統發展迅速，美國、德國、日本等技術領先國家，生產開發出一系列性能優異、實用性強的液位控制器以及和應的儀器儀表，并廣泛應用于生產生活的各個領域。這些先進的控制器不僅能實現各種復雜環境下的液位控制系統的控制，而且運用先進的算法，采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機技術，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。國外的液位控制器正朝著高精度、智能化等力一向快速發展。反觀我國，雖然液位控制。系統在國內生產生活的應用十分廣泛，但是國內的液位控制器的發展水平仍然不高，同先進國家的差距仍然很大。國內液位控制器仍以常規的PID控制器為主，無法適用于滯后、復雜、時變的液位系統控制。智能化、自適應的控制系統，國內還沒有相關的成熟技術。我國相關控制器大量依靠國外的成熟技術，這些都是必須正視的現實。所以，發展先進的液位控制技術是我們必須重視的趨勢。1.3 研究概述及發展趨勢隨著科學技術的不斷發展，人們對液位控制系統的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統是國內外液位控制系統發展的必然趨勢。1）PLC關于液位控制的發展趨勢人們的生活的提高，同時對生活的要求也越來越高，同樣對液位控制的及時性、精準性也要求越來越苛刻！基于PLC的液位控制有著，第一，可靠性高、抗干擾能力強，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡單、使用方便目前大多數PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程。第三，設計安裝容易，維護工作量少。第四，適用于惡劣的工業環境，采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應用場合。第五，與外部設備連接方便，采用統一接線方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規格。第六，功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。所以基于PLC的液位控制系統的發展前景還是非常寬廣！長期以來，PLC始終處于工業控制自動化領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供非?？煽康目刂品桨?，與DCS和工業PC形成了三足鼎立之勢。同時，PLC也承受著來自其它技術產品的沖擊，尤其是工業PC所帶來的沖擊，如今PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展。2）PLC在工業和經濟上的發展前景目前我國在大量引進進口PLC的同時，也在發展國產PLC的同時，主要面臨著二大問題：其一是技術問題，在國際上PLC迅速發展的形勢下，我國大多數PLC廠家還沒有擁有自主知識產權，能夠參與國際競爭的PLC產品，這其中主要的因素是研發實力不夠。雖然資金投入、生產和質量管理等因素也占有非常大的比重，但對產品的質量起著決定性作用的是研發投入、研發成果產品化以及生產工藝等。其二是競爭問題，由于國內PLC市場大部分由外國的產品所占領，大、中型PLC產品中，幾乎全部由國外幾大公司壟斷，隨著我國使用PLC市場的不斷擴大，國外幾大公司幾乎每年都會針對市場推出新的產品，而我國沒有自己的自主知識產權的產品，在經濟競爭中就只能處于被動的地位。1.4 本文的組織結構本文的主要內容安排如下：第1章簡要介紹了PLC液位控制系統的背景、技術的研究、發展趨勢以及液位控制的意義和方法，國內外的研究現狀和發展趨勢以及論文研究的意義。第2章主要介紹了PLC的一些相關的知識及其的一些組成部分的闡述。第3章簡要介紹系統的整體設計思路和元器件的選擇及其相關知識的介紹。第4章簡要介紹了PID控制器的原理，控制算法，指令的使用，歸一化處理以及參數整定，最后簡要介紹了閉環控系統和開環控制系統的比較。第5章簡要介紹了系統的硬件設計，其中介紹了，液位變送器以及西門子S7-200PLC等器件，以及它們的使用方法。第6章主要介紹了系統的軟件設計，講述了本次設計的中心思想，I/O口的使用在本次設計中的作用，一些變量在程序中所占用的內存，程序設計的流程圖，重點程序設計梯形圖的講解。第7章是總結部分，對本次畢業設計進行總結。2 PLC相關知識及特點介紹2.1 PLC的定義PLC英文全稱Programmable Logic Controller ，中文的全稱為可編程序邏輯控制器，定義是：它是一種數字類型的具有運算及操作功能的一個電子系統，是專門用于工業的生產環境中。它使用的是一種可以編程的特殊類型的存儲器，用來在其內部進行存儲已經編寫好的程序，執行某些邏輯等運算的功能，還可以進行順序控制，定時也是它的其中一種功能，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。在此次畢業設計中，實驗室中提供的PLC是德國的西門子（SIEMENS）公司生產的。而且，可編程序控制器在我國的其它行業中也得到了相當廣泛的應用，在化工等領域的應用頻率是最高的。西門子（SIEMENS）公司生產的PLC。包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等不同的系列。 我們使用的西門子S7-200系列，其優點是：體積小且具有網絡通信的能力，當然還有其它的特點，當使用時就可以發現它的好處。S7系列的PLC產品，一般分為微型的PLC（如S7-200），還有小規模類型的PLC，其性能也是非常好的，還有S7-300系列的PLC，也是中、高性能的PLC。2.2 PLC的分類可編程序控制器的分類方法可以從三個方面來進行劃分。首先是從可編程序控制器的控制規模上去分類，按控制規模分類：它可以分為大型機、中型機和小型機。小型機：控制點在256點之內就被叫做小型機，它可以用來進行單機控制或者是小型系統的控制。西門子公司生產的小型機有S7-200：它的處理速度0.81.2ms ；數字量248點；存貯器2k ； 模擬量35路 。中型機：控制點在256點與2048點之間的就被稱作中型機,它可以用來對設備進行直接的控制，它還可以監控很多比他比它低一個級別的可編程序控制器，中型機適和與對中型或者大型控制系統的控制。 西門子公司生產的中型機有S7-300：它的處理速度0.81.2ms ；數字量1024點；存貯器2k ； 模擬量128路；工業以太網；網絡PROFIBUS；MPI。大型機：控制點在2048點以上的被叫做大型機,它既能完成較復雜的算術運算又可以完成復雜的矩陣運算。它在對多個比它級別低的可編程序控制器進行監控管理的同時還能對設備進行直接地控制，西門子公司生產的大型機有S7-400 ：處理速度0.3ms / 1k字；I/O點12672；存貯器512k ；其次是從可編程序控制器的性能高低去分類，最后是從可編程序控制器的結構特點上去分它可以分為模塊式、整體式。按結構形式去劃分：模塊式：是根據其功能將PLC系統的各個組成部分分成若干個模塊，比如分為CPU模塊、輸入模塊、電源模塊、輸出模塊等。雖然各模塊功能比較單一，但是模塊的種類卻十分的豐富。比如，某些可編程序控制器，除了具有些基本的I/O模塊以外，還具有一些特殊的功能模塊，位置檢測模塊、通訊模塊、PID控制模塊、像溫度檢測模塊等等。各模塊雖然功能是獨立的，但是外形尺寸是統一的，可根據需要靈活地配置。整體式：將CPU、電源、I/O系統、存儲器集成在一個單元里面的叫做整體式結構的可編程序控制器，同時該單元也被叫做作基本單元。這樣做的好處就是當控制點的點數滿足需求時，可以接入擴展的單元。它的結構特點是體積小、緊湊、成本低、安裝方便。2.3 PLC的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，傳統的繼電器控制系統中的邏輯器件和繁雜的連線被軟件程序所取代，所以PLC控制系統的可靠性大大的提高了（2）控制系統結構簡單，通用性強PLC控制系統實質性的好處是當控制要求改變，需要變更控制系統的功能時，只需對程序進行簡單的修改，對硬件部分稍作改動即可，而不像繼電器控制系統那樣，在一個裝配好的控制盤上，對系統進行修改幾乎是不可能的事情。同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入、輸出組件和應用軟件的不同。所以說PLC控制系統有極高的柔性，即通用性強。（3）編程方便，易于使用 PLC作為通用工業控制類型的計算機，是面向眾多工廠的一種具有很強控制能力的工控設備。它與其它的外部設備接線十分的方便，編程語言對于使用者來說也是十分容易的。（4）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，最新生產的PLC的底部的長度是小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小，所以很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。2.4 PLC的主機模塊2.4.1 中央微處理器（CPU）中央處理器（CPU）是PLC主機模塊的心臟和大腦。它具有理想的控制功能。PLC的CPU是各生產廠家研制設計。各種型號的PLC都有對應的CPU系列相匹配。所以應該熟悉和充分掌握所選用的控制器的中央微處理器的工作性能及基本結構。1CPU的基本結構CPU由運算器和控制器組成。其中運算器是由算數邏輯單元及一些寄存器組成。運算器是PLC執行算數運算和邏輯運算的邏輯器件，負責對輸入的數據信息進行加工處理?？刂破魇侵噶钭g碼器、時序發生器和操作控制器等元器件組成?？刂破髫撠熃浿噶钭g碼器譯制好的二進制代碼的調用，付出控制信號，協調各部分的正常工作。2CPU的功能CPU具有接收程序、運行程序和監控系統運行的功能。（1）接收程序。CPU對系統和用戶程序都能接收。（2）運行程序。無論系統程序，還是用戶程序，或者是擴展功能的控制程序，在執行時，都必須把它們調入內存（或在內存中直接調用）。其過程如下：CPU通過控制總線發出操作命令，通過地址總線讀取數據存放的地址，通過數據總線讀取指令和操作數據，將它們存入指令寄存器。然后，通過譯碼器對程序中的指令代碼逐條翻譯，變成控制信號，同時信號合成，經過放大形成可驅動指令代碼信號的脈沖，去驅動負載元器件。（3）監控系統運行。PLC可工作在運行狀態，也可以工作在監控狀態對系統實施監控。并可以工作在編程狀態、修改程序、改變相關數據和監控運行狀態。3. CPU模塊性能參數CPU模塊是數字系統的核心元器件，它必須具備一定的工作性能和在相關的性能參數允許的范圍內，才能達到理想的最佳效果。 （1）主頻。主頻就是CPU的工作頻率，是系統時鐘在單位時間內振蕩的次數，主頻越高，CPU運行的速度越快。但是，也不是越高越好。由于主頻必須與外頻相匹配，所以，只有最合適的主頻才是最好的。 （2）外頻。外頻是整機系統總線的工作頻率。 （3）差頻。差頻是主頻和外頻之間相差的倍數，即主頻=外頻*倍頻。為了提高CPU的工作效率，采用提高外頻的措施比較好。 （4）運算速度。CPU在每秒鐘能夠執行的指令數，稱為CPU的運算速度，單位是每秒百萬條指令。 （5）字長。字長是CPU一次傳送數據的二進制的位數，一般的字長為8位、16位、32位及64位。 （6）工作電壓。CPU的額定工作電壓一般是5V。但是由于CPU模塊集成度高、工作速度高、功耗較大，發熱較嚴重，從而會降低使用壽命。因此，只有降低工作電壓是降低功耗的好辦法。（7）周期。PLC的CPU的周期分為三種：一是時鐘周期；二是機器周期；三是掃描周期。時鐘周期是CPU內核時鐘振蕩一次所用的時間。機器作為一個基本操作所占用的時間，稱為一個機器周期。CPU執行一次掃描占用的時間稱為掃描周期。三者的關系：若干個時鐘周期構成一個機器周期。若干個機器周期構成一個掃描周期（8）總線長度。CPU中配置了地址總線、數據總線和控制總線。2.4.2 存儲器PLC的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器兩部分。系統存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫的系統程序，并固化在ROM內，用戶不能更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設計者規定的各項工作。系統程序的內容主要包括三部分：系統管理程序、用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統調用管理程序。用戶程序存儲器包括用戶程序存儲器和用戶數據存儲器兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務用規定的PLC編程語言寫的應用程序。用戶程序存儲器根據所選用的存儲器單元類型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存儲器，其內容可由用戶隨意修改或刪除。用戶數據存儲器可以用來存放用戶程序中所使用的器件的ON/OFF狀態和數值、數據等。用戶存儲器的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。PLC使用的存儲器件類型有三種：ROM、RAM和EEPROM。（1）只讀存儲器（ROM） ROM的內容只能讀出，不能寫入。它是非易失去的，當斷電后仍能保存存儲的內容。一般用來存放PLC的系統程序，這部分程序和數據由生產廠家燒制而成，用戶是不能修改的。（2）隨機存取存儲器（RAM） 顧名思義這類存儲器是用來保存PLC內部元器件的實時數據。（3）可電擦出可編程的只讀存儲器（EEPROM）這種存儲器是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優點。2.4.3 輸入/輸出單元 PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關模擬量。輸入/輸出接口單元包含兩部分：一部分是與被控設備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入單元接收來自用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。外部接口電路將這些信號轉換成CPU能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并結合其他元器件最新的信息，按照用戶程序進行計算，將有關輸出的最新計算結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點相對應的觸發器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、指示燈等被控設備的執行元件。2.4.4 電源部分 PLC一般使用220V的交流電源或者24V的直流電源，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供的5V、12V、24V等直流電源，整體式的小型PLC還提供一定容量的直流24V電源，供外部有源傳感器使用。PLC所采用的開關電源輸入電壓范圍寬、體積小、效率高、抗干擾能力強。 電源部件的位置形式可有多鐘，對于整體式結構的PLC，通常電源封裝到機殼內部；對于模塊式PLC，則多采用單獨的電源模塊。2.4.5 通信接口 為了實現“人機”或“機機”之間的對話，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通過這些接口可以顯示與設定單元、觸摸屏、打印機相連，提供方便的人機交換途徑；也可以與其他的PLC、計算機以及現場總線網絡相連，組成多級系統或者工業網絡控制系統。2.5 PLC的工作原理研制生產PLC的最初想法是為了代替由繼電器和接觸器組成的傳統的控制裝置，但是這兩者其運行的方式在一定程度上有所不同。繼電器控制裝置其運行方式是硬邏輯并行運行。就是如果當前繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的相應位置上都會立即同時通電或斷開。 PLC 的CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms 以上，而PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式掃描技術。這樣在對于I/O 響應要求不高的場合，PLC 與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。 當PLC上電后，處于正常的運行時，它將不斷重復掃描過程，并不斷的循環下去。輸入采樣階段：這個階段它將最開始掃描所有的輸入端子，同時還要將各輸入的狀態存入相對應的映像寄存器中，這時候輸入映像寄存器就會被刷新。用戶程序執行階段：到了這個階段后，PLC會按照從左到右、從上到下的順序執行程序。當指令中包含有輸入、輸出狀態時，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應輸入端子狀態，從元件映像寄存器“讀入”對應元件的當前狀態。然后進行相應的計算，最新的運算結果馬上再存入到相應的元件映像寄存器中。輸出刷新階段：當用戶的程序執行完畢以后，在輸出刷新階段，元件映像寄存器中的所有輸出繼電器的狀態會被一起轉存到輸出鎖存器中，并通過一定的方式集中地輸出出來，最后讓輸出端子驅動外部的負載。輸出鎖存器的狀態不會改變，當下一個輸出刷新階段開始之前，所以相應的輸出端子的狀態也不會發生變化。正常情況下，PLC的一個掃描周期的內容包括下圖所示的內容。圖2.1 可編程控制器的掃描周期3 液位檢測系統設計及元器件的選擇3.1 系統整體思路介紹目前采用的是水箱液位的PID調節，有兩級水箱，如果控制一個水箱是單回路反饋PID控制。單回路系統是指在一個調節對象上用一個PID調節來保持參數的很定，而調節器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構，兩個水箱的液位通過串級反饋回路來控制，系統具體裝置如下圖1所示：圖1需要注意的是，系統運行前需要控制液位水箱水路上的手動閥全部打開，打開水箱的出水閥至適當的位置。系統通過PLC控制液位的高度，實現的方法是，通過液位傳感器把檢測到的信號變成相應的電信號傳到PLC模擬輸入通道中，由PLC經過PID算法計算得出的輸出信號，經過信號處理輸出到執行器電動調節閥中控制閥門的開度，使得液位達到指定的高度，這個過程需要一定的時間，輸出的信號和電動調節閥的開度成正比，反之控制器參數選擇不合適，則會使得控制質量變壞，達不到預期的效果，所以PID參數的選擇是很重要的，要很好的去整定，系統可以設定比例積分微分的參數，觀察積分的效果，使用比例控制、比例積分控制和比例積分微分控制進行試驗，將他們得到的結果進行對比，就可以知道3個環節分別的作用系統的控制圖如圖2所示：PLC主控系統統PID控制器D/A電機驅動模塊水泵A/D壓力傳感器SVPV圖2其中SV給定信號，由用戶通過計算機設定，PV為控制變量，它們的差是PID調節器的輸入偏差信號，經過PLC的PID運算后輸出，調節器的輸出信號經過PLC的D/A轉換成4-20ma的模擬電信號后輸出到電動調節閥中調節閥的開度，以控制水的流量，使得水箱的液位保持設定值。水箱的液位經過壓力變送器檢測轉換為相應的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經過A/D轉換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經過PLC的CPU的檢查運算成了偏差信號e，又輸入到PID調節器中，又開始了新的調節，所以系統能實時調節水箱的液位。3.2 液位傳感器的分類按招使用的方法將液位測量分為接觸式和非接觸式兩個大類。接觸式液位測量主要有：人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計、電容式液位計和磁致伸縮式液位計等。它們共同的特點是感應元件與被測液體接觸，因此存在一定的磨損且容易被液體粘住或腐蝕。非接觸式液位測量主要有：微波雷達液位計、放射線液位計、激光液位計及超聲波液位計等。目前，國內外工業生產中普遍采用的液位測量方法，有以下幾大類1）雷達液位傳感器雷達傳感器實質是用發射、反射、接收的過程來檢測距離遠近。所以可用在有害等不適合人靠近的情況下。其實它是一類特殊形式的電磁波，物理特性和可見光類似，雷達信號有用穿透空間的功能。雷達信號能否被反射，有兩個因素影響：1)所測物質導電性大??；2)所測物質介電常數，全部導電介質都會反射雷達信號只有介質的導電性弱的問題，能夠被很精確的檢測到，雷達波不容易受到干擾，而且能夠穿透一些不導電介質，不用在穿透過去的地方開孔，就可以實現非接觸測量，能夠使用與各種各樣的場合，比如真空測量，液位測量，粉灰位或固體料位測量，就算在灰塵、粉塵濃度大并伴有很強旋渦的環境下，測量結果也是很精確的，但是雷達傳感器的測量信號運行時間極短，這樣要分析處理信號要有極高的技術，使得它的價格高額、技術要求過硬。2）超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器的發展飛快、應用最普遍，適用于檢測明渠液位和開口容器內液位，他是檢測換能器發射的脈沖由空氣傳到介質上，然后介質反射脈沖到換能器上的時間，在計算出換能器到被測介質之間的距離。 在對比換能器所裝高度，就能計算出液位高度，缺點是聲波在介質傳播速度最容易被環境因素影響，在測量的可靠性和準確性上有所欠缺。3）同位素/放射性液位傳感器它的原理是放射性同位素射線（如射線、射線、射線）具有穿透于反射能力，測量射線、射線、射線到達被測物質時通過被測物質或者經過被測物質反射的衰減原理、監測穿過被測物質之后射線信號的強弱、通過計算達到測量液位的目的。 液位高度越高，介質吸收放射線力度越大，檢測器輸出就會越低，在得知檢測器內的介質吸收能量的情況，在經過一些列信號轉換，即可得出被測液位的高度。了解放射性自身的特點后，可以將它可以用于腐蝕性、有毒性、大粘性和易燃易爆的場所，而且不同介質密度對射線的吸收也不同，所以可以用來測量密度不同的液體的分界面，氣體和固體或液體和固體的分界面。 但是用的是射線衰減原理，測量信息的能量會因為干擾而損失，測量的準確度不是很高，并且射線的輻射作用對人體也是有恙的。4）電子類液位傳感器 測量原理是把液位變化這個非電量轉變為電量的變化，設計測量電路將電量變化參數檢測出來，達到測量液位變化的目的。電容式液位傳感器是最普遍也是相當成熟的，它不僅可靠性較高、并且測量范圍廣泛 、適用于測量各種各樣的介質、導電或非導電介質的液位、唯一不能夠測量的只有導電的粘性介質。電容式液位計：電容器兩極極板間的電介質是空氣和液體，運用電子學測量出電容值，從而檢測出液體的高度；它結構簡單，唯一缺點是所測液體要有一致的、穩定的介電常數，要加上溫度補償，測量儀器與傳感器的連接要用長電纜，電纜中的干擾和寄生電容的影響很大，測量精度不靠譜。電容液位傳感器是利用被測液體的導電率，將液位變化轉換成靜電電容變化來測量的一種液位計，但對導電介質或者粘性介質，容易發生掛料，誤差概率大、干擾會嚴重影響到測量結果。 電阻式液位計：檢測器在空氣中的阻值遠遠大于它浸在液體中的阻值，利用電子學方法測量液體容器底部與液體頂部之間的電阻，經過計算可以得到液位高度，其測量精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染與沉積物能產生錯誤輸出，在直流工作時會產生電解，響應速度慢。5）熱學式液位計通過熱電阻發出的信號判斷檢測元件有沒有進到液體中。它體型小、適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等。6）光學液位計 大部分是光纖液位傳感器，其原理是利用光的強弱變化來進行液位測量。它可以是用發光元器件將射出來的光通過傳輸光纖送到光敏感元件上，在敏感元件的球面上，有一部分光透過而殘余的光被反射回來。當觸摸敏感元件和液相，與空氣的接觸相比，透光球面上的光增加，反射相應降低，反射的光敏感元件可以知道是否暴露于液體。敏感元件玻璃的折射率和被測物質的折射率決定了反射光量，并將通過傳輸光纖以受光器件的光電晶體管進行光電轉換后輸出。塑料測桿探頭加工成的斜面或錐面也能做光纖傳感器。光源光線射進測桿后，假如測桿在空氣中那么發生全反射時光線按原路射回，如果測桿插到液體內，因為液體的折射率比空氣高，錐形截面處發生光折射，全內反射效應消失，就可以通過接收的光功率測量點液位，它的最大問題就是油滴和冷凝作用可能會使測量精度有所誤差。這種液位傳感器具有結構簡單，實現難度不大、造價低廉、抗電磁干擾能力強、絕緣性好、響應時間短、能用于易爆易燃等場合的優勢。但是受到最大影響的地方就是光源的強度波動和連接器損耗變化等，所以它的測量范圍小、精度低、能量容易丟失，一般不用于測量低粘度液位，長遠的穩定性差。7）液壓類液位計 這種液位計能夠進行連續測量 A氣泡式液位計：使被測液位值轉化成空氣的壓力值，測量這個壓力值，利用它的被測壓力與液體相對密度乘落差之積成正比的原理測量液位，但它的問題就是檢測方式非常復雜。B. 壓力傳感器：利用液位變化時器件底部某點上的壓力也會跟著變化的原理來設計的。當測量沒有物質的容器時，一般都用直接測量底部中心點的壓力來檢測，它的精度主要是受到壓力表的精度限制，而且要求被測液體的密度已知且密度恒定不變。液位傳感器還有很多分類，比如按功能進行分類，可以分為連續式液位傳感器、點式測量液位傳感器等等。不過全球現在最常使用的還是：核輻射法、光導法、超聲法、微波法、雷達法、電容式、射頻導納式等多種傳感器技術和智能化測量控制技術、各自都有優缺點和適應性并且應用都非常廣泛。3.3 針對本次設計應用選擇種類本次畢業設計的主要目的是選擇合適的液位傳感器和測量電路進行液位檢測，采用PLC或上位機作為控制系統，進行實時系統數據處理和采集存儲，保證系統工作在最佳狀態，提高系統的測量精度，提高系統的工作效率。 而在接到這個題目之后，先是搜集了十多份材料，下載了關于多數液位傳感器的資料，最終確定了使用壓力液位傳感器為本次設計的傳感器。3.4液位變送器模塊設計3.4.1液位變送器工作原理液位傳感器（靜壓液位計/液位變送器/液位傳感器/水位傳感器）是一種測量液位的壓力傳感器靜壓投入式液位變送器（液位計）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進的隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（一般為420mA/15VDC）。用靜壓測量原理：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓強公式為： = .g.H + Po式中：P ：變送器迎液面所受壓強：被測液體密度g ：當地重力加速度Po ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓強 P ，可以得到液位深度。功能特點：穩定性好，滿度、零位長期穩定性可達 0.1%FS/ 年。在補償溫度 0 70范圍內，溫度飄移低于 0.1%FS ，在整個允許工作溫度范圍內低于 0.3%FS 。具有反向保護、限流保護電路，在安裝時正負極接反不會損壞變送器，異常時送器會自動限流在 35MA 以內。固態結構，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。安裝方便、結構簡單、經濟耐用。3.4.2 液位變送器主要技術參數工藝: 擴散硅 陶瓷電容 藍寶石 電容任選。分體式一體式可選，量程: 0-0.5-200米，輸出: 0-10V (3線制)供電: 7.5-36VDC 推薦24VDCCBM-2100/CBM-2700投入式靜壓液位計可靠防腐并帶有陶瓷測量單元的探頭，用于凈水、污水及鹽水的物位測量。GY500投入分體式液位變送器采用擴散硅壓阻芯體,316全不銹鋼結構，殼體采用隔離防爆設計,該投入式液位計主要適用于河流、地下水位、水庫、水塔及容器等的液位測量與控制。電路采用信號隔離放大，截頻干擾設計（抗干擾能力強，防雷擊）過壓保護，限流保護，抗沖擊，防腐等設計。被測介質：液體（弱腐蝕性）壓力類型：表壓量 程： 00.1M1M3M5M10M20M50M100M200M500M （水位高/深度,最小 量程為0.1米）輸 出：420mA（二線制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三線制）綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS供 電： 24V Dc（936VDC）絕緣電阻： 1000 M/100VDC負載電阻: 電流輸出型：最大800電壓輸出型：大于50K介質溫度：-2085環境溫度：-2085儲存溫度：-4090相對濕度： 095% RH密封等級：IP68過載能力： 150%FS響應時間：5mS穩 定 性：0.15%FS/年振動影響：0.15%FS/年（機械振動頻率20Hz1000Hz）電氣連接：3/5芯導氣屏蔽電纜全密封；標準配線8米壓力連接：投入式連接螺紋材料：304/316L不銹鋼3.4.3 液位變送器電路原理圖4 系統設計目前比較流行的控制算法是PID算法，這種算法比較容易實現。因此本次設計我主要采用了PID控制算法，所以本章主要介紹了PID算法的的相關知識。4.1 PID算法控制原理模擬閉環控制是一個更好的方法，PID控制，PID在工業應用中已經60年了，現在仍然被廣泛應用。人們在應用過程中已經積累了很多的經驗，PID的研究已經達到了一個比較高的水平。比例控制（P）是一個簡單的控制模式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。它的特點是響應速度快，控制時間持久，但不能消除殘余誤差。在積分控制（I）中，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例的不可分割的關系。積分控制可以消除殘余的錯誤，但具有滯后的特點，余差不能很快被有效控制。在微分控制（D）時，控制器的輸出和輸入的差分誤差信號（即誤差變化率）成正比。微分控制具有超前作用，它可以猜測錯誤趨勢。避免出現較大的誤差，微分控制不能消除殘余誤差。PID控制，P，I，D每個環節都有自己的長處和短處，一起使用時，又相互制約，但只有合理選擇的PID值，才可以得到一個較高的質量控制。4.1.1 PID控制算法PID控制器D/A電機驅動模塊水泵壓力傳感器A/DSVPV圖4.1 閉環控制系統如圖4.1所示，PID控制器可調節回路輸出，使系統達到穩定狀態。偏差e和輸入量r、輸出量c的關系: （4-1）控制器的輸出為： （4-2）-PID回路輸出-比例系數P-積分系數I-微分系數DPID調節的傳輸函數為： （4-3）數字計算機處理這個函數關系式，必須將連續函數離散化，對偏差周期采樣后，計算機輸出值。其離散化的規律如表4.1所示：表4.1 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以經過離散化后，PID的輸出方程為: （4-4）式中， 比例項 積分項 微分項 上式中，積分項是包括從第一個采樣周期到現在采樣周期的所有誤差的累積值。計算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項，只需要保留積分項前值，計算機的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的自帶的PID指令去完成位置式PID控制量的算法。4.1.2 PID在PLC中的回路指令西門子S7-200系列PLC中使用的PID回路指令，見表4.2表4.2 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖使用方法：當EN端口執行條件使能存在的時候，就可以進行PID運算。指令的兩個操作數TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因為一個PID回路占用了32個字節的空間，所以VD100到VD132都被占用了。其中LOOP是回路號，可以是07，不可以重復使用。PID回路在PLC中的地址分配情況如表4.3所示。表4.3 PID指令回路表偏移地址名稱數據類型說明0過程變量