1、 . . . 畢業設計（論文）基于PLC的水塔水位控制系統設計摘 要在工農業生產過程中，經常需要對水位進行測量和控制。水位控制在日常生活中應用也相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。然而隨著世界人口的不斷增長，人們生活用水的增加，以往采用的繼電器水塔水位自動控制系統由于頻繁操作會產生機械磨損，不方便維護和更新，已經不能滿足人們的實際需求，本文采用的是西門子S7-200系列小型PLC可編程控制器作為水塔水位自動控制系統核心，對水塔水位自動控制系統的功能進行性進行了需求分析。主要實現方法是通過傳感器檢測水塔水位的實際水位，將水位具體信息傳至PLC構成的控制模塊，經A/D轉換后，進行

2、數據比較，來控制抽水電機的動作，同時進行數據還原，顯示水位具體信息，如果水位低于或高于某個設定值是，就會發出危險報警的信號。本文以一個水塔水位控制系統的設計過程，給出了基于PLC水塔水位控制系統的設計好實現的具體過程。關鍵詞：水位控制，西門子S7-200 ，傳感器45 / 53ABSTRACTBased on PLC towers water level control system designIn the industrial and agricultural production process, often need to measure and control thewater le

3、vel. Water level control applications in everyday life are very wide, such as water towers, groundwater, hydropower and other water level control case. But with the growing world population, it is the increase in water, relay towers used in the past, the water level automatic control syste

4、m operation due to the frequent cause mechanical wear, convenient maintenance and updating can no longer meet the actual needs of the people, the paper used Siemens PLC S7-200 programmable controller as a series of small water tower water level automatic control system core, the water level of

5、the tower the functions of automatic control system of the requirement analysis. Main achieved is through the actual water level sensor detects the water tower, specific information will be transmitted to the water level control module consisting of PLC, the A / D conversion, to compare data, t

6、o control the pumping action of the motor, while data reduction, the indicated level specific information, if the water level lower or higher than a set value, we will send the hazard warning signal. In this paper, a water tank level control system design process, the water tower level con

7、trol system based on PLC design a good implementation of the specific process. KEY WORDS:Water level control, Siemens S7-200, The sensor目 錄摘要IABSTRACTI第1章引言1第2章可編程器簡介22.1可編程控制器的產生22.2 PLC的發展42.3 PLC的基本結構52.3.1 中央處理單元(CPU)52.3.2 存儲器62.3.3 輸入/輸出模塊72.3.4 擴展模塊82.3.5 編程器82.4 PLC的基本工作原理82.5 PLC的主要應用9

8、2.6 S7-200系列PLC元件功能10第3章水塔水位控制系統方案設計133.1 傳統水塔水位控制133.1.1 工作原理133.1.2 外部接線與控制列表133.1.3程序編輯與分析153.2 PID水塔水位控制系統的工作原理153.2.1 設計分析153.2.2 可行性試驗163.2.3 可行性分析173.3 水位閉環控制系統17第4章 PLC中PID控制器的實現194.1 PID算法194.2 PID應用204.3 PLC實現PID控制的方式204.4 PLC PID控制器的實現214.5 PID指令與回路表23第5章系統硬件開發設計245.1 可編程控制器的選型245.2 EM235

9、模擬量模塊255.2.1 EM235的安裝使用275.2.2 EM235的工作程序編制275.3 硬件連接圖285.4 控制系統I/O地址分配28第6章系統軟件應用設計296.1 水位PID控制的邏輯設計296.2 梯形圖編程336.3 控制程序336.4 聯機33第7章結論357.1本課題研究結論357.2課題存在問題與展望35致36參考文獻37附錄38第1章 引 言在工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關量等都是常用的主要被控參數。其中，水位控制越來越重要。在社會經濟飛速發展的今天，水在人們正常生活和生產中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則

10、可能造成嚴重的生產事故與損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業中最重要的基礎設施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩的水壓、合格的水質是對給水系統提出的基本要求。就目前而言，多數工業、生活供水系統都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據順序邏輯控制的需要而發展起來的，是專門為工業環境應用而設計的數字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優點，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時，又有PID控制技術的發展，因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統是值得我們研究的課題。

11、在工農業生產以與日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術要求不同，精度不同。但其原理都小異。特別是在實際操作系統中，穩定、可靠是控制系統的基本要求。因此如何設計一個精度高、穩定性好的水位控制系統就顯得日益重要。采用PLC和PID技術能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。本論文側重介紹“水塔水位PID控制系統”的軟件設計與相關容，使水塔水塔維持一定的水位。通過對變頻器置PID模塊參數的預置，利用遠傳液位傳感器反饋量，構成閉環

12、系統，根據用水量的變化，采取PID調節方式，在全流量圍利用輸入液體控制閥連續調節和輸出控制閥分級調節相結合，實現水塔供水且有效節能。水位PID控制系統集PLC控制技術、PID技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術、測試技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，同時系統具有良好的節能性。第2章 可編程器簡介2.1可編程控制器的產生可編程控制器是二十世紀七十年代發展起來的控制設備，是集微處理器、儲存器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件，已經被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各個行業。計算機在操作系統、應用軟件、通行能力上的飛速發展，大大加強了可編程控制器通信能

13、力，豐富了可編程控制器編程軟件和編程技巧，增強了PLC過程控制能力。因此，無論是單機還是多機控制、是流水線控制還是過程控制，都可以采用可編程控制器，推廣和普與可編程控制器的使用技術，對提高我國工業自動化生產與生產效率都有十分重要的意義?？删幊炭刂破?Programmable Controller)也可稱邏輯控制器(Programmable Logic Controller),是一微處理器為核心的工業自動控制通用裝置，是計算機家族的一名成員，簡稱PC。為了與個人電腦（也簡稱PC）相混淆通常將可編程控制器稱為PLC?？删幊炭刂破鞯漠a生和繼電器接觸器控制系統有很大的關系。繼電器接觸器控制已經有傷百年

14、的歷史，它是一種弱電信號控制強電信號的電磁開關，具有結構簡單、電路直觀、價格低廉、容易操作、易于維修的有優點。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常使用，至今仍有廣泛的用途。但是當工作模式改變時，就必須改變系統的硬件接線，控制柜中的物件以與接線都要作相應的變動，改造工期長、費用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個新控制柜使用，阻礙了產品更新換代。隨著工業生產的迅速發展，市場競爭的激烈，產品更新換代的周期日益縮短，工業生產從大批量、少品種，向小批量、多品種轉換，繼電器接觸器控制難以滿足市場要求，此問題首先被美國通用汽車公司（GM公司）提了出來。通用汽車公司為適合汽車型號的不斷翻新，滿足用戶對產品

15、多樣性的需求，公開對外招標，要求制造一種新的工業控制裝置，取代傳統的繼電器接觸器控制。其對新裝置性能提出的要求就是著名的GM10條，即:1. 編程方便，現場可修改程序；2. 維修方便，采用模塊化結構；3. 可靠性高于繼電器控制裝置；4. 體積小于繼電器控制裝置；5. 數據可直接送入管理計算機；6. 成本可與繼電器控制裝置競爭；7. 輸入可以是交流115V；8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；9. 在擴展時，原系統只要很小變更；10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。這十項指標就是現代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通計算機，它與有關的外部設備，

16、按照“易于與工業控制系統連成一體”和“便于擴充功能”的原則來設計。用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制，實現了邏輯控制功能，并且具有計算機功能靈活、通用性等有點，用程序代替硬接線，并且具有計算機功能靈活、通用性能強等優點，用程序代替硬接線，減少了重新設計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標志性語言是極易為IT電器人員掌握的梯形圖語言，使得部熟悉計算機的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發費大量地精力，只需集中精力區考慮如何操作并發揮改裝置地功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，市控制系統可方便地在需要地地方運行。所以，可

17、編程控制器廣泛地應用于各工業領域。1969年，第一臺可編程控制器PDP14由美國數字設備公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽車生產線上使用取得良好的效果，可編程控制器由此誕生，在控制領域產生了歷史性革命。PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的發展，大規模、超大規模集成電路不斷出現，數據通信技術不斷進步，PLC迅速發展。PLC進入九十年代后，工業控制領域幾乎全被PLC占領。國外專家預言，PLC技術將在工業自動化的三大支柱（PLC、機器人和CAC/CAM）種躍居首位。我國在八十年代初才開始使用PLC，目前從國外應進的PLC使用較為普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、滅國GE公司GE

18、系列和德國西門子公司S系列等。2.2 PLC的發展雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規模，超大規模集成電路技術的迅速發展和數據通訊技術的不斷進步，PLC也迅速發展，其發展過程大致可分為三各階段：早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這是的PLC多少由電繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它在硬件上 以計算機的形式出現，在I/O接口電路上作了改進以適應工業控制現場的要求。裝置種的器件主要采用分離元件和中小規模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上采用廣大電器工程技術人員所熟悉的繼電器

19、控制線路的方式梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優于繼電器控制裝置，其優點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指示，能重復使用等。其中PLC特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。在七十年代，微處理器的出現使PLC發生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元（CPU）。這樣，使PLC的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。再硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量快、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，是各種邏輯線圈的數量增

20、加，還提供了一定數量的數據寄存器，使PLC的應用圍得以擴大。進入八十年代中、后期，由于插大規模集成電路技術的迅速發展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商紛紛開發研制了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬功能發生了巨大變化。12.3 PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業控制計算機，其硬件結構基本上與微型計算機一樣，中央處理單元(CPU)，如下圖2-1所示。2-1 PLC硬件結構2.3.1中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC控制中樞。它PLC系統程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入

21、用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以與警戒定時器狀態，并能診斷用戶程序中語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描方式接收現場各輸入裝置狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，命令解釋后按指令規定執行邏輯或算數運算結果送入I/O映象區或數據寄存器。等所有用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區各輸出狀態或輸出寄存器數據傳送到相應輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。進一步提高PLC可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU表決式系統。這樣，某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。22.3.2存儲器存放系統軟件存儲器稱為系統程

22、序存儲器。存放應用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。1、PLC常用存儲器類型（1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下，存儲器所有容保持不變。紫外線連續照射下可擦除存儲器容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲容進行修改。32、PLC存儲空間分

23、配各種PLCCPU最大尋址空間各不一樣，PLC工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域：（1）系統程序存儲區（2）系統RAM存儲區（包括I/O映象區和系統軟設備等）（3）用戶程序存儲區4系統程序存儲區：系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造廠商將其固化EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC性能。系統RAM存儲區：系統RAM存儲區包括I/O映象區以與各類軟設備，如：邏輯線圈；數據寄存器；計時器；計數器；變址寄存器；累加器等存儲器。5（1）I/O映象區：PLC投入運行后，輸入采樣階段才依次讀

24、入各輸入狀態和數據，輸出刷新階段才將輸出狀態和數據送至相應外設。它需要一定數量存儲單元(RAM)以存放I/O狀態和數據，這些單元稱作I/O映象區。一個開關量I/O占用存儲單元中一個位（bit），一個模擬量I/O占用存儲單元中一個字（16個bit）。整個I/O映象區可看作兩個部分組成：開關量I/O映象區；模擬量I/O映象區。（2）系統軟設備存儲區 ：I/O映象區區以外，系統RAM存儲區還包括PLC部各類軟設備（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）存儲區。該存儲區又分為具有失電保持存儲區域和無失電保持存儲區域，前者PLC斷電時，由部鋰電池供電，數據不會遺失；后者當PLC斷電時，數據被清

25、零。用戶程序存儲區：主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序時指使用戶根據工程現場的的產生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通過編程器輸入到PLC機的RAM存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在EEPROM中。2.3.3 輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業生產設備或工業生產過程連接的借口?，F場的輸入信號，如按鈕開關，行程開關、限位開關以與傳感輸出的開關量或模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電流）等，都要通過輸入模塊送到PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉換成PLC能夠接受和處理的數字信號

26、。輸入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數字信號，并把它轉換成現場執行部件所能接收的控制信號，以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執行機構。可編程控制器有多種輸入/輸出模塊其類型有數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數等級，主要有數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊，部件上都設有接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于PLC部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉換、信號鎖存電路。數字量輸入模塊帶有廣電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離起來，以提高PLC的抗干擾能力。數字兩輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式

27、。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實現模擬量與數字量之間的轉換，即A/D或D/A轉換。由于工業控制系統中有傳感器或執行機構有一些信號是連續變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸入模塊A/D轉換后的二進制數字量，經光電耦合器和輸出鎖存器宇PLC的1/0總線掛接。現在標準量程的模擬電壓主要是05伏和010伏兩種。另外還有：0somV、0IV、5+SV、10+10V，010mA等。模擬量輸入模塊接收標準量程的模擬電壓或電流猴，把它轉換成8未、10未或12位的二進制數字信號，送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數字信號轉換成標準量程

28、的電壓或電流輸出信號，提供給執行機構。62.3.4 擴展模塊當一個PLC中心單元的I/O點數不夠用時，就要對系統進行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業控制中的廣泛應用和發展，使可編程控制器的功能更加強大和完善。只能I/O接口模塊種類很多，例如高速計數模塊、PLCA控制模塊、數字位基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯弄快以與智能I/O模塊等。2.3.5 編程器它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調

29、試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。2.4 PLC的基本工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，若有鍵按下或I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續掃描等待。PLC則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直至遇到結束符號后返回第一條指令，如此周而復始不斷循環，每一個

30、循環稱為一個掃描周期。PLC的工作過程就是PLC的掃描循環工作過程，一個循環掃描周期主要可分為3個階段，輸入刷新階段、程序執行階段、輸出刷新階段。如圖2-3所示PLC的掃描工作過程。7圖2-3 PLC的掃描工作過程2.5 PLC的主要應用經過20多年的工業運行，PLC迅速滲透到工業控制的各個領域，從PLC的功能來看，它的應用圍大致包括以下幾個方面：（1）邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，可以實現各種通斷控制。（2）定時控制 PLC具有定時功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計時器，其計時時間設定值既可以由用戶程序設定，也可以由操作人員在工業現場通過人機對話裝置實時設定，計時器的實際計時值也可以通

31、過人機對話裝置實時讀出或（3）計數控制 PLC具有計數功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計數器，其計數設定值的設定方式同計時器計時時間設定值一樣。計數器的實際計數值也可以通過人機對話裝置實時讀出。（4）步進（順序）控制 PLC具有步進（順序）控制功能。在新一代的PLC中，還可以IEC規定的用于順序控制的標準化語言順序功能圖（SFC）編制用戶程序，PLC在實現按照事件或輸入狀態的順序控制相應輸出的場合更簡便。（5）PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。通常采用專門的PID控制模塊來實現。（6）數據處理 PLC具有數據處理能力。它能進行自述運算數據比較，數據

32、傳送，數制轉換，數據顯示和打印，數據通信等功能。新一代的大，中型PLC還能進行函數運算，浮點運算等。（7）通信和聯網 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC和PLC，PLC和計算機之間的通信。因此，可以方便地構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。（8）PLC還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊，CRT模塊等。82.6 S7-200系列PLC元件功能1. 數據類型 數據類型S7-200系列PLC的數據類型可以是字符串、布爾型（0或1）、整數型和實數型（浮點數）。布爾型數據指字節型無符號整數；整數型數包括16位符號整數（IN

33、T）和32位符號整數（DINT）。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是PLC用來接收用戶設備輸入信號的接口。PLC中的繼電器與繼電器控制系統中的繼電器有本質性的差別，是軟繼電器，它實質是存儲單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200輸入映像寄存器區域有IB0IB15共16個字節的存儲單元。系統對輸入映像寄存器是以字節（8位）為單位進行地址分配的。（2） 變量存儲器V 變量存儲器主要用于存儲變量。可以存放數據運算的中間運算結果或設置參數，在進行數據處理時，變量存儲器會被經常使用。變量存儲器可以是位尋址，也可按字節、字、雙字為單位尋址，其

34、位存取的編號圍根據CPU的型號有所不同，CPU221/222為V0.0V2047.7共2KB存儲容量，CPU224/226為V0.0V5119.7共5KB存儲容量 （3） 部標志位存儲器（中間繼電器）M 部標志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態，其作用相當于繼電器控制中的中間繼電器，部標志位存儲器在PLC中沒有輸入/輸出端與之對應，其線圈的通斷狀態只能在程序部用指令驅動，其觸點不能直接驅動外部負載，只能在程序部驅動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅動外部負載。 （4） 特殊標志位存儲器SM PLC中還有若干特殊標志位存儲器, 特殊標志位存儲器位提供大量的狀態和控制功能，用來在C

35、PU和用戶程序之間交換信息，特殊標志位存儲器能以位、字節、字或雙字來存取。（5） 定時器T PLC所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統中的時間繼電器。每個定時器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用。其設定時間由程序設置。 （6） 計數器C計數器用于累計計數輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數。計數器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用，其設定值由程序賦予。 （7） 累加器AC 累加器是用來暫存數據的寄存器，它可以用來存放運算數據、中間數據和結果。CPU提供了4個 32位的累加器，其地址編號為AC0AC3。累加器的可用長度為32位，可采用字節、字、雙字的存取方式，按字節、字只能存取累加器的低8

36、位或低16位，雙字可以存取累加器全部的32 位。9第3章 水塔水位控制系統方案設計3.1 傳統水塔水位控制圖3-1 傳統水塔水位控制布局圖3.1.1 工作原理通過指示燈模擬上水水泵，結合鈕子開關模擬水位監測信號，模擬了水塔自動上水控制，當水池水位低于水池低位界面（s1為ON）時，電磁閥Y打開進水（Y為ON），定時器開始定時，4S后，如果S1還不為OFF，那么閥Y指示燈閃爍，表示閥Y沒有進水，出現故障，S3為ON后，閥Y關閉(Y為OFF)。當S1為OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時，S3為ON，水泵M運轉抽水。當水塔水位高于水塔高水位界時水泵M停止。103.1.2 外部接線與控制列表圖3-2

37、傳統水塔水位控制電氣接線圖表3-1 水塔水位模擬控制接線列表名稱PLC端子說明燈MQ0.0模擬水塔提水水泵電動機運行動作燈YQ0.1模擬地面水池的進水閥門的開關動作開關S1I0.0模擬水池水位低限報警信號開關S2I0.1模擬水池水位高限報警信號開關S3I0.2模擬水塔水位低限報警信號開關S4I0.3模擬水塔水位高限報警信號3.1.3程序編輯與分析（程序見附錄）3.2 PID水塔水位控制系統的工作原理傳統的水塔水位控制方式具有占地面積大、投資高、水泵電機頻繁起動、耗電多、管網水壓不穩、爆管現象頻繁、水漏失嚴重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁起動使設備故障率高，檢修、維護也

38、 存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業正常供水，已是迫在眉睫。在傳統的水塔、水箱供水的基礎上，加入了PLC與液壓變送器等器件利用PLC和組態軟件來實現水塔水位的控制提供了一種實用的水塔水位控制方案。在系統中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調整達到最優控制效果。系統啟動時，關閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數字量控制。113.2.1設計分析圖3-3設計分析示意圖“水塔水位自動控制系統”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。

39、水位高度正常情況下控制在C、D之間，如圖（a）。當水位在低于C點時，水泵開始進水，如圖（b）。當水位高于D點時，水泵停止進水，如圖（c）。當水位低于C點并到達B點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖（d）。當水位超過D點并到達E點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖（e）。3.2.2可行性試驗圖3-4為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以與報警確認開關組成。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈B、C、D、E情況不同。圖3-4水塔水位控制器外觀圖當水位處于B點之下，指示燈B、C、D、E全亮，報警電路開始報警，即下限報警。 當水

40、位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進水。 當水位處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持狀態，即保持進水。 當水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進狀態，即水泵不工作。 當水位處于E點之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。報警電路可以手動關閉，只要按下報警確認開關，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關閉報警確認燈，報警確認電路復位，恢復其監測故障的功能。3.2.3 可行性分析 此方案采用純硬件電路設計，避免了軟件程序設計中的不穩定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此

41、系統均有良好的兼容性。當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調節到一個數量級上就可以很方便的實現此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現了對水塔水位的精確控制，而且，此系統更具有工業生產的實際性。3.3 水位閉環控制系統圖3-5 供水系統控制原理圖M1、M2水泵 Y0-Y3液位開關 F1手閥 F2電磁閥 為了精確的實現對水位的控制，必須建立閉環控制系統。根據水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態的平衡狀態。供水系統的基本原理如圖3-5所示，水位閉環調節原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為420 mA電流信號進入PLC，把該信號和

42、PLC中的設定值的程序進行比較，并執行較后程序，通過水泵的開關對水塔中的水位進行自動控制。當PLC出現故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。上水箱液位低于Y3時，M1、M2同時工作，F2打開。液位上升至Y2時，M2停止，F2關閉，M1繼續工作。液位上升至Y1時，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當液位又低于Y1時M1起動工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續下降至Y2時，M2啟動工作同時F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警開關下水箱液位低于Y0時意味著水泵進水口缺水，此時應自動切斷電源并報警。圖3-6水位閉環控制圖第

43、4章 PLC中PID控制器的實現4.1 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由比例項+積分項+微分項組成。積分項的作用是消除系統靜差，而微分項則改善系統的動態響應速度。12PLC技術不斷增強，運行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復雜的閉環控制。圖4.1是常見閉環控制系統的構成。4-1 閉環控制系統作為閉環控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環控制系統中，利用給定輸入sP(t)與實際輸出c(t

44、)經過測量裝置裝置轉換后的反饋量Pv(t)之間的差值e(t)作為控制量，來實現對系統的控制。在實際閉環控制系統中，誤差e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統進行更精確的控制，消除系統在穩態的輸出誤差，改善系統的動態響應性能，需要對誤差進行放大(比例調節P)、積分(積分調節I)、微分(微分調節D)，才能有效地控制系統中的執行機構，保證系統具有良好的動、靜態性能。在自動控制系統中，用來對誤差進行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調節器”，當調節器具有“放大”、“積分”、“微分”功能時，即成為PID調節器。在變頻恒壓供水自動控制系統的產品開發和應用實踐中，經常采用PID控制器、軟件PID以與變頻

45、器置PID來實現系統的PID調節功能，三種方法各具優缺點，本設計選用PID算法的PLC實現方法。134.2 PID應用在工業生產中，常常需要用閉環控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統，還是使用計算機（包括PLC）的數字控制系統，PID控制都等到了廣泛的應用。PID控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統的數字模型。有人稱贊它是控制領域的常青樹是不無道理的。PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的簡稱,之所以得到廣泛應用是因為它具有如下優點：（1）不需要精確地控制系統數字模型。由于非線

46、性和時變性很多工業控制對象難以得到其準確的數字模型，因此不能使用控制理論中的設計方法。對于這一類系統，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）有較強的靈活性和適應性。積分控制可以消除系統的靜差，微分控制可以改善系統動態響應速度，比例、積分、微分控制三者有效地結合就可以滿足不同的控制要求。根據被控制對象的具體情況，還可以采用各種PID控制的變種和改進的控制方式，如PI、PD、帶死區的PID、積分分離PID、變速積分PID等。（3）PID控制器的結構典型，程序簡單，工程上易于實現，參數調整方便。在PLC控制系統中，經常采用模擬量輸入/輸出模塊實現模擬量的數字化處理，本系統選擇S7-20O系列E

47、M235模擬量模塊，對管網壓力信號進行采樣，并通過變頻器調整液壓閥輸入與輸出。144.3 PLC實現PID控制的方式用PLC對模擬量進行PID控制時，可以采用以下幾種方法：(1)使用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC生產廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設置一些參數，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環回路，但是這種模塊的價格較高，一般在大型控制系統中使用。(2)使用PID功能指令現在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-200的PID指令。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用PID過程控制

48、模塊的效果，但是價格便宜得多。(3) 用自編的程序實現PID閉環控制有的PLC沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但希望采用某種改進的PID控制算法。在上述情況下都需要用戶編制PID控制程序。4.4 PLC PID控制器的實現PLC的PID控制器的設計是以連續系統的PID控制規律為基礎，將其數字化，寫成離散形勢的PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。在連續系統中，典型的PID閉環控制系統如圖4-2所示。圖中為給定值，為反饋量，c(t)為系統的輸入量，PID控制器的輸入輸出關系式為：式中， 控制器的輸出，為輸出的初始值，= 誤差信號， 比例系

49、數， 積分時間常數， 微分時間常數。圖4-2 連續閉環控制系統方框圖上式中等號右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項或兩項，可以組成P、PD或PI控制器。假設采樣周期為，系統開始運行的時刻為t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第n次采樣時控制器的輸出為：式中， 第n-1次采樣誤差值。 積分系數。 微分系數。在S7-200PLC中，實際使用的PID算法為：式中： 第n次采樣的調節器輸出 比例項 積分項 微分項 基于PLC的閉環控制系統如圖4-2所示，圖中虛線部分在PLC。這圖中的、分別為模擬量、在第n次采樣的數字

50、量。圖4-3 PLC閉環控制系統方框在許多控制器系統，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制器類型。例如，可能只要求比例控制或積分控制，通過設置參數可對回路控制類型進行選擇。15本系統只適用比例和積分控制，其回路增益和時間常數可以通過工程計算初步確定，但還需要近一步調整已達到最優控制效果。系統啟動時，關閉出水口。用手動控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換有一個輸入的數字量控制。4.5 PID指令與回路表S7-200的PID指令圖如圖4-4所示。圖4-4 PID指令圖指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號。編譯時如

51、果指令指定的回路表起始地址或回路號超出圍，CUP將產生編譯錯誤（圍錯誤），引起編譯失敗。PID指令對回路表中的某些輸入值不進行圍檢查，應保證過程變量、給定值等不超限。回路表見附錄表4-1.過程變量與給定值是PID運算的輸入值，在回路表中它們只能被PID指令讀取而不能改寫。每次完成PID運算后，都要更新回路表的輸出值，它被限制在0.01.0之間。如果PID指令中的算術運算發生錯誤，特殊存儲器位SM1.1（溢出或非法數值）被置1，并將終止PID指令的執行。要想消除這種錯誤，在下一次執行PID運算之前，應改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。第5章系統硬件開發設計5.1 可編程控制器的選型可編

52、程控制器產品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，功能和結構均有所不同，但工作原理和組成基本一樣。本設計選用西門子公司的S7-200 PLC系列，其具結構緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統。它采用超高電容保護存數據，省去了鋰電池，系統雖小卻可以處理模擬量（12 點模擬輸入/4點模擬輸出）。S7-200最多有4個中斷控制的輸入，輸入響應時間小于0.2ms，每條二進制指令的處理時間僅為0.8s，S7-200還有日期時間中斷功能。還可 提供兩個獨立4KHZ 的脈沖輸出，通過驅動單元可以實現步進電機的位置控制。點對點接口（PPI）可以連接編程設備、操作員界面和具有串行接口的設備，

53、用戶程序有三級口令保護。較強的功能使其無論在獨立運動中，還是連成網絡皆能完成各種控制任務。它的使用圍可以覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動控制。其應用領域包括各種機床、紡織機械、印刷機械、食品化工工業、環保、電梯等。S7-200系列有CUP21X和CPU22X兩代產品。其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種基本型號。本設計選用CPU226型PLC。功能模塊選用EM235。16CPU226主機共有24個輸入點和16個輸出點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O或35路模擬I/O點。13KB程序和數據存儲空間。CPU226輸入電路采

54、用了雙向光電耦合器，DC24V極性可任意選擇，系統設置1M為I0B輸入端子的公共端，2M為I1B輸入端子的公共端。在晶體管輸出電路中采用了MOSFET功率驅動器件，并將數字量輸出分為兩組，每組有一個獨立公共端，共有1L、2L兩個公共端，可接入不同的負載電源。CPU226可用于較高要求的控制系統，更多的I/O點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的部集成特殊功能使其完全適應于復雜的中小型控制系統。圖5-1為CPU226外部電路連接圖。17圖5-1 CPU226外部電路連接圖5.2 EM235模擬量模塊圖5-2 EM235模塊模擬量I/O連線示意圖如圖5-2所示為模擬量I/O組合模塊EM

55、235（4路模擬量輸入、1路模擬量輸出）I/O連接示意圖。24V DC電源正極接入模塊左下方L+端子，負極接入M端子。EM235模塊的上部端子排為標注A、B、C、D的四路模擬量輸入接口，可分別接入標準電壓、電流信號。為電壓輸入時，如A口所示，電壓正極接入A+端，負極接入A-端，RA端懸空。為電流輸入時，如B口所示須將RB與B+短接。然后與電流信號輸出端相連，電流信號輸入端則接入B-接口。若4個接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要將C+與C-端用短路子短接，以免收到外部干擾。下部端子為一路模擬量輸出的3個接線端子MO、VO、IO，其中MO為數字接地接口，VO為電壓輸出接口，IO為電流輸出接

56、口。若為電壓負載，則將負載接入MO、VO接口若為電流負載則接入MO、IO接口。在進行接線時應注意以下幾點。傳感器接線的長度應盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。敷設線路時應使用電纜槽，避免將導線彎成銳角。避免將信號線與電源線平行接近布置。使用高質量的24V DC傳感器電源，以保證無噪聲與穩定運行。185.2.1 EM235的安裝使用EM235安裝使用的一般過程如下:(l)根據輸入信號的類型與變化圍設置DIP開關，完成模塊的配置工作。必要時進行校準工作。(2)完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應短接。接線還應注意傳感器的線路盡可能的短，且應使用屏蔽雙絞線，要保證24Voc傳感器電源無噪聲、穩定可靠。(3)確定模塊安裝入系統時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。57一200擴展單元安裝時在主機的右邊依次排列，并從模塊O開始編號。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機上的擴展總線插口。(4)為了在主機中進行輸入模擬量轉換后數字數據的處理與為了輸出需要在模擬量單元中轉換為模擬量的數字量，要在主機中安排一定的存儲單元。一般使用模擬量輸入AIW與模擬量輸出AQW單元安排由模擬量模塊送來的數字量與待送入模塊轉變為模擬量輸出的數字量。