基于S7-200的水箱液位控制系统

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书1摘要本次课程设计是基于水箱液位控制系统的PLC设计。本设计的内容包括：生产工艺和控制原理介绍；控制参数和被控参数选择；控制仪表及技术参数；控制流程图及控制系统方框图；水箱的特性确定与实验曲线分析，西门子S7-200可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。关键词：S7-200西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书2水箱液位控制系统设计1设计题目的解析由于该课设的题目是水箱液位控制系统的设计，题目过于宽泛，没有一定的技术指标要求，不知道从哪些方面满足题目的要求，根据以下要完成的内容自己定下一个实现方案及要求去完成。首先水箱液位控制可以使单容的也可以是双容的，单容水箱构成的是一阶对象，双容水箱构成的是二阶对象，为了便于控制和实现的简便，选用单容水箱，即一阶对象。其次是将水箱水位控制系统定义成定值控制系统，这比较符合工业上的过程控制系统，也符合实际情况。至于控制器的选择和控制仪表的选择随意性较大，根据实际情况自己选择，在此用西门子S7-200PLC作为主控制器来完成对水箱的液位控制。具体到实现算法，则是应用PID控制算法实现，对于液位控制我们为了实现无静差控制选用PI调节算法。2生产工艺和控制原理介绍对于生产工艺大致的思路是水箱包含一个进水口一个出水口，通过设定值指定液位的高度，若是液位过高则通过调节器使出水阀开度调大，若是液位过低则使进水阀开度调大，供水系统由变频器控制的异步电机实现。液位的检测采用DDZ-Ⅲ仪表，检测后可以变成标准型号输入，再经过A/D变换转换成PLC能够接受的数字信号。控制系统简单组态图如下：图2.1简易组态图武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书3对于控制原理则是根据单回路定值控制系统进行分析。图2.2控制系统原理图图2.2为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2.3中的曲线①、②、③所示。图2.3P、PI和PID调节的阶跃响应曲线武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书43被控对象介绍及各控制量和被控量的选择3.1被控对象的介绍图3.1单容水槽如图3.1所示，一个单容水槽，不断有水流入槽内，同时也有水不断由槽中流出。水流入量Qi由调节阀开度u加以控制，流出量Q0则由用户根据需要通过负载阀来改变。被调量为水位h，它反映了水的流入与流出之间的平衡关系。现在分析水位调节阀开度扰动下的动态特性。设各量定义如下：Qi—输入水流量的稳态值，m3s⁄;∆Qi—输入水流量的增量，m3s⁄;Q0—输出水流量的稳态值，m3s⁄;∆Q0—输出水流量的增量，m3s⁄;h—液位的高度，m；h0—液位的稳态值，m；∆h—液位的增量，m；u—调节阀的开度，m2；设A为液槽横截面积（m2），R为流出侧负载阀门的阻力即液阻(sm2)⁄.根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态Q0=Qi，h=h0，当进水阀开度发生阶跃变化武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书5∆u时，液位发生变化。在流出侧负载阀开度不变的情况下，液位的变化将使流出量改变。流入量与流出量之差等于液槽液体贮存量的变化率，即∆Qi−∆Q0=dVdt=Ad∆hdt式（3.1）式中∆Qi是由控制阀开度变化∆u引起的，当阀前后压差不变时，∆Qi与∆u成正比关系，即∆Qi=Ku∆u式(3.2)式中Ku—阀门流量系数，ms⁄。流出量与液位高度的关系为Q=A√2gh=K√h式（3.3）式（3.3）是一个非线性关系，在平衡点（h0，Q0）附近进行线性化，得R=∆h∆Q0式（3.4）将式（3.4）、（3.2）带入式（3.1），可得RAd∆hdt+∆h=KuR∆u式（3.5）令T=RA,K=KuR,则上式可写为Td∆hdt+∆h=K∆u式（3.6）于是可得液位变化时控制阀开度改变量的传递函数为G(S)=∆H(S)∆U(S)=KTs+1式（3.7）3.2被控变量的选择在定性地确定目标以后，通常需要用工业过程的被控变量来定量的表示控制目标。被控变量也是工业过程的输出变量，选择的基本原则为：○1选择对控制目标其重要影响的输出变量作为被控变量；○2选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；○3在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；○4有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其他能够可靠测量，且与控制目标有武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书6一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。本课程设计是水箱液位控制系统设计，即让水箱的液位始终为设定值所设定的高度，控制的目标是液位的高度，同时液位也是可测量的，所以被控变量选择为水箱液位。3.3操作变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制（或操作）变量和扰动变量。在生产过程中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操作变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。因此，正确选择操作变量，可是控制系统有效克服干扰的影响，以保证生产过程平稳操作。控制（或操作）变量为可由操作者或控制机构调节的变量，选择的原则为：○1选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量；○2选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；○3在○1的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，以使控制系统的动态响应较快；○4在负载系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量，所选择的控制变量应直接影响对应的被控变量，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路之间的关联比较小。在本课设中由于水箱中的水是由水泵供水以维持液位的，所以控制量选供水水泵的转速。3.4控制算法的选择工业过程的控制目标以及输入变量确定以后，控制方案就可以确定了。控制方案应该包括控制结构和控制算法。本设计中还是选用比较常见反馈控制，这种控制系统在自动化控制方案中占极大比重，能满足几乎所有的控制任务。至于控制算法，为了实现快速性和稳态无静差调节，选用PI调节器。4西门子S7-200PLC介绍PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计的。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书7面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的工作原理是周期性循环扫描，在PLC运行的过程中，总是处于不断循环的顺序扫描过程中，同时它又是集中批处理的。S7-200系列PLC的基本构成包括PLC主机、编程设备、人机界面和根据实际需要增加的扩展模块。故S7-200系列PLC可以单机运行，也可以输入/输出扩展，还可以连接功能扩展模块。S7-200PLC包括CPU模块、基本输入/输出和电源模块。扩展模块可以连接数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通信模块和特殊功能模块。4.1CPU模块介绍CPU模块包括中央处理单元、电源和数字I/O点，这3部分都集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU模块负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分从现场设备中采集信号，这些采集信号经过CPU模块执行程序处理，处理后得到的信号传送给输出部分，此时输出部分则输出控制信号控制工业过程中的设备。下面主要介绍S7-200的CPU模块。S7-200的CPU模块共有两个系列:CPU21X和CPU22X。CPU21X系列包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216；CPU22X系列包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。由于本课设中我选用CPU226XM，所以在此只介绍CPU226XM。CPU226XM具有24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量I/O或35路模拟量I/O，组成的I/O端子排可以很容易的整体拆卸。具有26KB的程序和数据存储区空间、6个独立的30KHZ的高速计数器、2路独立的20KHZ的高速脉冲数出、PID控制器、2个RS-485通信/编程口、点对点接口PPI通信协议、多点接口MPI通信协议和自由通信口。4.2电源模块介绍所有的S7-200系列PLC不光有它自身、扩展模块和其他用电设备的内部电源，它本身还向外提供一个DC24V电源，从电源输出点（L+,M）引出。此电源可为PLC和扩展模块上的I/O点供电，也为一些特殊功能模块供电。此电源还从S7-200系列PLC的通信口输出，给PC/PPI编程电缆，或TD200文本操作界面等设备供电。不同规格的CPU提供DC5V和DC24V电源的容量（以电流表示）不同。每个实际应用项目都要就电源容量进行规划计算。每个扩展模块都需要DC5V电源，应当检查所有扩展模武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书8块的DC5V电源要求是否超出CPU的供电能力，如果超出，就必须减少或改变模块配置。有些模块需要DC24V电源供电，这些电源也要根据CPU的供电能力进行计算。如果所需电源超出电源容量，需要增加外接DC24V电源。S7-200系列PLC的CPU所提供的电源不能和外接电源并联，但它们必须共地。4.3模拟量输入模块介绍每种CPU模块所提供的本机I/O地址是固定的。进行扩展时，在CPU单元右边连接的扩展模块的地址有I/O端口的类型以及它在同类I/O链中的位置来决定，扩展模块的地址编码按照由左至右的顺序依次排列。模拟量扩展模块是按照偶数分配地址。模拟量扩展模块与数字量扩展模块不同的是数字量扩展模块中的保留位可以当内存中的位使用，而模拟量扩展模块因为没有内存映像，不能使用这些I/O地址。S7-200系列PLC模拟量输入模块为EM231，模拟量输入映像区是S7-200系列PLC为模拟量输入信号开辟的一个存储区。模拟量输入用标识符（AI）、数据长度（W）及字节的起始地址表示，该区的数据位字（16位）。在CPU221和CPU222中，其表示形式为：AIW0、AIW2、……、AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输入。在CPU224和CPU226中，其表示形式为：AIW0、AIW2、……、AIW62，共32个字，总共允许有32路模拟量输入。模拟量输入值为只读数据。模拟量输入模块对模拟量进行A/D转换，将模拟量信号转换成CPU单元所能接受的数字量信号。模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性数据格式的全量程范围为0～3200，双极性全