基于S7-200液位过程控制系统设计-论文(含梯形图)

摘 要基于西门子 PLC 变频控制系统，采用西门子 S7-200PLC,其扩展输入模块 EM231，模拟输出模块 EM232，利用其内部的 PID 控制指令，配合三菱 D700 系列变频器 FR-D720S-0.4K-CHT 和电机，同时采用压力变送器来检测管网压力，构成闭环调速系统。变频技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而实现管网水压连续变化。可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，作为工业自动控制的核心控制部分，使系统的控制精度更高、反应速度更快、系统稳定性更强。在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，在液位控制系统设计中采用 PLC 内部数字PID 控制器，进行输入量的归一化转换，PID 计算，输出量转换工程量等操作。促进工业液位控制向着智能控制的方向发展。关键词： PLC、PID 控制、闭环调速系统、变频、模拟信号采集目 录1 绪论 .11.1 课题的提出 .11.2 PLC 液位控制系统的概述及发展 .11.3 课题研究的内容与目的 .22 PLC 液位控制系统的总体设计 .32.1 S7-200 PLC 的概述 .32.1.1 STEP 7-MICRO/WIN 简介 .52.1.2 PLC 内置 PID 模块控制指令应用 .82.2 建立液位控制系统结构 .122.2.1 硬件组成 .122.2.2 控制方法及实现的功能 .132.2.3 软件设计 .142.3 PID 回路输入变量的转化与标准化 .142.4 液位控制系统 PLC 程序设计 .163 系统调试 .174.1 液位控制系统反馈极性确定 .174.2 液位控制系统的控制指标 .17附录 1.182结 论 .36参考文献： .37致 谢 .3801 绪论1.1 课题的提出近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能得到很好的效果，而且提升了工作效率。在液位控制系统中采用 PLC 作为控制器，可以代替大量继电器实现逻辑控制，相对传统液位控制大幅降低了能耗。而且可以在恶劣的工业环境中使用，加强了操作人员的安全系数，同时提高了工作效率。而 PID 控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系统中，实现了液位模拟量的数字 PID 控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。不但大大减低工作人员的危险性，还降低了工作强度。因此，液位自动控制系统对降低能耗、节约成本、提高企业的经济效益，在现代工业液位控制中具有非常重要的意义。1.2 PLC 变频控制系统的概述及发展在工业工程生产过程控制中，如液位控制等，有许多元器件需要很精确的控制，并且在生产过程中，为了方便系统的维护，往往需要随时知道各个关键部件的运行状况，以便工作人员进行维护，而在生产设备中安装大量的传感器显然会增加无谓的成本，这时我们就需要一种即可以精确的控制生产设备，有可以随时可以监控设备运行状态的控制设备。继电器在工业过程控制中是经常用到的执行元件，但是我们对继电器发出命令后，如果想知道它的运行状态等信息就无能为力了，而且继电器有机械磨损、老化和容易受环境影响的不利因素，今年来计算机技术的飞速发展，使计算机技术已全面引入可编程控制器中，从而使控制技术的功能发生了飞跃。尤其是可编程控制器（PLC）的出现，使得更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、仿真量运算、PID 功能及极高的性价比的控制系统成为可1能，同时也奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。目前可编程控制器 PLC 主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。与计算机技术相结合，形成工业控制系统、分布式控制系统 DCS（Distributed Control System） 、现场总总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System)、这将使 PLC 功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。1.3 课题研究的内容与目的PLC 变频控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC 控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了 PID 算法，控制核心为 S7-200 系列的 CPU226 以及 PLC 内部 A/D、D/A 转换模块，检测元件为扩散硅压力传感器，执行器为三菱变频器 D400。通过以上的器件设备、PID 控制算法和 PC 编程软件等，实现对液位的自动控制。本课题研究内容：（1）通过 PLC 实现 PID 控制器（2）对输入变量的转换与归一化（3）熟悉力控组态软件的使用（4）实现上位机对液位的实时监控22 PLC 液位控制系统的总体设计随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动控制系统开始。可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。2.1 S7-200 PLC 的概述可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造