基于PLC的液位控制系统设计.doc

摘 要本次课程设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计本次课程设计的目的是在于了解简单过程控制系统的构成，掌握简单过程控制的原理和PLC控制系统软件的设计调试方法，并且熟悉掌握组态软件的应用方法在设计中，主要负责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300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控制算法得到实验曲线，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：S7-300西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、压力变送器、电动调节阀、PID指令、变频器目 录摘 要 I第1章 绪论 11.1 PLC的产生、定义及现状 11.2 过程工业控制算法的应用现状 21.3 PID控制的历史和发展现状 31.4 论文的研究内容 5第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍 62.1 西门子PLC控制系统 62.1.1 CPU模块 72.1.2 模拟量输入模块 82.1.3 模拟量输出模块 92.1.4 电源模块 102.2 控制对象特性 112.2.1 一阶单容上水箱特性 112.2.2 二阶双容下水箱对象特性 14第3章 PID控制算法介绍 183.1 PID控制算法 183.2 PID调节的各个环节及其调节过程 203.2.1 比例控制与其调节过程 213.2.2 比例积分调节 213.2.3 比例积分微分调节 223.3 串级控制 223.4 扩充临界比例法 243.5在PLC中的PID控制的编程 253.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 263.5.2 变量的范围 283.5.3 控制方式与出错处理 29第4章 控制方案设计 314.1 系统设计 314.1.1 上水箱液位的自动调节 314.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 324.2 硬件设计 334.2.1 检测单元 334.2.2 执行单元 344.2.3 控制单元 364.3 软件设计 36第5章 实验情况介绍 395.1 上水箱液位比例调节 395.2 上水箱液位比例积分调节 405.3 上水箱液位比例积分微分调节 41第6章 结论 43参考文献 44致谢 4617第1章 绪论1.1 PLC的产生、定义及现状可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。

但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广20世纪60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要，1968年美国通用汽车公司(GM)提出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标主要内容是：1) 编程方便，可现场修改程序2) 维修方便，采用插件式结构3) 可靠性高于继电器控制装置4) 体积小于继电器控制盘5) 数据可直接送入管理计算机6) 成本可与继电器控制盘竞争7) 输入可为市电8) 输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等9) 扩展时原系统改变最小10) 用户存储器大于4KB 这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想美国数字设备公司(DEC)中标，并于1969年研制出第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。

随着电子技术的发展，可编程控制器(Programmable Logic Controller.以下简称PLC)由原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统PLC在工业控制领域得到了广泛的应用，在PLC组成的控制系统中，一般由上、下位机组成主从式控制系统PLC作为下位机，完成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机(微型计算机、工业控制机)，完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控微型计算机与PLC组成的主从式实时监控系统，能够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补PLC的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计S7-300的CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便。

采用PLC作为液位控制系统的核心，克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，可以由用户自己定义PID参数，控制液位变化曲线，同时利用PLC控制逻辑量的优点，与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种故障情况及时做出反应，使控制系统更加安全可靠1.2 过程工业控制算法的应用现状毕业设计是基于PLC的液位控制系统的设计,在其中我主要负责的是控制算法的设计过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有下列几种：(1) PID控制算法大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高达90%)可取得较好的控制结果采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机的结合往往可以进一步提高控制质量2) 预测控制预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正它的机理表明它是一种开放式的控制策略,体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法3) 自适应控制在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。

它是辨识与控制的结合目前，比较成熟的自适应控制分三类：A、自整定调节器及其它简单自适应控制器；B、模型参考自适应控制；C、自校正调节与控制自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一步解决的问题(特别在参数估计方面)，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难4) 智能控制随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣智能控制对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果常见的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果智能控制在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应用在国内外，模糊控制与人工神经元网络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用1.3 PID控制的历史和发展现状PID控制技术的发展可以分为两个阶段。

20世纪30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构也是PID控制两个发展阶段的分水岭第一个阶段为发明阶段 (1900～1940)PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际PID控制器的结构设计上1940年以后是第二阶段——革新阶段在革新阶段，PID控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，PID控制器的体积逐渐缩小，性能不断提高一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献，甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的值得指出的是，1939年Taylor仪器公司推出的一款带有所谓“Preact”功能的名为“Fulscope”的气动控制器以及同时期Foxboro仪器公司推出的带有所谓“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的PID控制器Pre-act”与“Hyper-re-set”功能实际都是在控制器中加入了微分控制PID控制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。

各种现代控制技术的出现并没有削弱 PID控制器的应用，相反，新技术的出现对于PID控制技术发展起了很大的推动作用一方面，各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中，或者是用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器，PID控制技术被注入了新的活力另一方面，某新控制技术的发展要求更精确的PID控制，从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展总结近年来PID控制的发展趋势，可以将PID控制的发展分为两个大方向：传统PID控制技术的继续发展和各种新型控制技术与PID控制的结合传统PID控制的发展包括自整定技术，变增益控制和自适应控制传统PID控制的发展可以改善PID控制的效果,使PID控制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提高各种新型控制技术与PID控制的结合包括新控制技术应用于PID控制器的设计与整定之中，或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器诸如模糊控制、神经网络等新型控制技术与PID控制的结合扩大了PID控制器的应用范围，对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统PID控制器难以有效控制的情况收到了很好的效果在生产过程自动化控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方式然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式PID控制具有以下优点：1) 原理简单，使用方便2) 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴系统中所用的PLC是S7-300系列的PLC，其中配有PID的控制模块和专门的PID控制功能指令，方便进行PID控制3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感在连续生产过程计算机控制系统中，一般采用两种PID控制算法：一种是含有理想微分的PID控制，另一种是含有实际微分的PID控制1.4 论文的研究内容本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300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。