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液位控制程序.doc

发布时间：2022-06-22 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.08M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 绪论
    1.1 项目研究背景和意义
    1.2 液位控制系统现状
    1.3 项目研究内容
    2 PLC与组态王基础
    2.1 可编程控制器基础
    2.1.1 PLC的历史和发展趋势
    2.1.2 PLC的基本结构
    2.1.3 PLC的工作原理
    2.2 组态王基础
    2.2.1 人机界面的定义
    2.2.2 组态王的特点
    2.2.3 组态王的控件
    3 PLC控制系统设计
    3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤
    3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则
    3.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤
    3.2 PLC控制系统的硬件设计
    3.2.1 PLC机型的选择
    3.2.2 PLC容量估算
    3.2.3 I/O模块的选择
    3.2.4 分配输入/输出点
    3.2.5 PLC的硬件配置
    3.3 PLC控制系统软件设计
    3.3.1 STEP7——Micro/WIN概述
    3.3.2 PLC程序注释
    3.3.3 PLC语句表
    4 PID控制及其参数整定
    4.1 PID控制的原理和特点
    4.2 调节器参数的整定方法
    4.3 PID参数的预置与调整
    4.4 PID算法的离散化
    5 基于组态王的监控画面设计
    5.1 组态王简介
    5.2 监控界面的设计
    5.2.1 创建画面
    5.2.2 变量定义
    5.2.3 动画设计
    5.2.4 命令语言设计
    6 系统运行结果
    结论
    致谢
    参考文献
    附录A 英文原文
    附录B 汉语翻译
    附录C 系统前视图
    沈阳理工大学学士学位论文 摘 要 近年来，伴随着微电子技术，通讯技术，控制技术，计算机技术和软件技术的发展， 工业自动化设备的发展突飞猛进。可编程控制器是一种应用广泛非常的自动控制装置， 它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作 灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。PID 闭环 控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效 果，组态软件组态王因其简单易用的特点，在监控界面的设计中得到广泛的应用。 论文介绍了基于西门子 S7-200 型可编程控制器（PLC）和亚控公司的组态软件组态 王的液位控制系统的设计方案。可编程控制器作为下位机完成液位的采集和数据的转 换；上位机利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据采集与 处理；可编程控制器与组态软件通过专用数据线进行通讯；通过组态软件的命令语言编 写程序实现 PID 算法，实时控制水箱液位。实验证明，液位控制系统效果比较令人满意， 具有一定的工程实用价值。 关键词：液位控制；PID；PLC；组态王 I
    沈阳理工大学学士学位论文 Abstract Industrial automation facilities have experienced a rapid growth in recent years along with the development of microelectronics technology, communication technology, control technology, computer technology, and software technology. PLC is a self-control facility with wide application prospect, which integrates traditional relay control technology, computer technology and communication technology, having the features of high controllability, easy operation, stability, fit for long term continuous working and so on. It meets the demands of liquid level control. PID closed control is a widely used controlling algorithm in control system, and has excellent controlling effects on most of controlled objects. Kingview software is widely applied in control interface designation for its easy to use. This paper introduces the design plan of liquid level control system based on Siemens’ S7-200PLC and Kingview software of Asiacontrol Company. PLC, as the lower computer to collect and convert date, while the upper computer makes full use of Kingview software to design human machine interface, realizes the systemic continuous monitoring, date collecting and handling. PLC, along with Kingview software, controls the liquid level of water tanks with special date line to communicate, through the demand languages of Kingview software editing process to realize the PID algorithm. It is proved by experiments that liquid level control system plays a satisfactory role, and has some practical values in engineering. Keywords: liquid level control; PID; PLC; Kingview II
    沈阳理工大学学士学位论文 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 项目研究背景和意义..................................................................................................1 1.2 液位控制系统现状......................................................................................................1 1.3 项目研究内容..............................................................................................................2 2 PLC 与组态王基础.................................................................................................................3 2.1 可编程控制器基础......................................................................................................3 2.1.1 PLC 的历史和发展趋势..................................................................................3 2.1.2 PLC 的基本结构..............................................................................................4 2.1.3 PLC 的工作原理..............................................................................................5 2.2 组态王基础..................................................................................................................6 2.2.1 人机界面的定义..............................................................................................6 2.2.2 组态王的特点..................................................................................................6 2.2.3 组态王的控件..................................................................................................6 3 PLC 控制系统设计................................................................................................................9 3.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤.......................................................................9 3.1.1 PLC 控制系统设计的基本原则......................................................................9 3.1.2 PLC 控制系统设计的一般步骤......................................................................9 3.2 PLC 控制系统的硬件设计.........................................................................................10 3.2.1 PLC 机型的选择............................................................................................10 3.2.2 PLC 容量估算................................................................................................12 3.2.3 I/O 模块的选择..............................................................................................12 3.2.4 分配输入/输出点..........................................................................................13 3.2.5 PLC 的硬件配置............................................................................................14 3.3 PLC 控制系统软件设计.............................................................................................20 3.3.1 STEP7——Micro/WIN 概述.........................................................................20 3.3.2 PLC 程序注释................................................................................................23 3.3.3 PLC 语句表....................................................................................................24 4 PID 控制及其参数整定........................................................................................................25 III
    沈阳理工大学学士学位论文 4.1 PID 控制的原理和特点..............................................................................................25 4.2 调节器参数的整定方法............................................................................................26 4.3 PID 参数的预置与调整..............................................................................................29 4.4 PID 算法的离散化......................................................................................................30 5 基于组态王的监控画面设计..............................................................................................31 5.1 组态王简介................................................................................................................31 5.2 监控界面的设计........................................................................................................32 5.2.1 创建画面........................................................................................................32 5.2.2 变量定义........................................................................................................32 5.2.3 动画设计........................................................................................................34 5.2.4 命令语言设计................................................................................................39 6 系统运行结果......................................................................................................................42 结论..........................................................................................................................................44 致谢..........................................................................................................................................45 参考文献..................................................................................................................................46 附录 A 英文原文.................................................................................................................. 47 附录 B 汉语翻译.................................................................................................................. 56 附录 C 系统前视图.............................................................................................................. 62 IV
    沈阳理工大学学士学位论文 1 绪论 1.1 项目研究背景和意义 在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。在石油工业、化 工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位 高度进行检测和控制。由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点， 它对控制调节器要求极高。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可 靠、调整方便而成为液位控制的主要技术之一。 可编程控制器(Programmable Logic Controller---PLC)是一种应用广泛非常的自动控 制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力 强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。 目前常用的可编程控制器中，西门子公司的 S7-200PLC 以其编程软件 STEP7 的简洁易 用和通信网络的功能强大得到业内人士的普遍认可。 1.2 液位控制系统现状 近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概 念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡 蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度， 工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险 性，同时更提高了工作的效率及简便性。 近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波 液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度， 实现了控制系统的丰富多样性。 近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅 速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位 控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不 仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控 制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广 泛。国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等方向快速发展。 1
    沈阳理工大学学士学位论文 反观我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制 器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。国内液位控制器仍以常规的 PID 控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系 统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是 必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。 随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、 智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。 1.3 项目研究内容 可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自 动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化 的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC 的应用已成为一个世界潮流， 在不久的将来 PLC 技术在我国将得到更全面的推广和应用。 本系统研究的是 PLC 技术在液位监控系统上的应用。从整体上分析和研究了控制 系统的硬件配置、电路图设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择 和参数的整定，人机界面的设计等。 本系统通过德国西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器，液位传感器将检测到的实 际水箱液位转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号并送到 PLC 中进 行调节，输出信号，控制变频器电压，来控制补水泵转速，实现对水箱液位的控制。同 时利用亚控公司的组态软件——组态王设计监控界面，通过 RS485 与可编程控制器通 信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线:硬件设 计，软件编程，参数整定等。 2
    沈阳理工大学学士学位论文 2 PLC 与组态王基础 2.1 可编程控制器基础 PLC 即可编程逻辑控制器，英文全称是 Programmable Logic Controller，是一种专门 为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储 器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能 耗低等显著特点广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、 交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 2.1.1 PLC 的历史和发展趋势 20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关 系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这就是传统的继电器控制系统。到 20 世纪 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。 20 世纪 60 年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，它必 然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置，这样，继电器控制系 统就需要经常更新和安装，阻碍了更新周期的缩短。为改变这一状况，美国通用汽车公 司（GM）在 1968 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了 世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。 这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971 年日本从美国 引进了这项技术，很快研制了日本第一台 PLC。1973 年西欧国家也研制出它们的第一 台 PLC。我国从 1974 年开始研制，于 1977 年开始工业应用。 目前比较著名的 PLC 生产厂家有日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机、松下 电工，德国的西门子，法国的 TE 公司、施耐德公司，韩国的三星公司、LG 公司和美 国的 AB、通用（GE）公司。 PLC 现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方 便、高性能和智能化方向发展。 3
    沈阳理工大学学士学位论文 2.1.2 PLC 的基本结构 PLC 采用了典型的计算机结构，主要包括 CPU、RAM、ROM 和输入/输出接口电 路等。如果把 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种 开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 外部端 子输入到内部寄存器中，经 PLC 内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子， 它们是 PLC 的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。 1、主机 主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU 是 PLC 的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行 数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响 应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC 的内部存储器 有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处 理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器， 主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2、输入/输出（I/O）接口 I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传 感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电 路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O 接口一般采用光电耦合电路， 以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O 点数即输入/输出端子数是 PLC 的一项主要技 术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。 3、电源 图中电源是指为 CPU、存储器、I/O 接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳 压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4、编程 编程是 PLC 利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示 PLC 的工作情况。通过专用的 PC/PPI 电缆线将 PLC 与电脑联接，并利用专用的编程软件进 行电脑编程和监控。 5、输入/输出扩展单元 I/O 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连 接在一起。 4
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