毕业设计论文基于PLC的储罐液位控制系统研究

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1、宁夏理工学院毕业设计摘要本文设计了一种基于PLC的储罐液位控制系统。它以一台S7-200系列的CPU224和一个模拟量扩展模块EM235进行液位检测和电动阀门开度调节。系统主要实现的功能是恒液位PID控制和高低限报警。本文的主要研究内容：控制系统方案的选择，系统硬件配置，PID算法介绍，系统建模及仿真和PLC编程实现。本设计用PLC编程实现对储罐液位的控制,具有接线简单、编程容易，易于修改、维护方便等优点。关键字：储罐;液位控制;仿真;PLCAbstractThis article is designed based on PLC, tank level control system. It

2、takes a series s7-200 CPU224 and an analog quantities of EM235 expansion module to level detection and electric valve opening regulation. System main function is to achieve constant low level PID control and limiting alarm. The main contents of this paper: the choice of the control system plan, syst

3、em hardware configuration, PID algorithm introduced, system modeling and simulation, and PLC programming. PLC programming with the design of the tank level control have the advantage of simple wiring, easy programming, easy to modify, easy maintenance and so on. Key word: tank ; level ;control ;simu

4、lation ;plc目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 盐酸储罐恒液位控制任务11.2 本文研究的意义21.3 本文研究的主要内容22 控制系统方案设计32.1 储罐液位控制的发展及现状32.2 系统功能分析32.3 系统方案设计43 系统硬件配置53.1 电动控制阀的选择53.1.1 控制阀的选择原则53.1.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀性能和技术参数介绍93.2 液位测量变送仪表的选择123.2.1 液位仪表的现状及发展趋势123.2.2 差压变送器的测量原理123.2.3 差压式液位变送器的选型原则133.2.4 DP系列LT型智能液位变送器产品介绍143.3 PLC

5、机型选择153.3.1 PLC历史及发展现状153.3.2 PLC机型的选择173.3.3 S7-200系列CPU224和EM235介绍184 PID算法原理及指令介绍204.1 PID算法介绍204.2 PID回路指令225 系统建模及仿真265.1 系统建模265.2 系统仿真285.2,1 MATLAB语言中Simulink交互式仿真环境简介285.2.2 系统仿真29第6章 系统编程实现316.1 硬件设计316.1.1 绘制控制接线示意图316,1.2 I/O资源分配316.2 软件设计326.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6编程软件介绍326.2.2 恒液

6、位PID控制系统的PLC控制流程336.2.3 编写控制程序346.2.4 程序清单37结束语38参考文献39致谢40401 绪论1.1 盐酸储罐恒液位控制任务如图1.1所示为某化工厂稀盐酸储罐，该罐为钢衬聚四氟乙烯储罐，罐体高6米，容量为50立方米，重500千克。钢衬四氟乙烯储罐的介质工作温度为-100C250C，耐腐蚀性强，对卤素、卤代烃、强氧化剂、沸酸、碱、多种有机溶剂都有良好的耐蚀性。其工艺流程为，稀盐酸从储罐顶部流入，罐体下部装有一电子开关阀， AC220V供电，由一个DC24V继电器控制，根据生产需要随时打开或关闭阀门。由于工艺要求，必须将储罐内液体保持在4.5米，即要求罐体内液位

7、恒定不变。同时要求设置高低限报警，当液面高于5.4米时，高限报警，红灯亮；当液面低于3.0米时，底限报警，黄灯亮；正常运行时绿灯亮。要求用一台PLC实现这些控制要求，试设计合适的控制系统，并且选用相应的设备，实现该系统的控制要求。图1.1 稀盐酸储罐工艺流程图1.2 本文研究的意义在工业生产过程中，液位是最常见、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，自动控制难度较高。为了解决人工控制的控制准确度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们引入

8、了工业生产的自动化控制。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现代工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC控制方式使控制更加的集中、及时和有效。本文应用一台PLC通过PID模块实现对储罐液位的恒定控制，较传统的控制方法硬件接线简单，易于改变参数，而且更加快速、准确。对其它类似控制有一定的借鉴意义。1.3 本文研究的主要内容本文研究的是PID模块在PLC液位控制系统中的应用。从整体上分析和研究了控制系统的方案设计，硬件配置

9、，被控对象数学模型的建立，系统仿真，PLC编程实现等，具体有以下几个方面的内容：1. 介绍盐酸储罐恒液位控制任务，指出本文的研究意义所在和研究的主要内容。2. 介绍了控制系统设计的基本步骤和方法，包括了系统功能分析，控制方案设计。3. 系统硬件配置。为系统实现选择合适的硬件。4. 介绍PID算法和指令。5. 对被控对象进行建模及系统仿真。6. 介绍STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6编程软件，绘制控制接线图等。应用PLC编程实现本课题的控制要求。7. 总结全文。2 控制系统方案设计2.1 储罐液位控制的发展及现状储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。准确的液

10、位测量是生产过程控制的重要手段。液位控制的发展主要依赖于两个方面，即检测仪表的发展和控制算法的发展。早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。但随着生产规模的进一步扩大，所需的储罐数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，如法兰式液位变送器需要保温，施工及维护工作量较大；吹气式液位检测用的吹气管要特殊订货，且还要定期更换，吹气式要消耗仪表气，有能耗，还需要敷设气源管。这一系列问题的解决有待于新的测量方法的出现，从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波等高科技的研究成果。将各种新技术、新方法应用到储罐测量

11、领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位检测方法中，许多新的测量原理，包括压电式、应变式、浮球式、电容式、雷达式、超声波式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等检测技术被应用到新型液位检测仪表的开发中。由于这些方法测量精度高、可靠性强、持续时间长、安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量技术。就控制算法而言，在传统的PID算法基础上，人们开始将模糊算法等一些高级算法加入到控制器中，使控制器的性能得到大大的增强。相信随着新的检测仪表和控制算法的不断涌现，液位检测控制系统将更加精确和方便易用，并且将会在更多领域，发挥其效能。2.2 系统功能分析由任务分析可知，系统具有以下功能：1、

12、PID手/自动切换手动控制主要用于安装、调试和正常运行下的故障处理。当设备处于正常状态时PID自动运行2、高低限报警根据控制要求，该液位控制系统要求设置高低限报警，当液位高于5.4米时，高限报警，红灯亮，当液面低于3.0米时，底限报警，黄灯亮。正常运行时绿灯亮。3、系统性能指标将储罐内的稀盐酸液位控制在4.5米2.3 系统方案设计由工艺要求可知，该系统只有一个被控变量即：液位；其控制精度要求也不是很高，根据在满足控制要求的情况下，尽量选择简单易行的控制方案这一原则，这里选用单回路反馈控制系统。单回路控制系统结构比较简单，所需自动控制装置少，投资较低，操作维护也比较方便，该控制方案完全可以满足本

13、系统的控制要求。单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称对象）、测量变送装置、控制器和控制阀。其方框图如图2.1所示：图2.1 该系统单回路控制系统方块图3 系统硬件配置3.1 电动控制阀的选择控制阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀的选择合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。3.1.1 控制阀的选择原则1) 阀门开、闭形式的选择对于一个具体的控制系统来说，究竟选电开式还是选电闭式，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择：A. 首先要从生产安全出发。即当电源供电中断，或

14、控制器出故障而无输出，或控制阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生故障。B. 从保证产品质量出发。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。C. 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应浪费原料、成品和动力。D. 从介质的特点考虑。比如：精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选电开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全闭状态，避免蒸汽浪费。如果釜液是易凝结、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选择电关式，以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。根据以上几条原则综合考虑，

15、这里我们选电开阀。这样即使控制阀断电，阀门也会处于关闭状态。不会使盐酸一直流向储罐，以致盐酸溢出造成事故。2) 口径大小的选择控制阀口径的大小直接决定着介质流过它的能力。从控制的角度看，控制阀口径选的过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，阀的流量特性将会发生畸变，阀性能就较差。反过来，如果控制阀口径选的太小，在正常情况下都在大开度下工作，阀的特性也不好。此外控制阀的口径选的过小也不适应生产发展的需要，一旦设备需要增加负荷时，控制阀原有的口径太小就不够用了。因此，从控制的角度来看，控制阀口径的选择应留有一定的余地，以适应增加生产的需要。在正常工况下，阀门开度处于之间。

16、3) 流量特性的选择目前我国生产的控制阀有线性特性、对数特性（即等百分比特性）和快开特性三种，尤其以前两种特性的控制阀应用最多。图3.1中是各种流量特性控制阀的特性曲线。图3.1 控制阀流量特性控制阀流量特性的选用要根据具体的对象特性来考虑。生产过程中生产负荷往往是会发生变化的，而负荷的变化又往往会导致对象特性发生变化。控制器参数是根据具体的对象特性整定得到的。对于一个确定的具体对象就有一组控制器参数（、及）与其相适应，对象特性改变了，原先的控制器参数就不再适应，如果这时不去修改控制器参数，控制质量就会降低。然而负荷的变化往往具有随机性，不可预知。这样就不可能在负荷变化时，适时的对控制器参数进

17、行修改。一种解决的办法就是选择带有自整定功能的控制器，它能根据负荷的变化及时修改控制器的参数，以适应变化了的新情况。另一种解决办法就是根据负荷变化对对象影响的情况，选择相应特性的控制阀来进行补偿，使得广义对象（包括控制阀和对象及测变环节）的特性在负荷的变化时保持不变。这样就不用考虑在负荷变化时修改控制器参数的问题。就本任务的单回路系统而言，表3.1列出了常用控制系统控制阀特性的经验选择方法：表3.1 常用控制系统控制阀特性经验选择控制系统及被控变量干扰选择阀特性附加条件备注液位控制系统设定值平方根I类直线对数直线设定值双曲线II类对数对数直线设定值任意特性（）III类任意特性IV类直线III类

18、直线IV类注：节流阀流通能力；:对象时间常数对数平均值；:阀时间常数；根据上面的原则，选定阀的流量特性为线性特性。4) 结构形式的选择控制阀有直通单座、直通双座、角形、高压、三通、蝶阀、和隔膜阀等不同结构形式，这要根据生产过程的不同需要和控制系统的不同特点来进行选用。表3.2列出了不同结构形式的控制阀特点及适用场合，以供选用时参考。表3.2 不同结构形式控制阀的特点及适用场合阀结构形式特点及使用场合直通单座阀前后压降低，适用于要求泄漏量小的场合直通双座阀前后压降大，适用于允许较大泄漏量的场合角阀适用于高压降、高粘度、含悬浮物或颗粒状物质的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合蝶阀适用于有悬浮物的流

19、体、大流量气体、压差低、允许较大泄漏量的场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合三角阀适用于分流或合流控制的场合根据上面的原则，在此选用直通单座阀。5) 阀门定位器的选用阀门定位器是控制阀的一种辅加装置，与控制阀配套使用。它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制控制阀，同时将控制阀的阀杆位移信号反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统。阀门定位器的主要作用是：A. 消除控制阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高控制阀的精度和可靠性，实现准确定位。B. 增大执行机构的输出功率，减少系统的传递滞后，加快阀杆移动速度。C. 改变控制阀的流量特性D. 利用阀门定位器可将控制

20、器输出信号分段，以实现分程控制。由第1、第2项可以看出，当控制阀安装上阀门定位器之后，加大了输出功率，提高了反应速度，并且由于它与控制阀之间构成了一个随动系统，能根据控制器来的信号准确定位，这就大大改善了控制阀的动、静态特性。因此，当单座阀前后压差较大的时候；当工作压力高的，填料压得紧，因而摩擦力较大的时候；当现场与控制室相距较远，控制信号输送管线拉得较长，因而传送滞后较大的时候；以及控制阀膜头较大，滞后比较显著的时候，都可以给控制阀配上阀门定位器，以克服上述不利因素的影响，从而提高控制阀的动、静态特性。联系本任务研究内容，从以下几个三个方面综合考虑，在此控制系统中，控制阀上不加装阀门定位器：

21、1. 系统控制精度要求不高。2. 滞后不是很大。3. 系统设计的经济性。6) 系统关联性分析由于该储罐上只有一个液位控制系统，且只存在一个被控变量，因而不存在系统关联的问题。综上所述，根据经济适用原则，在此选择由上海艾迪尔自控仪表有限公司生产的ZAJP 精小型电动单座调节阀，型号：3.1.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀性能和技术参数介绍ZAJP 精小型电动单座调节阀，由DDZ型直行程电动执行机构和精小型单座阀组成。与伺服放大器组合接受统一的4-20mA 或0-10mA的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续

22、调节。适用于对泄露量要求严格、阀前后压差低及有一定粘度和含少量纤维介质的场合。ZAJP 精小型电动单座调节阀的实物图如图3.2。图3.2 ZAJP 精小型电动单座调节阀1） 执行机构详细参数见表3.3表3.3 执行机构型号DKZ-410/410C输出推力，N6400行程L，mm40全行程时间，s30主要技术参数电源电压：220V/50Hz 输入电阻：250、200 输入通道：3个输入信号：4-20mA或0-10mA.DC 输出信号：4-20mA或0-10mA.DC 手操功能：手轮环境温度：-25+70 环境湿度：95%2） 调节阀性能指标见表3.4表3.4 性能指标项目技术指标基本误差%5.0

23、回差%3.0死区%3.0始终点偏差%气开始点2.5终点5.0气关始点5.0终点2.5额定行程偏差%2.5泄露量l/h0.01%阀额定容量可调范围R30：13） 调节阀机械结构和外形尺寸参见图3.3和表3.5图3.3 机械结构图表3.5 外形尺寸 单位：mm 公称通径DN40LPN16/40222A460B230H1PN16/40152H2490H3PN16/40733.2 液位测量变送仪表的选择3.2.1 液位仪表的现状及发展趋势液位仪表是工业生产中不可缺少的重要仪表。高档的现代新型仪表大多依赖进口，开发生产高档先进的液位仪表仍然是国内仪表行业发展的关键。化工生产过程中各类塔、釜、罐液位的检测

24、，目前仍是以压力和差压变送器为主。这除了在性价比方面存在一定的优势外，还有设计和应用的习惯问题。其次，磁浮子式、浮筒式、电容式液位计也有相当的应用量。随着科技发展，磁致伸缩式、超声波式和射频导纳式液位计的用量将会迅速增加，压力（差压）式液位计比例会有所下降。在本系统中，综合考虑技术要求及性价比，选择差压变送器。3.2.2 差压变送器的测量原理如图所示的密闭容器中，测量容器下部的液位压力除与液位高度有关外，还与其上部空间介质压力有关，这时液位的测量需采用两个法兰将液相和气相压力引至差压变送器，利用和之差反映液位。图3.4 差压式液位计设容器上部空间的压力为，则 (3.1) (3.2)因此可得 (

25、3.3)即被测液位与差压成正比3.2.3 差压式液位变送器的选型原则1） 对于腐蚀性液体,粘稠性液体,熔融性液体,沉淀性液体等,当采取灌隔离液,吹气或冲液等措施时,可选用差压变送器。2） 对于腐蚀性液体,粘稠性液体,易气化液体,含悬浮物液体等,宜选用平法兰式差压变送器。3） 对于易结晶液体,高粘度液体,结胶性液体,沉淀性液体等,宜选用插入式法兰差压变送器。4） 对于被测对象有大量冷凝物或沉淀物析出时,宜选用双法兰式差压液位变送器。5） 测液位的差压液位变送器宜带有正负迁移机构,其迁移量应在选择仪表量程时确定。6） 对于正常工况下液体密度发生明显变化介质,不宜选用差压式液位变送器。市面上液位测量

26、变送仪表种类繁多，在此结合本课题研究任务和经济性两反面考虑，最终选定广州森纳士仪表有限公司生产地DP系列LT型智能液位变送器。3.2.4 DP系列LT型智能液位变送器产品介绍如图3.5所示为DP系列LT型智能液位变送器实物，该变送器采用美国Dylix公司技术生产的传感器内核，结合先进数字技术生产的新一代智能化变送器，原理上采用了直接数字电容电路代替模拟信号放大电路及A/D转换电路，利用数字化补偿技术对温度静压进行补偿，提高了测量精度，降低了温度漂移，变送器整机具有体积小、可靠性高、长期稳定性、测量范围宽、安装简便、易于维护等特点。智能型是具有HART现场总线协议和一体化数字显示功能的新产品，具

27、有优良的抗干扰能力和零点稳定性，并具备零点自动稳定跟踪和温度自动补偿能力。该产品具有极高的性价比，被广泛应用于电力、冶金、石油、制药、造纸等行业，与我国推行的“IBC”标准要求符合。图3.5 DP系列LT型智能液位变送器使用对象：液体测量范围：0-4.7186.8kPa输出信号：线性输出；42mA输出叠加HART协议数字信号（两线制）电源：外部供电24VDC（电源范围12V45V）危险场所安装：本安型iaIICT5负载特性：无论输出如何，正负迁移后，其量程上、下限均不得超过量程的极限。 在最小量程时，最大正迁移为0.975URL；最大负迁移为-URL.温度范围：介质温度-40149（灌充硅油）

28、储存温度：-18204（灌充惰性气体）整机工作温度：-2070（带数字表头）相对湿度：0100%静压和超压极限：150b法兰；41.37KPa（绝对压力）1.89MPa（在37，充硅油）容积变化量：小于0.16阻尼：时间常数在0.4s32.0s之间可调启动时间：3s，无需预热3.3 PLC机型选择3.3.1 PLC历史及发展现状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，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面极广，在工业控制领域中一直占主导地位。

29、但是继电接触器控制有明显的缺陷，设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现复杂控制，特别是由于它是靠硬链接逻辑构成系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更行，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开发系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标。对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：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

30、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、 输入可以是交流150V以上8、 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等。9、 扩展时原系统改变量小10、 用户存储器至少能扩展到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、

31、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比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。国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内

32、部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，

33、诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。3.3.2 PLC机型的选择目前，PLC产品种类繁多，同一个公司生产的PLC也常常推出系

34、列产品，这就需要用户选择最适合自己要求的产品。正确选择产品时，首先要选择的是适合控制系统的机型，1) 根据系统类型选择机型（1） 小系统的机型选择小系统一般使用一台PLC就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能，系统对PLC间的通信要求不高，但有时功能要求全面，容量变化要求变化大。对这类系统的机型选择要注意以下3种情况。一是设备集中，设备的功率要求较小，如机床，这时需选用局部式结构，低电压高密度输入/输出模板。二是设备分散，设备的功率较大，如料场设备，这时需要选用离散式结构，高电压低密度输入/输出模板。三是有专门要求的设备，如飞剪，这时输入/输出容量不是关键参数，更重要的

35、是控制速度功能，选用高速计数功能模板。2) 大系统的机型选择不管是慢过程大系统还是快速控制大系统，其控制系统都是由多台PLC构成。这类系统可以由一个上位机（可以是工业控制计算机或高档PLC）和多台下位PLC构成，其中每一台下位PLC控制系统中的一个子系统。这种系统机型的选择可以采用如下方案。方案一是整个控制系统由上位机或高档PLC对系统进行统一管理，控制信息由现场数据总线构成的通信网络进行传递。这是一个由微机和PLC构成的集散控制系统，集散控制系统的控制规模比较大，系统的硬件成本高。集散控制系统在设计、调试、扩展和维护等方面都有极大的优越性。整个系统全面停机的几率很少，其运行费用成本也比较低。

36、方案二是控制系统把计算机、PLC、数控机床和机器人等融合在一个庞大的通信网络中，整个系统分成管理层控制层和执行层等多个层次，最上面一层使用高速数据通信网络。这是一个大型的网络控制系统，这种控制系统成本较高，工作速度比较快，可用于快速控制大系统的控制，特别适用于工厂自动化、大量数据处理和企业综合管理系统。3) 根据控制对象选择机型对控制对象进行估计对确定机型十分重要。根据控制对象要求的输入/输出点数的多少，可以估计出PLC的规模；根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能；根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的容量。有了这些初步估计，会使机型选择的可行性更大。为了对控制对象进行粗

37、估，首先要了解下面几个问题。（1） 对输入/输出点数的估计为了正确地估计输入/输出点数，需要了解下面问题:对开关量输入需按参数等级分类统计；对开关量输出需按输出功率要求及其他参数分类统计；对模拟量输出/输入需按点数进行粗估。（2） 对PLC性能要求的估计为了正确地估计PLC性能，需要了解下面问题：是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等；机房离现场的最远距离；现场对控制器响应速度要求。在此基础上选择控制器时还需注意两个问题。一是PLC可带I/O点数。有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插入输出模块的容量，即实际给出的是输入和输出容量之和，有时也称为扫描

38、容量，需格外注意。二是PLC通信距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫做最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离，但远程I/O板的I/O反应速度大大下降，一般为19.2Kbit/s。（3） 对所需内存容量的估计用户程序所需要内存与逻辑量输入/输出点数的估计、模拟量输入/输出点数的估计、内存利用率的估计、程序编制者的编程水平的估计有关。程序中的各条指令最后都是以机器语言的形式存放在内存中的。控制系统中输入/输出点数和存放该系统用户机器语言与所占用的内存数字之比称为内存利用率。内存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使程序减少内存容量，从而降低内存投资，缩短周期时间，从而提高系统的响应时间。

39、根据上面的原则选择合适的机型：从工艺要求中可以看出，从控制方式选择上需要三个按钮开关I0.0、I0.1和I0.2，用来控制PID手动（I0.0=0）、自动（I0.0=1）切换和电动开关阀的开合。输出信号有高限报警Q0.0,低限报警Q0.1,正常运行Q0.2,控制电动开关阀开闭Q0.3。一个模拟量输入AI0.0接收测量变送器的4-20mA电流，一个模拟量输出AQ0.0用于驱动电动调节阀。该系统需3点数字量输入，4点数字量输出，1点模拟量输入，1点模拟量输出。可选择西门子S7-200系列的CPU224和一个模拟量扩展模块EM235即可满足要求。3.3.3 S7-200系列CPU224和EM235介

40、绍CPU224本机集成了14点输入和10点输出，共有24个数字量I/O，它可连接7个扩展模块，最大可扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O，CPU224有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制功能。CPU224配有1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力。EM235具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，它的输入信号可以是不同量程的电压或电流，其电压、电流是由开关SW1、SW2到SW6设定。EM235有1路模拟量输出，其输出可以是电压也可以是电流。采用CPU224扩展EM235可以实现1

41、4点数字量数字量输入，10点数字量输出，4点模拟量输入，1点模拟量输出。该方案完全可以满足设计需求，而且有一定的冗余。4 PID算法原理及指令介绍在工业控制系统中常常用到闭环控制系统，而PID控制是常用的控制算法。PID控制算法简单易懂，使用时可以不必弄清楚系统的数学模型，只要能检测出偏差就可以对系统实现准确、无静差的稳定控制。它作为最早实用化的控制算法已有60多年的历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制算法。因此被称为控制系统领域的常青树。但是，PID算法也有其局限性。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构复杂的系统式，效果不是太好。如果系统过于复杂，有时可能无论怎么调参数，都不易达到控制

42、目的，需要采用其他更为先进的控制算法。4.1 PID算法介绍PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）之意。标准的PID控制值与偏差（控制系统的设定值与实际值之差）、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比，可以用式子表示如下： （4.1）式中 -为时间函数，是PID控制回路的输出 -PID控制回路的增益 -PID控制回路偏差 -PID控制回路初始值PID控制就是用去进行控制对象的控制。计算偏差要使用反馈信号，所以PID控制是闭环控制，由式（4.1）可以看出，PID控制算法由比例环节、积分环节和微分环节构成。比例环节中比例系数越大，对同样的偏差，其控制作用也越强，意味着控制系统的反应

43、速度也越快。但同时过大的比例系统也容易引起系统超调量增大，导致系统振荡。积分环节主要用于消除控制系统的积累误差，使系统称为无静差系统。微分环节则是与偏差的变化有关系，偏差越大其控制作用越强，以抑制偏差的增大，如偏差的变化减小，其控制作用就减弱，以抑制偏差的减小。由于计算机是数字化工作模式，在处理连续函数时，需将之离散化。式（4.1）离散形式为 （4.2）式中 -在第采样时刻PID回路输出的计算值； -PID控制回路增益 -在第采样时刻PID控制回路的偏差 -在第采样时刻PID控制回路的偏差 -PID控制回路积分项系数 -PID控制回路微分项系数 -PID控制回路初始值式（4.2）中，积分项是包

44、括从第1个采样周期到当前采样周期的所有误差。计算中，没有必要保存所有采样周期的误差项。只需要保存积分项前值即可。即 (4.3)式中 -积分前项值 -在第采样时刻的比例项 -在第采样时刻的积分项 -在第采样时刻的微分项比例项是增益和偏差的乘积，增益决定输出对偏差的灵敏度。该项可以写为 (4.4)式中 -在第采样时刻的给定值 -在第采样时刻的过程变量积分项与偏差的和成正比。该项可以写为 (4.5)式中 -采样时间 -积分时间常数积分项前值是第采样周期前所有积分项之和。在每次计算出之后都要用去更新。第一次计算时的初值被设置为。采样周期是重新计算输出的时间间隔，而积分时间常数控制积分项在整个输出结果中

45、影响的程序。微分项与偏差的变化成正比，该项可以写为 (4.6)为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，可设定给定值不变（）,因此，式（4.6）可写为 (4.7)式中 -微分时间常数 -在第采样时刻的给定值 -在第采样时刻的过程变量值如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。（对于增益值为的或控制，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；如果指定为负值，就是反作用回路。）4.2 PID回路指令PID回路指令（包括比例、积分、微分回路）在逻辑堆栈栈顶（TOS）值为1的前提下用来进行PID运算。如图4-2所示为PID回路控制指令。该指令有两个操作数TBL和LOO

46、P，两者均是BYTE型，限用VB区域。其中TBL是回路表的起始地址；LOOP是回路号，可以是的整数。在程序中最多可以用8条PID指令。如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些PID运算之间也会相互干涉，产生不可预知的结果。PID回路指令根据输入和表（TAL）中的配置信息，对相应的LOOP执行PID回路计算。回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算。回路表格式如表4.1所示若要以一定的采样频率进行PID运算，采样时间必须输入到回路表中，且PID指令必须编入定时发生的中断程序中，或者在主程序中由定时器控制PID指令的执行频率。表4.1 回路表格式偏移地

47、址变量名数据类型变量类型描述0过程变量（）实数输入必须在之间4设定值（）实数输入必须在之间8输出值（）实数输入/输出必须在之间12增益（）实数输入比例常数，可正可负16采样时间（）实数输入单位为秒，必须是正数20积分时间（）实数输入单位为分钟，必须是正数24微分时间（）实数输入单位为分钟，必须是正数28积分项前项（）实数输入/输出必须在之间32过程变量当前值（）实数输入/输出最后PID运算的过程变量值，必须在之间S7-200的PID回路没有设置控制方式，只有当PID控制回路接通时，才执行PID运算。从这种意义上说，PID运算存在一种“自动”运行方式。当PID运算不被执行时，称为“手动”模式。同

48、计数器指令相似，PID指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳变（从0到1），PID指令执行一系列动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须把手动方式下的输出值填入回路表中的栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动切换到自动方式。（1）置给定值（）=过程变量（）（2）置过程变量当前值（）=过程变量现值（）（3）置积分项前项（）=输出值（）PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。CPU进入RUN方式后首次使PID块有效，由于没有使能位的正跳变，那么就不能

49、进行无扰动切换。在许多控制系统中，有时只应用一种或两种环路控制的方法。例如，可能只需要比例控制或比例积分控制。选择期望的环路控制类型通过设置常量参数的数值来进行。如果不需要积分操作，那么应将积分时间常数设置为无穷大“INF”；如果不希望微分操作，那么应将微分时间常数设置为0.0；如果不希望比例操作，那么应将增益设置为0.0。如果指令指定的回路表起始地址或PID回路号操作数超出范围，那么在编译期间，CPU将产生编译错误，导致编译失败。PID指令不检查回路表中的值是否在规定范围之内，因此，必须保证过程变量和设定值在之间。如果PID计算的算术运算发生错误，那么特殊存储器标志位SM1.1（溢出或非法值

50、）会被置1，并且中止PID指令的执行。PID回路指令输入/输出变量数值转换（1） 回路输入的转换和标准化每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。给定值通常是一个固定的值。过程变量与PID回路输出有关，可以衡量输出对控制系统作用的大小。给定值和过程变量都可能是现实世界的值，它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。在PID指令对这些现实世界的值进行运算之前，必须把它们转换成标准的浮点型表达形式。转换的第一步是把16位整数值转换成浮点型实数值。下一步是将现实世界的值的实数值表达形式转换成之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值： (4.8)式中 -标准化的实数

51、值 -没有标准化的实数值或原值 -单极性为0.0，双极性为0.5 -值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性为 32000（典型值），双极性为64000（典型值）。（2） 回路输出值转换成刻度整数值回路输出值一般是控制变量。回路输出是之间的一个标准化了的实数值。在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，回路输出必须转换成一个16位的标定整数值。这一过程，是给定值或过程变量的标准化转换的逆过程。第一步是使用下面给出的公式，将回路输出转换成一个标定的实数值： (4.9)式中 -回路输出的刻度实数值 -回路输出的标准化实数值 ，的定义同上 5 系统建模及仿真人们在科学研究及生产实践中，由于受到客观条

52、件（如经济性、安全性及可能性等）的限制，常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况下，就需要采用间接试验的方法，即建立一个与所研究的对象或过程（一般称为系统或原型）相似的模型，通过模型间接地研究原型的规律性。5.1 系统建模如图5.1所示为盐酸储罐系统结构图，液体通过控制阀门不断的流入储罐，同时也有液体通过负载阀不断的流出储罐。液体流入量由调节阀开度加以控制，流出量则由用户根据需要通过负载阀来改变。被调量为水位，它反映液体的流入与流出之间的平衡关系。图5.1 盐酸储罐系统结构图令表示输入液体流量的稳态值，表示输入液体流量的增量，表示输出液体流量的稳态值，表示输出液体流量的增量，表示液位高度

53、，表示液位高度的稳态值，表示液位的增量，表示调节阀的开度。设为液槽横截面积，为流出端负载阀门的阻力即液阻。根据物料平衡关系，在正常工作情况状态下，初始时刻处于平衡状态：，当调节阀开度发生变化时，液位随之发生变化。在流出端负载阀开度不变的情况下，液位的变化将使流出量改变。流出量与流入量之差为 （5.1）式中，为液槽液体储存量；由调节阀开度变化引起，当阀门前后压差不变时，有 （5.2）其中为阀门流量系数。流出量与液位高度的关系为 （5.3）这是一个非线性关系式，可在平衡点（，）附近进行线性化，得到液阻表达式 （5.4）将（5.2）、（5.4）带入（5.1）得， (5.5)式中，在零初始条件下，对上

54、式两端进行拉氏变换，得到储罐的传递函数为 （5.6）在图5.1中，由于调节阀距储罐有较长的距离，调节阀开度变化所引起的流入量变化，需要经过一段传输时间才能对水槽液位产生影响，其中通常称为纯延迟时间。可得有纯延迟储罐的微分方程为 （5.7）在零初始条件下，对上式两端进行拉氏变换，即可得到有纯延迟储罐的传递函数 （5.8）取其典型参数代入上式，得该储罐的传递函数为 （5.9）5.2 系统仿真5.2,1 MATLAB语言中Simulink交互式仿真环境简介MATLAB语言是一种用于科学和工程计算的高级语言，在科学计算、自动控制、动态系统仿真、信号处理、神经网络、优化、小波分析、图形处理等领域提供了强

55、大的处理功能，具有很高的编程效率。MATLAB是当今世界上最为流行的数学软件之一，除了其主软件包提供的一些通用功能外，还提供了扩充主程序包，解决不同专业领域问题的工具箱以及交互式仿真环境Simulink。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的交互式软件。在控制系统设计、DSP设计、通信系统设计及其他一些领域得到了广泛的应用。本工程的特点是：在系统中，被控对象的惯性比较大，故系统仅采用比例和积分控制，其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。实际上还需要进一步调整以达到最优控制的效果。初步确定的增益和时间常数为：增益：采样时间：积分时间：要求系统超调量小于15%，调节时间小于

56、3Min，上升时间小于1Min5.2.2 系统仿真应用simulink交互式仿真环境对对象进行仿真如图5.2所示：图5.2 储罐液位控制系统框图其中PID参数为P=0.25,I=0.034,D=0;滞后环节时间取3秒。其仿真结果如图5.3所示：Scope1图5.3 储罐液位控制曲线由图5.3所示的仿真曲线可知，该系统在200s时已达到稳定，为了检验该系统的抗干扰性能，我们在300s时分别在对象前后加一幅值为0.5的阶跃干扰如图5.2所示，得到系统的仿真曲线如图5.4所示：Scope4图5.4 阶跃干扰时储罐液位控制曲线由上面的仿真结果可以得出：1、 当P、I、D参数选择合适时，该控制器可以对被

57、控对象起到很好的控制作用。2、 该系统具有较强的抗干扰性。第6章 系统编程实现6.1 硬件设计6.1.1 绘制控制接线示意图图6.1 控制系统接线示意图6,1.2 I/O资源分配表6.1 I/O资源分配表输入输出数字量I0.0PID手/自动切换Q0.0红灯亮I0.1电动阀开Q0.1黄灯亮I0.2电动阀关Q0.2绿灯亮Q0.3电动阀开关模拟量AIW0液位变送信号AQW0调节阀开度6.2 软件设计6.2.1 STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6编程软件介绍STEP 7 Micro/Win V4.0 SP6是西门子公司于2007年12月正式推出的S7-200新版编程软件。安装 Micr

58、o/WIN V4.0 SP6 升级版将把先前系统中安装的 V4.0 正式版（包括各 SP 版本）升级到 SP6，安装 SP6 升级版也需要先安装有 V4.0 的任何版本；如果已有 STEP 7-Micro/WIN V4.0 + SP6 正式版，则可直接安装。STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 可以完全兼容所有 S7-200 CPU (CPU21x 和 22x)STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 可以毫无限制的打开老版本软件 STEP 7-Micro/WIN V3.x 或 V4.x 所编写的程序STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 创建的项目不能使用

59、老版本的软件打开或上载STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6 的主要新功能和改进为：1. 支持新的 TD400 C 2. 支持 TS Adapter IE teleservice adapter3. 优化了 modem 向导，支持modem 模块 EM241新功能STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6支持的操作系统：Microsoft WindowsXP Home Microsoft WindowsXP Proffesional Microsoft Vista Home-Basic Microsoft Vista Home-Premium Microsoft Vista Business Microsoft Vista U