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1、-毕业设计（论文）-水塔水位PID控制系统设计-第 39 页水塔水位PID控制系统设计摘 要供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，有一个水箱需要维持一定的水位，该水塔里的水以变化的速度流出。这就需要有一个输入控制液体阀以不同的速度给水塔供水，以维持水位的变化，这样才能使水塔不断水。研究设计的基于PLC控制的水塔水位PID供水系统,以西门子公司的S7-200系列中PLC-CPU226为基础，结合模拟量模块EM235、液位传感器、输入控制液压阀、输出控制液压阀等，组成一个基于S7-200系列中PLC-CPU226的水塔水位控制系统，能完成
2、逻辑控制、水位调节和数据采样等功能,实现对水塔的水位进行控制及检测。在设计中大量运用PLC中PID来实现水塔水位的控制，为了精确地实现对水位的控制 ，建立成闭环控制系统，实现了水塔中的进、出水的水位自动控制。关键词： 可编程控制器PLC，水塔水位，PID控制 WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACTWater supply is an important industry of the peoples livelihood. With the social development and peoples living standards, u
3、rban water supply to a higher demand, there is a need to maintain a certain water tank water level, the water towers in order to change the speed of the outflow. This requires a liquid input control valve to the different speeds of water towers in order to maintain the water level changes, so that c
4、ontinuous water towers. PLC-based research and design of the towers level PID control the water supply system to Siemens S7-200 series PLC-CPU226-based light simulation module EM235, liquid level sensors, type of hydraulic control valve, hydraulic valve control output and so on, based on the formati
5、on of a S7-200 series of the PCL-CPU226 towers water level control system, to complete logic control, water regulation and function of data sampling, etc., to achieve the level of the water tower for control and detection. In the design of PID make extensive use of PLC to achieve the level of contro
6、l towers, in order to achieve precise level of control, into a closed-loop control system, the water tower in progress, the water level of automation.KEY WORDS: Programmable Logic Controller PLC, Water Towers, PID Control目录前言1第1章 水塔水位自动控制系统的概述21.1 水位控制系统现状与发展21.2 水塔水位自动控制系统的组成21.3 水位控制系统效率及运行模式分析3第2
7、章 PLC结构和工作原理42.1 PLC组成与基本结构42.1.1 PLC的系统结构42.1.2 PLC的基本工作原理52.2 PLC的主要应用62.3 S7-200 系列可编程控制器62.3.1 S7-200 PLC系统组成72.3.2 S7-200系列PLC元件功能82.4 PID控制器简介92.4.1 PID控制器的结构及原理92.4.2 数字式PID控制102.4.3 数字式PID控制的实现12第3章 水塔水位控制系统方案设计143.1 系统的工作原理143.1.1 设计分析143.1.2 可行性试验153.1.3 可行性分析163.2 水位闭环控制系统163.2.1 PLC的选择17
8、3.2.2 供水的控制方法18第4章 PLC中PID控制器的实现204.1 PID算法204.2 PID应用214.3 PLC实现PID控制的方式214.4 PLC中 PID控制器的实现224.5 PID指令及回路表24第5章系统硬件开发设计265.1 硬件系统的结构265.2 可编程控制器的选型265.3 EM235模拟量模块285.3.1 EM235的安装使用295.3.2 EM235的工作程序编制295.4 系统硬件连接图305.5 控制系统I/O地址分配30第6章 系统软件控制设计316.1 水位PID控制的逻辑设计316.2 梯形图编程356.3 控制程序386.4 联机39结 论4
9、0谢 辞41参考文献42附 录43外文资料翻译46前言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等
10、缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设
11、计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC和PID技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。本论文侧重介绍“水塔水位PID控制系统”的硬件、软件设计及相关内容，使水塔水塔维持一定的水位。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传液位传感器反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用输入液体控制阀连续调节和输出控制阀分级调节相结合，实现水塔供水且有效节能。水位PID控制系统集PLC控制技术、PID技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术、测试技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性
12、，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 第1章 水塔水位自动控制系统的概述1.1 水位控制系统现状与发展节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题.水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一.对变频调速水位控制系统的实际运行情况研究发现，目前国内在这方面普遍采用恒水位或恒压力变频调速PID控制技术，取得了一定的应用效果.但由于这类控制系统忽视了水泵-电机组效率，致使水泵-电机组经常处于低效区运行图1-1；另外，单目标的恒水位或恒压力控制不能保证电机经常处于节能运行状态
13、以充分发挥变频调速的节能功效，造成了变频调速控制系统在实际运行中效率不高，节能效果未能充分体现,这也是变频调速控制技术多年来一直难以大规模采用的原因之一，水位控制类变频调速效率优化问题属于一类复杂的多变量、离散性强的非线性系统控制问题，要 图1-1 水塔水位控制系统模型求控制系统在满足用水要求的同时，又要实现系统效率最优，采用传统的控制策略很难获得简便、实用的解决方法.本文结合水位控制类系统的特点，运用水位控制理论与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，设计一种水位控制以改善这类系统的控制策略与运行方式，同时给出采用PLC控制程序实现的此水位控制。水塔水位控制系统模型如图1-1。1
14、.2 水塔水位自动控制系统的组成水位自动控制系统由PLC（核心控制部件）、高低位的水位检测电路（液位传感器）、输入控制液压阀、输出控制液压阀等部分组成。1.3 水位控制系统效率及运行模式分析水位控制系统的效率主要由水泵的效率、电动机的效率和管道损失决定，本文主要研究水泵-电机组的效率问题。由于水位控制系统的非线性、滞后性与时变性，采用传统的PID控制容易实现单目标，即水位恒定或水泵-电机组高效运行，而无法两者兼顾。为此引入模糊控制，使系统能够最快地响应用户的用水要求并最大限度地工作在高效区，以期能充分发挥变频调速的节能功效，进一步提高系统的运行效率。在分析变频调速水位控制的节能问题时，以不同转
15、速下提供相同容积图1-2 控制系统框图的水作比较得出图1-2：水泵消耗的轴功率与异步电动机转速的三次方成正比，由此可知，水泵-电机组的效率与电机的转速成反比；其次，结合水泵与电机的效率特性，为使系统经常高效运行，不失一般性，设：水泵-电机组的高效率区为异步电动机的转速n=0.61.0n N(n N为电动机的额定转速)；当电机转速n=0.8n N时，异步电动机的效率最佳。图1-1给出了水位控制系统控制模型图，H表示水位高度，依水位高度将水箱划分为A、B、C三区。A、C区分别为水位极高、极低区域，是高位、低位警戒区；B区为高效运行区，是系统经常运行的区域。系统总的控制模式为：当HA时，系统运行减机
16、模式；当HB时，系统运行节能模式；当HC时，系统运行加机模式.系统效率Kn3dtn0.61.0n N系统节能模式是本文的研究重点，根据此图可设计一个水位控制器，使变频器的输出频率即电动机的转速随着水位的变化而自动改变，使系统能够在最快地响应用户用水要求的同时，在时间上最大限度地工作在高效区，这样，系统运行的效率就可以提高，此时的系统工作于最佳状态，从而提高系统的响应速度，达到系统稳定性与快速性的较好结合。第2章 PLC结构和工作原理2.1 PLC组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的扩展性与工业过程相
17、连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 2.1.1 PLC的系统结构目前PLC种类多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和微图2-1 PLC结构示意图机相似。主要包括CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如图2-1所示。PLC控制系统有输入量PLC输出量组
18、成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。2.1.2 PLC的基本工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。图2-2 PLC的扫描工作过程PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程
19、序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符号后返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的工作过程就是PLC的扫描循环工作过程，一个循环扫描周期主要可分为3个阶段，输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。如图2-2所示PLC的扫描工作过程。2.2 PLC的主要应用经过20多年的工业运行，PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，从PLC的功能来看，它的应用范围大致包括以下几个方面：（1）逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，可以实现各种通断控制。（2）定时控制 PLC具有定时功
20、能。它为用户提供几十个甚至上千个计时器，其计时时间设定值既可以由用户程序设定，也可以由操作人员在工业现场通过人机对话装置实时设定，计时器的实际计时值也可以通过人机对话装置实时读出或（3）计数控制 PLC具有计数功能。它为用户提供几十个甚至上千个计数器，其计数设定值的设定方式同计时器计时时间设定值一样。计数器的实际计数值也可以通过人机对话装置实时读出。（4）步进（顺序）控制 PLC具有步进（顺序）控制功能。在新一代的PLC中，还可以IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图（SFC）编制用户程序，PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的场合更简便。（5）PID控制 PLC具有PID
21、控制功能。PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号。通常采用专门的PID控制模块来实现。（6）数据处理 PLC具有数据处理能力。它能进行自述运算数据比较、数据传送、数制转换、数据显示和打印，数据通信等功能。新一代的大，中型PLC还能进行函数运算，浮点运算等。（7）通信和联网 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC和PLC，PLC和计算机之间的通信。因此，可以方便地构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。（8）PLC还具有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT模块等。2.3 S7-200 系列可编程控制器 德国的西门子（SIE
22、MENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是于1975年投放市场的SIMATIC S3系列控制系统。 1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，产生了SIMATIC S5系列，随后在20世纪末又推出了S7系列产品。2.3.1 S7-200 PLC系统组成 1 CPU模块 从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215
23、和CPU 216。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。2 输入输出扩展模块 （1） 设备连接 图2-3 I/O扩展示意图（2） 最大I/O配置的预算 在进行I/O扩展时,各扩展模块在5VDC下所消耗的电流应不大于CPU主机模板在5VDC下所能提供的最大扩展电流. 各CPU在5VDC下所能提供的最大扩展电流如表2-4所示。表2-1 CPU提供的最大扩展电流2.3.2 S7-200系列PLC元件功能1
24、. 数据类型 数据类型S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整数型和实数型（浮点数）。布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括16位符号整数（INT）和32位符号整数（DINT）。2. 编程元件 （1） 输入映像寄存器I（输入继电器） 输入映像寄存器的工作原理：输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。PLC中的继电器与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是软继电器，它实质是存储单元 输入映像寄存器的地址分配：S7-200输入映像寄存器区域有IB0IB15共16个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以字节（8位）为单位进行地址分配的。 （2） 变量存储
25、器V 变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222为V0.0V2047.7共2KB存储容量，CPU224/226为V0.0V5119.7共5KB存储容量 （3） 内部标志位存储器（中间继电器）M 内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能
26、在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。 （4） 特殊标志位存储器SM PLC中还有若干特殊标志位存储器, 特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取。（5） 定时器T PLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。 （6） 计数器C计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。（7） 累加器AC 累加器是用来暂存数据的寄存器，它
27、可以用来存放运算数据、中间数据和结果。CPU提供了4个 32位的累加器，其地址编号为AC0AC3。累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32 位。2.4 PID控制器简介基于偏差的比例(Proportlonal)、积分(Integral)和微分(Derivative)的控制器简称为PID控制器，它是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。由于PID控制器算法简单、鲁棒性强，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。尽管工业自动化飞速发展，但是PID控制技术仍然是工业过程控制的基础。根据
28、日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID控制技术占84.5%，优化PID控制技术占6.8%，现代控制技术占1.6%，手动控制占66%，人工智能(Al)控制技术占0.6%。如果把PID控制技术和优化PID控制技术加起来，则占到了90%以上，而文献指出，工业过程控制中，95%以上的回路具有PID结构。因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进控制技术的发展，PID控制技术仍然不过时，并且它还占着主导地位。同时，由于工业过程对象的精确模型难以建立，系统参数又经常发生变化，因而在用PID控制器进行调节时，又往往难以得到最佳的控制效果。2.4.1 PID控制器的结构及原理PID
29、控制器是一种基于偏差“过去、现在和未来”信息估计的有效而简单的控制算法。常规PID控制系统原理图如图2-4示。整个系统主要由PID控制器和图2-4 PID控制系统原理图被控对象组成。作为一种线性控制器，PID控制器根据给定值SV和实际输出值PV构成控制偏差： 即e(t)=r(t)-y(t) (2-1)然后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。由图2-5得到PID控制器的理想算法为 (2-2)或者写成常见传递函数的形式为： (2-3)其中，Ti、Td分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。式(2-2)和式(2-3)是我们在各种文献中最经常看到的PI
30、D控制器的两种表达形式。各种控制作用(即比例作用、积分作用和微分作用)的实现在表达式中表述的很清楚，相应的控制器参数包括比例增益凡、积分时间常数Ti和微分时间常数路。这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏。2.4.2 数字式PID控制在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常采用proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点:理论成熟，算法简
31、单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t):e(t)=y(t)一r(t) (2-4)经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图2-5所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。图2-5 PID控制原理图PID控制器规律为： （2-5）式中：为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。相应地传递函数形式： （2-6）PID控制器各环节的作用及调节规律如下:l)比例环节:成比例地反映控
32、制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数凡的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。2)积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，
33、在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的偏差信号对于干扰信号的抑制能力却将减弱。PID的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式（
34、2-6）离散化来实现的。用一系列的采样时刻点nT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式: （2-7）式中:T为采样周期;n为采样序号;e(n)为第n时刻的偏差信号;e(n-l)为第n-1时刻的偏差信号。PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n)和e(n-l)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际
35、控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为（2-8）: （2-8）式中：为调节器输出的控制增量：增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量Au(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。2.4.3 数字式PID控制的实现PID控制器是控制系统中应用最广泛的一种控制器，在工业过程控制中得到了普遍的应用。过去的PID控制器通过硬件模拟实现，但随着微型计算机的出现，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，原先PID控制器中由硬件实现的功能都可以用软件来代替实现，从而形成了数值PID算法，实现了由模拟PDI控制器到
36、数字PID控制器的转变。数字PID控制器在实际应用中可分为两种:位置式PID控制器和增量式PID控制器。应用中，位置式PID控制器和增量式PID控制器的算法实现分别如图2-6和图2-7所示。图2-6位置式PID算法实现 图2-7 增量式PID 算法实现第3章 水塔水位控制系统方案设计在传统的水塔、水箱供水的基础上，加入了PLC及液压变送器等器件。利用PLC和组态软件来实现水塔水位的控制，提供了一种实用的水塔水位控制方案。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，有一个水箱需要维持一定的水位，该水塔里的水以变化的速度流出。这就需要有一个输入控制液体阀以不同的速度给水塔供水，
37、以维持水位的变化，这样才能使水塔不断水。3.1 系统的工作原理在系统中，只使用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口，用于动控制输入控制液体阀，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时输入控制液体阀从手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的数字量控制。3.1.1 设计分析 如图3-1，“水塔水位自动控制系统”的控制对象为水泵，容器为水塔或储液罐。水位高度正常情况下控制在C、D之间，如图3-1。当水位在低于C点时，水泵开始进水，如图3-1。当水位高于D点时，水泵停止进水，如图3-1。当水位低于C点并到达B
38、点时就报警，采取手动启动水泵，如图3-1。当水位超过D点并到达E点时上限报警，采取强制停止水泵，水位从溢流口流出，如图3-1。图3-1设计分析示意图3.1.2 可行性试验图3-2为水塔水位控制器的外观正视图，由电源指示灯、报警确认灯、水位指示灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深处于不同位置时，水位指示灯B、C、D、E情况不同。图3-2水塔水位控制器外观图当水位处于B点之下，指示灯B、C、D、E全亮，报警电路开始报警，即下限报警。 当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开始进水。 当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持进水。 当水
39、位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮，停进状态，即水泵不工作。 当水位处于E点之上，指示灯B、C、D、E全灭，水泵不工作，报警电路开始溢出报警，即上限报警。报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确认电路复位，恢复其监测故障的功能。3.1.3 可行性分析 此方案采用纯硬件电路设计，避免了软件程序设计中的不稳定因素，提高了实际运用中的可靠性。同时，对于不同类型的液体，此系统均有良好的兼容性。当水塔中液体改变时，只需要将电位器中的阻值和该液体的阻值调节到一个数量级上就可以很方便的实现此液体的水位控制操作。
40、试验证明，此水塔水位控制器不仅实现了对水塔水位的精确控制，而且，此系统更具有工业生产的实际性。3.2 水位闭环控制系统图3-3 供水系统控制原理图M1、M2水泵 Y0-Y3液位开关 F1手阀 F2电磁阀 为了精确的实现对水位的控制，必须建立闭环控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵，使水位处于动态的平衡状态。 供水系统的基本原理如图3-3所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的三个液压变送器，将水位值变换为420 mA电流信号进入PLC，把该信号和PLC中的设定值的程序进行比较，并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。当PLC出现故障时，还有一套手动控制来进行对
41、水塔水位控制。手动控制采用交流接触器。 上水箱液位低于Y3时，M1、M2同时工作，F2打开。液位上升至Y2时，M2停止，F2关闭，M1继续工作。液位上升至Y1时，M1也停止。打开F1手阀使上水箱放水，液位下降。当液位又低于Y1时M1起动工作，如F1开度较大下水量大于上水量，使液位继续下降至Y2时，M2启动工作同时F2打开，使上水量大幅上升，保持液位。Y0为下水箱缺水报警开关下水箱液位低于Y0时意味着水泵进水口缺水，此时应自动切断电源并报警。图3-4 水位闭环控制图3.2.1 PLC的选择由于该系统为中型PLC自动控制系统，要求PLC能够提供可编程逻辑分析和PID功能，故选用中达公司生产的台达D
42、VP14ES00R可编程逻辑控制器。台达DVP14ES00R具有标准的输入、输出及通信单元，可用于较为恶劣的环境中。主要配件有中央处理器CPU，电源单元PSE，I/O单元。包括数字输入板IDPG、数字输出板ODPG、附属单元。在选择PLC机型时，主要考虑下面几点：1、功能的选择。 对于小型的PLC主要考虑I/O扩展模块、A/D与D/A模块以及指令功能（如中断、PID等）。2、I/O点数的确定。 统计被控制系统的开关量、模拟量的I/O点数，并考虑以后的扩充（一般加上10%20%的备用量），从而选择PLC的I/O点数和输出规格。3、内存的估算。 用户程序所需的内存容量主要与系统的I/O点数、控制要
43、求、程序结构长短等因素有关。一般可按下式估算：存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点数8+模拟通道数100+定时器/计数器数量2+通信接口个数300+备用量。3.2.2 供水的控制方法图3-5 给水泵控制原理图系统的给水泵控制原理如图3-5所示。从整个流程中可以看到两套控制方式：由一台可编程序控制器来控制两台水泵的自动运行。由交流接触器来控制两台水泵的手动运行。当换项开关KKl打到手动时，按下起动按钮SBl，1#泵起动运行向水塔注水，由于设置了顺序开启和逆序关闭，在1#泵没有开起的情况下，2#泵不能起动运行，而在两个水泵同时运行时，2#泵在没有停止的情况下，1#泵不能够停止。现在1#泵运行
44、的时候，按下起动按钮SB2，2#泵起动运行向水塔注水。此时，控制台上的水位灯，由水塔中的液位变送器将水位变换为420mA电流信号输入到PLC中，经IDPG将其转换为数字信号。该信号与水位给定值进行比较，由PLC输出一个控制信号经ODPG转换控制信号点亮此时水塔水位所在的水位灯。当换项开关KK1打到自动时，系统将根据水塔中水位的情况，通过在水塔中的液位变送器送出的420 mA电流信号由PLC接受并对其于给定值进行比较，执行事先编译好的程序。程序流程是：在水塔中无水时，1#、2#泵同时开起，对水塔进行注水；水位到达低水位时，控制台上的低水位灯点亮；水位到达中水位时，2#泵停止，1#泵继续运行，中水
45、位灯点亮；水位到达高水位时，1#、2#泵都停止，高水位灯点亮。而当下水箱水位到达报警水位的时候，报警器开始报警，并切断1#、2#泵的运行。系统各种功能的实现：1水位显示及报警功能 为了及时观测到水塔中的水位，特别在控制台上安装了4盏水位显示灯，并将它们与PLC连接，根据变送器给PLC的信号，由PLC输出信号开启这4盏水位灯来显示当前水塔水位的情况。其中一盏灯是报警灯，在下水箱缺水的时候进行报警，提醒工作人员前来处理。2手动/自动功能 为了系统能正常运行，设置两套手动/自动运行方式。手动方式是利用继电器-接触器控制，可以在环境比较恶劣的条件下继续工作，自动方式是利用PLC来控制。3组态软件功能
46、在这里利用组态软件的采集数据的功能，对水塔的水位进行实时监控，通过实际的数字和图表反映出现在的水位状况。第4章 PLC中PID控制器的实现4.1 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成。积分项的作用是消除系统静差，而微分项则改善系统的动态响应速度。PLC技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。图4-1是常见闭环控制系统的构成。4-1 闭环控制系统作为闭环控制的重要特征，采用了“误差”的概念，即:在闭环控制系统中，利用给定输入sP(t)与实际输出c(t)经过测量装置装置转换后的反馈量Pv(t)之间的差值e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。在实际闭环控制系统中，误差e(t)一个很小的变化量。因此，为了对系统进行更精确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，需要对误差进行放大(比例调节P)、积分(积分调节I)、微分(微分调节D)，才能有效地控制系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分