基于PLC和組態(tài)王的液位PID控制系統(tǒng)

1、報告用紙目 錄1 控制系統(tǒng)集成實訓任務書32 總體設計方案52.1系統(tǒng)組成52.2水箱液位控制系統(tǒng)構成52.3水箱液位控制系統(tǒng)工作原理62.4儀表選型72.4.1 GK-01電源控制屏72.4.2 GK-02傳感器輸出與顯示82.4.3 GK-03單片機控制82.4.4 GK-07交流變頻調速92.4.4 GK-08 PLC可編程控制92.5 PLC設計流程圖103 外部接線圖114 I/0分配125 梯形圖126 組態(tài)王界面16 6.1 主界面17 6.2 數(shù)據(jù)詞典18 6.3 曲線監(jiān)控18 6.4 水流動畫程序197 調試和運行結果19 7.1 比例控制197.2 比例積分調節(jié)20心得體會

2、22參考文獻230第頁1.控制系統(tǒng)集成實訓任務書題目：基于PLC和組態(tài)王的液位PID控制系統(tǒng)一、實訓任務本課題要求設計液位PID控制系統(tǒng)，它的任務是使水箱液位等于給定值所要求的高度,并通過PID控制減小或消除來自系統(tǒng)內部或外部擾動的影響。1.實訓模塊：1、THKGK-1過程控制實驗裝置GK-02、GK-07、GK-08。 2、計算機及STEP7運行環(huán)境（安裝好演示程序）、MPI電纜線，組態(tài)王軟件。 2.控制原理和控制要求：控制原理如圖所示，測量值信號由S7-200PLC的AI通道進入，經(jīng)程序比較測量值與設定值的偏差，然后通過對偏差的P或PI或PID調節(jié)得到控制信號（即輸出值），并通過S7-20

3、0PLC的AO通道輸出。用此控制信號控制變頻器的頻率，以控制交流電機的轉速，從而達到控制水位的目的。S7-200PLC和上位機進行通訊，并利用上位機組態(tài)王軟件實現(xiàn)給定值和PID參數(shù)的設置、手動/自動無擾動切換、實時過程曲線的繪制等功能。二、實訓目的通過本次實訓使學生掌握：1）實際控制方案的設計；2）編程軟件的使用方法和梯形圖語言的運用；2）程序的設計及實現(xiàn)方法；3）程序的調試和運行操作技術。從而提高學生應用PLC進行控制系統(tǒng)設計和調試能力，組態(tài)王設計監(jiān)控界面的能力。 三、實訓要求1、系統(tǒng)方案設計2、硬件選型和接線3、PLC控制程序設計。4、組態(tài)王監(jiān)控程序設計。5、總體調試與運行。四、實訓內容1

4、、熟悉本課題相關的各個子實驗；2、基于PLC和組態(tài)王液位PID控制系統(tǒng)；3、硬件接線圖、程序清單。五、實訓報告要求報告應采用統(tǒng)一的報告紙書寫，應包括評分表、封面、目錄、正文、收獲、參考文獻。報告中提供如下內容：1、目錄2、正文（1）實訓任務書；（2）總體設計方案；（3）硬件外部接線圖，PLC中的I/O分配表，程序中使用的元件及功能表；（4）梯形圖或指令表清單，注釋說明；（5）組態(tài)王界面程序；（6）調試、運行及其結果；3、收獲、體會4、參考文獻六、實訓進度安排周次工作日工作內容第一周1布置實訓任務，查找相關資料2熟悉實驗臺，完成一些相關基本實驗3根據(jù)實訓任務，完成總體設計方案（硬件選型、分配I/

5、O點等）4完成硬件接線，編寫程序并調試5編寫程序并調試第二周1編寫程序并調試2編寫程序并調試3調試4調試及準備實訓報告5答辯本課題共需兩周時間七、實訓考核辦法本實訓滿分為100分，從平時表現(xiàn)、實訓報告及實訓答辯三個方面進行評分，其所占比例分別為20%、40%、40%。2.總體設計方案2.1系統(tǒng)組成 單容水箱液位控制系統(tǒng)組成結構如圖2.1所示，控制器采用S7-200PLC,被控對象為單容水箱，水箱的液位經(jīng)液位傳感器測量變送至PLC,PLC對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)控制要求進行運算，結果經(jīng)模擬量輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器為電動調節(jié)閥。上位機通過計算機PC/PPI電纜和下位機PLC串口通信，上位機安裝有STEP

6、7-MicroWin編程軟件和組態(tài)王監(jiān)控軟件，可以進行控制算法編程，并為過程控制實驗提供良好的人機界面，可以在實驗時進行參數(shù)的設定修改以及響應曲線的在線顯示，進行整個試驗系統(tǒng)的監(jiān)控。圖2.1單容水箱液位控制系統(tǒng)組成結構2.2水箱液位控制系統(tǒng)構成 單容水箱液位控制系統(tǒng)有四個基本組成部分，即控制器、執(zhí)行器、被控過程和測量變送等，單容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖如圖2.1所示。圖2.2單容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖2.3水箱液位控制系統(tǒng)工作原理在虛擬的水箱控制系統(tǒng)中當水箱液位實際值PV小于給定值SV時，通過組態(tài)王界面調大電動調節(jié)閥開度，使水箱液位上升；當水箱液位實際值PV大于給定值SV時，此時調小閥門開度，使

7、水箱液位回到給定值上。數(shù)據(jù)采集原理框圖如圖2.3，數(shù)據(jù)采集是一個典型的簡單負反饋控制回路,通過傳感器將實際的物理量(即水箱液位)轉換為電壓信號傳給PLC的AD功能模塊，轉換后可送入PC中，與給定值進行比較得出偏差值，從而改變進水流量，以實現(xiàn)對水箱液位的控制。單容水箱液位控制系統(tǒng)方框圖如2.3所示：圖2.3單容水箱液位控制系統(tǒng)方框圖2.4儀表選型2.4.1 GK-01電源控制屏GK-01電源控制屏如圖1-1所示，它由一個交流電源控制區(qū)與三個執(zhí)行部件接線區(qū)所組成：1、交流電源控制區(qū)：由總電源鑰匙開關、空氣開關、帶燈啟動和停止按鈕、漏電保護器、電加熱器控制開關、照明開關、電壓表、告警指示燈與復位按鈕

8、等組成。 圖1-1、GK-01控制屏面板圖具體操作方法如下：1）、將電源插座接220V市電電源，要注意“左零右火”的接線方式并且要有可靠的接地保護。如果一插上電源就有嘶嘶的聲音，這時要檢查電源的接線方式是否正確，是否可靠接地。2）、插上三芯插頭，此時控制屏左、右兩側的三芯電源插座均帶電。3）、先打開空氣開關，再打開總電源鑰匙開關，此時“停止”按鈕紅燈亮，表示系統(tǒng)總電源接通。4）、按下“啟動”按鈕，此時“啟動”按鈕綠燈亮，表示系統(tǒng)電源接通。5）、撥動照明鈕子開關到“上”側，此時接通日光燈電源，日光燈亮。 注意：本實驗裝置配電壓型和電流型漏電保護系統(tǒng)。當屏上漏電時保護系動作，告警燈亮并自動切斷系統(tǒng)

9、電源，等到解除報警時才能起動。2、 三相異步電動機電源接線區(qū)：它與GK-07交流變頻控制掛件配合使用。在此接線區(qū)一共有 U1、V1、W1, U2、V2、W2六個強電接線柱，它們與三相異步電動機引線相對應，已在內部連好。2.4.2 GK-02傳感器輸出與顯示1、 此掛件主要是對各個傳感器變換信號的顯示，包括上水箱的液位和壓力；下水箱的液位以及交流支路管道的流量。2、 如右圖2-1所示，圖中左邊為各個傳感器變換輸出端，右邊顯示各個被控參量的實時測量值。當打開電源時，各個表頭就會顯示相應被控參量的當前測量值。在水箱沒有水的情況下有可能顯示不為零，這是由于傳感器的零點漂移引起的，通過調節(jié)壓力變送器的零

10、點電位器來糾正誤差，具體方法后述。3、 左邊輸出端是各個傳感器通過檢測、變換后輸出的電壓值，也就是反饋值。它的輸出與各個被控參量顯示之間有一定的比例關系，對應比例如下： 液位傳感器：輸出05V電壓對應020Cm的高度1V電壓對應5Cm的 高度。2.4.3 GK-03單片機控制 （一）、單片機控制掛件如圖3-1所示,它可以同時采集五路信號，一路輸出用來控制執(zhí)行器，以實現(xiàn)自動控制。單片機控制掛件的主要組成部分有：1、五路模擬量輸入：分別為LT1、PT、LT2、FT、TT，其接線端正好與右側GK-02屏上傳感器輸出端相對應，模擬量輸入為05V標準電壓信號。2、一路模擬量輸出：此輸出為單片機的控制輸出

11、端，輸出為05V標準信號。3、通訊接口方式：通過RS232串行通訊口與計算機通訊，以實現(xiàn)計算機監(jiān)控。4、鍵盤操作：共有六個功能鍵，分別為回路、向上、向下、整定、移位、確認。通過對這幾個功能鍵的操作可以對單片機的各個參數(shù)進行整定。5、兩個顯示框：功能顯示框（顯示所選參數(shù)）,數(shù)值顯示（顯示對應參數(shù)值）。 2.4.4 GK-07交流變頻調速如圖7-1所示，交流變頻控制掛箱面板圖。變頻器為三菱FR-S520S-0.4K型。具體使用說明、參數(shù)設置及操作，詳見產(chǎn)品使用手冊 。 （一）、掛箱面板接線端子功能說明為了使變頻器各接線端子不因每次做實驗經(jīng)常的裝拆線而損壞或丟失，應將常用端子引到掛箱面板上，以方便實

12、驗連線，它們分別是：1、A、B、C：變頻器的三個輸出端，（連接GK-01中的三相鼠籠電機三相定子繞阻的接線端U、V、W）。2、2和5：外部電壓控制信號（05V）輸入端，2接信號正極，5接信號地端 。3、STF、STR：電機正轉與反轉控制端，當STF與SD相連時電機為正轉，當 STR與SD相連時電機為反轉。4、其它： PC：外部晶體管公共端 、DC24V電源接點輸入端 。 SE：集電極開路公共。 RUN：集電極開路。 10：頻率設定用電源。4：頻率設定電流信號。 圖7-1、GK-07掛箱面板圖 6）、RH、RM、RL：RH、RM、RL 分別與SD連接實現(xiàn)多段速度選擇。7）a、b、c：報警輸出。8

13、）AM：模擬信號輸出。9）、RST：復位。10）、SD：輸入/輸出公共端。*本實驗裝置各端子的引出是為了滿足用戶其它自擬實驗接線的需要。2.4.4 GK-08 PLC可編程控制（一）、PLC結構概述PLC可編程控制掛箱面板，如圖8-1所示，采用西門子S7-200 PLC系列產(chǎn)品。1、PLC可編程控制面板上引出二路模擬量輸入端（AI1、AI2），一路模擬量輸出端（AO），十路開關量輸入端（DI1DI10），四路開關量輸出端（DO1DO4）。2、CPU為224，它集成14輸入/10輸出，總共有24個數(shù)字量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高

14、速脈沖輸出。此外，還有1個RS485通訊/編程口，它具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。3、EM 235 模擬量擴展模塊，具有4路模擬量輸入，2路模擬量輸出（實際的物理點數(shù)為：4輸入，1輸出）。4、PLC的編程環(huán)境軟件為：STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 ，STEP 7-Micro/WIN32 V3.0可以對S7-200的所有功能進行編程。 CPU通過PC/PPI 電纜或通過插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611網(wǎng)卡與PC/PPI電纜可以在Windows 95或Window 98下實現(xiàn)多主站模式。5、上位機的監(jiān)控軟件為：PROTOOLCS、MCGS工

15、控組態(tài)軟件以及人機控制（觸摸屏控制），這三種軟件都分別可以和PLC實現(xiàn)通訊，可以和PLC進行數(shù)據(jù)交換?；诒緦嶒炑b置所提供的軟件和硬件都是比較豐富的，學生可以根椐自已的愛好去選擇不同的軟件進行組態(tài)、編程以及運行調試，因而有益于學生動手能力的提高。 圖8-1、GK-08掛箱面板圖2.5 PLC設計流程圖系統(tǒng)控制功能由S7-200PLC實現(xiàn)，控制程序利用STEP7-MicroWin32軟件編寫調試，程序流程如圖3.3所示。初始化程序對設定值、PID控制參數(shù)、定時中斷時間等進行初始化設定，并啟動周期定時中斷，中斷(采樣)時間到，則進入中斷程序，進行采樣濾波、量程轉換，實現(xiàn)要求的控制算法。PID控制算

16、法利用S7-200的PID指令實現(xiàn)。圖3.3PLC控制程序流程圖3. 外部接線圖4 I/0分配按鈕名稱功能I0.4手動/自動開關寄存器寄存器名稱功能VD4液位設定值VD12比例系數(shù)VD16采樣時間VD20積分時間VD24微分時間5 梯形圖主程序：SBR_0SBR_1:INT_0:6 組態(tài)王界面 組態(tài)王軟件具有全中文、面向窗口的可視化操作界面,實時性強,有良好的并行處理性能和豐富生動的多媒體畫面.組態(tài)王軟件的開放式結構擁有廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強大的數(shù)據(jù)處理功能.同時.提供良好的安全機制,為多個不同級別用戶設定不同的操作權限.組態(tài)王軟件支持多種硬件設備,實現(xiàn)設備無關,用戶不必因外部設備的局部改動,而影

17、響整個系統(tǒng).組態(tài)王軟件由組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個系統(tǒng)組成.兩部分互相獨立.又緊密相關.本實驗利用組態(tài)王軟件設計,在設備組態(tài)窗口中選擇適當?shù)拇谕ㄓ嵲O備,添加西門子S7-200PLC,正確設置其屬性,正確設置組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)變量設備通道的連接,即可實現(xiàn)PLC與組態(tài)軟件的通訊.將PLC中的串口驅動程序與組態(tài)軟件的需求響應相結合,使計算機對PLC發(fā)出的信號有響應.在組態(tài)王軟件的用戶窗口中,制作一個動畫界面.在界面上設置各個屬性,使設置的畫面按照真實的情況動作,從而實現(xiàn)對液位變化狀態(tài)的實時監(jiān)控.6.1 主界面6.2 數(shù)據(jù)詞典1）定義變量“給定值”、“測量值”、“輸出值”?！敖o定值”變量類型選I/O整數(shù)，因

18、為給定值只需要寫入PLC，故寄存器選擇STATIC100；由于按輸入液位范圍0100，所以變量的最小值為0，最大值為100。其中定義I/O整數(shù)變量時，關鍵是最小原始值和最大原始值的設置。數(shù)據(jù)類型為SHORT。“測量值”與“給定值”的不同之處為寄存器選擇INCREA100，屬性為讀寫?！拜敵鲋怠迸c“測量值”的變量定義相同。（2）定義變量“P”、“I”、“D”?！癙”、“I”、“D”三個變量的定義完全相同，在本課程設計中，處于仿真的需要，均將變量類型選為內存實型。（3）定義變量“控制水流”、“閥門”。變量“控制水流”是為了水流動畫連接的需要，因此變量類型定義為內存整型。變量“閥門”只有兩個狀態(tài)，要

19、么為“1”，要么為“0”，因此變量類型選為內存離散。6.3 曲線監(jiān)控 趨勢曲線用來反應數(shù)據(jù)變量隨時間的變化情況。趨勢曲線有兩種：實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。這兩種曲線外形都類似于坐標紙，X軸代表時間，Y軸代表變量值。所不同的是，在你的畫面程序運行時，實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，以快速反應變量的新變化，但是不能隨時間軸“回卷”，不能查閱變量的歷史數(shù)據(jù)；歷史趨勢曲線可以完成歷史數(shù)據(jù)的查看工作，但它不會自動卷動，而需要通過命令語言來輔助實現(xiàn)查閱功能。 雙擊畫面中實時曲線對象，在曲線定義選項中，點擊“曲線1”文本框右邊的“？”號，選擇變量名“給定值”；點擊“曲線2”文本框右邊的“？”號，選擇變量名

20、“測量值”，設置其他參數(shù)的值，如圖5.8所示。6.4 水流動畫程序變量閃爍0的隱含鏈接，表達式為真時，顯示狀態(tài)，變量閃爍1是閃爍鏈接，二者交替進行，產(chǎn)生水流動畫效果?？刂扑髦惺褂玫降拿钫Z言：if(本站點控制水流5)本站點控制水流=本站點控制水流+1;else本站點控制水流=0;控制水流命令語言窗口如圖5.4所示。圖5.4控制水流命令語言窗口7 調試和運行結果7.1 比例控制在人工調節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調參數(shù)趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調參數(shù)的偏差成比例的調節(jié)規(guī)律，稱為比例調節(jié)。比例調節(jié)作用，一般用字母P來表

21、示。放大倍數(shù)是可調的，所以比例調節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調的放大器。比例調節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調參數(shù)不能完全回復到給定值，調節(jié)精度不高，所以有時稱比例調節(jié)為“粗調”。純比例調節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數(shù)又不太小的對象。 K=18 K=20圖6.1.1比例控制7.2 比例積分調節(jié)對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調節(jié)。因為單純的積分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構成比例積分調節(jié)器，簡稱PI調節(jié)器由于比例度是在比例調節(jié)（粗調）的基礎上，有

22、加上一個積分調節(jié)（細調），所以又稱再調調節(jié)或重定調節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大，PI調節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調節(jié)器。 K=20TI=30 K=20TI=35圖6.2.2比例積分控制21 第頁心得體會 經(jīng)過兩周的努力，本設計基本達到了設計目的。通過上位機來分別設定一個液位高限值、一個液位低限值和給定值，經(jīng)過系統(tǒng)內部比較，自動調節(jié)輸出值，在模擬負載量下，系統(tǒng)自動調節(jié)電動調節(jié)閥，最終使液位保持在一定變化范圍內，從而實現(xiàn)了對液位的自動控制。在系統(tǒng)設計過程中，由于PLC功能指令方面的欠缺，自己在這方面也做出了很大努