基于plc的水塔水位控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 時器的實際計時值也可以通過人——機對話裝置實時讀出或（3）計數控制 PLC具有計數功能。它為用戶提供幾十個甚至上千個計數器，其計數設定值的設定方式同計時器計時時間設定值一樣。計數器的實際計數值也可以通過人——機對話裝置實時讀出。（4）步進（順序）控制 PLC具有步進（順序）控制功能。在新一代的PLC中，還可以IEC規定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖（SFC）編制用戶程序，PLC在實現按照事件或輸入狀態的順序控制相應輸出的場合更簡便。（5）PID控制 PLC具有PID控制功能。PLC可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號。通常采用專門的PID控制模塊來實現。（6）數據處理 PLC具有數據處理能力。它能進行自述運算數據比較，數據傳送，數制轉換，數據顯示和打印，數據通信等功能。新一代的大，中型PLC還能進行函數運算，浮點運算等。（7）通信和聯網 新一代的PLC都具有通信功能。它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC和PLC，PLC和計算機之間的通信。因此，可以方便地構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。（8）PLC還具有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，例如：定位控制模塊，CRT模塊等。[8] S7200系列PLC元件功能1. 數據類型 數據類型S7200系列PLC的數據類型可以是字符串、布爾型（0或1）、整數型和實數型（浮點數）。布爾型數據指字節型無符號整數；整數型數包括16位符號整數（INT）和32位符號整數（DINT）。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是PLC用來接收用戶設備輸入信號的接口。PLC中的繼電器與繼電器控制系統中的繼電器有本質性的差別，是軟繼電器，它實質是存儲單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7200輸入映像寄存器區域有IB0～IB15共16個字節的存儲單元。系統對輸入映像寄存器是以字節（8位）為單位進行地址分配的。 （2） 變量存儲器V 變量存儲器主要用于存儲變量。可以存放數據運算的中間運算結果或設置參數，在進行數據處理時，變量存儲器會被經常使用。變量存儲器可以是位尋址，也可按字節、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據CPU的型號有所不同，CPU221/～，CPU224/～ （3） 內部標志位存儲器（中間繼電器）M 內部標志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態，其作用相當于繼電器控制中的中間繼電器，內部標志位存儲器在PLC中沒有輸入/輸出端與之對應，其線圈的通斷狀態只能在程序內部用指令驅動，其觸點不能直接驅動外部負載，只能在程序內部驅動輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點去驅動外部負載。 （4） 特殊標志位存儲器SM PLC中還有若干特殊標志位存儲器, 特殊標志位存儲器位提供大量的狀態和控制功能，用來在CPU和用戶程序之間交換信息，特殊標志位存儲器能以位、字節、字或雙字來存取。（5） 定時器T PLC所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統中的時間繼電器。每個定時器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用。其設定時間由程序設置。 （6） 計數器C計數器用于累計計數輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數。計數器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用，其設定值由程序賦予。 （7） 累加器AC 累加器是用來暫存數據的寄存器，它可以用來存放運算數據、中間數據和結果。CPU提供了4個 32位的累加器，其地址編號為AC0～AC3。累加器的可用長度為32位，可采用字節、字、雙字的存取方式，按字節、字只能存取累加器的低8位或低16位，雙字可以存取累加器全部的32 位。[9]4545四川理工學院本科畢業（設計）論文第3章 水塔水位控制系統方案設計 傳統水塔水位控制圖31 傳統水塔水位控制布局圖 工作原理通過指示燈模擬上水水泵，結合鈕子開關模擬水位監測信號，模擬了水塔自動上水控制，當水池水位低于水池低位界面（s1為ON）時，電磁閥Y打開進水（Y為ON），定時器開始定時，4S后，如果S1還不為OFF，那么閥Y指示燈閃爍，表示閥Y沒有進水，出現故障，S3為ON后，閥Y關閉(Y為OFF)。當S1為OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時，S3為ON，水泵M運轉抽水。當水塔水位高于水塔高水位界時水泵M停止。[10] 外部接線與控制列表圖32傳統水塔水位控制電氣接線圖表31 水塔水位模擬控制接線列表名稱PLC端子說明燈M模擬水塔提水水泵電動機運行動作燈Y模擬地面水池的進水閥門的開關動作開關S1模擬水池水位低限報警信號開關S2模擬水池水位高限報警信號開關S3模擬水塔水位低限報警信號開關S4模擬水塔水位高限報警信號（程序見附錄） PID水塔水位控制系統的工作原理傳統的水塔水位控制方式具有占地面積大、投資高、水泵電機頻繁起動、耗電多、管網水壓不穩、爆管現象頻繁、水漏失嚴重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁起動使設備故障率高，檢修、維護也 存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業正常供水，已是迫在眉睫。在傳統的水塔、水箱供水的基礎上，加入了PLC及液壓變送器等器件．利用PLC和組態軟件來實現水塔水位的控制．提供了一種實用的水塔水位控制方案。在系統中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時間常數可以通過工程計算初步確定，但還需要進一步調整達到最優控制效果。系統啟動時，關閉出水口，用于動控制輸入控制液體閥，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時輸入控制液體閥從手動方式切換到自動方式。這種切換由一個輸入的數字量控制。[11] 設計分析圖33設計分析示意圖“水塔水位自動控制系統”的控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。水位高度正常情況下控制在C、D之間，如圖（a）。當水位在低于C點時，水泵開始進水，如圖（b）。當水位高于D點時，水泵停止進水，如圖（c）。當水位低于C點并到達B點時就報警，采取手動啟動水泵，如圖（d）。當水位超過D點并到達E點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖（e）。 可行性試驗圖34為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以及報警確認開關組成。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈B、C、D、E情況不同。圖34水塔水位控制器外觀圖①當水位處于B點之下，指示燈B、C、D、E全亮，報警電路開始報警，即下限報警。 ②當水位處于B、C之間，指示燈B滅，C、D、E亮，水泵開始進水。　 ③當水位處于C、D之間，指示燈B、C滅，C、D亮，保持狀態，即保持進水。　 ④當水位處于D、E之間，指示燈B、C、D滅，E亮，停進狀態，即水泵不工作。　 ⑤當水位處于E點之上，指示燈B、C、D、E全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。⑥報警電路可以手動關閉，只要按下報警確認開關，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關閉報警確認燈，報警確認電路復位，恢復其監測故障的功能。 可行性分析 此方案采用純硬件電路設計，避免了軟件程序設計中的不穩定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統均有良好的兼容性。當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調節到一個數量級上就可以很方便的實現此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現了對水塔水位的精確控制，而且，此系統更具有工業生產的實際性。 水位閉環控制系統圖35 供水系統控制原理圖MM2—水泵 Y0Y3—液位開關 F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實現對水位的控制，必須建立閉環控制系統。根據水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵，使水位處于動態的平衡狀態。供水系統的基本原理如圖35所示，水位閉環調節原理是：通過在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為4～20 mA電流信號進入PLC，把該信號和PLC中的設定值的程序進行比較，并執行較后程序，通過水泵的開關對水塔中的水位進行自動控制。當PLC出現故障時，還有一套手動控制來進行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于Y3時，MM2同時工作，F2打開。液位上升至Y2時，M2停止，F2關閉，M1繼續工作。液位上升至Y1時，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當液位又低于Y1時M1起動工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續下降至Y2時，M2啟動工作同時F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警開關下水箱液位低于Y0時意味著水泵進水口缺水，此時應自動切斷電源并報警。圖36 水位閉環控制圖四川理工學院本科畢業（設計）論文第4章 PLC中PID控制器的實現 PID算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例項+積分項+微分項】組成。積分項的作用是消除系統靜差，而微分項則改善系統的動態響應速度。[12]PLC技術不斷增強，運行速度不斷提高。不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復雜的閉環控制。41 閉環控制系統作為閉環控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環控制系統中，利用給定輸入sP(t)與實際輸出c(t)經過測量裝置裝置轉換后的反饋量Pv(t)之間的差值e(t)作為控制量，來實現對系統的控制。在實際閉環控制系統中，誤差e(t)一個很小的變化量。因此，為了對系統進行更精確的控制，消除系統在穩態的輸出誤差，改善系統的動態響應性能，需要對誤差進行放大(比例調節P)、積分(積分調節I)、微分(微分調節D)，才能有效地控制系統中的執行機構，保證系統具有良好的動、靜態性能。在自動控制系統中，用來對誤差進行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調節器”，當調節器具有“放大”、“積分”、“微分”功能時，即成為PID調節器。在變頻恒壓供水自動控制系統的產品開發和應用實踐中，經常采用PID控制器、軟件PID以及變頻器內置PID來實現系統的PID調節功能，三種方法各具優缺點，本設計選用PID算法的PLC實現方法。[13] PID應用在工業生產中，常常需要用閉環控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統，還是使用計算機（包括PLC）的數字控制系統，PID控制都等到了廣泛的應用。PID控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統的數字模型。有人稱贊它是控制領域的常青樹是不無道理的。PID控制器是比例積分微分控制(ProportionalIntegralDerivative)的簡稱,之所以得到廣泛應用是因為它具有如下優點：（1）不需要精確地控制系統數字模型。由于非