毕业设计(论文)-双容水箱液位控制及PLC实现.doc
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1、编号: 本科毕业设计(论文)题目:(中文)双容水箱液位控制及PLC实现 (英文)Double tank water level control and PLC achievement摘要【摘要】 伴随时代发展,进入21世纪崭新工业控制领域,PLC仍然能够引导自动化行业的发展,而长期以来PLC始终处于工业自动化控制领域主战场,为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用,随着电子事业的飞速发展,PLC已经可以在各个领域去适应不同的客户要求。本文是针对双容水箱液位系统,采用西门子公司的S7-300系列PLC编程软件中的PID控制功能块来实现控制算法以及编程和硬件组态,在AE2000A实验装置,W
2、INCC组态环境下实现下水箱液位的控制,从而实现对P、I、D三参数的整定,以及实时监视被控对象的运行状态。【关键词】 双容水箱;西门子PLC;PID控制;WinCCDouble tank water level control and PLC achievementAbstract【ABSTRACT】With the development of the computer, PLC automation is able to guide the development of the industry. While the PLC is always in a long time in the
3、field of industrial automation, it controls the main battlefield for a wide range of automation equipment to provide a very reliable control applications .With the rapid development of electronic business, PLC has been able to adapt in various of fields and different customer requirements. This arti
4、cle is for the two-tank water system, using Siemens S7-300 series PLC programming software in the PID control function blocks for control algorithms, programming , hardware configuration, the AE2000A experimental device and WINCC configuration under the circumstances achieve tank level control. It r
5、ealizes the P, I, D parameter setting of the three, as well as real-time monitoring of the object and running.【KEYWORDS】Two-tank ,Siemens PLC,PID Control ,WinCC目录摘要IIAbstractIII目录IV第一章 序言11.1 选题的背景与趋势11.2选题的意义2第二章 可编程PLC技术32.1 PLC的基本概念32.1.1 PLC的基本结构32.1.2 PLC的特点42.1.3 PLC的应用领域52.2 PLC的工作原理62.2.1 PL
6、C的工作过程62.2.2扫描循环时间72.2.3 输入/输出的滞后现象72.3 PLC的编程语言82.4西门子PLC简介92.4.1 概述92.4.2 S7-300系统PLC介绍92.4.3 S7-300主要功能模块介绍10第三章 STEP7和WinCC简介113.1 STEP7编程软件113.1.1 STEP7概述113.1.2 STEP7编程软件的功能113.1.3 STEP7编程的流程123.1.4 STEP7的编程模块133.2组态软件技术153.2.1组态软件概述153.2.2组态软件的功能163.2.3组态软件的发展趋势163.3 WinCC组态软件163.3.1 WinCC组态软
7、件概述163.3.2 WinCC性能特点173.3.3 WinCC组态软件的基本构成173.3.4 WinCC选件18第四章 PID控制算法204.1 PID简介204.1.1 比例调节(P 调节)204.1.2 积分调节(Ti 调节)204.1.3 微分调节(Td调节)214.1.4 比例积分微分调节(PID 调节)214.2 数字PID控制算法224.2.1 位置式PID算法224.2.2 增量式PID控制算法224.3 确定PID控制器参数整定23第五章 基于PLC的水箱液位控制系统硬件组成255.1 AE2000A过程控制系统PLC控制柜的组成255.2 水位控制系统实验装置及其组成2
8、65.2.1 AE2000A型过程控制实验装置概述265.2.2 双容水箱对象组成结构26第六章 基于PLC的水箱液位控制的编程设计296.1 控制原理296.2 STEP 7 硬件组态及编程设计306.3 WinCC 监控画面设计34第七章 双容水箱液位控制实验结果分析387.1 一阶单容上水箱曲线测试387.2 二阶下水箱开环特性曲线测试387.3单回路PID控制器参数整定407.3.1 P调节与分析407.3.2 PI调节与分析417.3.3 PID调节与分析427.3.4 对于单回路控制总体分析437.4 串级PID参数整定437.4.1 串级控制理论分析437.4.2 内环参数整定4
9、47.4.3 外环参数整定447.4.3 对于串级控制总体分析46第八章 结论48参考文献50附录(PID单回路程序和串级程序)521.单回路控制程序522.串级程序PID控制的PLC程序53第一章 序言1.1 选题的背景与趋势随着科学技术的飞速发展,PLC 已进入日常生产的各个方面,PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。PLC 是继电器技术和“3C 技术”(计算机、控制、通信)的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非
10、常可靠的控制应用。目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。1.2选题的意义工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一,双容水
11、箱液位的控制作为过程控制的典型代表,是众多过程控制专家研究的热点之一,它在工业生产的各个领域都有广泛的应用,其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力,我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究,由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点,系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度,在传统的油库发油、炼化等行业中,应用单片机对液位的控制,存在计量不精确、失控和安全性差等问题。为了克服这些缺点,本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位
12、的控制。S7-300系列是一类可编程控制器,可以满足多种多样的自动化控制需要,在工业控制中得到广泛应用。第二章 可编程PLC技术2.1 PLC的基本概念可编程控制器是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。2.1.1 PLC的基本结构1PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图所示:中央处理器(CPU)输出电路输入电路显示区系统程序存储区用户程
13、序存储区 图2-1 PLC的硬件结构图1. 中央处理单元(CPU)CPU模块主要由微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中, CPU是计算机的核心,其重要性好比大脑对于人一样,因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来存储程序和数据。由它实现逻辑运算、数字运算,协调控制系统内部各部分的工作。2. 信号模块输入模块和输出模块简称I/O模块,开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块,模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块,它们统称为信号模块。输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、
14、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供地连续变化地模拟量电压电流信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备,模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。3. 功能模块为了增强PLC的功能,扩大其应用领域,减轻CPU的负担,PLC厂家开发了各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。4. 通信处理器 通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将PLC接入MPI、PROFIBUS
15、-DP、AS-I和工业义太网,或者用于实现点对点通信等。5. 电源模块PLC一般使用AC 200V电源或DC 24V电源,电源模块用于将输入电压转换为DC 24V电压和背板总线上的DC 5V电压,供其他模块使用。6. 编程设备S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备,在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序,可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印,通过网络可以实现远程编程和传送。编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。2.1.2 PLC的特点11、高可靠性(1)
16、所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 (2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为1020ms. (3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 (4)采用性能优良的开关电源。 (5)对采用的器件进行严格的筛选。 (6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。 (7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。 2、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流,开关量或模拟量,电压或电流,脉冲或电位, 强电或弱电等。
17、有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块等等。 3、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被
18、一般工程技术人员所理解和掌握。 5、安装简单,维修方便 PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。2.1.3 PLC的应用领域PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,它的一系列优点是它在各个领域中有着广泛的应用,因此可以将它的应用形式归纳为以下几种类型:1.开关量逻辑控制 PLC具有强大的逻辑运
19、算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制,这是PLC最基本的功能,它取代了传统接触器继电器的控制。2.模拟量控制PLC中配置了A/D和D/A转换模块,其中A/D模块能将现场的温度、压力、流量、速度等模拟量转换变为数字量,再将PLC中的微处理器进行处理(微处理器处理的是数字量)去进行控制或经D/A模块转换后,变成模拟量去控制被控对象,这样就可以实现PLC对模拟量的控制。3.过程控制 现代大中型的PLC一般都配备了PID控制模块,可以进行闭环过程控制。当控制过程某一个变量出现偏差时,PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程,把变量保持在整定值上,目前许多小型PLC也具有PID功能。4.
20、定时和计数控制PLC具有很强的定时和计数功能,它可以为用户提供几十甚至上百个、上千个定时器和计数器,其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定,也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行现场设定,进行定时和计时控制。5.顺序控制在工业控制中,可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。6.数据处理现代的PLC不仅能进行算数运算、数据传送、排序、查表等,而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等,它具有很强的数据处理能力。7.通信联网现代PLC具有网络通信的功能,它既可以对远程I/O进行控制,又能实现PLC与PLC、PLC与其他智能控制设备之间的通信,从而
21、构成“集中管理、分散控制”分布式控制系统,实现工厂自动化。PLC还可与其他智能控制设备(变频器、树控装置)实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统,可提高控制交流电动机的自动化水平。2.2 PLC的工作原理 12.2.1 PLC的工作过程PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同,微型计算机运行程序时,一旦执行到END指令,程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始,在无中断或跳转的情况下,按存储地址号递增的方向逐条执行用户程序,直到END指令结束。然后再从头开始执行,并周而复始的重复,直到停机或从运行(RUN)切换到停止(STOP)工作状态。这种程序的执行方式
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