中工
本科毕业论文（设计）
基于S7-200PLC的双容水箱液位控制器设计
系 （部） 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 提交日期
信息工程系 电气工程及其自动化 20107084411 2014年5月22日
摘 要
本论文目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建过程控制系统，通过S7-200PLC实现对液位的串级PID控制。最后借助数据采集模块﹑西门子触摸屏和数字控制器，设计并组建远程过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
关键字：液位，模型，PID控制，PLC控制系统
I
Abstract
The purpose of this paper is to design the liquid level's concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic computer technique﹑the communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with S7-200PLC. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module ﹑Siemens touch screen and digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.
Keywords: liquid level ,model ,PID control ,computer process control system
II
目录
摘 要 .................................................................. I Abstract ............................................................... II 1引言 ................................................................... 1
1.1选题的目的和意义 ................................................. 1 1.2国内外研究现状发展趋势 ........................................... 1 2系统设计说明 ........................................................... 3
2.1要求 ............................................................. 3 2.2作用说明 ......................................................... 3 3系统设计研究 ........................................................... 4
3.1系统建模 ......................................................... 4
3.1.1数学模型建立方法 ............................................ 4 3.1.3双容水箱数学模型建立 ........................................ 5 3.2 PID算法 ......................................................... 9
3.2.1 PID控制理论的发展与现状 .................................... 9 3.2.2 PID控制原理及特点 .......................................... 9
4系统设计 .............................................................. 14
4.1系统总体设计 .................................................... 14 4.2 PLC及外围模块的选型 ............................................ 14 4.3 I/O口分配 ...................................................... 16 4.4 电气原理图设计 .................................................. 17 4.5 S7-200PLC PID指令简介 .......................................... 18 5调试 .................................................................. 19 6结论 .................................................................. 21 参考文献 ............................................................... 22 致谢 ................................................................... 23
III
中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
1引言
1.1选题的目的和意义
液位控制[1]问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业在生产加工过程中通常要对蓄液池中的液位进行适当的控制。在工业生产中通过液位的检测与控制，可以了解容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当，提高生产效率以及产品的质量。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数[2]，特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，就需要要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量。
目前国内外的液位控制的方法有很多，控制要求不高的情况下常用的有：1、液压式水位控制阀，其原理：当液位下降时，阀内的弹簧受力减小，进水阀芯打开，自动加水，水箱内的水位逐渐上升，阀门内所受的压力逐渐增大，当水位上升到预设的液位时弹簧所受的力与阀内所承受的压力达到平衡，阀门[3]自动停止加水。该控制方法适用于工矿企业、民用建筑中的各种水箱、太阳能水箱的自动供水系统。并可用作常压锅炉循环供水水箱的进水控制阀。2、浮球水位控制器，是利用浮球在液体中的上升或下降，接通球体内部的重力开关，再由浮球内部的触点开关去控制相关电器设备。浮球水位控制器分为管式浮球与缆浮球，管式浮球适合清水及粘度不大的液体，缆浮球适合污水。3、超声波液位控制器，适用于腐蚀性的液体、污水等液位的控制。但是液位控制系统是一个非线性系统，采用上述控制方式存在溶积延迟时间长[4]、抗干扰能力差、控制精度低等问题，不能满足高精度的控制要求。采用组态软件编制上位机控制界面和算法程序，组建接近于实际的控制系统。
双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制[5]可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。
1.2国内外研究现状发展趋势
随着时代的发展，双容水箱控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，双容
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