第2章 系统硬件设计
2.1 系统要求
有一水箱需要维持恒定的水位,该水箱的水以变化的速度流出。这就需要一个输入控制液体阀,以不同的流量给水箱供水,以维持水位不变,这样才能使水箱不断水。
本系统只适用比例和积分控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还需要近一步调整已达到最优控制效果。系统启动时，关闭出水口。用手动控制液体阀，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。这种切换有一个输入的数字量控制。
本设计使用一个液位传感器、一个输入液体控制阀、一个输出液体控制阀（手动）、可编程控制器等。
图2-1 水位PID控制工艺图
2.2 系统设计思路
采用PLC控制，运用PLC模拟量控制模块EM235和PID算法。把传感器传输过来信号，经模拟量模块处理后，使用PID运算。然后与设定数据进行比较，PLC做出相应的输出，对电磁阀进行控制。
这样就实现了对水位的控制。
2.3 可编程控制器的选择
可编程控制器产品众多，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。本设计选用西门子公司的S7-200 PLC系列，其具结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控制器，出现于20世纪90年代。本机自带RS-485通信接口，内置电源和I/O接口。它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有丰富的指令系统和扩展模块。
它采用超高电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量（12点模拟输入/4点模拟输出）。S7-200最多有4个中断控制的输入，输入响应时间小于0.2ms，每条二进制指令的处理时间仅为0.8μs，S7-200还有日期时间中断功能。还可以提供两个独立的6KHZ的脉冲输出，通过驱动单元可以实现步进电机的位置控制。点对点接口（PPI）可以连接编程设备、操作员界面和具有串行接口的设备，用户程序有三级口令保护。较强的功能使其无论在独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯等。
S7-200系列有CUP21X和CPU22X两代产品。其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种基本型号。
现将S7-200 CPU的主要性能如表2-1，供用户在进行系统设计时进行
选择。
表2—1SIMATIC S7-200 CPU 主要性能表
项目 程序存储器 用户存储器类型 本机I/O 扩展模块数量 数字量I/O 模拟量I/O 内部继电器 计数器/定时器 顺序控制继电器 内置高速计数器 模拟量调节电位器 脉冲输出 通信中断 CPU 221 4KB EEPROM 6入/4出 无 128入/128出 无 256 256/256 256 4个(20kHz) 1 CPU 222 4KB EEPROM 8入/6出 2个模块 128入/128出 16入/16出 256 256/256 256 4个(20kHz) 1 CPU 224 8KB EEPROM 14入/10出 7个模块 128入/128出 32入/32出 256 256/256 256 6个(20kHz) 2 CPU 226 8KB EEPROM 24入/16出 7个模块 128入/128出 32入/32出 256 256/256 256 6个(20kHz) 2 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 2（20kHz,DC） 1发送器/ 2接收器 1发送器/ 2接收器 2（1-255ms） 1发送器/ 2接收器 2（1-255ms） 1发送器/ 2接收器 2（1-255ms） 定时中断 硬件输入中断 通信口（RS-485） 2（1-255ms） 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 1 1 1 2 通过对上表各参数的比较,CPU226输入输出口多，可扩展模块多便于以后继续开发和升级，最后选用CPU226型。
2.4 CPU226型PLC的特点
图2-2 CPU226外部电路连接示意图
CPU226主机共有24个输入点和16个输出点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟I/O点。8KB程序和数据存储空间。CPU226输入电路采用了双向光电耦合器，DC24V极性可任意选择，系统设置1M为I0B输入端子的公共端，2M为I1B输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。如图2-2为CPU226外部电路连接图。
2.5 EM235模拟量模块
由于液位传感器的输出为模拟信号,所以选用模拟量模块EM235。 因为它同时具有模拟量输入输出通道,可满足以后对系统的继续开发。
图2-3 EM235模块模拟量I/O连线示意图
如图2-3所示为模拟量I/O组合模块EM235（4路模拟量输入、1路模拟量输出）I/O连接示意图。24V DC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如A口所示，电压正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，如B口所示须将RB与B+短接。然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入B-接口。若4个接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要将C+与C-端用短路子短接，以免收到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输出接口，IO为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口若为电流负载则接入MO、IO接口。
在进行接线时应注意以下几点。
1、传感器接线的长度应尽可能的短，并使用屏蔽双绞线。 2、敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角。