毕业论文（设计）
第一章绪论
§ 1.1研究背景
目前，城市液位控制系统主要为水厂、生活区、高层建筑液位控制系统等仍使用较传统的方法液位控制。给水工作人员基于历史数据和工作经验人工调节水泵电机的开停来实现水位的控制。当用水量增加时，水压降低，此时手动增大水泵功率；当用水量减少时，水压变大，此时把水泵电机功率降低或让水泵停机。由于水泵是液位控制工程的通用机械，消耗大量能源。在我国，每年在水泵上的能源消耗占总用电量的21％。为了节约能源，必须采取措施改良泵站，以适应负载的变化来运行。 传统的液位控制方式有很多不足之处，尤其是对多台泵水系统。首先，由于水泵电机工作时只有额定运行和停车两种工作状态，并且系统完全依赖于人工操作进行控制，如此以来就不能提供一个稳定的液位控制压力，而且断水、水管崩裂、管道共振等现象经常出现。其次，由于水泵电机只能工作在工频状态，长期高速运行，电能浪费较大，据统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例高达45%以上。再次，由于对电机的人为控制很难保证切换秩序准确性，加大了电机运行故障的可能性，容易造成电机在长远运作过程中不均匀磨损，机械磨损大就会缩短设备寿命且维护量大，设备和劳动力成本较高。最后，目前的城市生活区高层液位控制系统，基本都采用高位水箱或水塔液位控制，这种方式的建设既增加基础设施投资，也造成水资源二次污染。
使用新型基于PLC的控制塔与过去水塔液位控制方式相比，无论在设备投资方面，还是运行经济性、稳定性、可靠性、自动化程度方面都有着不可比拟的优点，再者还具有显著的节能效果。恒压液位控制系统，引起了国内几乎所有设备制造商的重视并不断投资研发，旨在生产高科技产品。目前，产品正向着高可靠性，全数字微机控制，多品种系列方向发展。追求高度自动化、智能化、标准化是未来液位控制系统着眼于开发城市建设智能楼宇、和液位控制管网的必然趋势。
本文重点介绍基于PID控制的自动液位控制装置的相关内容及设计，使模拟水塔的水箱液位保持动态平衡。通过软件调整PLC控制器内的参数，结合液位变送器反馈的实时液位信号再经PID计算输出控制量控制水泵功率调节进水，如此构成单闭环系统。水箱水位控制系统集PLC控制技术、PID控制技术，电力电子技术，微电子技术、计算机技术和检测技术于一体，该液位控制装置可以提高液位控制的稳定性和可靠性，具有良好的控制水位动态平衡的效果。
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§ 1.2 PLC的产生与发展
1.2.1 PLC的产生
1960年随着小型计算机的产生和大型规模开发生产，人们都试图实现以小型工业控制计算机来代替传统的继电器控制接触器。然而，由于小型工业控制计算机输入、输出电路不通用且编程技术的复杂，因此并没有得到推广和应用。 20世纪60年代后期美国汽车制造业的竞争力日益激烈。为了满足生产工艺的需要，在1968年，通用汽车公司第一次公开招标，对控制系统提出了具体要求：①其基本的继电器控制系统的设计周期短，更换方便，接线简单且成本低；②计算机的功能和和继电器的控制系统可以结合在一起，并且要比计算机编程简单易学，易于使用；③系统的通用性好。
1969年美国数字设备公司按照上述要求，研制出世界上第一台可编程逻辑控制器，并在美国通用公司自动装配生产线上首次成功应用， 实现自动化生产控制。随后，日本、德国等相继出台，迅速开发了可编程逻辑控制器。但是，这一次主要用于顺序控制，虽然类似电脑设计的想法，但它仍然属于逻辑运算，因此它被称为可编程逻辑控制器，即PLC（ Programmablc逻辑控制器），后又为了区别改称PLC。
在20世纪70年代末，随着微电子技术和计算机技术的日益发展，具有更高计算功能的可编程逻辑控制器也快速发展，不仅硬盘要更换，逻辑编程取代布线逻辑，还要具备运算功能和数据传输功能，真正成为工业计算机控制设备。不仅如此，该逻辑控制器又具备小型化或超小型化的特点，且该功能采用微电脑技术，工业控制能力范围远远超出了逻辑控制、顺序控制局限，因此叫做可编程逻辑控制器，也称为PC（ Programmablc控制器） 。然而，由于PC机与PC （个人计算机）相混淆，人们都习惯于缩写成PLC。
1.2.2 PLC技术的发展
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是： 1. 编程方便，可在现场修改程序； 2. 维修方便，最好是插件式； 3. 可靠性高于继电器控制柜； 4. 体积小于继电器控制柜；
5. 可将数据直接送入管理计算机； 6. 在成本上可与继电器控制竞争； 7. 输入可以是交流115V；
8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀； 9. 在扩展时，原有系统只要很小变更；
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10. 用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
这10项指标其实就是现在PLC的最基本功能，其核心要求可归纳为4点： 1.计算机代替继电器控制盘。 2.用程序代替硬接线。
3.输入/输出电平可与外部装置直接相联。 4.结构易于扩展。
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。它具有继电器控制系统的外部特性，又有计算机的可编程性、通用性和灵活性，开创了PLC的新纪元。
可编程控制器从产生到现在，经历了四次换代，总结如下表： 表1-1可编程控制器的发展代次
代 次 第一代 第二代 第三代 器 件 1位微处理器 8位微处理器 高性能8位微处理器以及位片式微处理器 第四代 16位、32位微处理器以及高性能位片式微处理器 逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能 功 能 逻辑控制功能 产品系列化 处理速度高，向多功能以及联网通信发展 § 1.3设计任务
基于PLC的自动液位控制控制装置，以西门子S7-300 PLC为控制器，现场总线(Profibus-PA)仪表为变送装置，采用PID控制技术控制水泵的开关和转速，实现对水塔的液位、流量进行实时监控并保持水塔液位和流量的在液位控制中的动态平衡。
达到的指标：
（1）完成控制系统的硬件组态；
（2）实现液位控制动态平衡，即保证液位误差<2~3mm，流量误差<10mL； （3）结合S7-300 PLC的硬件组态完成PLC程序设计，达到液位和流量双指标。
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第二章液位控制装置硬件设计
§ 2.1 自动液位控制系统应用简介
在实际生活中，液位控制系统是由多台水泵液位控制，比如下图所示的液位控制系统使用了5台水泵，4台工作在工频，1台用于变频工作（备用）。在正常的液位控制情况下，通常是由一定数量（比如3台）水泵轮流处于工频工作状态，这样可以避免因一台水泵故障, 导致整个液位控制系统瘫痪的弊端。另外未按变频运行的水泵也要轮流的处于工频运行, 使得各水泵的运行时间接近, 延长水泵和系统的使用寿命。液位控制系统实物图如下所示：
图2-1 5台水泵液位控制
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图2-2 控制面板图2-3 液位控制池
抽象出水塔液位控制的基本模型如下图2-4所示：
图2-4 水塔液位控制基本模型
§ 2.2 液位控制装置硬件组成
以上为生活中自动液位控制系统的应用实例，在本次毕业设计中，结合实验室具备的实验条件，采用西门子S7-300系统和水箱来模拟水塔液位控制系统，设计出基于PLC的自动液位控制控制装置，装置的硬件组成如下：硬件？
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