摘 要
本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多。
本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。
关键词：S7-300西门子PLC、控制对象特性、PID控制算法、扩充临界比例法、压力变送器、电动调节阀、PID指令。
Abstract
This graduation project topic is based on the PLC fluid position control system design. In the design, I am control the algorithm which the author primary cognizance the design, therefore designs in the paper with to the PID algorithm mentions many.
The this article main content includes: water tank characteristic determination and experimental curve analysis，the S7-300 programmable controller hardware grasps，PID parameter installation and each parameter control performance comparison，experimental curve analysis obtains which using the PID control algorithm and overall system each part of introduction and programs using the PLC sentence controls the water tank water level.
Key words: SIMATIC S7-300 PLC, the controlled member characteristic, the PID control algorithm, the expansion critical ratio method, the pressure change delivering, the electrically operated regulating valve.
目 录
I
摘 要 ..................................................................................................... 1 ABSTRACT .................................................................................................. 1 第1章 绪论 ................................................................................................. 1
1.1 PLC的产生、定义及现状 ..................................................................................... 1 1.2 过程工业控制算法的应用现状 ............................................................................ 2 1.3 PID控制的历史和发展现状 .................................................................................. 3 1.4 论文的研究内容 .................................................................................................... 5
第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍 ........................................... 6
2.1 西门子PLC控制系统 ........................................................................................... 6 2.1.1 CPU模块 .......................................................................................................... 7 2.1.2 模拟量输入模块 ............................................................................................. 8 2.1.3 模拟量输出模块 ............................................................................................. 9 2.1.4 电源模块 ....................................................................................................... 10 2.2 控制对象特性 ...................................................................................................... 11 2.2.1 一阶单容上水箱特性 ................................................................................... 11 2.2.2 二阶双容下水箱对象特性 ........................................................................... 14
第3章 PID控制算法介绍 ....................................................................... 18
3.1 PID控制算法 ........................................................................................................ 18 3.2 PID调节的各个环节及其调节过程 .................................................................... 20 3.2.1 比例控制与其调节过程 ............................................................................... 20 3.2.2 比例积分调节 ............................................................................................... 21 3.2.3 比例积分微分调节 ....................................................................................... 22 3.3 串级控制 .............................................................................................................. 22 3.4 扩充临界比例法 .................................................................................................. 24 3.5在PLC中的PID控制的编程 ............................................................................. 25 3.5.1 回路的输入输出变量的转换和标准化 ....................................................... 26 3.5.2 变量的范围 ................................................................................................... 28 3.5.3 控制方式与出错处理 ................................................................................... 28
II
第4章 控制方案设计 ............................................................................... 31
4.1 系统设计 .............................................................................................................. 31 4.1.1 上水箱液位的自动调节 ............................................................................... 31 4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统 ................................................................ 32 4.2 硬件设计 .............................................................................................................. 33 4.2.1 检测单元 ....................................................................................................... 33 4.2.2 执行单元 ....................................................................................................... 34 4.2.3 控制单元 ....................................................................................................... 35 4.3 软件设计 .............................................................................................................. 36
第5章 实验情况介绍 ............................................................................. 39
5.1 上水箱液位比例调节 .......................................................................................... 39 5.2 上水箱液位比例积分调节 .................................................................................. 40 5.3 上水箱液位比例积分微分调节 .......................................................................... 41
第6章 结论 ............................................................................................... 43 参考文献 ..................................................................................................... 44 致谢 ............................................................................................................. 45
III
第1章 绪论
1.1 PLC的产生、定义及现状
可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差。
20世纪60年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。20世纪60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要，1968年美国通用汽车公司(GM)提出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是：
1) 编程方便，可现场修改程序。 2) 维修方便，采用插件式结构。 3) 可靠性高于继电器控制装置。 4) 体积小于继电器控制盘。 5) 数据可直接送入管理计算机。 6) 成本可与继电器控制盘竞争。 7) 输入可为市电
8) 输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等。 9) 扩展时原系统改变最小。 10)
用户存储器大于4KB。
这些实际上提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司(DEC)中标，并于1969年研制出第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。
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随着电子技术的发展，可编程控制器(Programmable Logic Controller.以下简称PLC)由原来简单的逻辑量控制，逐步具备了计算机控制系统的功能，同时，还具有抗干扰性强、可靠性强、体积小、编程方便、修改容易、网络功能强大等显著优点，它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统。PLC在工业控制领域得到了广泛的应用，在PLC组成的控制系统中，一般由上、下位机组成主从式控制系统。PLC作为下位机，完成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机(微型计算机、工业控制机)，完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与PLC组成的主从式实时监控系统，能够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。
PLC的定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。
S7-300的CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便。采用PLC作为液位控制系统的核心，克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，可以由用户自己定义PID参数，控制液位变化曲线，同时利用PLC控制逻辑量的优点，与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种故障情况及时做出反应，使控制系统更加安全可靠。
1.2 过程工业控制算法的应用现状
毕业设计是基于PLC的液位控制系统的设计,在其中我主要负责的是控制算法的设计。
过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有下列几种：
(1)
PID控制算法
大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象(高达90%)可取得较好的控制结果。采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机的结合往往可以进一步提高控制质量。
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