基于PLC和组态王的液位PID控制系统方案

目录
1 《控制系统集成实训》任务书 (2)
2 总体设计方案 (4)
2.1 系统组成 (4)
2.2 水箱液位控制系统构成 (4)
2.3 水箱液位控制系统工作原理 (5)
2.4 仪表选型 (6)
2.4.1 GK-01电源控制屏 (6)
2.4.2 GK-02传感器输出与显示 (7)
2.4.3 GK-03单片机控制 (7)
2.4.4 GK-07交流变频调速 (8)
2.4.4 GK-08 PLC可编程控制 (8)
2.5 PLC设计流程图 (9)
3 外部接线图 (10)
4 I/0分配 (10)
5 梯形图 (11)
6 组态王界面 (15)
6.1 主界面 (16)
6.2 数据词典 (16)
6.3 曲线监控 (17)
6.4 水流动画程序 (18)
7 调试和运行结果 (19)
7.1 比例控制 (19)
7.2 比例积分调节 (20)
心得体会 (23)
参考文献 (24)
1.《控制系统集成实训》任务书
题目：基于PLC和组态王的液位PID控制系统
一、实训任务
本课题要求设计液位PID控制系统，它的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度,并通过PID控制减小或消除来自系统部或外部扰动的影响。

1.实训模块：
1、THKGK-1过程控制实验装置GK-0
2、GK-07、GK-08。

2、计算机及STEP7运行环境（安装好演示程序）、MPI电缆线，组态王软件。

2.控制原理和控制要求：
控制原理如图所示，测量值信号由S7-200PLC的AI通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的P或PI或PID调节得到控制信号（即输出值），并通过S7-200PLC 的AO通道输出。

用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。

S7-200PLC和上位机进行通讯，并利用上位机组态王软件实现给定值和PID参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。

二、实训目的
通过本次实训使学生掌握：1）实际控制方案的设计；2）编程软件的使用方法和梯形图语言的运用；2）程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。

从而提高学生应用PLC 进行控制系统设计和调试能力，组态王设计监控界面的能力。

三、实训要求
1、系统方案设计
2、硬件选型和接线
3、PLC控制程序设计。

4、组态王监控程序设计。

5、总体调试与运行。

四、实训容
1、熟悉本课题相关的各个子实验；
2、基于PLC和组态王液位PID控制系统；
3、硬件接线图、程序清单。

五、实训报告要求
报告应采用统一的报告纸书写，应包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献。

报告中提供如下容：
1、目录
2、正文
（1）实训任务书；
（2）总体设计方案；
（3）硬件外部接线图，PLC中的I/O分配表，程序中使用的元件及功能表；
（4）梯形图或指令表清单，注释说明；
（5）组态王界面程序；
（6）调试、运行及其结果；
3、收获、体会
4、参考文献
六、实训进度安排
七、实训考核办法
本实训满分为100分，从平时表现、实训报告及实训答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

2.总体设计方案
2.1 系统组成
单容水箱液位控制系统组成结构如图2.1所示，控制器采用S7-200PLC, 被控对象为单容水箱，水箱的液位经液位传感器测量变送至PLC, PLC对数据进行处理，根据控制要求进行运算，结果经模拟量输出给执行器，执行器为电动调节阀。

上位机通过计算机PC/PPI电缆和下位机PLC串口通信，上位机安装有STEP7-MicroWin编程软件和组态王监控软件，可以进行控制算法编程，并为过程控制实验提供良好的人机界面，可以在实验时进行参数的设定修改以及响应曲线的在线显示，进行整个试验系统的监控。

图2.1单容水箱液位控制系统组成结构
2.2 水箱液位控制系统构成
单容水箱液位控制系统有四个基本组成部分，即控制器、执行器、被控过程和测量变送等，单容水箱液位控制系统示意图如图2.1所示。

图2.2 单容水箱液位控制系统示意图
2.3 水箱液位控制系统工作原理
在虚拟的水箱控制系统中当水箱液位实际值PV小于给定值SV时，通过组态王界面调大电动调节阀开度，使水箱液位上升；当水箱液位实际值PV大于给定值SV时，此时调小阀门开度，使水箱液位回到给定值上。

数据采集原理框图如图2.3，数据采集是一个典型的简单负反馈控制回路, 通过传感器将实际的物理量(即水箱液位)转换为电压信号传给PLC的AD功能模块，转换后可送入PC中，与给定值进行比较得出偏差值，从而改变进水流量，以实现对水箱液位的控制。

单容水箱液位控制系统方框图如2.3所示：
图2.3 单容水箱液位控制系统方框图
2.4 仪表选型
2.4.1 GK-01电源控制屏
GK-01电源控制屏如图1-1所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区所组成：
1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动和停止按钮、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。

图1-1、GK-01控制屏面板图
具体操作方法如下：
1）、将电源插座接220V市电电源，要注意“左零右火”的接线方式并且要有可靠的接地保护。

如果一插上电源就有嘶嘶的声音，这时要检查电源的接线方式是否正确，是否可靠接地。

2）、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。

3）、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按钮红灯亮，表示系统总电源接通。

4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮绿灯亮，表示系统电源接通。

5）、拨动照明钮子开关到“上”侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。

注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保护系统。

当屏上漏电时保护系动作，告警灯亮
并自动切断系统电源，等到解除报警时才能起动。

2、三相异步电动机电源接线区：它与GK-07交流变频控制挂件配合使用。

在此接线区一共有U1、V1、W1, U2、V2、W2六个强电接线柱，它们与三相异步电动机引线相对应，已在部连好。

2.4.2 GK-02传感器输出与显示
1、此挂件主要是对各个传感器变换信号的显示，包括上水箱的液位和压力；下水箱的液位以
及交流支路管道的流量。

2、如右图2-1所示，图中左边为各个传感器变换输出端，右边显示各个被控参量的实时测量
值。

当打开电源时，各个表头就会显示相应被控参量的当前测量值。

在水箱没有水的情况下有可能显示不为零，这是由于传感器的零点漂移引起的，通过调节压力变送器的零点电位器来纠正误差，具体方法后述。

3、左边输出端是各个传感器通过检测、变换后输出的电压值，也就是反馈值。

它的输出与各
个被控参量显示之间有一定的比例关系，对应比例如下：
液位传感器：输出0～5V电压对应0～20Cm的高度→1V电压对应5Cm的高度。

2.4.3 GK-03单片机控制
（一）、单片机控制挂件如图3-1所示,
它可以同时采集五路信号，一路输出用来控制执行器，以实现自
动控制。

单片机控制挂件的主要组成部分有：
1、五路模拟量输入：分别为LT1、PT、LT
2、FT、TT，其接线端
正好与右侧GK-02屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为0～5V
标准电压信号。

2、一路模拟量输出：此输出为单片机的控制输出端，输出为0～
5V标准信号。

3、通讯接口方式：通过RS232串行通讯口与计算机通讯，以实
现计算机监控。

4、键盘操作：共有六个功能键，分别为回路、向上、向下、整
定、移位、确认。

通过对这几个功能键的操作可以对单片机的各个参
数进行整定。

5、两个显示框：功能显示框（显示所选参数）,数值显示（显示
对应参数值）。

2.4.4 GK-07交流变频调速
如图7-1所示，交流变频控制挂箱面板图。

变频器为三菱FR-S520S-0.4K型。

具体使用说
明、参数设置及操作，详见产品使用手册。

Array（一）、挂箱面板接线端子功能说明
为了使变频器各接线端子不因每次做实验经常的装拆线而损坏
或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便实验连线，它们分
别是：
1、A、B、C：变频器的三个输出端，（连接GK-01中的三相鼠
笼电机三相定子绕阻的接线端U、V、W）。

2、2和5：外部电压控制信号（0~5V）输入端，2接信号正极，
5接信号地端。

3、STF、STR：电机正转与反转控制端，当STF与SD相连时电
机为正转，当 STR与SD相连时电机为反转。

4、其它：
PC：外部晶体管公共端、DC24V电源接点输入端。

SE：集电极开路公共。

RUN：集电极开路。

10：频率设定用电源。

4：频率设定电流信号。

图7-1、GK-07挂箱面板图
6）、RH、RM、RL：RH、RM、RL 分别与SD连接实现多段速度选择。

7）a、b、c：报警输出。

8）AM：模拟信号输出。

9）、RST：复位。

10）、SD：输入/输出公共端。

*本实验装置各端子的引出是为了满足用户其它自拟实验接线的需要。

2.4.4 GK-08 PLC可编程控制
（一）、PLC结构概述
PLC可编程控制挂箱面板，如图8-1所示，采用西门子S7-200 PLC系列产品。

1、PLC可编程控制面板上引出二路模拟量输入端（AI1、AI2），一路模拟量输出端（AO），
十路开关量输入端（DI1—DI10），四路开关量输出端（DO1—DO4）。

2、CPU为224，它集成14输入/10输出，总共有24个数字量I/O点。

13K字节程序和数据
存储空间。

6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出。

此外，还有1个
RS485通讯/编程口，它具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

3、EM 235 模拟量扩展模块，具有4路模拟量输入，2路模拟量输出（实际的物理点数为：
4输入，1输出）。

4、PLC的编程环境软件为：STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 ，STEP
7-Micro/WIN32 V3.0可以对S7-200的所有功能进行编程。

CPU通过PC/PPI 电缆或通过插在PG/PC上的CP 5511或 CP 5611网卡与
PC/PPI电缆可以在Windows 95或Window 98下实现多主站模式。

5、上位机的监控软件为：PROTOOL—CS、MCGS工控组态软件以及人机
控制（触摸屏控制），这三种软件都分别可以和PLC实现通讯，可以和PLC
进行数据交换。

基于本实验装置所提供的软件和硬件都是比较丰富的，学生
可以根椐自已的爱好去选择不同的软件进行组态、编程以及运行调试，因而
有益于学生动手能力的提高。

图8-1、GK-08挂箱面板图2.5 PLC设计流程图
系统控制功能由S7-200PLC实现，控制程序利用STEP7-MicroWin32软件编写调试，程序流程如图3.3所示。

初始化程序对设定值、PID控制参数、定时中断时间等进行初始化设定，并启动周期定时中断，中断(采样)时间到，则进入中断程序，进行采样滤波、量程转换，实现要求的控制算法。

PID控制算法利用S7-200的PID指令实现。

图3.3 PLC控制程序流程图
3.外部接线图
4 I/0分配
按钮名称功能
I0.4 手动/自动开关寄存器
寄存器名称功能
VD4 液位设定值
VD12 比例系数
VD16 采样时间
VD20 积分时间
VD24 微分时间
5 梯形图主程序：
SBR_0
SBR_1:
INT_0:
6 组态王界面
组态王软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面,实时性强,有良好的并行处理性能和丰富生动的多媒体画面.组态王软件的开放式结构拥有广泛的数据获取和强大的数据处理功能.同时.提供良好的安全机制,为多个不同级别用户设定不同的操作权限.组态王软件支持多种硬件设备,实现设备无关,用户不必因外部设备的局部改动,而影响整个系统.组态王软件由组态环境和运行环境两个系统组成.两部分互相独立.又紧密相关.
本实验利用组态王软件设计,在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备,添加西门子S7-200PLC,正确设置其属性,正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接,即可实现PLC与组态软件的通讯.将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合,使计算机对PLC发出的信号有响应.在组态王软件的用户窗口中,制作一个动画界面.在界面上设置各个属性,使设置的画面按照真实的情况动作,从而实现对液位变化状态的实时监控.
6.1 主界面
6.2 数据词典
1）定义变量“给定值”、“测量值”、“输出值”。

“给定值”变量类型选I/O整数，因为给定值只需要写入PLC，故寄存器选择STATIC100；由于按输入液位围0～100，所以变量的最小值为0，最大值为100。

其中定义I/O整数变量时，关键是最小原始值和最大原始值的设置。

数据类型为SHORT。

“测量值”与“给定值”的不同之处为寄存器选择INCREA100，属性为读写。

“输出值”与“测量值”的变量定义相同。

（2）定义变量“P”、“I”、“D”。

“P”、“I”、“D”三个变量的定义完全相同，在本课程设计中，处于仿真的需要，均将变量类型选为存实型。

（3）定义变量“控制水流”、“阀门”。

变量“控制水流”是为了水流动画连接的需要，因此变量类型定义为存整型。

变量“阀门”只有两个状态，要么为“1”，要么为“0”，因此变量类型选为存离散。

6.3 曲线监控
趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。

趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋
势曲线。

这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。

所不同的是，在你的画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能随时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过命令语言来辅助实现查阅功能。

双击画面中实时曲线对象，在曲线定义选项中，点击“曲线1”文本框右边的“？”号，选择变量名“给定值”；点击“曲线2”文本框右边的“？”号，选择变量名“测量值”，设置其他参数的值，如图5.8所示。

6.4 水流动画程序
变量闪烁0的隐含，表达式为真时，显示状态，变量闪烁1是闪烁，二者交替进行，产生水流动画效果。

控制水流中使用到的命令语言：
if(\\本站点\控制水流<5)
\\本站点\控制水流=\\本站点\控制水流+1; else
\\本站点\控制水流=0;
控制水流命令语言窗口如图5.4所示。

图5.4 控制水流命令语言窗口
7 调试和运行结果
7.1 比例控制
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。

这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。

k是可调的，所以比例调节器实际上是比例调节作用，一般用字母P来表示。

放大倍数p
一个放大倍数可调的放大器。

比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。

纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。

K=18 K=20
图6.1.1 比例控制
7.2 比例积分调节
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。

因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器
由于比例度是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。

但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积
分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。

如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。

K=20 TI=30 K=20 TI=35
图6.2.2 比例积分控制
心得体会
经过两周的努力，本设计基本达到了设计目的。

通过上位机来分别设定一个液位高限值、一个液位低限值和给定值，经过系统部比较，自动调节输出值，在模拟负载量下，系统自动调节电动调节阀，最终使液位保持在一定变化围，从而实现了对液位的自动控制。

在系统设计过程中，由于PLC功能指令方面的欠缺，自己在这方面也做出了很大努力，虽然结果不甚好，但自己确实学到了很多。

通过查询大量的文献资料，加上自己在书本中学到的知识，成功的解决了上位机与PLC之间的通讯问题。

但是，液位控制系统自身存在时变、非线性等特点，因此系统的灵敏度与跟随性能不是很理想。

另外，本次设计出于对课程的充分认识，以及组态软件在过程控制系统的作用，自己把重点放在了组态设计环节上，尤其是在数据词典变量的定义、组态动画的设置与连接、报警设置等方面投入了很多时间，学到很多组态方面的知识，极大的激发了我的学习热情，最终做出了一个较为完善的组态监控界面。

通过本次课程设计，自己的知识领域又得到了进一步的提升，专业技能方面也有了较大的进步，同时也学到了解决工程实际问题的能力。

另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。

特别是对组态王的应用，从陌生到了解到渐渐熟悉，过程虽然困难，但收获颇多。

同时，也发现了自己在很多方面都存在知识的欠缺，遇到问题显得非常的棘手，这在很大程度上制约着课程设计各方面不能面面俱到，必然存在错误与漏洞之处。

因此，在今后的学习生涯中，依旧要踏实学习，拓新笃行，争取学到更多知识。

参考文献
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[6] 徐杰, 吴夏来. 施密斯预估方法在单容水箱液位控制中的应用[J]. 学院学报, 2013, 35(5): 51-54
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