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基于PLC的液位控制
摘要
本次课程设计的课题是基于PLC的水箱液位控制系统的设计。
涉及到的主要内容包括:
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、压力变送器、电动调节阀、变频器,PID指令。
第1章引言
1.1实验目的
1熟悉可编程序控制器的工作原理、主要参数、硬件结构、模块特性、安装配置及指令系统、程序设计、调试方法。
2、熟悉S7-300模拟量模块的工作原理,掌握硬件安装接线的方法及软件的设置及编程。
3、掌握模拟量模/数、数/模转换的原理,输入输出编程方法及STEP7开发环境的使用。
4掌握过程控制的中pid的调节方法,实现液位的自由控制。
1.2实验原理
本次实验采用PLC控制,将液位控制在设定高度,根据上水箱液位信号输出给PLC,PLC根据PID参数进行PID运算,输出信号给变频器,然后由变频器控制水泵供水系统的进水流量,从而达到控制液位的恒定的目的。
单容水箱液位的控制原理:
图1-1单容水箱液位的控制原理:
本次实验原理:
根据设定的流量输出给PLC,用PLC的输出来控制变频器,用流量计测出流量信号的反馈给PLC,有PLC进行比较和运算输出给变频器,从而达到流量的平衡。
图1-2液位控制系统原理框图
1.3设计方案的确定
液位高度与水箱底部的水压成正比,故可用一个压力传感器来检测水箱底部压力,从而确定液位高度。
要控制水位恒定,需用PID算法对水位进行自动调节。
把液位变送器检测到的水位信号4~20mA送入至S7-300PLC中,在PLC中对设定值与检测值的偏差进行PID运算,运算结果输出去调节水泵电机的转速,从而调节进水量。
水泵电机的转速可由变频器来进行调速。
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,PID控制算法,预测控制自适应控制,智能控制。
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。
图1-3实验系统流程图
第2章系统硬件介绍
2.1西门子PLC控制系统简介
S7-300的CPU模块集成了过程控制功能,用于执行用户程序。
每个CPU都有一个编程用的RS-485接口,可以和计算机连接,PLC作为下位机,利用计算机作为上位机进行编程。
功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB,有8192个存储器位,512个定时器和512个计数器,数字量通道最大为65536点,模拟量通道最大为4096个,由于使用FlashEPROM,CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据,使S7-300成为完全无维护的控制设备。
S7-300系列PLC的主要特点是:
(1)功能强
●极强的计算性能,完善的指令集,MPI接口和通过SIMECLAMS联网的网络功能,使S3-300功能更强。
●强劲的内部集成功能,全面的故障诊断功能、口令保护,便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。
●快速,极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。
(2)通用,着眼未来
●满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。
●模块可扩展至最多三个扩展机架,相当高的安装密度。
●用于与SIMATIC其他产品相连的接口,集成了MMI(人机界面)设备,用户友好的WindowsSTEP7编程,使得S7-300成为对未来的安全投资。
2.2CPU模块
CPU314C-2DP(6ES7314-6EH04-0AB0):
是紧凑型CPU,适合安装在分布式结构中。
通过其扩展工作存储器,该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。
集成的数字量和模拟量I/O可直接与过程连接,PROFIBUSDP主站/从站接口允许连接独立的I/O单元。
因此,CPU314C-2DP既可以用作本地单元进行快速预处理,也可以用作带从属现场总线系统的一个高级控制。
通过集成的与过程相关的功能还可以实现其它应用:
计数,频率测量,PID控制。
2.3模拟量输入模块
系统中从检测装置过来的模拟量需经过A/D转换才能输入到CPU处理,这就要求PLC有模拟量输入处理模块。
SM331模拟量输入[简称模入(AI)]模块目前有三种规格型号,即
位模块、
位模块和
位模块。
本次实验的模拟量输入/输出模块采用,SM331AI8x12bit(6ES7331-7KF02-0AB0),该模块有8输入通道(默认地址:
PIW256-PIW271)、测量范围:
0~10V电压、0~10KΩ电阻或Pt100),输出范围0~10V电压值或4~20mA电流值
SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。
A/D转换部件是模块的核心,其转换原理采用积分方法。
2.4模拟量输出模块
经过CPU处理后的结果是数字量,而执行机构能接收的信号是模拟信号,这就要求PLC配有模拟量输出模块。
SM332模拟量输出[简称模出(AO)]模块目前有3种规格型号:
位模块、
位模块和
位模块。
本次实验采用的SM331A04x12bit(6ES7332-5HDO1-0AB0)该模块有4路输出通道(默认地址:
PQW272-PQW279)SM332可以输出电压,也可以输出电流。
在输出电压时,可以采用2线回路和4线回路与负载连接。
2.5电源模块
PS307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源,PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2、5、10A),其工作原理和参数都一样。
系统选用5A的电源模块。
PS3075A模块基本电路如图2-1所示。
PS3075A模块的输入接单相交流系统,输入电压120/230V,50/60HZ,在输入和输出之间有可靠的隔离。
输出电压允许范围20(
)V,最大上升时间2.5s,最大残留纹波150mV,PS307可安装在导轨上,除了给S7-300供电,也可给I/O模块提供负载电源。
图2-1PS307电源模块(10A)基本电路图
第三章系统硬件控制设计
3.1系统设计
在这个部分中控制的是上水箱的液位。
单相泵正常运行,打开出水阀,电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量,调节手段是通过将液位变送器检测到的电信号送入PLC中,经过A/D变换成数字信号,送入数字PID调节器中,经PID算法后将控制量经过D/A转换成与变频器开度相对应的电信号送入变频器,然后由变频器控制水泵,从而达到控制液位的目的。
当上水箱的液位小于设定值时,液位变送器检测到的信号小于设定值,设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。
经过运算后即输出控制信号给变频器,使其值增大,从而电动调节阀的开度增大,以使通道里的水流量变大,增加水箱里的储水量,液位升高。
当液位升高到设定高度时,设定值与控制变量平衡,PID调节器的输入偏差信号为零,电动调节阀就维持在那个开度,流量也不变,同时水箱的液位也维持不变。
系统的控制框图如图4-1所示。
其中SP为给定信号,由用户通过计算机设定,PV为控制变量,它们的差是PID调节器的输入偏差信号,经过PLC的PID程序运算后输出,调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4~20mA的模拟电信号后输出到变频器,调节电动调节阀的开度,以控制水的流量,使水箱的液位保持设定值。
水箱的液位经过液位变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口,再经过A/D转换成控制量PV,给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e,又输入到PID调节器中,又开始了新的调节。
所以系统能实时地调节水箱的液位。
图3-1上水箱液位自动调节系统控制框图
3.2硬件设计
3.2.1检测单元
在过程控制系统中,检测环节是比较重要的一个环节。
本次采样的对象时液位。
液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。
系统中用到的液位变送器是SP0018G压力变送器,属于静压力式液位变送器,量程为0~10KPa,精度为
,由24V直流电源供电,可以从PLC的电源中获得,输出为4~20mA直流,接线如图4-2所示。
图3-2压力变送器的接线图
接线说明:
传感器为二线制接法,它的端子位于中继箱内,电缆线从中继箱的引线口接入,直流电源24V+接中继箱内正端(+),中继箱内负端(—)接负载电阻的一端,负载电阻的另一端接24V-。
传感器输出4~20mA电流信号。
图3-3压力变送器工作原理图
压力变送器的工作原理见图4-3。
大气压力为PA,选定的零液位处压力为PB,零液位至液面高度为H,其产生的压差ΔP为
(4-1)
式中,ρ为水的密度,g为重力加速度。
根据式(4-1),利用压力变送器将PB转换成DC4~20mA统一标准信号送入PLC中,便得知被测的液位。
3.2.2执行单元
变频器作为此次设计的执行单元,接受来自调节单元的输出信号,并转换成相应的数字量,从而控制水泵供水系统的进水流量,从而达到控制液位的目的。
。
3.2.3控制单元
控制单元是整个系统的心脏。
在系统中,PLC是控制的中心元件,它是控制单元设计的重要部分。
系统应用的是西门子S7-300系列的PLC,其结构简单,使用灵活且易于维护。
它采用模块化设计,本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。
PLC可以与计算机连接,便于计算机对PLC进行编程和管理。
系统选用的S7-300PLC的各个模块分别是CPU314-2DP、SM331
位模拟量输入模块、SM332
位模拟量输出模块、PS3075A电源模块,这些模块在前面已经作了详细的介绍。
模块的选择是根据系统的实际要求选择的,能满足
系统的要求,符合节省成本的要求。
第四章软件设计
4.1FC105介绍:
图4-1FC105结构图
SCALE功能接受一个整型值(IN),并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。
将结果写入OUT。
FC105的数值换算公式为:
OUT=(IN-K1)/(K2-K1)*(HI_LIM-LO_LIM)+LO_LIM
对双极性,输入值范围为-27648到27648,对应K1=-27648,K2=+27648,
对单极性,输入值范围为0到27648,对应K1=0,K2=+27648,如果输入整型值大于K2,输出(OUT)将钳位于HI_LIM,并返回一个错误。
如果输入整型值小于K1,输出将钳位于LO_LIM,并返回一个错误。
通过设置LO_LIM>HI_LIM可获得反向标定。
使用反向转换时,输出值将随输入值的增加而减小。
4.2FC106介绍:
UNSCALE功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN),并将其转换为一个整型值。
将结果写入OUT。
UNSCALE功能使用以下等式:
OUT=(IN-HO_LIM)/(HI_LIM-HO_LIM)*(K2-K1)]+K1,并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。
BIPOLAR:
假定输出整型值介于-27648和27648之间,因此,K1=-27648.0,K2=+27648.0
UNIPOLAR:
假定输出整型值介于0和27648之间,因此,K1=0.0,K2=+27648.0
如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围,输出(OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范围的下限或上限较近的一方,并返回一个错误。
图4-2FC106结构图
4.3FB41介绍
:
图4-3FB41
1)常用输入参数说明:
MAN_ON:
BOOL:
手动值ON;当该位为TURE时,PID功能块直接将MAN的值输出到LMN,这可以在PID框图中看到;也就是说,这个位是PID的手动/自动切换位;
P_SEL:
BOOL:
比例选择位:
该位ON时,选择P(比例)控制有效;一般选择有效;
I_SEL:
BOOL:
积分选择位;该位ON时,选择I(积分)控制有效;一般选择有效;
INT_HOLDBOOL:
积分保持,不去设置它;
I_ITL_ONBOOL:
积分初值有效,I-ITLVAL(积分初值)变量和这个位对应,当此位ON时,则使用I-ITLVAL变量积分初值。
一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值;
D_SEL:
BOOL:
微分选择位,该位ON时,选择D(微分)控制有效;一般的控制系统不用;
CYCLE:
TIME:
PID采样周期,一般设为200MS;
SP_INT:
REAL:
PID的给定值;
PV_IN:
REAL:
PID的反馈值(也称过程变量);
GAIN:
REAL:
比例增益;
TI:
TIME:
积分时间;
TD:
TIME:
微分时间
LMN_OFF:
REAL:
PID输出值偏置值(OFFSET);
I_ITLVAL:
REAL:
PID的积分初值;有I-ITL-ON选择有效
4.4软件控制流程图:
?
图4-4软件控制流程图
第五章程序实现
5.1step7软件编程:
在进行软件设计前。
必须先进行硬件组态.,使程序与硬件控制有机的结合起来。
图5-1硬件组态图
2因为本次设计采用的是电流信号,所以需将模拟量输入,输出模块的信号设置电流信号。
图5-2SM332属性图
3程序编写。
整体的思路是,液位变送器采样的值通过FC105转换为模拟量,将模拟量与给定的值通过FB41进行PID运算,随后将输出值通过FC106转换为电流信号,将电流信号送入变频器,通过变频器控制电动调节阀,达到控制液位的目的。
程序见附录。
4本次设计采用的杰控软件进行界面的显示。
通过界面,设置,液位给定,PID参数,以及显示液位变送器采样输出值和pid输出值。
通过杰控软件,定义相对应的数据,并开辟相对应的内存空间,存储所需要的输入输出值,再通过PLC的装载指令,将相对应的值装入相应的地址空间,便可以实现良好的人界的交互。
图5-3杰控界面图
图5-4定义的设备数据表
图5-5定义存贮区
图5-6定义变量
5.2程序调试与结果
在比例调节实验的基础上,加入积分环节,在界面上设置P为10,I设置为25观察得到被控制量回到设定值,
5.3过程中出现的问题与解决办法
1下载硬件组态时,出现无法转载或无法建立连接?
解决方法:
出现这个问题时,我们首先重启了PLC的CPU对其进行了复位,在此下载程序组态时,依然无法建立连接,随后便检查设备IP地址与计算机IP地址,打开计算机网络连接属性和组态PN-IO的属性地址进行检查,发现前三位地址不一致,于是修改了地址,使其前三地址相同,最后一位地址不相同,然后复位CPU重新下载获得成功。
2程序运行时SF显示红灯?
解决方法:
显示红灯,说明硬件组态与实际设备的型号不一致,于是检查硬件组态,发现电源模块订货号错误,更正后重新下载后程序正确运行。
3FC105模块的输入,即液位变送器的采样值,出现数字满量程,负值。
解决方法:
当出现满量程时,首先检查水箱的液位是否已满,发现没有。
说明可能液位变送器工作不正常。
于是检查液位变送器与水箱是否连接正常,发现连通管内水未装满,导致连通管内充有一定量的空气,检测不正常。
随后打开连通管另一端,将水灌入,排除空气。
随后检测值显示正常。
出现负值时,检查了连线,发现连线接反。
改变连线,采样正常。
4:
程序运行,但发现电机与变频器没有正常运行。
解决方法:
检查软件各模块输出值正常,检查设备参数设置,发现其值不合理,没有将其设置为外控模式,随后修改,运行正常。
4杰控界面的液位给定值极PID个参数值无法传递到FB41的给定管脚。
解决方法:
首先我们打开了杰控组态软件,检查设备数据表变量的定义是否弄错,发现本地参数的IP地址和远程参数的IP地址设置有误。
无法进行通讯,随时修改后,重新运行程序,有显示回应。
5各参数值发现显示异常,界面中进FC105装换后的输出值出现闪烁的现象。
解决方法:
检查定义变量的关联是否正确,检查无误。
随后在数据的内存空间上发现,由于设置地址的起始于结束地址,设置不合理,导致出现了内存覆盖的情况,这样就导致,同一段内存,在不同时刻存入了不同的值,因此数显了闪烁的现象。
7在进行PID调节中,发现输出曲线超调态大,滞后时间太长?
解决办法;说明P设置太大了,于是重新进行了调试,通过先P后I的在D的原则,将P设置为20观察曲线超调非常大,于是改为10,发现超调减少,随后将I设置为50曲线光滑,但滞后时间长,改为25时,曲线基本平滑,且时间合理。
第6章实验心得与体会
在整个设计中,完成了通过PLC应用PID算法对水箱液位的控制,在上水箱液位PID控制上取得了良好的控制效果,取得了满意的曲线。
在实验的进行中感触颇多,当我看到这个课题,充满了期待并希望很快实现它。
通过查阅相关资料,有了一个整体思路便开始了大胆的尝试,但在进行的过程中发现了好多问题,小到如一个单位,字与双字在程序的表示,芯片引脚的输出类型,这些细小的问题,。
大到如模拟量输入输出的转换,PID的参数如何调节。
这些问题在队友以及老师的帮助下最终得到解决,在此要感谢朱老师在设计过程中的指导,对我提出的问题耐心的解答,对我的鼓励和支持,同时也要感谢队友的支持与鼓励,在设计过程中的完美协作,使得设计最终完成。
附录:
程序清单
参考文献
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