基于PLC水箱水位监控系统设计.doc

分类号TP273单位代码 11395 密级学号1505320109学生毕业设计题目基于PLC的水箱水位监控系统的设计作者刘建坤院 （系）能源工程学院专业电气工程及其自动化指导教师姬妍答辩日期2017年5月20日榆林学院毕业设计(论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处.尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业设计（论文)与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。论文作者签名： 年月日摘要摘要随着社会的发展,人口的日益增多和人民生活水平的提高，对供水的稳定性提出越来越严苛的要求.以往采用传统的供水系统，不仅占地面积大，供水速度慢，可靠性差，接线也很复杂.当工业生产工艺发生改变时,控制电路就必须重新接线，系统缺乏灵活性、自动化程度低。当今的很多企业都采用可编程逻辑控制器代替传统的控制系统，来提高系统的自动化程度，为企业的生产效率提供了可靠的保障。本设计是基于PLC水箱水位监控系统设计，针对现在大部分水箱自动化程度低，控制过程也相对繁杂等诸多因素，本设计是采用西门子S7200PLC来对水箱水位监控系统进行控制的,通过液位变送器测得液位转化为电信号变送给PLC中，经过PLC的运算和PID调节把控制信号输出给电动调节阀后，电动调节阀控制阀门的开度来控制液位的恒压供水系统,在利用MCGS组态软件来进行液位控制的实时监控。得到了一个自动化程度较高并且可以通过MCGS组态界面就能简单快捷并灵活多变的控制液位的设计。关键词：水箱液位;PLC；MCGSDesign of Water Level Monitoring System Based on PLC Water TankABSTRACTThe increasing social progress, the increasing population and the improvement of peoples quality of life， the stability of the water supply more stringent requirements。 Past water supply system， not only a large volume， and water supply efficiency is slow， wiring is also very complicated。 When the industrial production process changes, it must be wired， lack of flexibility, low degree of automation. Many of todays enterprises are using programmable logic controller instead of the traditional control system, to improve the degree of automation of the system for the production efficiency of the enterprise to provide a reliable guarantee。The design is based on PLC water tank water level monitoring system design, for now most of the water tank is low degree of automation， the control process is also relatively complex and many other factors, the design is the use of Siemens S7200PLC water tank water level monitoring system to control， through the liquid level The transmitter measured the liquid level into the electrical signal sent to the PLC, after the PLC operation and PID control to control the signal output to the electric control valve, the electric control valve control valve opening to control the level of constant pressure water supply System， in the use of MCGS configuration software for real-time monitoring of liquid level control。 Has been a high degree of automation and can be configured through the MCGS interface can be simple and quick and flexible control of the liquid level design.Key words：tank level； PLC； MCGSIIV目录目录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1 设计的背景与意义11.2国内外现状11。3西门子PLC介绍22水箱水位监控系统总体设计方案32.1系统组成32.2系统设计方案33水箱水位控制系统设计53.1系统构成53.2仪表的选型53.2。1 CPU选择53。2.2变送器的选择63。2。3执行器的选择63。2。4水泵的选择63。3工作原理83。4 PID算法84软件设计114。1软件流程图114.2 I/O分配表和PID回路参数表124.3梯形图125系统组态设计195.1监控组态软件介绍195.1。1 概念195.1。2 组态软件的特点195。2 组态界面的开发195。2。1 建立工程195。2。2建立流程画面205。2。3定义数据对象215。2.4动画连接225。2。5模拟设备连接255.2。6控制流程255.2.7报警显示265。2。8趋势曲线显示275。2。9水位控制系统效果展示286总结29参考文献31致谢33榆林学院本科毕业设计1绪论1。1 设计的背景与意义以往的人们都是操控陈旧的继电器接触器调控液位高度，自动化水准很低,控制过程也相对的繁杂。自从可编程控制器泛起之后，可以让液位系统主动的维持液位高度，工作职员可以很轻松的在工作台上明白设备的工作情况,降低了工作1伤害性的同时也提升了效率。可编程控制器是把过往的继电气控制技术、计算机技术和通信技术融为一体的自动控制设备，其操作和控制都很灵活简便，非常合适液位系统.现如今被广泛运用的可编程控制有西门子旗下的S7200PLC，其强大的功能获得了许多业内人士的认可。1.2国内外现状液位监控系统不在只是局限于各种硕大的发电厂、钢铁、煤炭石油等领域,其通过本身的自动化监控系统的安全优点，已经开始进军到一部分民用水箱产品中。但是目前阶段，它的成本还是很高.就好比把一部分手工打造的家用小型水塔改造成自动化控制系统的水箱，从本身外部硬件的改造和实施，相对于民用产品的落实性价比还是偏高的。因此大范围的使用依旧受到经济上的限制。从长久的规划来说，通过自动化的创新完善和硬件造价的下调，以及人们珍惜那些因为本身操作原因浪费的水资源，水箱水位监控系统仍然具备大范围推广的远景。我国目前处于发展中国家的范畴，只要是有一点点涉及到任何关于能源的所有领域中，水箱都是一个必不可少的2重要组成部分，就算是多数发达国家也不特殊.其功能的完善与否直接影响到各个工厂最基本的生产安全和重要的生产效益。我国嵌入式技术在科研人员的努力研发后得到飞速的发展使得控制系统技术依然已经迈进国际水平的范畴里。但是在调研的过程中发现仍有很多中小型企业和部分民用水箱还是需要专职的人员去调控。基于PLC的控制器原理简单，实用方便，适应性强,使供水系统更加的安全可靠。可编程逻辑控制器保存了继电器控制系统的操作简易、控制精准、控制程序可以随工艺改变而改变、易于与计算机通讯和维修简便等优秀性能.1。3西门子PLC介绍SIMATIC PLC是德国西门子在1995年推出的高性价比的PLC系统3。微型的有S7-200系列，最小配置为8DI/6DO；中小型的有S7300系列;中高档的有S7400系列.S7系列都具有模块化，无风扇布局和易于用户上手等特点.这让S7系列的PLC成为了大众的首选，该系统给出了完成各种控制任务既简便又合理的解决方案。其主要功能有：快速的指令处理、诊断功能和密码保护等一系列的功能。2 水箱水位监控系统总体设计方案2。1系统组成水箱液位控制系统结构图如图21所示，S7-200是本次系统选取的控制器PLC,水箱是该系统选取的被控对象，水箱的实际液位在经过液位传感器的测量后把实时测量数据4转变成电信号送至PLC输入模块, PLC立刻对检测到的实时数据进行分化处理,按照系统给定的控制要求进行相应的运算，然后PLC把运算结果传输给模拟量输出模块送入执行器单元中，电动调节阀装置是系统选定的执行器单元。上位机的通信方式是由PC/PPI通信电缆和PLC串口建立连接后实现通信,工作人员需要给上位机载入西门子的编程软件和MCGS组态环境和运行环境，在有需要的情况下对控制算法进行有必要的编程和修改，并在运行过程控制实验中为工作人员提供优良的人机界面，同时也方便工作人员在调试实验的过程中进行必要的参数修改和响应曲线的实时显示。图 21水箱液位控制系统结构图2.2系统设计方案本设计是通过使用西门子S7200可编程控制器来实现水位PID控制调节，通过压力变送器对水位数据的检测5,把检测结果转换成标准电信号送入到EM235中，在经过EM235送入执行器即电动调节阀中,通过改变电动调节阀阀门的大小,以此来达成水箱水位的平衡。工作人员可以在上位机的控制画面中，随时随地的监控系统运行过程中的实时状态，也可以在需要时对现场数据收集。然后在流程中以动画的方式、报警信息处理、流程控制、实时曲线输出等多种方法,提供液位PLC控制系统的动态运行情况，显示PV(液位检测值）、OP（阀门开度）、SP（设定值）、并且在画面上实现、报表、报警信息及处理结果、实时曲线等功能。3 水箱水位控制系统设计3。1系统构成水箱液位控制系统由可编程控制器、执行器单元、被控过程和测量变送单元等四个重要部分组成。如图31所示。图 3-1水箱控制系统示意图表 3-1元器选型表3。2仪表的选型序号器件名称型号规格数量1234CPU液位变送器电动调节阀水泵CPU224DBYG扩散硅压力变送器PSL202CM10311113。2.1 CPU选择 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器.1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子可很容易地整体拆卸.是具有较强控制能力的控制器。本设计一共有6个输入I点和4个输出0点，一个液位变送器输入电信号模块和一个电动调节阀输出信号模块所以需要一个输入/输出模块EM235，所以CPU本设计选取的PLC是CPU224。3。2。2变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中,标准信号通常采用420mADC、15VDC的电流(电压）信号，或20100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号.因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位,所以本设计中选用的是压力液位变送器6。液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响, DBYG扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体的压力，并将被测参量转换成420mA DC的标准电流信号输出,与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制.另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。因此,本设计采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器。3。2.3执行器的选择执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。控制阀包括执行机构和调节机构两部分.执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置.因此本设计的执行器选用电动调节阀.电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同6步电机，运行平稳，体积小,力矩大,抗堵转,控制精度高、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路.有输入控制信号420mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。采用PS电子式直行程执行机构，420mA阀门位置反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性,性能稳定可靠,控制精度高，使用寿命长等特点。3。2。4水泵的选择丹麦格兰富循环水泵的是一种运用很广泛的水泵，它的具体优点有：安装和维修都很便捷,并且有很强大的维修适应性；220V电压就可以带动水泵的运行，在运行过程中水泵能耗较低的同时还能保持大功率输出.所以，本设计选取的是CM103型号.图 32CPU外部接线图3。3工作原理在虚拟水箱控制系统中当实际值PV0？将数值写入模拟量输出Y给输入赋0将过程变量转化为实数中断程序结束图4-3中断程序流程图4。2I/O分配表和PID回路参数表图 4-4 I/O分配表和PID参数表4.3梯形图主程序子程序5 系统组态设计5。1监控组态软件介绍5。1。1概念监控组态软件是说用于数据收集和过程控制的专用软件,其是在自控系统中处于一级监控的软件平台和开发环境，制作者可以依照各种不同的需求7通过使用各式各样的组态模式创建开拓出灵活多变的组态界面和快速了解各种组态工程的便捷操作方式。根据其预先存放的各种模块可以短时间内构建实现监控所需要的各项功能,还能满足大部分硬件的工作需求,给控制层供给了软、硬件的所有接口.5.1.2 组态软件的特点组态软件操作简单快捷8,制作者根本不用了解太多编程语言的方法，完全可以在短时间之内创建出一个相对复杂的工程并满足要求开拓出其需要的全部功能.运行可靠，修改简单.组态软件构建开发的程序，用户如果需要修改硬件方面、系统布局时，根本不需要进行太大的调整就能快捷的完成系统的更新和升级.5。2 组态界面的开发5。2。1 建立工程如图51所示用光标双击软件菜单中“新建工程按钮，在E：MCGSWORK下系统自动生成了一个新建工程,通常情况下工程名都是：“新建工程A。MCG（A基本都是由数字组成的：0、1、2）。 鼠标点击“项目另存为的按钮，在工程文件名的窗口中修改并输写出“水位控制的字样，然后选择“保存”选项，工程就建立完毕了。 图 5-1工程建立界面5。2。2建立流程画面如图52所示:第一步用鼠标在我们选用的组态软件上建立新界面9，首先用鼠标选中“用户窗口”选项，接着在“用户窗口这一界面中选择“新建窗口”这一功能项，系统就会根据工程制作者的操作自动产生一个新的窗口界面并命名为“窗口1”操作如下：首先我们要用鼠标选定刚刚创建的“窗口1界面，然后根据系统快捷键的设定在键盘上按下 ALT+ENTER的快捷键，然后“用户窗口属性设置”这一窗口就会弹出显示在界面中，我们在弹出来的窗口中将“窗口名称”上的窗口1修改为：水位控制,就能够完成新界面的创立。接下来我们选中刚刚创建并修改好的“水位控制”窗口，在本窗口的界面上找到并选择“动画组态”这一按钮，这样我们就可以进行下一步动画制作了。我们在界面的最上方找到动画工具箱，上面的图形标识对应于不同的选择器，可以方便的让动画制作者在编辑图形时快速的选取用户窗口中需要选定的不同的图形对象;常用图符工具箱打开和关闭的方式是由图形标识来控制的.在常用图符工具箱中被软件开发者提前放置了27种经常被使用的图符对象。在新建立的窗口中图形对象是应用系统图形界面组成的最小单元，为了可以让制作者便捷快速的构建所需的图形和组态,MCGS系统为制作者提供了大量的常见和常用的图元、图符、动画构件对象，这些构件对象都被统一的称为系统图形对象10。如下图所示：在动画制作界面制作文字框：我们可以在系统工具箱窗口中找到并双击标签这一功能项，然后根据我们所需求的大小用鼠标在窗口界面找到一个相对合适的位置创立一个矩形框。输入文字符：完成矩形框后，我们可以直接输入“水箱液位控制系统文字符,在键盘上按下Enter键就可以让该字符显示在窗口界面上。工程的制作者如果有要求或是需要修改矩形框中显示文字符的字体和颜色，首先我们要用鼠标选定那些需要修改或是调整的文字符，按下Enter键后,光标就会出现在字符开始的地方，并弹出一个新的窗口就可以修改字符的颜色和字体了在这里我们选择把字体颜色修改成绿色。接下来我们用鼠标选择文字框边线隐去,然后再弹出的窗口中选择文字框选项中的无色填充并把边框颜色改为无边线就能在界面中只显示文字了。最后我们点击动画工具箱里面的添加元件选项，从元件库中的储蓄罐、水泵、电动机、指示灯、按钮开关和传感器等不同的元件清单中选取我们创建工程所需要的1个电动球阀、1个水泵、1个电动机、1个液位变送器、2个报警指示灯、1个两用按钮开关、1个压力传感器、4水管等图形构件调整构件大小和摆放位置来组成我们工程所需要的组态画面.我们还可以在工具箱中找到流动块这一按钮然后根据需求添加流动块用来表示液体在水管中流动的。图52 工程流程画面5。2。3定义数据对象用鼠标在工程界面双击“实时数据库”窗口，在进入实时数据库窗口后在右上角有一个新增对象的选项，现在我们需要增加一定的数据量就可以根据需求多次点击该选项，在增加到需要的数据量之后。如果我们想改变数据量的参数就可以双击新增的数据变量就可以更改数据的名称和数据的类型以及数字量等多种变量,根据要求我们更改了如下等多种数据变量，如图53所示。图53 实时数据库5.2.4动画连接我们在动画制作环节中由图形对象创建组成的动画界面是无法运行和动作的，因此我们要对一开始创建的动画界面进行必要的动画设计,让其可以准确无误地展现图形构件的状态改变，满足我们在时候运行过程中实时监控的要求。 MCGS满足动画连接的根本模式是让制作者根据窗口界面中的图形构件和实施数据库中的数据变量建立桥梁形成一对一的连接，接着我们通过改变一些动画设置属性窗口中的重要属性来构成连接11。在本工程的模拟运行中，界面中图形构件的外观和状态特性也跟实时数据库中数据变量的改变而改变，以此让图形构件实现动画自主运行。我们根据要求从用户窗口点击进入本工程制作界面中，然后用鼠标双击选中界面中水箱构件,然后会在界面上弹出该构件的单元属性设置窗口。根据图54所给出的数据值对该构件进行必要的修改保存，这样工程中的构件就可以和实时数据变量进行完美对接了15。我们接下来在根据图52选中电动求阀、水泵、电机、指示灯和开关等各个图形构件进行动画连接。这样这个工程的所以图形构件都完成了动画连接。如图5-4所示。图54动画连接图5.2.5模拟设备连接我们返回到新建工程时界面会找到一个模拟设备窗口，模拟设备是MCGS组态软件按照制作者设置的工程需要的基本数据创建的一条或是几条模拟曲线，这些模拟曲线是给制作者调试工程用的14.模拟设备可以根据制作者的需求完美的模拟出各种正弦波等波形，可以根据工程的需要让制作者来调整波形的幅值和周期等相关的数据量。我们创建的工程动画能自主运行的根本就是模拟设备。我们可以从设备窗口中的工具条上打开设备工具箱窗口。如果在弹出的设备工具箱中没有发现模拟设备，那么就需要我们在弹出的窗口中打开设备管理窗口进行手动添加模拟设备。如果我们仔细观察可以发现在可选设备中MCGS是能够满足绝大多数硬件设备的模拟。在添加好模拟设备后我们就需要设置模拟设备的属性了，打开设备属性窗口后我们可以发现内部属性这一选项，选中后我们会发现有很多的通道12。如果内部属性中有其他我们不需要的属性通道，我们可以全部删除然后自行增加所需要的属性通道，在添加的过程中可以自行改变通道属性，并加入通道地址。在把属性通道与对应的实时数据库进行关联就可以了。5。2。6控制流程e=SVPVif 启动停止=1 thenIf (PV SV） thenPV=（PV) +（OP)/100）If （PV SV） then PV=(PV） （OP)/100)电动球阀=1水泵=1流动=OPEndifif （PV = 液位上限) THEN 液位高报警=1ELSE 液位高报警=0ENDIFif （PV=液位下限) THEN液位低报警=1ELSE液位低报警=0ENDIFif 启动停止=0 then 流动=0电动球阀=0水泵=0Endif5。2。7报警显示(1）.定义报警我们进入实时数据窗口后，点击“液位”数据变量，在弹出的属性设置窗口的报警属性中，启动“允许进行报警处理”这一功能；在报警设置中我们看到诸多的选项但是我们只是激活“上限报警”这一项功能，然后把上限报警值调整为：70 米;报警注释为:液位高报警；在报警设置中激活“下限报警”这一项功能,把报警值调整为:40 米;报警注释为:液位下限报警。在存盘属性中，选中“自动保存产生的报警信息”.（2）。报警显示实时数据库只是承担工程运行过程中是否报警的鉴定、通知和存储这三项工作,而报警发生的后续处理就需要在工程运行中实现了。（3）.修改报警限值我们在实时数据库中已经把上下限报警值设置好了，如果制作者要在工程运行过程中需要改变报警值可以在界面中直接修改，脚本程序如下： ！SetAlmValue (液位，液位上限，70）！SetAlmValue （液位，液位下限，40)（4）。报警动画如果在运行过程中有液位报警出现，我们可以用指示灯和报警显示的图表来对制作者进行警示。在工程界面我们把指示灯调整一定大小和设置属性,然后在工具箱中选择报警显示后选择空挡插入后调整大小就可以了，所图5-5所示。图55报警动画5.2。8趋势曲线显示实时曲线构件就是通过曲线的方式来表达一个或多个数据变量数值的动态动画图形，其功能类似于早期的笔绘记录仪,不同的是不需要加入实体在工程的运行界面就可以实时的反应出数据变量的改变.在工程建立界面13选中工具箱中的实时曲线选项，然后在工程界面中找到一个空白区域填入后调整大小，右击鼠标找到设置选项,在弹出的属性设置窗口修改参数就可以了,如图5-6所示：图 56实时曲线图5。2.9水位控制系统效果展示图 5-7 工程效果展示图11参考文献6总结本次的设计的是水箱水位监控系统设计，使用压力传感器测量、变送成电信号送入PLC中,然后再送入电动调节阀，通过控制电动调节阀阀门的大小来达到水箱水位的平衡来大大提高自动化程度。然后使用PLC串口连接上位机，在上位机中装置MCGS软件和编程软件，在上位机中使用MCGS组态软件开发出监控画面并实现系统在组态画面上实现系统的启动、停止、报警设置。这样就可以实时监控系统的运行过程。在设计的开始由于我对编程软件的不熟悉和组态软件开发界面的不了解让我发现了很多的不足。所以我们要对PLC和组态软件的熟练运用和灵活的结合很重要。对指导老师给出的开题报告和要求必须要做到明白于心吃准摸透，不能模棱两可的去盲目的做设计。31参考文献1 廖常初PLC编程与应用M北京：机械工业出版社,2002：25-282 吴秋峰自动化系统计算机网络M北京：机械工业出版社,2001：55-563 舒迪前预测控制系统及其应用M北京:机械工业出版社,2002：66-684 候志林过程控制与自动化仪表M北京:机械工业出版社,2003：12-145 郁汉琪电气控制与可编程控制应用M南京：东南大学出版社,2003:13156 袁任光可编程序控制器选用手册M北京：机械工业出版社，2002：44467 金发庆传感器技术及应用M北京：机械工业出版社，2003:588 丁谓，魏孔平可编程序控制器工业控制的应用M北京：化学工业出版社,2004：4-69 原艳红基于PLC的矿井提升机控制系统设计J煤矿机械杂志社, 2014， 35（11）：374210 牛永奎电机与拖动M北京：清华大学出版社，2007：11211511 胡崇岳智能建筑自动化技术M北京：机械工业出版社，1999：141712 袁秀英组态控制技术M北京：电子工业出版社，2003：445613 梁华建筑弱电工程设计手册M北京：机械工业出版社，2000:15615914 杨自厚自动控制原理M北京：冶金工业出版社，1987:88-9015 王积伟自动控制工程M北京：高等教育出版社，2001：100-104致谢致谢光阴荏苒,我的大学生生活就要和我说再见了。回首往昔感慨良多，对大学生活的留念和珍惜以及不舍,马上就要走出校园这个象牙塔了.我坚信在以后的日子我可以通过我的努力和对自身素质的提升来获得我想要的生活。首先诚挚的感谢我的论文指导老师,是她在课余时间认真仔细的指点、纠错、修改我的毕业论文。其次我要感谢每一位教导和帮助过我的老师们,是你们教学的严谨细致、一丝不苟教会了我很多知识，在以后的工作中我会以你们为榜样.老师通过天马行空的思路给予我在学习的海洋中获得各式各样的灵感和许许多多的快乐。最后，要感谢这两年时光中和我一起学习知识的同学和生活中对我照顾有加的室友，以及互帮互助的好友。正是因为有你们的对我错误的纠正、挫败后的鼓励、学习思想的碰撞，让我才能在这两年的学习生涯中不断进步和汲取不同的思想。3334