基于PID的上水箱液位控制系统设计课程设计

过程控制系统课程设计

基于PID的上水箱液位控制

系统设计

一、课程设计任务书 1.设计内容

针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

2.设计要求

1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超

调量20%，稳态误差

≤±0.1；调节时间ts≤120s；

3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；

4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；

5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；

6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。

3.参考资料

1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003

2.崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）

3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007

4.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007

4.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日）

时间

设计内容

布置设计任务、查阅资料、进行硬

2010年12月27日

件系统设计

2010年12月28日～2010年12月

29日 2010年12月30

利用MCGS组态软件建立该系统

日～2010年12月

的工程文件

31日

2011年1月2日～进行MCGS与PLC的连接与调试 2011年1月4

进行PID参数整定

编制PLC控制程序，并上机调试；

日

量化 评分项目 评分标准 分数 2011年1月5日～2011年1月6日 2011年1月7日～

写设计报告书

2011年1月9日

5.设计时间及地点

设计时间：周一～周五，上午：8：00～11：00

下午：1：00～4：00

设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 电气工程学院机房（320）

系统运行调试，实现单容水箱液体

定值控制

二、评语及成绩

1.独立分析与很解决问题的能强 力 2组态界面设计、PLC程序编制及系统调试 有3.报告撰写情况 规 范 洁 整 辑 逻 乱 误 积4.辅导答疑 极 积5.设计态度 极 7.出勤 全勤 真 真 认 付 缺勤次数 认 付 应 极 量附加评语 较 强 一 般 不 能 10 界 面 程 序 硬 件 分 析 调 试 35 杂 错 25 应 消 极 消 10 10 10 化

总分

课程设计成绩： 指导教师：

过程控制系统课程设计报告

班 级： 姓 名：学 号：指导教师：撰写日期：

目录

第一章 绪论 ........................................................................... 1 第二章 系统组态设计 ................................................................... 3

2.1 MCGS组态软件概述 ..................................................... 3 2.2 新建工程 ........................................................................ 4 2.3 设备配置 ........................................................................ 5 2.4新建画面 ........................................................................ 5 2.5 定义数据对象 ................................................................. 9 2.6设备连接 ...................................................................... 12 2.7 控制面板的设计 ............................................................ 14 第三章 PLC设计 ....................................................................... 18

3.1 PLC概述 ..................................................................... 18 3.2系统设计PLC程序 ........................................................ 20 第四章 课设总结 ....................................................................... 25 参考文献 .................................................................................. 26 附录......................................................................................... 27

第一章 绪论

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC, PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。”

基于PLC的液位控制系统可以很好的满足工业中的液位控制系统的要求，为控制带来便捷与准确，在现在讲求效率的社会里具有重要的实用价值。在以前的工业中，液位控制的实现方法莫过于人为的去看然后去调，或者通过固定的液位开关，当液位达到一定的高度后液位开关自动闭合或断开来控制液位的。随着自动化不断地发展，在工业中很多时候需要我们连续的去控制液位，时刻的去观察液位的高度，而且越来越多的时候需要在计算机上进行监测液位和控制液位，这就是本设计的目的。

液位是过程控制中的一项重要参数，他对生产的影响不容忽视。为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效地控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制系统中的一个重要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性而且非常典型实用[1]。

PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时

间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高

度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。

MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

第二章 系统组态设计

2.1 MCGS组态软件概述

MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能[18]。

工程创建的一般过程为：

工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。

工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。

设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命

令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。

制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。

编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。

完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。

编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。

连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。

在上位机工程的设计上，经过对实际工程的分析，主要设计的窗口是：液位控制，报警曲线直接加在其中。

2.2 新建工程

1．鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在G盘根目录下，则会在G：\\MCGS\\WORK\\下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序号。

2．选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。

3．在文件名一栏内输入“液位控制”，点击保存按钮，工程创建完毕。

2.3 设备配置

在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC→亚控→仿真PLC→COM,单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1,一直单击下一步完成设备配置。

2.4新建画面

在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，见图2-1选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：液位控制；将“窗口标题”改为：液位控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”，见图2-2。

图2-1 新建窗口

图2-2 窗口属性

选中刚创建的“液位控制”用户窗口，单击“动画组态”，进

入动画制作窗口。

图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。

为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象。如图2-3所示：

图2-3 MCGS工具箱

建立文字框：打开工具箱，选择“工具箱”内的“标签”按钮

，鼠标的光标变为“十字”形，在窗口任何位置拖拽鼠标，输入文字：建立矩形框后，光标在其内闪烁，可直接输入“液位控制系统”文字，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行文字的修改。

设定文字框颜色：选中文字框，按工具条上的“填充色”按钮，设定文字框的背景颜色（设为白色）；按“线色”按钮改变文字框的边线颜色（设为没有边线）。设定的结果是，不显示框图，只显示文字。设定文字的颜色：按拉出一个一定大小的矩形。

“字符字体”按钮改变文字字体和大小。按“字符颜色”按钮，改变文字颜色（为蓝色）。

添加对象元件：单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱。

从“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐，按“确认”，则所选中的罐在桌面的左上角，可以改变其大小及位置，如罐17、罐53。从“对象元件库管理”中的“泵”中选取1个泵（泵40），见图2-4所示。分别对泵、罐进行文字注释，方法见上面做“液位控制系统”。

流动的水是由MCGS动画工具箱中的“流动块”构件制作成的。选中工具箱内的“流动块”动画构件。移动鼠标至窗口的预定位置，（鼠标的光标变为十字形状），点击一下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左键，生成一段流动块。再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直原来方向），生成下一段流动块。当想需要结束绘制时，双击鼠标左键即可。当需要修改流动块时，先选中流动块（流动块周围出现选中标志：白色小方块），鼠标指针指向小方块，按住左键不放，拖动鼠标，就可调整流动块的形状。在流动块属性设置中，流动块颜色改为蓝色，填充色设为浅蓝色，管道宽度设为16，流动块宽度设为10，流动块长度设为6。

图2-4 元件管理图库

2.5 定义数据对象

数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

分析变量名称：表2-1列出了样例工程中与动画和设备控制相关的变量名。

表2-1 工程变量表

变量名称 类 型 水泵 液位一 开关型 控制水泵“启动”、“停止”的变量 数值型 液位控制罐的水位高度，用来控制液位控制罐的水位变化 液位二 液位组 液位三 数值型 储水罐的水位高度，用来控制储水罐的水位变化 组对象 用来液位报警时使用 数值型 用来更改液位控制值时使用 注 释

PID启动 正常启动 开关型 对下位机进行PID启动 开关型 用来对下位机进行正常启动 鼠标点击工作台的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。按“新增对象” 按钮，在窗口的数据变量列表中，增加新的数据变量，多次按该按钮，则增加多个数据变量，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等。选中变量，按“对象属性”按钮或双击选中变量，则打开对象属性设置窗口。以“液位一”变量为例。在基本属性中，对象名称为：液位一；对象类型为：数值；其它不变。在存盘属性中,数据对象值的存盘选中定时存盘，存盘周期设为5秒。同样的方法创建其它的变量。创建完组对象对象后，在组对象成员中选择“液位一”，存盘属性选择定时100S

图2-5 变量创建图

2.6设备连接

设备连接是为了实现上位机和下位机之间的连接。在本系统中，设备连接实现的是下位机三菱FX1n型号的PLC与液位控制工程之间的连接。本设计连接采用RS232协议。

在“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱”

图标，打开“设备工具箱”，在设备管理窗口单击

“设备管理”，然后会出现如下的界面，然后将通用串口父设备和PLC下的三菱FX系列编程口添加到右侧界面，然后点确定。这时在设备管理下有这两个设备。由于PLC是外部设备，所以必须要加在通用串口父设备下，添加设备操作如图2-6。然后设置父设备和PLC的参数值，使其一致，这样才能实现通讯。设定的参

数如图

2-7所示：

图2-6 设备添加

图2-7 设备通信设置

在上面的右图设置设备内部属性一栏，设置PLC内部与之相通信的通道，设置的值有X0、X1、Y1、Y2、Y3、M4、M6、M7、D497、D500、D501，它们与数据对象中的变量对应。其中这些量对应的工程内部的变量如图2-8所示设置：

图2-8 变量设置

这样就完成了对设备的连接。这时PLC中相应的数据可传到对应的数据对像里。

2.7 控制面板的设计

控制面板是用来实现上位机对下位机的控制的。设计步骤如下：

1．在工具箱里选择元件库管理按钮，然后在里面的“其他”这一类中选择框图，然后放在合适的位置。

2．在工具箱里拖出7个按钮和一个输入框，分别更名为启动、PID启动、3个停止、退出系统、停止复位，输入框为“更改液位值”。双击按钮，在其中的操作属性中依次作如下的修改：启动、PID启动、停止按钮分别设置为：对数据对象值进行置一，数据量分别为Data48，Data49，Data50。3个停止分别为对Data48、Data49清零和对Data50置一，停止复位是对Data50 清零。“退出系统”按钮则选择退出运行系统项，如图2-9所示。

图2-9 设置窗口

3．输入框的设置是用来对D500寄存器进行写入的，其中在左侧进行一次文本操作，即注释为“液位高度输入框”。输入框的属性设置如图2-10：

图2-10 输入框属性设置

4．在按钮下面设置三个文本区域，然后点击显示输出项，则会出现图2-11，在表

达式上填写data11，输出类型为字符串输出，格式为向中对齐。同理在后面两个文本区域进行相同操作，只不过表达式分别写为data12、week11，然后在创建一个策略，此策略在后面会在讲述。

图2-11 设置窗口

第三章 PLC设计

3.1 PLC概述

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。 中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）：

20世纪70年代中末期，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化，可编程控制器进入实用化发展阶段。计算机技术已全面引入可编程控制器中，美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU），使其功能发生了飞跃。 这样，使PLC得功能大大增强。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

近期的PLC（80年代中后期至今）：

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于

压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

3.2系统设计PLC程序

水位测量值(VD4000)100→测量值显示单元(VD400)

水位测量值(VD4000)→PID0回路表的测量值单元(VD2000)

水位设定值显示单元内容(VD404)÷100→PID0回路表的设定值单元(VD2004)

自动方式：PID0回路表的输出值单元内容(VD2008) →输出值显示单元（VD408） 自动方式： PID0回路表的输出值单元内容

0上水箱测量值显示单元

0上水箱设定值显示单元

0输出值显示单元

设置使用0号PID回路，设置回路表首地址VB2000

设置采样时间0.05回路表VD2016单元

存放积分值回路表VD2028单元

PID指令回路表主要内容 偏移地址 功能 0 4 8 12 16 20 24 28 32 PVn过程变量测量值（实数） 设定值 输出值 增益KC 采样时间 积分时间TI 微分时间TD 积分前项值 过程变量前值 描述 0.0~1.0 0.0~1.0 0.0~1.0

实数乘法 VD525600AC3

实数加法 AC3+6400AC3

实数AC332位双整数AC3

32位双整数AC316位整数AC3

16位整数AC3模拟量输出寄存器AQW0 完成数模转换（调

将变量存储器内容（标准化实数0.0~1.0）经工程量化模拟量

输出通道存储器AQW0

16位整数AIWC32位双整数AC0

32位双整数实数AC0

实数减法：AC06400  AC0

实

数

除

法

：AC0

AC025600 0.0~1.0）

（标准化实数

AC0 VD4000测量单元

将第0路模拟量输入通道AIWC（数字量）经工程量化标准化实数

0.0~1.0存入测量单元VD4000

第四章 课设总结

这次过程控制课程设计给我带来了很多的收获。第一，是知识方面的收获，通过这次课程设计让我对所学课程又有了更多的了解，对这门学科在现实生活中的应用也有了更多的了解，我体会到了知识在现代社会中的重要作用。第二，是与人沟通方面的收获，现代社会生活节奏较快，知识更新速度加快，每个人都应该不断学习，不断充实自己，要学会与人合作，这样才能提高办事效率，如果不与人合作，往往事倍功半。

通过本次课设，对组态软件的认识与了解更加深刻了。在自己动手设计调试的过程中，使我对PLC和应用有了更深一步的了解，相信对以后会有很大的帮助。

PLC和过程控制在现代生产中有着非常广泛的应用，是非常实用非常重要的知识。这次课设把变频器和PLC联系在一起，让我对所学知识有了更加灵活的掌握。在以后的生活中，如果有时间，我想再多学习一些有关PLC和变频器方面的知识。感谢老师的谆谆教诲，让我们学到了那么多宝贵的知识。

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2011.1.4

参考文献

[1]邵裕森,戴先中.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 [2]崔亚嵩.过程控制实验指导书（校内）

[3]廖常初.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007

[4]吴作明.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007

附录

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