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。

目录摘要 (I)第1章引言 (1)1.1 实验目的 (1)1.2 实验原理 (1)1.3 设计方案的确定 (2)第2章系统硬件介绍 (2)2.1 西门子PLC控制系统简介 (2)2.3模拟量输入模块 (3)2.4模拟量输出模块 (3)2.5 电源模块 (4)第三章系统硬件控制设计 (5)3.1 系统设计 (5)3.2 硬件设计 (6)3.2.1 检测单元 (6)3.2.2 执行单元 (7)第四章软件设计 (8)4.1 FC105 介绍： (8)4.2 FC 106 介绍： (8)4.3 FB41 介绍 (9)4.4 软件控制流程图： (10)第五章程序实现 (10)5.1 step 7 软件编程： (10)5.2程序调试与结果 (15)5.3 过程中出现的问题与解决办法 (15)第6章实验心得与体会 (19)附录：程序清单 (20)参考文献 (24)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P I D 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S7-300 PLC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Flash EPROM，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Windows STEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投资。

2.2 CPU模块CPU 314C-2 DP( 6ES7 314-6EH04-0AB0)：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，PROFIBUS DP 主站/从站接口允许连接独立的I/O 单元。

因此，CPU 314C-2 DP 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。

SM 331模拟量输入[简称模入(AI)] 模块目前有三种规格型号，即128⨯AI位模块和12AI位模块、168⨯AI位模块。

2⨯本次实验的模拟量输入/输出模块采用，SM331 AI8x12bit(6ES7 331-7KF02-0AB0)，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Pt 100），输出范围0～10V电压值或4～20mA电流值SM 331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。

SM 332模拟量输出[简称模出(AO)]模块目前有3种规格型号：12AO位模4⨯块、12AO位模块。

本次实验采用的SM331 A04x12bit(6ES74⨯2⨯AO位模块和16332-5HDO1-0AB0)该模块有4路输出通道（默认地址：PQW272-PQW279）SM 332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PS 307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS 307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。

PS 307 5A模块基本电路如图2-1所示。

PS 307 5A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，PS 307可安装5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2-1PS 307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%0.1，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P A ，选定的零液位处压力为P B ，零液位至液面高度为H ，其产生的压差ΔP 为g H P P P A B ρ=-=∆ (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P B 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。