目录1 《控制系统集成实训》任务书 (3)2 总体设计方案 (5)2.1系统组成 (5)2.2水箱液位控制系统构成 (5)2.3水箱液位控制系统工作原理 (6)2.4仪表选型 (7)2.4.1 GK-01电源控制屏 (7)2.4.2 GK-02传感器输出与显示 (8)2.4.3 GK-03单片机控制 (8)2.4.4 GK-07交流变频调速 (9)2.4.4 GK-08 PLC可编程控制 (9)2.5 PLC设计流程图 (10)3 外部接线图 (11)4 I/0分配 (12)5 梯形图 (12)6 组态王界面 (16)6.1 主界面 (17)6.2 数据词典 (18)6.3 曲线监控 (18)6.4 水流动画程序 (19)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 (22)参考文献 (23)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内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-02、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、实训内容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。

报告中提供如下内容：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4 调试及准备实训报告5 答辩本课题共需两周时间七、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，已在内部连好。

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、LT2、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。