液位控制系统硬件设计毕业论文目录1 引言 (1)1.1课题的提出 (1)1.2 PLC及过程控制技术的概述及发展 (1)1.3 本课题研究的容与目的 (4)2 液位控制系统硬件设计 (5)2.1 液位控制系统的系统设计 (5)2.2 PLC的选型 (5)2.2.1 CPU型号的选择 (6)2.2.2 模拟量模块（SM）的确定 (6)2.2.3 电源模块的选用 (8)2.3变频器的选型 (8)2.4变送器的确定 (9)2.5水位检测开关的选定 (9)3 液位控制系统的软件设计 (11)3.1液位控制系统结构设计 (11)3.1.1液位控制系统的控制方案 (11)3.2 PLC程序设计 (12)3.2.1 固定频率的设定 (12)3.2.2 PLC控制要求和策略 (12)3.2.3 PLC程序控制流程 (12)3.2.4 STEP 7编程过程 (13)3.3上位机组态软件设计 (16)3.3.1 “组态王”软件界面 (17)3.3.2 上位机组态画面的创建 (17)3.3.3 上位机组态软件数据词典的创建 (18)3.3.4 设置上位机通讯连接设备 (19)4 系统调试 (21)结论 (22)参考文献 ............................................... 错误!未定义书签。

附录 (23)致谢 (32)1 引言1.1课题的提出过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。

其应用围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。

近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。

在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。

假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此，液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能收到很好的效果，而且提升了工作效率。

随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。

智能化也往往是从设备自动控制系统开始。

可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。

因此，基于PLC的液位控制系统在现代工业控制系统中具有重要的意义。

1.2 PLC及过程控制技术的概述及发展可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。

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围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年正式将这种装置命名为可编程控制器（Programmable Controller），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实质是一种专门用于工业控制的计算机，所以其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分组成。

PLC的硬件结构框图如图1-1所示。

图1-1 PLC硬件结构框图PLC作为一种专用于工业控制的计算机具有以下特点：1、高可靠性2、丰富的I/O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便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，生产了各种人机接口单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备配套更加容易。

目前PLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

而对于过程控制技术，在20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率很低。

40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。

过程控制装置与系统的发展大致分为以下几个阶段：1.局部自动化阶段（20世纪50—60年代）这个阶段的过程控制系统绝大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保安全生产。

生产的规模比较小，多用气动仪表进行测量与控制，采用0.02~0.MPA的气动信号作为统一标准信号，压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制。

到20世纪50年代后期至60年代，先后出现了气动和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。

2.集中控制阶段（20世纪60—70年代）在20世纪的60年代，随着工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂、产品质量要求越来越高，对过程控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。

随着电子技术的发展，半导体产品取代了电子真空管，之后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性大为提高，逐步替代了气动仪表。

这时的过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间围和大型系统的集中监控。

为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案，例如串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制等。

特别式前馈控制、选择控制的实现，使过程控制品质、安全性大为提高。

前馈控制使控制质量显著提高；选择控制自动实现保护性自动控制，以免强制性连锁停车，改变了过去不得不切向手动或被迫连锁停车的状况，从而扩大了自动化的围。

3.集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）20世纪70年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高，采用了冗余技术和自诊断措施的工业计算机完全满足工业控制对可靠性的要求，为新的过程控制仪表、装置与系统的设计开发提供了强有力的支持。

此时的大型生产过程一般都是分散系统，这样可以使生产过程控制分散进行，将发生故障和危险的风险分散。

基于“集中管理，分散控制”理念，在数字仪表和计算机与网络技术基础上开发的集散型控制系统（DCS, Distributed Control System）在大型生产过程控制中得到广泛应用。

过程控制系统的结构也由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制等。

到20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散型控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。

工厂自动化（FA）、计算机集成过程控制（CIPS）、计算机集成制造系统（CIMS）和企业资源综合规划（ERP）等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。

1.3 本课题研究的容与目的液位自动控制系统中，主要是针对单容水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的总体设计、PLC控制、位式控制算法、压力变送器和电磁阀等一系列的知识。

设计单容液位控制系统中，控制方式采用了位式控制算法，控制核心为S7-300系列的CPU313C-2DP以及PLC部A/D、D/A转换模块，检测元件为压力传感器，执行器为电动调节阀。

通过以上的器件设备、位式控制算法和上位机的组态等，实现液位自动控制系统的设计。

本课题研究容：（1）控制器的算法（2）通过PLC实现液位自动控制（3）对输入变量的转换与归一化（4）组态软件的使用（5）实现上位机对液位的实时监控2 液位控制系统硬件设计2.1 液位控制系统的系统设计硬件设计是在对课题进行深入分析，对相关信息进行调查之后所进行的基础性工作，是软件设计实现的前提。

硬件的合理选用，对于整个课题的设计至关重要，既要合理、适合，也要经济适用。

本设计要实现用S7-300 PLC作为控制器，通过变频器控制电机速度，同时由变送器和四个液位检测开关收集液位信号反馈给PLC来进行进一步控制，从而实现使液位保持在设定值附近的自动控制系统。

单容水箱的液位控制系统如下图2-1所示。

图2-1 液位控制系统2.2 PLC的选型S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。

SIMATIC S7-300编程序控制器是模块化结构设计。

各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

其CPU集成了过程控制功能，用于执行用户程序。

不需附加任何硬件、软件、编程，就可建立一个MPI网络。

若有PROFIBUS-DP接口，就可建立一个DP网络。

S7-300可大围扩展各种功能模块，很好的满足自动控制任务。

简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使其应用十分灵活。

且指令集成功能强大，可用于复杂控制。

其功能较S7-200要强大很多。

而且，就其价格而言，又较S7-400要经济得多。

所以，S7-300是本次设计中控制器的首选。

2.2.1 CPU型号的选择S7-300有20种不同等级的CPU，分别使用于不同等级的控制要求。

CPU 313C-2 DP 带集成数字量输入/输出和PROFIBUS DP主站/从站接口的紧凑型CPU，带有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务，可以连接单独的I/O设备。

该控制器配置为：16DI/16DO⨯DC24V、Flash EPROM微存储器卡（MMC）、一个MPI接口和一个DP 总线接口。

相比之下，CPU 312C适用于对处理能力有较高要求的小型应用；CPU 313C满足对处理能力和响应时间要求较高的场合，但不带主站/从站接口；CPU 312适用于全集成自动化的基本型CPU及中等处理速度的小规模应用；CPU 314适用于中等处理量的应用；而CPU 315-2 DP、CPU 315-2 PN/DP、CPU 317-2DP、CPU 317-2 PN/DP及CPU 319-3 PN/DP，固然有较高的性能，可用于要求较高的应用，但对于本设计来说是不经济的，也是不必要的。