液位自动控制系统的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

液位自动控制系统的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

计者规定的工作，且用户不能读取；用户程序存储器存放着用户编制的控制程序，其容量以字为单位，用户程序由用户设计，使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。 I/O 模块 输入模块和输出模块简称为 I/O 模块，联系着外部现场和 CPU 模块之间的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。 数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、 限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 输出模块用来发送输出信号。 数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 I/O 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 编程装置 编程装置是 PLC 不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改，还可以在线监视 PLC 的工作状态。 编程装置通过接口与 CPU 模块联系，实现人机对话。 使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数，还可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。 程序被编译下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 器中的程序上传到计算机。 程序可以存盘或打印，还可以通过网络实现远程编程和传送。 可编程序控制器使用 220V 交流电源或 24V 直流电源。 内部的开关电源为各模块提供 DC 5V、 177。 12V、 24V 等直流电源。 驱动可编程序控制器负载的 直流电源一般有用户提供。 西门子 S7200 PLC 简介 西门子 S7200 PLC 的功能概述 西门子 S7200 PLC 系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。 由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。 S7200 PLC 系统是紧凑型可编程序控制器。 系统的硬件构架是由成系统的CPU 模块和丰富的扩展模块组成。 它能够满足各种设备的自动化控制需求。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用 领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。 如：冲压机床 、印刷机械 、中央空调 、电梯控制 、运动系统等等。 S7200 系列除了具有 PLC 的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处： （ 1）功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、 PID 指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。 （ 2）丰富强大的通讯功能 S7200 提供了十种左右的通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7200 之间的通讯到 S7200 通过 ProfibusDP 网络通讯，甚至到 S7200 通过以太网通讯。 （ 3）编程软件的易用性 STEP7Micro/WIN32 编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 环境。 Windows 的界面风格、以及丰富的编程向导和帮助信息，能够使用户快速上手。 西门子 S7200 系列 PLC 具有极高的性价比，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 S7200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 西门子 S7200 PLC 的 特点 S7200 系列具有鲜明的特点：（ 1）极高的可靠性；（ 2）极丰富的指令集；（ 3）数据安全性；（ 4）易于掌握，操作便捷；（ 5）丰富的内置集成功能；（ 6）实时特性；（ 7）强劲的通讯能力；（ 8）丰富的扩展模块。 西门子 S7200 PLC 的硬件结构 西门子 S7200 系列 PLC 具有牢固紧凑的塑料外壳，通过安装孔垂直或水平地安装在板上或安装在标准 DIN 导轨上。 利用总线连接电缆，可以把 CPU 模块和其他扩展模块，如数字量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块、通讯模块等等，连接起来。 采用可选的端子排作为固定的接线配件，易于接线。 S7200 CPU 外形如图 所示。 图 S7200 CPU 外形示意图 液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 S7200 CPU 将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的 PLC。 西门子提供了多种类型的 CPU，以适应各种应用的要求。 目前，提供的 S7200 CPU 有： CPU22 CPU22CPU22 CPU224XP、 CPU22 CPU 226XM。 我们使用的是具有较强控制功能的 CPU 226。 可以利用 PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7200 CPU 连接到许多和RS232 标准兼容的设备。 目前有两种不同型号的 PC/PPI 电缆：带有 RS232口的隔离型 PC/PPI 电缆，用 5 个 DIP 开关设置波特率和其它配置项；带有RS232 口的非隔离型 PC/PPI 电缆，用 4 个 DIP 开关设置波特率。 西门子 S7200 PLC 的工作原理 S7200 PLC 具有两种工作模式，分别是：运行（ RUN）模式和停止（ STOP）模式。 在运行模式下，通过 执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下， S7200 CPU 不执行用户程序，此时可设置 CPU 系统的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到 S7200 CPU。 其中用户程序用编程软件创建和编辑。 CPU 模块上的模式开关用于改变和转换 S7200 PLC 的工作模式。 开关拨到 RUN 位置时， CPU 运行，启动用户程序的运行；当开关拨到 STOP 位置时，CPU 停止，用户程序的运行也停止；开关拨到 TERM 位置时，不改变当前操作模式。 此外还可以通过 Step7Micro/MIN32 编程软件控制 S7200 CPU 的运行和停止。 S7200 CPU 前面板上的 LED 显示着当前的工作模式。 S7200 PLC 通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。 为了使 PLC的输出及时地响应各种输入信号。 初始化后， S7200 CPU 按照循环扫描的方式，完成包括执行用户程序在内的各项不同的任务。 S7200 CPU 周而复始地分阶段执行一系列任务。 任务执行依次称为一个扫描周期。 在一个扫描周期内， CPU 执行如图 所示。 （ 1）读输入 在 PLC 的存储器中，设 置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出寄存器。 CPU 以字节为单位来读写输入 /输液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 出映像寄存器。 在读输入阶段， S7200 CPU 读取物理输入点上的 ON/OFF（ 1/0）状态并复制到输入映像寄存器。 图 S7200 CPU 的工作扫描过程示意图 （ 2）执行用户程序 用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列，来实现控制逻辑。 一般情况下，用户程序从输入映像寄存器获得外部控制和状态信号，把运算结果写入输出映像寄存器，或者存入到不同的数据保存区。 在执行 指令时，从 I/O 映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其 0 或1 状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。 因此，除只读的输入映像寄存器外，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。 S7200 CPU 执行完用户程序后，将输出映像寄存器的 0 或 1 状态传送到输出模块并锁存起来。 （ 3）处理通讯任务 在处理通讯任务阶段， S7200 CPU 处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传递给通信请求方。 （ 4）执行自诊断 液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 14 页 S7200 CPU 检查整个系统是否工作 正常。 自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、 I/O 模块状态以及 I/O 扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 （ 5）写输出 复制输出过程映像寄存器中的数据状态到物理输出点。 过程映像寄存器是S7200 CPU 中的特殊存储区，专门用于存放从物理输入 /输出点读取或写到物理输入 /输出点的状态。 （ 6）中断程序的处理 如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断，中断程序可能在扫描周期在任意点上被执行。 西门子 S7200 PLC 的编程语言 西门子 S7200 PLC 系列采用的编程语言常用的有以下三种：梯形图（ LadderDiagram）、功能块图（ Function Block Diagram）、语言表或称指令表（ Instruction/Statement List）。 1. 梯形图 梯形图（ LAD）是使用最多的可编程序控制器编程语言。 梯形图由触点、线 圈和用方框表示的功能块组成。 触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮和内部条件等；线圈代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等；方框表示的功能块代表定时器、计数器或者数学运算等附 加指令。 触点和线圈等组成的独立电路称为网络（ Network），用编程软件生成的梯形图和语言表程序中有网络编号，允许以网络为单位，给梯形图加注释。 在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行。 各网络按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。 梯形图比较适合有电气技术基础的人使用。 2. 功能块图 功能块图（ FBD）与数字逻辑门电路的编程语言相类似，用一种功能方框来表示一种特定的功能，方框图中的符号表示着该功能块图的功能。 该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻 辑运算的输入变量，液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 15 页 右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示 ―非 ‖运算，方框被 ―导线 ‖连接在一起，信号从左到右流动。 把所需的功能块连接起来，用来实现控制功能。 功能块图比较适合有数字电路基础的人使用。 3. 语句表 S7200 系列可编程序控制器将指令表称为语句表。 语句表是一种助记符表达式，与计算机的汇编语言的指令相似。 尽管语言表比梯形图、功能块图抽象，但可以实现某些梯形图或功能块图无法实现的功能。 语言表比较适合有逻辑程序设计经验的人使用。 Step 7Micro/WIN 编程软件简介 供 S7200 使用的 Step 7Micro/WIN32 编程软件提供了两种指令集：SIMATIC 指令集与 IEC11313 指令集。 通常 SIMATIC 指令丰富，且执行时间短，可使用梯形图、功能块图和语句表语言；而 IEC11313 指令集只提供梯形图、功能块图，且指令较少。 所以我们选用 SIMATIC 指令集来完成编程。 STEP 7Micro/WIN32 兼容所有的 S7200 系列，是我们选用的编程软件，可以对 CPU 226 进行编程。 西门子 S7200 PLC 的程序 结构 S7200 PLC 系列的控制程序是由主程序（ OB1）、子程序和中断程序组成。 主程序是整个程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。 在主程序中可调用子程序和中断程序。 主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每次 CPU 扫描都要执行一次主程序。 子程序是一个可选的指令集合，仅在被其他程序调用时执行。 同一子程序可以在不同的地方被多次调用，使用子程序可以简化程序代码、减少扫描时间、更好地组织程序结构和增强移植性。 中断程序也是一个可选的指令集合，中断程序不是被主程序调用，而是在中断事件发生时由可编 程序控制器的操作系统调用。 中断事件会在 S7200 CPU 程序循环周期中任何时刻发生。 中断程序是用来处理预先规定的中断事件，执行中断程序前后， S7200 系统会自动保护和恢复被中断的程序运行环境。 因为不能液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 16 页 预知何时出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。 中断程序不会再被中断。 4 PID控制器的设计 本文是利用在生产过程中最普遍采用的控制方法 ——串级控制作为系统的控制方法来设计控制软件的。 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制控制规律是 PID 控制，常规 PID控制系统原理框图如图 所示。 系统有模拟 PID 控制器和被控对象组成。