基于s7-200plc的水箱液位控制系统设计

基于s7-200plc的水箱液位控制系统设计内容摘要：

新的革命 ， 各种新型控制设备不断出现 ， 产品的性能和可靠性不断提高 ， 价格进一步下降。 作为该领域的另一个重要组成部分工控软件 ， 也受到越来越多的工 程技术人员的重视 ， 正在向着产业化方向发展。 工控软件的特点是开发周期长 ， 被控对象复杂多样 ， 且软件与具体工程和设备交织在一起。 长期以来 ， 软件的通用性和可维护性一直困扰着工程技术人员。 设备管理人员 或主要编程人员的变动将给控制系统的运行带来极大的不便 ， 甚至影响其正常工作 ， 许多企业决策者也对此表现出极大的关注。 为改变这一状况 ， 国内外许多专家、学者、工程技术人员对工控软件进行了积极的探索 ， 然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题 :一是工控软件缺乏通用性，工控公司只提供特定 设备的驱动程序 ， 一旦设备更新或变动 ， 系统就必须重新设计；二是国外工控软件价格昂贵 ， 使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受 ， 以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件 ]2[。 组态软件是近几年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具 ， 组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。 随着计算机软件的发展，其功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。 成熟的商用软件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用。 开发人员通常不需要 编制具体的指令和代码 ， 只要利用组态软件包中的工具 ， 通过硬件组态 (硬件配置 )、数据组态、图形图像组态等工作 4 即可完成所需应用软件的开发工作，利用组态软件 MCGS(Monitor and Control Generated System 通用监控系统 )开发了液位监控系统 ， 采用计算机采集、处理数据、根据 MCGS 的液位实时曲线输出来改变参数的值 ， 使系统输出稳定到设定值 ， 从而提高了工作效率。 该系统性能稳定可靠、界面友好、扩充性强。 用户在组态环境下进行系统配置 ， 可创建或定义多个用户策略 ， 并生成数据库文件进行数据处理。 实践 证明该系统可省去用户开发软件的费用和周期 ， 只需极少的投入即可得到方便、美观、实用的组态软件。 目前 ， MCGS 组态软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。 基于 MCGS 开发的液位监控系统。 MCGS 为用户提供了广泛的可选性，用双水箱系统组成液位比值前馈反馈复合控制系统 ， 用 MCGS 可进行各种系统的组态调试及各种系统参数的整定 ， 极大地提高了参数整定过程的工作效率，大大减少了生产工作人员的劳动强度。 MCGS 为用户提供了广泛的可选性：用双水槽系统可组合成单回路控制、串级控制、比值控制及前馈控制等多种控制 系统 ， 用 MCGS 可进行各种系统的组态的调试及各种系统参数的整定 ， 极大地提高了参数整定过程的工作效率。 本文研究的主要内容 可编程程序控制器（ Programmable Logic Controller，简称 PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展， PLC 在技术和功能上发生了飞跃。 PLC 的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。 然而在控制策略上，它依然沿用传统的 PID 控制，许多开发商把 PID 算法做成模块，固化在 PLC 中。 从目前的应用情况来看， PLC 还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和 PID 反馈控制。 工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的 PLC 产品生产出来， PLC 控制系统越来越开放。 但由于 PLC的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给在 PLC 上实现先进控制算法带来了困难。 SIEMENS（西门子）在 PLC 的编程系统 STEP7 中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在 S7200 的 PLC 上得到较好的实现。 本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些 PLC 程序在 PLC 以及 MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和 PLC 的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。 本课题的设计是先通过工控组态软件 MCGS 在组态环境下做出一个关于上下水箱液 5 位控制的动态连接界面，接着应用 SIEMENS（西门子）公司的 S7200 系列进行程序的编写，在 MCGS 组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的 PLC程序进行动态连接。 在通讯接口设备通讯状况良好的条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据 的操作和改动就可以达到对上下水箱液位控制的目的。 操作人员可随时通过动画界监测到上下水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。 这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义 ]2[。 6 2 西门子 S7200PLC 介绍 SIMATIC S7200 系列是西门子公司 20 世纪 90 年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于 各行各种场合中的检测、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，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。 S7200 系列出色表现在以下几个方面： （ 1）极高的可靠性； （ 2）极丰富的指令集； （ 3） 易于掌握； （ 4） 便捷的操作； （ 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。 S7200PLC 的结构 S7200 PLC 硬件系统的配置方式：主机中包含一定量 的输入 /输出点 ， 同时还可以扩展 I/O 模块和各种功能模块。 一个完整的系统组成： （ 1） 基本单元包括 CPU、存储器、基本输入 /输出点和电源等，是 PLC 的主要部分。 （ 2） 扩展单元是主机 I/O 点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种 I/O 模块。 （ 3） 特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时 ， 需要扩展功能模块 ，它们是完成某种特殊任务的一些装置。 （ 4） 相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。 （ 5） 工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配 套的程序。 S7200 系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。 CPU 一般由控制器、运算器和寄存器组成， 7 这些电路都集成在一个芯片上。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。 存储器有两种类型：只读类型的存储器 EEPROM 和读写随机存储器 RAM，它们集成在 CPU 模块内部。 输入输出单元包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，具有很高的 可靠性和极强的抗干扰能力。 S7200PLC 的工作原理 S7200 采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段 :输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行 CPU 自诊断测试和写输出。 输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。 在执行程序阶段， CPU 从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。 执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。 在扫描周期的信息处 理阶段， CPU 自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。 即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。 CPU 自诊断阶段， CPU 检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。 如果发现异常，则停机并显示出错。 若自诊断正常，继续向下扫描。 写输出阶段， CPU 用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。 扫描周期执行的任务依赖于 CPU 的工作模式， S7200 CPU 有两种操作模式： STOP 模式 和 RUN 模式。 对于扫描周期， STOP模式和 RUN模式的主要差别是在 RUN模式下运行用户程序，而在 STOP模式下不运行用户程序。 S7200PLC 上控制算法的介绍 随着 PLC 技术不断增强，运行速度不断提高，不断可以完成顺序控制的功能，还可以通过 PID 指令完成复杂的闭环控制功能。 PID 指令的功能是进行 PID 计算，其指令格式如下： PID 指令梯形图 8 图 21 PID 梯形图 当 EN 有效时，根据 PID 参数表中的输入信息和组态信息，进行 PID 运算。 PID 指令的功能说明如下： （ 1） TBL 是参数表的首地址，是由变 量寄存器 VB 指定的字节型数据； LOOP 是回路号，是 0～ 7 的常数。 （ 2） 在一个应用程序中，最多可用 8 个 PID 控制回路，一个 PID 控制回路只能使用 1 条PID 指令，每个 PID 控制回路必须使用不同的回路号。 （ 3） 影响允许输出 ENO 正常工作出错条件为： (溢出 )， (运行时间 )， 0006（间接寻址） PID 指令的参数表及初始化： 为执行 PID 指令，要对 PID 参数表进行初始化处理，即将 PID 参数表中的有关参数，按照地址偏移量写入到寄存器 V 中。 一般是调用一个子程序，在子程序中对 PID 参数表进行初始化处理。 以 TBL 为首地址的参数表中共包含 9 个参数，用于进行 PID 运行的监视和。