目錄1、設計目的
2、設計任務和技術要求
2.1、設計任務
2.2、技術要求
3、設計正文
3.1硬體設計
3.1.1 s7-200 plc簡介
3.1.2 方案設計
3.2 軟體設計
3.2.1 系統分析
3.2.2 系統實施及程式
3.3監控組態設計
4、設計心得
5、參考文獻
6、指導老師評語
1.設計目的
1．加深學生對計算機控制技術理論知識的理解和對這些理論的實際應用能力；
2．plc可程式設計序控制器廣泛地應用於工業生產過程的自動控制領域, 使得工業自動化程度和生產效率得到極大的提高，通過plc應用系統的設計，提高學生對實際問題的分析和解決能力；
3．培養學生根據系統要求,編制相應的控制程式,再在裝置上進行除錯和檢驗的能力, 由於整個過程相當於在工程現場完成乙個小型的工程專案,這對於加深理解計算機控制技術的理論,熟練掌握可程式設計序控制器的使用和操作方法,加快學習梯形圖語言的速度,以及建立工業控制系統概念、積累工程現場經驗、培養動手能力等方面都有較大的幫助；
4．培養分析問題、解決問題的獨立工作能力，學會實驗資料的分析與處理、編寫設計說明書和技術總結報告。
2.設計任務和技術要求
2.1設計任務
（1）.了解兩個水箱液位串級控制系統的物理結構、閉環調節系統的數學結構和pid控制演算法。
（2）.逐一明確各路檢測訊號到plc的輸入通道，包括感測器的原理、連線方法、訊號種類、訊號調理電路、引入plc的接線以及plc中的編址。
（3）. 逐一明確從plc到各執行機構的輸出通道，包括各執行機構的種類和工作機理，驅動電路的構成，plc輸出訊號的種類和位址。
（4）．繪製系統的電路原理圖，編制i/o位址分配表。
（5）.編制plc的程式，結合實驗室現有裝置進行除錯，要求能盡量多地在實驗裝置上演示控制過程。在完成可程式設計控制器為下位機的相關控制程式的基礎上，用組態軟體程式設計實現上位機的控制及其相關監控介面。
2.2技術要求
上下兩個水箱的液位串級控制系統主要由上下兩個水箱、管道、非同步電動機、電機控制器、水壓力感測器、渦輪流量計、電動調節閥、可程式設計控制器及其輸入輸出通道電路等構成。其中水幫浦是動力系統；下水箱水位作為主調節量，上水箱水位作為輔助調節量。動力系統通過管道把水送到上水箱，上水箱通過底部的閥門把水漏到下水箱。
系統中由電位器設定下水箱液位給定值，下水箱壓力感測器檢測下水箱液位，採用pid演算法得出上水箱液位給定值，實現下水箱液位的控制。上水箱壓力感測器檢測上水箱液位，電動調節閥控制進水速度，採用pid演算法得出電動調節閥開度控制值，從而控制上水箱的液位。上水箱液位控制是內環（副調節器），下水箱液位控制是外環（主調節器）。
3.設計正文
3.1硬體設計
3.1.1 s7-200系列plc概述
s7-200系列可程式設計控制器有cpu21x系列，cpu22x系列，其中cpu22x型可程式設計控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有cpu221，cpu222，cpu224和cpu226四種基本型號。
小型plc中，cpu221**低廉能滿足多種整合功能的需要。cpu 222是s7-200家族中低成本的單元，通過可連線的擴充套件模組即可處理模擬量。cpu 224具有更多的輸入輸出點及更大的儲存器。
cpu 226和226xm是功能最強的單元，可完全滿足一些中小型複雜控制系統的要求。四種型號的plc具有下列特點：
（1）整合的24v電源
可直接連線到感測器和變送器執行器，cpu 221和cpu222具有180ma 輸出。cpu224輸出280ma，cpu 226、cpu 226xm輸出400ma 可用作負載電源。
（2）高速脈衝輸出
具有2 路高速脈衝輸出端，輸出脈衝頻率可達20khz，用於控制步進電機或伺服電機，實現定位任務。
（3）通訊口
cpu 221、cpu222和cpu224具有1個rs-485通訊口。cpu 226、cpu 226xm具有2個rs-485通訊口。支援ppi、mpi通訊協議，有自由口通訊能力。
（4）模擬電位器
cpu221/222有1個模擬電位器，cpu224/226/226xm有2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊暫存器（smb28，smb29）中的數值，以改變程式執行時的引數。如定時器、計數器的預置值，過程量的控制引數。
（5）中斷輸入允許以極快的速度對過程訊號的上公升沿作出響應。
（6）eeprom 儲存器模組（選件）
可作為修改與拷貝程式的快速工具，無需程式設計器並可進行輔助軟體歸檔工作。
（7）電池模組
使用者資料（如標誌位狀態、資料塊、定時器、計數器）可通過內部的超級電容儲存大約5 天。選用電池模組能延長儲存時間到200天（10年壽命）。電池模組插在儲存器模組的卡槽中。
（8）不同的裝置型別
cpu 221~226 各有2種型別cpu，具有不同的電源電壓和控制電壓。
（9）數字量輸入/輸出點
cpu 221具有6個輸入點和4個輸出點；cpu 222具有8個輸入點和6個輸出點；cpu 224 具有14個輸入點和10個輸出點；cpu226/226xm 具有24個輸入點和16個輸出點。cpu22x主機的輸入點為24v直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流（mos型）兩種型別。
（10）高速計數器
cpu 221/222有4個30khz高速計數器，cpu224/226/226xm有6個30khz的高速計數器，用於捕捉比cpu掃瞄頻率更快的脈衝訊號。
綜上特點，本次設計選擇siemens s7-200 cpu224。
3.1.2 電機選擇
本次設計選擇的電機型號是55zyt51，功率29w，24v/2.25a，轉速3000rpm。
3.1.3 固態繼電器選擇
選擇型號為
3.2 方案設計
(1)上下水箱液位串級控制系統原理
上下水箱液位控制系統由於控制過程特性呈現大滯後，外界環境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最後都保持設定值，用簡單的單閉環反饋控制不能實現很好的控制效果，所以採用串級閉環反饋系統。
上水箱下水箱液位控制系統中，上水箱液位作為副調節器調節物件，下水箱液位作為主調節器調節物件。控制框圖如圖1所示。這裡的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可避免的。
主迴路和副迴路結合有效地抑制環境的擾動。
圖1、上水箱下水箱液位串級控制原理圖
在這裡，執行機構仍然是電動調節閥，依舊由plc經過pid演算法後控制它的開度以控制水管裡的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個pid迴路，分別是pid1和pid2。pid1為外環，控制下水箱的液位，它的輸出值作為pid2的設定值，pid2控制上水箱的液位。
（2）硬體設計
系統硬體的設計包括檢測單元、執行單元和控制單元的設計，他們互相聯絡，組成乙個完整的系統。
a.檢測單元
在過程控制系統中，檢測環節是比較重要的乙個環節。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數量，以便調節流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產過程順利進行。設計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統根據檢測到的資料來調節通道中的水流量，控制水箱的液位。
液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、雷射式、放射性式等。系統中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表****生產的中控儀表sp0018g壓力變送器，屬於靜壓力式液位變送器，量程為0~10kpa，精度為 ，由24v直流電源供電，可以從plc的電源中獲得，輸出為4~20ma直流。
b.執行單元
執行單元是構成自動控制系統不可缺少的重要組成環節，它接受來自調節單元的輸出訊號，並轉換成直角位移或轉角位移，以改變調節閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現過程引數的自動控制。
執行器由執行機構和調節機構（調節閥）兩部分組成。執行機構首先將來自調節器的訊號轉變成推力或位移，對調節機構（調節閥）根據執行機構的推力或位移，改變調節閥的閥芯或閥座間的流通面積,以達到最終調節被控介質的目的。可見來自調節器的訊號經訊號轉換單元轉換訊號制式後，與來自執行機構的位置反饋訊號比較，其訊號差值輸入到執行機構，以確定執行機構作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調節閥的動作，改變調節閥的流通面積，從而改變被控介質的流量。
當位置反饋訊號與輸入訊號相等時，系統處於平衡狀態，調節閥處於某一開度。
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員工道德規範 1 紀律嚴明 令行禁止。2 清廉守法 拒腐防變。3 精神飽滿 行為大方。4 客戶第 一 效益之上。5 文明服務 禮貌待人。6 愛崗愛社 敬業盡責。7 團結同事 協力工作。8 提高警惕 維護安全。9 勤奮學習 精通業務。10 嚴守機密 維護信譽。管理人員規範 1 堅持原則 堅定信念。2 ...
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