基于西門子PLC的液位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計及硬件選擇分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21132基于西門子PLC的液位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計及硬件選擇分析案例 14575（一）PLC選擇 313645（二） 429889（三）主電路設(shè)計 102883（四）控制電路設(shè)計 1111215（五）PLC輸入和輸出分配 1223457（六）PLC輸入和輸出接線圖 13本文所設(shè)計的液位控制系統(tǒng)如圖1所示，水泵電機M1和調(diào)節(jié)閥V1為水箱供水?？刂葡到y(tǒng)的控制目的是將水箱液位穩(wěn)定在規(guī)定的液位。LT1液面?zhèn)鞲衅靼惭b在儲水罐底部，LT2液面?zhèn)鞲衅靼惭b在水箱底部，檢測水箱液面和儲水箱液面。在調(diào)節(jié)閥管路中安裝FT1流量計，檢測水箱中泵的流量。開始運行時，向儲水罐中提供足夠的儲水，并打開電路中的手動閥門。啟動液位控制系統(tǒng)，啟動M1水泵電機，通過水箱水位PID控制和PID流量控制控制水箱水位，自動打開調(diào)水閥，控制LT2水箱水位。圖1：控制系統(tǒng)示意圖在控制時水箱水位時，為了保證控制平穩(wěn)，采用串級控制。串級控制原理如圖2所示。

主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器給定值副調(diào)節(jié)器二次干擾調(diào)節(jié)閥管道流量變送器流量傳感器水箱液位變送器液位傳感器一次干擾圖2：串級控制原理圖控制目標(biāo)為LT2水箱水位，主控制電路為LT2液位控制回路。給定的值是需要保持的液位，返回值是液位T2。通過控制系統(tǒng)使用的液位傳感器和液位變送器LT2，液位轉(zhuǎn)換為電壓信號0-10V，PLC模擬量輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，然后PLC計算液位的實際測量值，液位PID控制電路輸出值用作流量的設(shè)定值二次控制回路為流量控制電路，流量控制電路給出的值為液位PID控制電路的PID輸出值，流量PID控制回路反饋值，控制閥電路的實際流量測量值。流量傳感器和流量發(fā)送器將流量轉(zhuǎn)換為0到10v的電信號，給出PLC的模擬輸出，并由PLC處理，以獲得流量的實際測量值。流量PID通過將輸出值轉(zhuǎn)換為通過PLC模塊輸出模塊的電壓信號0-10v來控制控制閥V1的打開。通過控制閥門開口尺寸，水箱液面穩(wěn)定接近設(shè)定值。（一）PLC選擇PLC是整個液位控制系統(tǒng)的核心，用來讀取、判斷、計算所有檢測信號、判斷邏輯鏈條件、計算程序，并將指令傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。此外，還應(yīng)始終與上位機通信，讀取其他相關(guān)變量參數(shù)，并發(fā)出液位控制系統(tǒng)運行狀態(tài)、錯誤報警、通知等。因此液位控制系統(tǒng)PLC應(yīng)具有快速響應(yīng)時間、掃描周期短、可靠性高、功能齊全等特點。PLC系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。PLC設(shè)備包括中央處理器、存儲器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、接口模塊和電源部分；PLC軟件部分主要由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。其中，系統(tǒng)程序由存儲在PROM或EPROM中的PLC制造商編寫，CPU—提供給用戶，包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和用于系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序塊；用戶流程是用戶設(shè)計的應(yīng)用程序，即使是根據(jù)生產(chǎn)流程控制的要求也是如此。分析后，系統(tǒng)采用4個數(shù)字量輸入端口、5個數(shù)字量輸出端口、3個模擬量輸入端口、1個模擬量輸出端口，是一個小型自動應(yīng)用系統(tǒng)。西門子S7-300PLC是一種高性能的中型PLC，其中CPU315-2DP具有2個通信端口，通信方便、經(jīng)濟實惠且易于編程，可供選擇的模塊較多，易于使用，因此選擇S7-315-2DPPLC。S7-300PLC是模組化PLC，因此S7-315主體不包含任何輸入/輸出模組。增加16路數(shù)字量輸出模塊SM322、16路模擬量輸入模塊SM331、8路模擬量輸出模塊SM332、2路以滿足本系統(tǒng)的使用需要。水箱液位控制PLC控制系統(tǒng)主要的電氣元件如表3.1所示：表3.1PLC控制系統(tǒng)的電氣元件元件名稱型號數(shù)量CPU6ES7314-5AE03-0AB02個24V電源6ES73G7-OEAOO-OAAO2個24V繼電器3RHU22-1BB4010個RS485中繼器6ES7-972-0AA01-0XA02個延時繼電器3TK2828-1BB412個電源6EP1961-2BA002個存儲卡6ES7942-3AB02-0AB02個組合開關(guān)3TK05-1BE084個（二）2.1調(diào)節(jié)閥的選擇控制閥是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，接受主控信號的指示執(zhí)行控制任務(wù)。控制閥的選擇是否合適，將直接關(guān)系到能否進(jìn)行良好的控制。因此，必須對其給予應(yīng)有的重視。2.2控制閥的選擇1）選擇閥門的開、關(guān)形式對于特定的控制系統(tǒng)，電源的選擇取決于特定的生產(chǎn)過程。一般來說，選擇的原則如下:A.滿足安全生產(chǎn)要求。也就是說，當(dāng)電源切斷、控制器無輸出故障或控制閥運行不正常，使閥門芯恢復(fù)到無能量的初始狀態(tài)時，必須能夠保證生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備的安全，避免故障。B.確保產(chǎn)品質(zhì)量?？刂崎y關(guān)閉并返回初始位置時，不得降低產(chǎn)品質(zhì)量。C.減少原材料、成品和能源的損失?？刂崎y處于非能量狀態(tài)并返回初始位置時，不應(yīng)浪費原材料、成品和功率。D.考慮到環(huán)境特點。例如:蒸餾塔鍋爐蒸汽控制閥通常選擇氣開模式，以確保控制閥停電時能保持完全關(guān)閉，避免蒸汽浪費。如果鍋爐液體是容易冷凝、結(jié)晶和聚合的材料，控制閥必須選擇氣關(guān)類型，以避免控制閥斷電時關(guān)閉閥門，而蒸汽入口停機會導(dǎo)致鍋爐中液體的結(jié)晶和冷凝。根據(jù)上述原則，我們在這里選擇電開閥。因此，即使控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，它仍保持關(guān)閉狀態(tài)。鹽酸不會流入儲罐，因此鹽酸排放會導(dǎo)致事故。2)口徑選擇控制閥的口徑大小直接決定中間體通過控制閥的能力。從控制角度來看，控制閥口徑過大，超出了正?？刂扑璧闹瘟髁浚刂崎y經(jīng)常會在較小的開口下工作，閥流量特性會變形，閥性能會差。反之，如果控制閥口徑太小，則工作正常，開口大，閥特性不好。此外，控制閥口徑太小，不適合生產(chǎn)發(fā)展需要，如果設(shè)備需要增加負(fù)荷，控制閥初始口徑太小不足。因此，從控制角度來看，控制閥的口徑選擇應(yīng)保持足夠的開放性，以滿足增加產(chǎn)量的需要。正常情況下，閥門的開啟程度介于處于之間。3)流量特性的選擇我國目前生產(chǎn)的控制閥具有三種線性、對數(shù)(即等百分比特性)和快開特性，特別是前兩種特性的控制閥應(yīng)用最廣泛，圖3顯示了不同控制閥的特性曲線。圖3：控制閥流量特性控制閥流量特性的選擇應(yīng)根據(jù)對象的具體特性來考慮。生產(chǎn)負(fù)荷在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生變化，通常導(dǎo)致對象特性發(fā)生變化?？刂破髟O(shè)置基于特定的對象特性進(jìn)行設(shè)置。對于特定對象，存在一組對應(yīng)的控制器設(shè)置，對象屬性一旦更改，原始控制器設(shè)置就不再適用，如果此時不更改控制器設(shè)置，則會降低龍珠的質(zhì)量。但是，負(fù)載變化往往是隨機和不可預(yù)測的。因此，如果負(fù)載發(fā)生變化，則無法在適當(dāng)?shù)臅r間修改控制器設(shè)置。一種解決方案是選擇具有自動配置功能的控制器，該功能可根據(jù)負(fù)載的變化更改控制器設(shè)置，以適應(yīng)不斷變化的情況?；蛘?，根據(jù)載荷變化對對象的影響為相應(yīng)的特性選擇控制閥，以便在載荷變化時，大型對象(包括控制閥和測量對象及鏈接)的特性保持不變。因此，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變更時，不需要變更控制器設(shè)定。對于本任務(wù)的單輸入單輸出系統(tǒng)，表3.1給出了通用控制系統(tǒng)控制閥特性的實證選擇方法：表3.1常用控制系統(tǒng)控制閥特性經(jīng)驗選擇控制系統(tǒng)及被控變量干擾選擇閥特性附加條件備注液位控制系統(tǒng)設(shè)定值平方根I類直線對數(shù)直線設(shè)定值雙曲線II類對數(shù)對數(shù)直線設(shè)定值任意特性（）III類任意特性IV類直線III類直線IV類注：：節(jié)流閥流通能力；:對象時間常數(shù)對數(shù)平均值；:閥時間常數(shù)；；根據(jù)上述原則，所選閥門的流量特性是線性的。4）結(jié)構(gòu)形式的選擇控制閥有很多種結(jié)構(gòu)形式，如單板、雙軸、角、高壓、三通道、蝶閥和隔膜閥，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同需要和控制系統(tǒng)的特點選擇。表3.2介紹了各種結(jié)構(gòu)形式的控制閥特性以及選型時可供參考的應(yīng)用實例。表3.2不同結(jié)構(gòu)形式控制閥的特點及適用場合閥結(jié)構(gòu)形式特點及使用場合直通單座閥地前后壓降低，適用于要求泄漏量小的場合直通雙座閥前后壓降大，適用于允許較大泄漏量的場合角閥適用于高壓降、高粘度和含懸浮物或顆粒狀物質(zhì)的場面高壓閥適用于一些高壓控制的特殊場合蝶閥適用于有一些懸浮物的流體、大流量氣體、壓差低、能夠允許較大泄漏量的場合隔膜閥適用于一些有腐蝕性介質(zhì)的場合三角閥適用于大部分分流或合流控制的場合根據(jù)上面的原則，在此選用直通單座閥。5）閥門定位器的選用閥門定位器是用來控制閥的輔助裝置，與控制閥要一起使用。它接受控制器信號作為輸入信號，同時利用輸出信號用來控制控制閥，同時讓控制閥桿的移動信號返回閥定位器輸入端形成閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，在這里閥定位器的作用是:A.消除控制閥頭部和彈簧的不穩(wěn)定性和所有運動部件的干摩擦，提高控制閥的精密度和可靠性，實現(xiàn)精確定位。B.增加執(zhí)行機構(gòu)的輸出功率，減少系統(tǒng)傳輸延遲，加快閥桿的運動。C.修改控制閥的流量特性D.使用閥門定位器分割控制器輸出信號，實現(xiàn)行程控制。從第1點和第2點可以看出，控制閥安裝在閥門定位器上后，輸出功率提高，反應(yīng)速度提高，因為控制閥和控制閥之間形成了跟蹤系統(tǒng)，因此可以根據(jù)控制器的信號精確定位，從而提高了準(zhǔn)確性，然而當(dāng)獨立閥前后壓力差較大時，當(dāng)工作壓力也較大時，充填壓力較大，故此摩擦較大。當(dāng)現(xiàn)場遠(yuǎn)離控制室的情況，控制信號傳輸管道會拉得更長，所以傳輸延遲更大；并在控制閥膜頭較大并且偏移較大的情況下，能夠為控制閥裝備閥門定位器，克服了這些不利因素的負(fù)面影響，可提高控制閥的動靜態(tài)特性。與該任務(wù)的研究內(nèi)容相關(guān)，應(yīng)綜合考慮這三個方面:在該控制系統(tǒng)中，不需要在控制閥上安裝閥門定位器:1.系統(tǒng)控制精度要求不高。2.延誤不是太嚴(yán)重。3.系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟預(yù)算。6)系統(tǒng)相關(guān)性分析由于儲罐上只有一個液位控制系統(tǒng)，而且只有一個受控變量，因此該系統(tǒng)沒有相關(guān)問題。有鑒于此，并根據(jù)經(jīng)濟應(yīng)用原則，在此選用上海助自器有限公司生產(chǎn)的小型單座電動調(diào)節(jié)閥，型號：執(zhí)行機構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表3.3表3.3執(zhí)行機構(gòu)表型號DKZ-410/410C輸出推力（N）6400行程L，（mm）40全行程時間，（s）30主要的技術(shù)參數(shù)電源電壓：220V/50Hz輸入電阻：Ⅲ250Ω、Ⅱ200Ω輸入通道：3個輸入信號：4-20mA或0-10mA.DC輸出信號：4-20mA或0-10mA.DC手操功能：手輪環(huán)境溫度：-25～+70℃環(huán)境濕度：≤95%調(diào)節(jié)閥性能指標(biāo)見表3.4表3.4性能指標(biāo)圖項目技術(shù)指標(biāo)基本的誤差%±5.0回差百分比%≤3.0死區(qū)百分比%≤3.0始終點偏差%氣開始點±2.5終點±5.0氣關(guān)始點±5.0終點±2.5額定行程偏差%≤2.5泄露量l/h0.01%×閥額定容量可調(diào)范圍R30：1調(diào)節(jié)閥機械結(jié)構(gòu)和外形尺寸參見圖5和表3.5圖5：機械結(jié)構(gòu)圖表3.5外形尺寸單位：mm公稱通徑DN40LPN16/40222A460B230H1PN16/40152H2490H3PN16/4073（三）主電路設(shè)計主電路如圖8所示，外部交流電源380V連接L1、L2、L3、n給設(shè)備供電。QF1是切斷設(shè)備電源的總斷路器。M1為泵電機，驅(qū)動泵供水，QF2為泵電機斷路器，KM1為泵電機起動接觸器，F(xiàn)R1為泵電機過載保護(hù)熱繼電器，可防止電機長時間過載并燒毀電機。圖8：主電路圖（四）控制電路設(shè)計控制電路如圖9所示，220V交流電連接到l，n向控制電路供電。F3為控制電路斷路器，F(xiàn)U1為控制電路熔斷器。A1是直流開關(guān)電源，它將220V50Hz轉(zhuǎn)換為24V直流電源，為PLC輸入/輸出、模擬輸入/輸出模塊、傳感器等提供24V直流電源。KM1是泵起動接觸器，KA1是泵起動繼電器，PLC通過控制KA1線圈供電，KA1常開觸點閉合，KM1接觸器線圈通電，當(dāng)KM1常開主觸點閉合，泵電機啟動。圖9：控制電路圖（五）PLC輸入和輸出分配PLC輸入輸出見表3-1、3-2、3-3和3-4，表3-1為數(shù)字量輸入分布表，表3-2為數(shù)字量輸出分布表，表3-3為模擬量輸入分布表，表3-4為模擬量輸出分布表。表3-1數(shù)字量輸入分配表名稱PLC地址外部編號啟動按鈕I0.0SB1停止按鈕I0.1SB2急停開關(guān)I0.2SB3泵故障反饋I0.3FR1

表3-2數(shù)字量輸出分配表名稱PLC地址外部編號泵電機啟動Q0.0KA1自動運行指示燈Q0.1HL1故障指示燈Q0.2HL2液位高報警指示燈Q0.3HL3液位低報警指示燈Q0.4HL4表3-3模擬量輸入分配表名