基于S7-200的液位控制系统设计

摘要：现代工业自动化的三大支柱——可编程逻辑控制器（PLC）凭靠着它的可靠性，灵活性，已在工业控制领域得到了迅速的发展。PLC主要是由微电子技术和自动控制技术相组合的产品，并且被计算机技术和通信技术所影响。近年来，我国工业自动化水平的逐步提高，在许多行业里PLC得到了越来越广泛的应用。S7-200系列PLC作为西门子公司的简单控制产品，具有结构紧凑，扩展能力强，性价比高的特点，在许多行业中得到广泛运用。

在本次设计的课题中，就以S7-200作为控制器，设计一个能够稳定运行、可靠、安全又经济的液位控制系统。控制的核心以S7-200系列的CPU224为主，以电磁阀、液位开关、水泵、变频器等为辅构成了单容水箱的液位控制系统，同时对整个液位控制系统进行了硬件和软件设计。

在设计过程中，首先就是进行硬件的选择、设计。其次，针对S7-200PLC的进行模块化编程，实现液位的自动控制，上下限的位置设置，从而达到液位控制系统的技术要求。

关键词：S7-200；变频器；液位控制

Abstract:The three pillars of modern industrial automation -- a programmable logic controller (PLC)based on its reliability, flexibility, has obtained the rapid development in the field of industrial control. PLC is mainly composed of micro electronic technology and automatic control technology of combination of products, and be influenced by computer technology and communication technology. In recent years, and gradually increase the level of industrial automation in China, PLC has been more and more widely used in many industries. Simple-control products as Siemens company's S7-200 series PLC, has the advantages of compact structure, high expansibility, high cost performance, has been widely used in many industries.

In this design, it uses S7-200 as the controller, the design of a stable, reliable, safe and economic operation of the liquid level control system. The control core with S7-200 seriesCPU224, the electromagnetic valve, liquid level switch, water pump, frequency converter as asingle tank liquid level control system, but also for the liquid level control system for the hardware and software design.

In the design process, first of all is the hardware selection, design. Secondly, according to theS7-200PLC modular programming, to achieve automatic control of the upper and lower level,position setting, in order to meet the requirements of the liquid level control systemtechnology.

Keywords: S7-200; frequency converter; liquid level control

摘要·····························································Ⅰ

Abstract·························································Ⅱ

第一章绪论················································· 1

1.1可编程逻辑控制器（PLC）概论

1.2液位控制系统的背景及意义

1.3液位控制系统的国内外研究现状

1.4液位控制系统的研究内容

二、第二章液位控制系统的总体设·······························2

2.1液位控制系统的整体设计思路

2.2液位控制系统的组成

第三章液位控制系统的机械系统设计·························6

3.1水泵功率计算与选用

3.2 水箱组的设计

第四章液位控制系统的电气控制系统的设计·····················10

4.1 液位控制系统设计思路

4.2 各种传感器的选型和安装方式

4.3 PLC控制程序设计

第五章毕业小结···············································21

致谢····························································24

参考文献·························································25

一、绪论

1.1可编程逻辑控制器概论

可编程逻辑控制器的英文名称：Programmable Logic Controller，简称PLC。PLC是一种数字运算电子系统，专为在工业环境应用，它采用一类可编程的存储器存储在指令执行逻辑，顺序控制，定时，计数和算术运算等，并通过数字的，模拟的输入和输出，为各种类型的机械或生产过程式控制系统，可编程控制器及相关设备，应易于与工业控制系统中，易于扩展的设计原则的功能，微加工技术的PLC，应用于主控制开关，或一种新型工业控制装置，包括工艺参数包括逻辑控制，运动控制，过程的机械和电气工业控制领域[[[] 宋建成. PLC控制和应用. 科学出版社. 2002年.]]。

上世纪第二十年代和70年初的微处理器，它将很快被引入可编程逻辑控制器，以提高计算的可编程逻辑控制器，数据传输和处理功能，完成对计算机工业控制设备的实时特性。在第二十世纪70年代末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器，它有一个跳跃的发生。更高的速度，体积超小，抗干扰的仿真设计，可靠的功能和PID行业价格高，奠定了它在现代工业。80年代早期的第二十个世纪，在先进工业国家的可编程逻辑控制器已经广泛的应用。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。在90年代中期，是一个可编程逻辑控制器是增长最快的时期。在这期间，模拟处理能力的数字运算能力，PLC，人机界面和网络容量的能力有了很大的提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用中，而不是在DCS系统的优势领域的过程控制。在第二十世纪末，可编程逻辑控制器的大型机和超级计算机的发展，各种特殊功能单元的诞生，各种人机接口单元，通信单元的生产，可编程逻辑控制器的控制设备的工业应用更容易[[[] 吴中俊，黄永红²可编程序控制器原理及应用²北京：机械工业出版社，2003]]。

西门子S7-200是目前市场上使用最广泛的PLC系列之一。

1.2液位控制系统的背景及意义

为了解决手动控制，控制精度低、控制速度慢和低灵敏度的范围问题，因此我们现在引入工业生产自动化控制。在工业自动化生产过程的控制，一个非常重要的参数是液位。一个系统的液位是否稳定的，在工业生产中直接影响安全与否，生产效率的水平高低，能源是否被合理利用等一些重要的问题。随着现在越来越苛刻的工业控制，自动化控制已经不能够满足工业生产控制的需要，所以我们也介绍了可编程逻辑控制PLC。PLC使控制更集中、有效和更及时[[[] 张兴国.可编程序控制器技术及应用.北京.中国电力出版社.2006]]。

液位控制系统，使我们的生活发生了难以想象的变化。它使控制更安全，更节省劳动力和更多的时间。

随着我国社会的发展，长期实行自动控制。我国的液位控制系统也使用相当广泛，特别是在锅炉液位控制，水塔液位控制。黄河洪水的治理，也使用了液位控制系统的检测，避免由于在黄河高液位不知情，给我们的人民和财产带来危险和损失[[[] 晁阳，胡军，熊伟.可编程控制器原理应用与实例解析.北京.清华大学出版社.2007]]。

1.3液位控制系统的国内外研究现状

在近几十年中，控制系统被广泛应用在研究和开发，以及继续改进。在行业整体水平的控制系统是必要的，水箱，污水处理厂需要控制液位。使用自动液位控制系统保持的液面使在操作室工作人员可以很容易地了解整个设备，其显著降低雇员的风险，以及提高效率。除了常规PID控制系统，在最近几年，PLC的发展在智能控制系统中得到应用。在最近几年中，液位控制系统已经显著进步，出现了许多新的液位监测装置，如超声波液位传感器，光纤液位传感器，这些控制器的外观显著提高了控制系统的精度，以确保系统的管理多样性。国内控制器仍然是基于传统的PID控制器，虽然在国内生产和液位控制系统的操作是非常广泛的，但控制水平仍然不高，与发达国家的差距仍然很大。中国严重依赖国外相关的控制器成熟的技术。因此，过度的，先进技术的发展的控制水平是我们需要注意的趋势。随着科学技术的不断发展，液位控制系统的要求越来越高，特别是在高精度、人性化的控制系统的，是国内和国际层面的监控系统发展的必然趋势[[[] 王兆义. 《可编程序控制器教程》.北京: 机械工业出版社.2004]]。

1.4液位控制系统的研究内容

1)通过解决水箱液位的问题，从而可以解决人民生活及工业中液位要求的问题；

2)合理运用所学习的专业理论知识，锻炼解决实际问题的能力；

3)本课题的主要内容是基于PLC控制一台水泵的液位控制系统，并对其进行一定的研究设计，使之具有更高的可靠性；

4)本文以模拟水箱液位系统为背景，介绍了该系统控制器的硬件设计和软件实现。

二、液位控制系统的总体设计

本课题拟定水箱的出水口出水流量随用户用水情况而变化，时大时小，但是出水流量最大为22m³/h。水泵控制水箱的进水。水箱的水位变化高度为0-2m，要求水位保持在1.6m的位置。水箱底部距离地面2m。

2.1液位控制系统的整体设计思路

本课题是采用PLC及液位传感器来实现的水体液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时, PLC不间断检测传感器输出状态,,实施报警安全提示,当水体液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水泵。示意图如图2-1所示。