拟量输入输出地址PIW288读出液位对应的数字量的数值。接着，将放水开关打开一个小开度，液位下降后关闭放水开关，在程序中读入更新后的PIW288值，按照这个步骤，连续、均匀的记录一组数据，如下表2-1所示所示。
表2-1 实际液位与PIW对应数字量关系 PIW数值 实际液位（mm） 图2-14 实测数据在excel中拟合出的曲线及公式
3000 34.0 5000 95.0 6000 126.5 7000 156.5 8000 182 9000 211.0 10000 239.5 11000 260.5 将获得的数据，在excel中拟合出曲线及公式，如图2-14所示。可以看出测量装置的线性度还比较好，计算出一次函数关系为 y=0.0286*x-48.436，近似为：y=0.029*x-48.4，那么得到：实际液位=0.029*PIW数值-48.4 ，整合对应关系完毕。
第三章 液位控制系统软件设计
§ 3.2程序设计流程图
根据实验室水箱的硬件组成，设计水箱水位控制系统的PLC控制流程图如下图3-1所示：
图3-1 液位控制系统液位控制流程图
其中， 出水口阀门可开大开小，但最大不能大于进水量最大值，否则水箱的液位无法保持稳定（一直下降），这种情况在实际水塔液位控制过程中表现在用户用水量过大时水塔中的水量持续下降，此时会启动备用水泵加大液位控制力度，由于本闭合硬件有限，此处不做讨论。
§ 3.3 PLC中PID控制器的实现
PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工业控制常用的控制算法， 无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快速变化的过程，都可以得到很好的控制效果。PID控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成，它们的作用分别是：比例用于达到控制器设定值；积分项的作用是消除系统静差；微分项则改善系统的动态响应速度。
3.3.1 PID算法
PLC技术不断增强，运行速度不断提高;不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。如图3-2是常见闭环控制系统的构成。
图3-2 闭环控制系统
在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分、微分等处理的装置称为“调
“放大”、“积分”、“微分”节器”，当调节器具有功能时，即成为PID调节器。
在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用PID控制器、软件PID以及变频器内置PID来实现系统的PID调节功能，三种方法各具优缺点，本设计选用PID算法的PLC实现方法。
3.3.2 PLC实现PID控制的方式
用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法： (1)使用PID过程控制模块。
这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路，但是这种模块的价格较高，一般在大型控制系统中使用。
(2)使用PID功能指令。
现在很多PLC都有供PID控制用的功能指令，如S7-300的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量的输入/输出模块一起使用，可以得到类似于是用PID过程控制模块的效果，但是价格便宜得多。
(3)用自编的程序实现PID闭环控制。
有的PLC没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用但希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下都需要用户编PID控制指令，
制PID控制程序。
3.3.3 连续调节器FB41的使用
本设计采用西门子PLC的库功能块FB41作为系统的PID调节器。
连续调节器FB41用于在SIMATIC S7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。
从“库”或是“别的项目”中找到功能块FB41，并将其复制到本项目的blocks文件夹下，如图3-3和图3-4所示为本次实验所需的各种块。功能块(FB)通常要配合背景数据块(DB)使用，创建数据块DB1并使其为FB41的背景数据块，即一个存储FB41子程序中各种变量的地址空间。
图3-3 背景数据块DB1的创建 图3-4本次实验所需“块”
从“库”中找到FB41和SFB41两个功能块，并为其创建背景数据块DB1和DB2，从OB1的调用中可以看出，这个SFB41是针对集成式CPU 314使用的，在本系统中调用它CPU会报错。所以本设计调用FB41并配合DB1使用。
图3-5 在OB1中调用FB41和SFB41比较
功能块FB41实质为一个子程序，在组织块(OB1或OB35)中调用，为实现内部功能和外部信息交互，它必然包含一些变量，按图3-6方式生成的背景数据块便是这些变量的一个集合。
图3-6 FB41的背景数据块DB1中部分变量
功能块FB41为系统提供，一般不能打开来查看其程序结构，但在使用手册中给出了其内部功能实现结构。
图3-7 FB41的内部结构
本设计中需要用到FB41的以下变量：
控制位：COM_RST(置1功能块重启)、MAN_ON(置0)、PVPER_ON(置0)、
参数：GAIN(比例增益)、TI(积分时间)、TD(微分时间)、CYCLE(采样周期与0B35变量：控制量给定值、控制量反馈值、控制作用输出。
P_SEL(比例作用选择)、 I_SEL(积分作用选择)、D_SEL(微分作用选择) 周期一致)
§ 3.4系统软件设计
基于保持液位控制系统液位动态稳定的目的，并结合PLC内部设定规则，设计出系统的软件
对于液位控制，将PID控制周期设置为200ms，整个程序可以在OB1中写，将FB41的“CYCLE”设置为200ms；或在OB35中写，将FB41的“CYCLE”和OB35的中断周期都设置为200ms，本设计采用第二种方式。
图3-8 中断组织块0B35中断周期的修改
将DB1、液位给定、液位反馈在“符号表”中用符号表示，如图3-9所示。
图3-9符号表编辑
程序结构如图3-10所示，包含四段。第一段，用来将反馈值(PIW288)变换为一个比值(0~1)，并送到PV_IN中；第二段，用来将给定值变换为一个比值(0~1)，并送到SP_INT中；第三段:用来调用FB41实现PID控制，并将控制作用通过PQW288输出；第四段：用来监视反馈值。
图3-10 梯形图程序设计
创建一个变量表来调试程序，可以直接在变量表监视、修改变量值。本设计所需要监视和修改的变量如图3-11所示。
图3-11 变量表
变量表中的上述变量其作用如图14所示。
图3-12 变量表中变量作用说明
其中，PID参数设定为：增益P=5500、积分时间常数Ti=30s.微分时间常数Td=5s，
采样周期Ts=200ms。以上是液位设定PIW数值为6000时液位的控制输出、反馈值情况，由于放水阀持续放水，因此PID控制器保持一个持续输出的状态，液位基本达到稳定时，水泵工作在工频状态，如上图3-11所示控制器输出PIW数值为368，
反馈值为6001（设定值为6000）。
第四章 装置测试与结果分析
系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述变频调速恒压液位控制系统的控制要求,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制,一台水泵控制进水。
图4-1 液位控制系统正在工作
在本次毕业设计所用水箱中，水箱（液位水平为30mm~310mm）水位首先保持在
290mm左右，经反复调整，PID参数设定为:增益P=0.25、积分时间常数Ti=30s.微分时间常数Td=5s，采样周期Ts=200ms。实验结果如下：
表4-1实验结果如下
P(s) 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 5500.0 I（s） 30 30 30 30 30 30 30 30 30 D(s) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 给定液位值 11000 10000 9000 8000 7000 6000 50004 4000 3000 实际液位（mm） 260.5 239.5 211.0 182.0 156.5 126.5 95.0 64.0 34.0 L反馈 10940~11030 9976~10021 8978~9047 7973~8032 6954~7018 5987~6021 4977~5013 3963~4010 2989~3022 其中，由于外部干扰、测量装置精度等限制，反馈液位数值（PIW数值）在较
表4-2 设定值与最小反馈值关系
小的范围内波动，现跟别取波动范围最小值和最大值与液位设定值比较，情况如下：
X（设定值） Y 5000 4977 6000 5987 7000 6954 8000 7973 9000 8978 10000 9976 11000 10940 对应图如下：X为设定液位值，Y为反馈值
图4-2
表4-3 设定值与最大反馈值关系
X（设定值） 5000 Z 5013 6000 6021 7000 7018 8000 8023 9000 9047 10000 10021 11000 11030 对应图如下：X为设定液位值，Y为反馈值
图4-3
由上图4-2与图4-3中最小反馈值与最大反馈值跟设定值基本重合可以看出，液位控制装置基本达到了液位稳定的要求。在出水阀开度变化的情况下，控制器也
能根据液位的变化情况调整进水量最后基本达到设定水位。
致谢
首先要感谢我的毕业设计指导老师张东，经过这段时间的忙碌和学习，本科毕业论文设计已经接近尾声，而本人动手能力并不强，由于实践经验的不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师张东的的督促和指导，想要完成这个设计是难以想象的。因此在此非常感谢我的毕设导师张东老师。张东老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期毕设审核，后期论文内容的筛选等各个环节中都给予了我及时的监督与支持。除了敬佩张东老师的专业水平外，他兢兢业业的工作精神也是我学习的榜样，并且将积极影响我今后的学习和工作。其次在设计的过程中我还得到了很多同学的帮助与意见。
另外要感谢PLC实验室负责人高放老师，高放极力为我们提供可靠的实验环境， 让我们的毕设能够争取按时完成。
总得来说在完成毕业设计期间，遇到了很多困难。我明白，在今后的学习和工作中还会遇到更多新的阻碍，这些东西会给我带来新的体验和新的提升。因此，我坚信：只要我用心去发掘，勇敢地去尝试，一定会能更大的收获和启发的。 现在我的毕业设计完成了，但还没有完成我的学习之路，这次毕设让我感知我的生活不仅局限于那小小的满足感，山外山重重，等待我们去征服的还有太多太多。
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基于PLC的液位控制系统设计
