基于CCLink水位控制系统设计

毕业综合实践题 目： 基于CC-Link液位控制系统设计 系 别： 电气电子工程系 专 业： 电气自动化技术班 级： 学 号： 作 者： 指导老师： 专业技术职务： 年 月 课 题 摘 要本文主要介绍了一种基于 CC-Link 通信的液位实时控制系统。它以 Q 系列 PLC 作为控制器，通过 CC-Link 通信模块、FX3U 系列 PLC、压力传感器、电磁阀和 A/D 转换模块等硬件系统和软件设计方法实现并对液位的控制和液位的显示。通过这个系统我们不仅能进行进程监测,也能通过现场总线技术进行远程监控。本系统实现了实时控制与现场总线技术的结合,实现了远程控制功能,具有广阔的推广应用前景。本文介绍了该系统硬件组成和设计原理。本系统是基于 CC-Link 液位的控制，在设计中主要有压力检测、水位控制、显示部分等几部分组成来实现液位控制。主要用压力传感器检测水位，用四位 7 段 LED 显示器来完成显示部分。并且通过模数转换把这些信号送入主站 PLC 中，把这些信号与 PLC 中内部设定的值相比，以判断 PLC 是否需要进行相应的操作，即是否需要开启电磁阀供水，来实现对液面的控制,从而实现 PLC 自动控制液面的目的。本设计用基于 CC-Link 控制易于实现液位高度控制，而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。关键词： QPLC CC-Link FX3UPLC A/D 转换模块 D/A 转换模块目 录1 绪论 11.1 液位控制系统 11.1.1 液位控制系统现状 11.2 本文研究的目的和意义 12 设计法案的选取及设计步骤 32.1 设计方案的选取 32.2 PLC 控制系统设计的步骤 43 设计系统的组成 53.1 PLC 的发展现状 53.1.1 三菱 QPLC63.1.2 Q02HPLC73.2 CC-Link 通信系统 103.2.1 CC-Link 特性 113.3 系统方案设计及原理 123.3.1 液位高度采集和控制 123.3.2 液位高度监测 143.4 ZRN701 投入式液位计 143.5 A/D、D/A 模拟量输入输出模块 163.5.1 A/D 模拟量输入模块 163.5.2 D/A 模拟量输出模块 184 液位控制系统设计 204.1 系统流程图 204.2 CC-Link2 网络中主站 PLC 设计 204.2.1 网络参数设置 204.2.2 主站中软件设计 234.3 液位显示设计 284.3.1 程序 I/O 分配表 284.3.2 PLC 控制的接线图 284.3.3 PLC 梯形图 294.4 CC-Link1 网络中 PLC 程序设计 294.4.1 CC-Link1 网络中主站 PLC294.4.2 CC-Link1 网络中本地站 PLC314.5 GT15 系列触摸屏 314.5.1 GT15 系列触摸屏特点 314.5.2 触摸屏主页面介绍 31结 论 35致 谢 36参考文献 37附录 A 7 站程序 38附录 B 8 站程序 39附录 C CC-Link1 主站程序 40附录 C CC-Link1 本地站程序 42附录 C CC-Link2 主站（CC-Link1 主站）程序 43- 0 -1 绪论1.1 液位控制系统1.1.1 液位控制系统现状液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。在众多生产域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进 行监制，以往常采用传统的继电器接触控制，使其硬连接器件多，可靠 性差，自动化程度低。为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在水箱液位控制。通过液位控制系统检测水箱的水位的高低，以免由于水箱水位的过高而在不了解的情况下，带来危险和财产损失。1.2 本文研究的目的和意义为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度、提高控制系统的可靠性和自动化程度，本文介绍了基于 CC-Link 液位控制系统的设计方案，系统采用模拟量实现液位的自动控制。利用触摸屏设计人机界面，通过串行口和可编程控制器通信，通过 CC-Link 通信网络实现控制系统的实时监控，现场数- 1 -据的采集与处理，其结构简单，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强。基于 CC-Link 液位控制系统中可编程控制器（PLC）因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、周期短，体积小，维护操作方便，易于通过 CC-Link 实现网络化，可实现多台 PLC 联机操作等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。通过 PLC 对程序设计，提高液位系统的控制水平。因此 PLC 在液位控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。- 2 -2 设计法案的选取及设计步骤2.1 设计方案的选取液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的 PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。以下为采用 PLC 控制液位的优点。（1）从控制方式上比较：采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。（2）从工作方式上比较：电 PLC 串行工作，不受制约，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。（3）从控制速度上比较：PLC 通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。（4）从定时，计数上比较： PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。（5）从可靠性，可维护性上比较：电 PLC 无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。综上，考虑到设计需达到的性能要求，同时考虑到成本需要把 PID 控制去掉，且同时要求远程控制与现场操作，这里选择 PLC 控制方式。最终形成的方案是，利用 PLC 为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由PLC 控制电磁阀的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开进水电磁阀，停止进水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启电磁阀，控制开始放水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。- 3 -2.2 PLC 控制系统设计的步骤对控制任务的分析和软件的编制，是 PLC 控制系统设计的两个关键环节。通过对控制任务的分析，确定 PLC 控制系统的硬件构成和软件工作过程；通过软件的编制，实现被控对象的动作关系。PLC 控制系统设计的一般步骤为：（1）对控制任务进行分析，对较复杂的控制任务进行分块，划分成几个相对独立的子任务，以减小系统规模分散故障。而且每个子任务都具有一定的复杂程序，机械设备上也相对独立。（2）分析各个子任务中执行机构的动作过程。通过对各个子任务执行机构动作过程的分析，画出动作逻辑关系图，列出输入信号和输出信号，列出要实现的非逻辑功能。对于输入信号，按钮输入信号占用一个输入点，接触的辅助触点不需要输入 PLC，故不作为输入信号。对于输出信号电磁阀作为输出信号占用一个输出点，对于状态显示，如果是输出执行器件的动作显示，可与输出执行器件的动作的显示，可与输出执行器件共用输点，出不再作为新的输出信号；如果是非动作显示，如“运行” ， “停止” ， “故障”等指示，应作为输出信号占用输出点。（3）根据输入输出信号的数量，要实现的非逻辑功能，输入输出信号的空间分布情况，选择 PLC。（4）根据 PLC 型号，选择信号输入器件，输出执行器件和显示器件等。（5）进行输入输出（I/O）口的分配，绘出控制系统硬件原理图，设计控制系统主回路。（6）利用输入信号开关板模拟现场输入信号，根据动作逻辑关系图编制PLC 程序，进行模拟调试。（7）制作控制柜。（8）进行现场调试，对工作过程中可能出现的各种故障进行模拟，考察PLC 程序的完整性和可靠性。（9）编制技术文件，进行控制系统现场试运行。- 4 -3 设计系统的组成该系统网络有 CC-LINK1 和 CC-LINK2,CC-LINK1 是控制级的 CC-LINK 网、CC-LINK2 是生产设备级的 CC-LINK 网。下控制图是模拟工厂网络图。下图的CC-LINK1 是由主站 A、本地站 B 以及人机界面组成的，各个 CPU 之间进行数据的交互，反应生产实际情况，然后通过数据线上传到管理部门(触摸屏)。CC-LINK2 是有主站（ CC-LINK1 本地站） 、远程 I/O 站、远程设备站组成，该网络主要是模拟生产线的工作情况。大概的工作原理是：液位计将液位的高度转化成 05V 电信号输出，经由 A/D 模块采集转换成 04000 的模拟信号送到 CC-LINK2 网络中的主站进行处理，然后分别送到 D/A 模块、远程设备站 FX3UPLC、CC-LINK1 网络主站 A。经 D/A 模块送到电压表显示电压值；经远程设备站 FX3UPLC 处理送到数码管显示液位高度；经 CC-LINK1 网络主站 A 处理后分别送给本地站 B 和触摸屏，进行指示灯显示和模拟画面显示。图 3-2 为系统的实物图，该实验系统可供进行 CC-LINK 网络的主站和本地站、远程 IO 站、远程设备站的连接设置参数，以及编程功能测试。CC-LINK 已有应用场合半导体电子产品 PCB 生产线、汽车涂装系统，楼宇工厂控制管理等布线较长的场合。如下 图 3-1 所示为系统示意图。图 3-1 系统示意图- 5 -图 3-2 实物图3.1 PLC 的发展现状20 世纪 70 年代中末期，可编程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中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、