基于PLC水塔水位控制系统的设计

基于 PLC 水塔水位控制系统的设计 摘要 随着世界人口的不断增长，人们生活用水的增加，早先采取的继电器作为水塔水位的自动控制系统，由于频繁操作，会产生机械电气磨损，而且维护和更新的不方便，已经不能满足人们赋予这个时代的实际需求。 本文采用的是三菱 F1 系列 PLC 可编程序控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至 PLC 构成的控制模块，经 A/D转换后 ，进行数据比较，来控制抽水电机的动作，同时进行数据还原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号。 本篇论文以一个水塔水位控制系统的分析、设计和开发的全过程为主线，给出了基于 PLC 水塔水位控制系统的设计和实现的具体过程，特别在细节上分析了其功能的实现思想，较全的阐述了建立一个系统应该遵循的分析方法。 关键词：自动控制，三菱 F1 系列，传感器，报警 目录 第一章 前言 .1 1.1 可变程序控制器的研究背景 .2 1.2 PLC 的发展 .3 1.3 PLC 的基本结构 .4 1.4 PLC 的特点 .5 1.5 PLC 的工作原理 .6第二章 水塔水位系统 PLC硬件设计 .7 2.1 水塔水位控制系统要求 .8 2.2 水塔水位控制系统主电路 .9 2.3 I/O 口的分配 .10 2.4 水塔水位系统的输入 /输出设备 .11第三章 水塔水位系统的 PLC 软件设计 .12 3.1 水位控制系统的工作过程 .13 3.2 程序流程图 .14 3.3 梯形图 .15 3.4 指令表 .16 第四章 总结 . .18 参考文献 .19 致谢 .20 第一章 前 言 1.1 可变程序控制器的产生背景 可编程 控制 器 是二 十 世纪 七 十年 代 发展 起 来 的控 制 设备 ，是集 微 处理 器、储存 器 、输 入 /输 出接 口 与中 断 于一 体 的器 件 ， 已经 被 广泛 应 用于 机 械制 造、冶金 、 化 工、 能 源 、交 通 等 各个 行 业 。计 算 机在 操 作 系统 、 应 用软 件 、 通行能力 上 的 飞速 发 展 ，大 大 加 强了 可 编 程控 制 器通 信 能 力， 丰 富 了可 编 程 控制器编 程 软件 和 编程 技 巧， 增 强 了 PLC 过 程 控制 能 力 。因 此 ，无 论 是单 机 还是多机 控 制 、是 流 水 线控 制 还 是过 程 控 制， 都 可以 采 用 可编 程 控 制器 ， 推 广和普及 可 编 程控 制 器 的使 用 技 术， 对 提 高我 国 工业 自 动 化生 产 及 生产 效 率 都有十分重要的意义。 可 编 程 控 制 器 (Programmable Controller) 也 可 称 逻 辑 控 制 器(Programmable Logic Controller),是 一微 处 理 器 为核 心 的 工业 自 动 控 制通用装 置 ，是 计 算机 家 族的 一 名成 员 ，简 称 PC。为 了 与个 人 电脑 （ 也简 称 PC）相混淆通常将可编程控制器称为 PLC。 可编 程 控 制器 的 产 生和 继 电 器 接 触 器控 制 系 统有 很 大 的关 系 。 继电 器 接 触 器 控制 已 经 有百 年 的 历史 ， 它 是一 种 弱电 信 号 控制 强 电 信号 的 电 磁开关， 具 有 结构 简 单 、电 路 直 观、 价 格 低廉 、 容易 操 作 、易 于 维 修的 有 优 点。对于 工 作 模式 固 定 、要 求 比 较简 单 的 场合 非 常使 用 ， 至今 仍 有 广泛 的 用 途。但是 当 工 作模 式 改 变时 ， 就 必须 改 变 系统 的 硬件 接 线 ，控 制 柜 中的 物 件 以及接线 都 要 作相 应 的 变动 ， 改 造工 期 长 、费 用 高， 用 户 宁愿 扔 掉 旧控 制 柜 ，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。 随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种， 向小批量、多品种转换，继电器 接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（ GM 公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器 接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的 GM10 条，即 : 1. 编程方便，现场可修改程序； 2. 维修方便，采用模块化结构； 3. 可靠性高于继电器控制装置； 4. 体积小于继电器控制装置； 5. 数据可直接送入管理计算机； 6. 成本可与继电器控制装置竞争； 7. 输 入可以是交流 115V； 8. 输出为交流 115V， 2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9. 在扩展时，原系统只要很小变更； 10. 用户程序存储器容量至少能扩展到 4K。 这十 项 指标 就 是现 代 PLC 的 最 基本 功 能， 值 得 注意 的是 PLC 并 不等 同于 普 通 计算 机 ， 它 与 有 关 的 外部 设 备 ， 按 照 “ 易 于与 工 业 控 制 系 统 连 成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。 用可 编 程控 制 器代 替 了继 电 器 接 触器 的 控制 ，实 现 了逻 辑 控制 功 能，并 且 具 有计 算 机 功 能 灵 活 、 通用 性 等 特 点 ， 用 程 序代 替 硬 接 线 ， 并 且 具有计 算 机 功能 灵 活 、 通 用 性 能 强等 优 点 ， 用 程 序 代 替硬 接线，减少了重新设计 ， 重 新接 线 的 工 作 ， 此 种 控制 器 借 鉴 计 算 机 的 高级 语 言 ， 利 用 面 向 控制过程 ，面 向 问题 的“ 自 然语 言” 编 程，其 标 志 性语 言 是极 易 为 IT电 器 人员掌 握 的 梯形 图 语 言 ， 使 得 熟 悉计 算 机 的 人 也 能 方 便地 使 用 。 这 样 ， 工 作人员 不 必 在变 更 上 花 费 大 量 地 精力 ， 只 需 集 中 精 力 去考 虑 如 何 操 作 并 发 挥更改 装 置 地功 能 即 可 ， 输 入 、 输出 电 平 与 市 电 接 口 ，使 控 制 系 统 可 方 便 地在需要的地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各个工业领域。 1.2 PLC 的发展 虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和 数据通讯技术的不断进步， PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 也就是继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以计算机的形式出现，在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图。因此，早期的 PLC 的性能要优于 继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言 梯形图一直沿用至今。 在七十年代，微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元（ CPU）。 这样，使 PLC 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并 扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 的应用范围得以扩大。 进入八十年代中、后期，由于大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步 提高 PLC 的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬功能发生了巨大变化。 1.3 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元 (CPU)，如下图所示。 图 1-1 一 、 中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状 态 和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运 算结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 进一步提高 PLC 可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三CPU 表决式系统。这样，某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 二 、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 PLC 常用的存储器类型 （ 1） RAM （ Random Assess Memory） 这是一种读 /写存储器 (随机存储器 )，其存取速度最快，由锂电池支持。 （ 2） EPROM（ Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。 (在紫外线连续照射下可擦除存储器内容 )。 （ 3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 三 、输入 /输出模块 输入 /输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感器输出的开关量或模拟量 (压力、流量、温度、电压、电流 )等，都要通过输入模块送到 PLC。 四 、扩展模块 当一个 PLC 中心单元的 1/0 点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经 开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能 1/0 接口模块种类很多，例如高速技术模块、 PLCA 控制模块、数字位基于 PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能 1/0 模块等。 五 、编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型 :便携式编程 器 (也叫简易编程器 );图形编程器 ;用于IBM 一 PC 及其兼容机的编程器。 六 、 电源 PLC 中的电源一般有三类： 1、 +5V、 15V 直流电源：供 PLC 中 TTL 芯片和集成运放使用； 2、 供输出接口使用的高压大电流的功率电源； 3、 锂电池及其充电电源。 考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同 。 1.4 PLC 的特点 (一 ) 高可靠性 1. 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间 在电气上隔离 2. 各输入 端均采用 R-C 滤波器其滤波时间常数一般为 1020ms 3. 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰 4. 采用性能优良的开关电源 5. 对采用的器件进行严格的筛选 6. 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况 ， CPU 立即采用有效措施以防止故障扩大 7. 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 ,使可靠性更进一步提高 (二 ) 丰富的 I/O 接口模块 1. PLC 针对不同的工业现场信号如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。 2. 有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀。 3. 直接连接 ， 另外为了提高操作性能它还有多种人 -机对话的接口模块 ; 为了组成工业局部网络 ， 它还有多种通讯联网的接口模块等等。 (三 ) 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构， PLC 的各个部件包括 CPU 电源 I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (四 ) 编程简单易学 PLC 的 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (五 ) 安装简单维修方便 PLC 不需要专门的机房 ， 可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障 ， 用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。 1.5 PLC 的工作原理 最初研制生产的 PLC 主要用于代替传统的由 继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： （ 1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 （ 2） PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点 (包括其常开或常闭触点 )不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 -扫描技术。这样在对于 I/O 响应要求不 高的场合， PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1、扫描技术 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 如下图： 图 1-2 PLC 扫描周期 （ 1）输入采样阶段 在输入采样阶段 ， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （ 2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路， 并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新 的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （ 3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间， CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 2、 PLC 的 I/O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力，提高其可 靠 性， PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因， 使得 PLC 得 I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓 I/O 响应时间指从 PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。 如下图： 图 1-3 PLC 扫描周期示意图 第二章 水塔水位系统 PLC 硬件设计 图 2-1 水塔水位控制装置图 2.1 水塔水位控制系统要求 1）保持水池的水位在 S1 S2 之间，当水池水位低于下限液位开关 S1，此时 S1 为 ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当 4S 以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关 S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关 S1 为 OFF，表示水位高于下限水位。当页面高于上限水位 S2 时，则 S2 为 ON，电磁阀关闭。 2）保持水 塔 的水位在 S3 S4 之间，当水 塔 水位低于水 塔 下限水位开关 S3 时，则水 塔 下限液位开关 S3 为 ON，则驱动电机 M 开始工作，向水 塔 供水。当 S3 为 OFF 时，表示水 塔 水位高于水 塔 下限水位。当水 塔 液面高于水 塔 上限水位开关 S4 时，则 S4 为 ON，电机 M 停止抽水。 3）当水塔水位低于 下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机 M 不能启动。 2.2 水塔水位控制系统主电路 图 2-2 水塔水位系统控制主电路图 2.3 I/O 口的分配 表 2-1 水塔水位系统 PLC 的输入 /输出接口分配表 输入 继电器 输入变量名 输出 继电器 输出变量名 X0 控制开关 Y0 电磁阀 X1 水塔上限液位开关 Y1 电机 M X2 水塔下限液位开关 Y2 水池下限指示灯 a1 X3 水池下限液位开关 Y3 水池上限指示灯 a2 X4 水池上限液位开关 Y4 水塔下限指示灯 a3 Y5 水塔上限指示灯 a4 Y6 报警指示灯 a5 2.4 水塔水位系统的输入 /输出设备 这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有 5 个开关量，开关量输出触点共有 8 个，输入、输出触点数共有 13 个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的 I/O 接线图如下： 图 2-3 第三章 水塔水位控制系统 PLC 软件设计 3.1 水位控制系统的工作过程 设水塔、水池初始状态都为空着的， 4个液位指示灯全亮。当执行程序是，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过 4S，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若 4S只有水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯 a1灭。此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机 M开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示 灯 a2，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯 a3灭，电机 M继续工作，从水池向水塔抽水，水塔抽满是，水塔也未超过水塔上限，水塔上限指示灯 a4灭，但刚刚给水塔供水的时候，电机 M已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯 a2亮。此次给水塔供水完成。 3.2 程序流程图 水塔水位控制系统的 PLC控制流程图，根据设计要求控制流程图如下： 开 始水 池 水 位 低 于 下限 吗 ？电 磁 阀 打 开4 S 后 水 池 水 位 高于 下 限 吗 ？报 警水 池 继 续 进 水水 塔 水 位 低 于下 限 吗 ？水 池 水 位 高 于 上 限电 磁 阀 关 闭水 泵 起 动 ， 给 水 塔 供 水水 塔 水 位 高 于 下 限水 塔 水 位 高 于 上 限水 泵 停 止水 池 水 位 低 于 下 限结 束否是否是是否图 3-1 3.3 梯形图 图 3-2 水塔水位控制系统的梯形图 3.4 指令表 图 3-3 水塔水位控制系统指令表 第四章 总结 毕业论文是我学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次所做的基于 PLC 的水塔水位控制系统的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合，锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料 、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体设计的掌控，对局部设计的取舍，以及对细节设计的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的，也正是我们进行毕业设计的真正目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学