基于PLC控制系统的水塔水位设计VIP

1毕 业 设 计（论 文）说 明 书题目 基于 PLC的水塔水位控制系统设计 院 别： 继续教育学院 专 业： 自动化 班 级： 自动化 131 设 计 人： 陈成 指导教师： 王秀丽 2基于 PLC的水塔水位控制系统摘要随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC 具有广泛的应用。PLC 的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本水塔水位控制系统采用 PLC 为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种 PLC 控制的自动调节控制系统。应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。关键词 ：高集成度 通信组网 水塔水位 PLC3Based on PLC control system control towers water level AbstractWith technological development, both in daily life, or the industrial and agricultural development, plc have wide application. PLC general features: strong anti-jamming capability, high reliability, programming is simple and convenient, easy operation and maintenance convenience, design, construction, commissioning period is short, easy to realize the electromechanical integration. PLC general development trend is: high function, high speed, high level of integration, large capacity, small volume, low cost, communication networking capability is strong. This water tower water level control system adopts PLC as control core, with open and full stop functions，this is a kind of PLC automatic adjustment of the control system. Application of this control system can significantly improve the work efficiency and reduces labor intensity. Key words：The high level of Integration communication networking towers Water level PLC4目录摘要 .- 1 -Abstract .第 1 章 绪 论 .- 1 -1.1 可编程控制器 .- 1 -1.2 可编程控制器使用前景 .- 2 -1.3 PLC 的发展 .- 3 -1.4 PLC 的基本结构 .- 3 -1.5 PLC 的控制原理 .- 8 -第 2 章 水塔水位控制系统 PLC 硬件设计 .- 11 -2.1 水塔水位控制系统设计要求 .- 11 -2.2 水塔水位控制系统主电路 .- 12 -2.3 I/O 接口分配 .- 12 -2.3.1 列出水 塔水位控制系统 PLC 的输入/输出接口分配表。 .- 12 -2.3.2 水塔水位控制系统的 I/O 设备 .- 13 -第 3 章 水塔水位控制系统 PLC 软件设计 .- 13 -3.1 程序流程图 .- 13 -3.2 梯形图程序设计及工作过程分析 .- 14 -3.2.1 工作过程 .- 15 -3.2.2 水塔水位控制系统梯形图 .- 15 -第 4 章 水塔水位控制系统的组态设计 .- 18 -4.1 组态软件概述 .- 18 -4.2 组态软件在我国的发展 .- 18 -54.3 组态软件的功能特点发展方向 .- 19 -4.4 建立 WINCC 组态画面 .- 19 -结论 .谢辞 .- 24 -参考文献 .- 26 -附录.31- 1 -第 1 章 绪 论1.1 可编程控制器可编程控制器（Programmable Controller）,也称可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，是以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，为了避免与个人电脑（也简称为PC）相混淆，通常将可编程控制器简称为 PLC。可编程控制器的产生与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有上百年的历史，它是一种用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、易于维修的优点。此种控制系统布局固定，按预先规定的时间、条件、顺序工作。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变控制系统的硬件接线，控制柜内的物件和接线都要作相应的变动，改造工期长，费用高，用户改造时宁愿扔掉旧控制柜，另作一个新控制柜使用，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需要，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，满足用户对产品的多样性的需求，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，即编程简单，可在现场修改程序。维护方便，最好是插件式。可靠性高于继电器控制柜。体积小于继电器控制柜。可将数据直接送入管理计算机。在成本上可与继电器控制柜竞争。输入可以是交流 115V。输出可以是交流 115V、2A 以上，可直接驱动电磁阀。在扩展时，原有系统只要很小变更。用户程序存储器容量至少能扩展 4KB。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- 2 -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，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在编程上发费大量的精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，是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工业领域。1969 年，第一台可编程控制器 PDP-14 由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在 GM 公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC 迅速发展。PLC 进入 90 年代后，工业控制领域几乎全被 PLC 占领。国外专家预言，PLC 技术将在工业自动化的三大支柱（PLC 、机器人和 CAD/CAM）中跃居首位。我国在 80 年代初才开始使用 PLC，目前从国外引进的 PLC 使用较为普遍的有日本 OMRON 公司 C 系列、三菱公司 F 系列、美国 GE 公司 GE 系列和德国西门子公司 S 系列等。1.2 可编程控制器使用前景可编程控制器是 20 世纪 70 年代发展起来的控制设备，是集微处理器、存储器、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，大大增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。 在改革开放最初几年，我国工业生产还处于手动操作阶段，生产效率低，劳动力浪费严重，生产发展缓慢。而国际工业发展都处于自动化向高度自动化水平前进，生产效率高，节约劳动力和生产成本，社会经济水平也随之提升快。我国正处于工业发展阶段，工业生产水平急需提高，推广和普及可编程控制器- 3 -的使用技术对提高我国的工业自动化水平及生产效率都有十分重要的意义。1.3 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三个阶段：早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 多少有点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。它在硬件上以准计算机的形式出现，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立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，采用广大电气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，有故障指使，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 70 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 得功能大大增强。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，还增加了模拟量模块、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 得应用范围得以扩大。进入 80 年代中、后期，由于超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当次普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。1.4 PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图 1-1 所示：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- 4 -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，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将图 1-1 PLC 控制系统示意图如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 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。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)。EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电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。PLC 存储空间的分配虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：- 5 -系统程序存储区系统 RAM 存储区（包括 I/O 映象区和系统软设备等）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在 EPROM 中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该 PLC 的性能。系统 RAM 存储区：系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。I/O 映象区：由于 PLC 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存