毕业设计（论文）-针对双液位控制并且基于PLC组态王的软件.doc

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题来源本课题来源于科研。随着城市化的发展以及现代科学的快速进步导致现代人们对生活质量的要求越来越大，在工厂工业生产的过程中的油料、冷却水、调速油、油类加工、液态燃料的供应、废弃油量的净化等加工和传输等场合常需要对容器中液位进行有效可靠的监控与及时控制，如果不能按之前设定的让液体循环就不能让整个机组能够正常运行。所以，我们的课题针对双液位控制并且基于plc组态王的软件来操作。1.2 研究目的与意义随着科学的进步，现在技术的飞速发展，计算机科学技术、信息科学技术、自动控制理论的快速发展并向工业建筑行业的渗透与融合，现在的人类面对在享受生活和提高工作环境的要求也在渐渐提高，所以全自动的控制系统的应用就发展开来。近年来，在工厂里的双容量控制已经成为了时下的热点和重点。可是在现代的工业自动控制系统设备中具有相对明显延后性并且在控制过程中也是时变得。在工业生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种各样的阻力和容积构成的多容对象。在现实中含有大量的分散性质，类似被不同的阻隔和容量相分隔一样。显示生产中的大多是被控不同容量和阻力的的相隔离类似。实际生产过程中的大多数被控对象就像好多由多数阻隔和容量构成构成的多容对象一样。生产中的由两类串联的单容的对象的组成的双容对象就非常的明显。为此，我设计一种基于plc与组态技术的双容量控制系统，该系统利用欧姆龙plc与组态软件进行系统设计，不仅能够实现精确的实时监控并且及时控制，而且构造简单，施工成本相对低廉，性价比较高，具有较好的应用前景。在我们自动化专业的教学任务中最重要的实践性教学环就是毕业设计。它的教学的任务就是加强学生的知识联系到实际操作中去，提高运用之前所学习的基础理论专业的知识，加大解决现实的问题和提高我们分析实际现象的能力，加强我们独立研究单项设计的能力。在老师的知道培训下，通过本毕业设计必须达到上述目的。我实际操作中是通过在本设计中能够具体独立利用本专业的自动化的专业基础的知识然后结合kingview6.52组态王软件应用等知识设计基于组态王监控软件的双容量的控制系统的自动控制来体现上述目的。1.3 主要研究内容双容量的液位系统的控制是一种基于组态软件与plc的液位控制系统，该系统利用组态的软件进行系统设计和仿真，在能实现精确的基本上全面实现自动控制，构造简单并且成本还比较低廉，然后还具有非常有前景发展趋势。双容量的自动控制的实现可大大减轻工厂的成本，提高能源利用率，减少人力，物力和财力，有相对较少的能源的浪费，是建筑智能的标志。1.4 国内发展现状目前的国内水箱液位控制是工厂设计的重要部分，一般在汽车厂、发电站、污水净化站蓄水库等需要监控液位的地方，目前只是依靠以往的自动化经验理论进行设计工作。控制方法有pid比例积分微分控制、基于线性模型控制系统，大多数是在工作点附近线性化以后再加以控制4。针对双容水箱普遍存在容积延迟问题和传统pid比例积分微分的单回路控制难于达到控制要求的特点，提出了基于组态王和可编程控制器的双容液位控制系统。液位对象一般具有时变、非线性、大惯性特点，控制系统一般采用常规pid控制，由于参数固定pid控制难以保证系统适应工作条件的变化。经过30多年的发展，plc已十分成熟与完善，在国内已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用情况大致可归纳如以下几类：（1）开关量的逻辑控制。它们都是plc的自动控制器比较基础和比较广泛的领域，这些不仅代替了一些传统的设备电路，完成了基本的控制龙脊，控制顺序，还能应用在个体机器设备上，还能用在其它串联在一起的多机群控和自动控制流水线上9。（2）模拟量控制。现在大多数工厂作业中，很多非数字化变化的量，比如温度控制、压力控制和流量控制这些都是模拟量。我们因为想使plc控制的程序能处理模拟量，所以就得完成模拟量和数字量之间的相互转化，就是我们经常所学的a/d，d/a转换。（3）运动控制。plc的可编程器现在已经应用圆周和直线的运动上。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合5。（4）过程控制。过程控制系统包括温度和压力还有流量等一些模拟控制量的闭环控制系统。因为控制工业设备,可编程的控制系统能够编写多种程序控制设备,完成闭环控制。伴随着现代化的进步,现在一些比较新的控制系统已经用新的标准的计算机的软件平台和硬件平台来组成的集成串级系统来代替我们之前应用的封闭环,现在的过程控制有较强的适应性,较好的开放性,外部扩展方便,经济和开发周期短等优点6。1.5 国外发展现状1.在时间发展到20世纪的70年代后来的时候，可编程控制的操作系统就已经进入能够在实际中应用的发展的时间段，pc电脑的技术发展也已经发展到全面引入的可编程控制器件的操作系统中中，这样的发展能够让它们在实际的功能发生了很大的跳跃。比较快速运算效率、体积更加小巧、更加方便可靠实现工业抵抗的干扰操作、还能模拟量的数据的运算、比例积分微分的功能和它极高的性价比也能奠定了自动控制在现代工业中的地位，举足轻重的地位。当时间发展到20世纪第80年的时候，可编程控制操作系统在世界先进的工业发达的国家中就已经获得比较广泛的应用。在这个时候可编程控制器的发展的最大的特性就是规模大、速度快、性能强大、产品系列化。发展到这个阶段的另一个突出的特性是世界上的生产的可编程控制器的国家也逐渐增多，其生产的数量更是日益增多。明显这就标志着我们的可编程控制器已步入成熟阶段1。 德国一家自动化公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了该公司研制的双容水箱过程控制实验装置。但是，由于该双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的很多问题。以前我们所了解的一些工厂工业的实际生产中的比较广泛的使用的电气自动化控制系统就是例如继电器-接触器的控制系统。其系统不仅具有简单的结构、价格更是相对便宜、它的操作性能也比较简易然后对待维护的技术的要求也不是很高等多数优点，特别适用于工作模式固定、控制要求比较简单的场合10。随着工业生产的迅速发展，继电控制系统的缺点变得日益突出。由于其线路复杂，系统的可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靠性难以提高且检查和修复相当困难。1968年，美国通用汽车公司（gm）为适应汽车工业激烈的竞争，满足汽车型号不断更新的要求，向制造商公开招标，寻求一种取代传统继电器-接触器控制系统的新的控制装置，通用汽车公司对新型控制器提出的十大条件 1.编程简单，可在现场修改程序； 2.维护方便，采用插件式结构； 3.可靠性高于继电接触控制系统； 4.体积小于继电接触控制系统； 5.成本可与继电器控制柜竞争；6.可将数据直接输入计算机； 7.输入是交流115v(美国标准系列电压值)；8.输出为交流115v、2a以上，能直接驱动电磁阀、交流接触器、小功率电机等；9.通用性强，能扩展； 10.能存贮程序，存储器容量至少能扩展到4kb。根据上述要求，美国数字设备公司(dec)在1969年首先研制出第一台可编程控制器pdp-14，在汽车装配线上使用，取得了成功。接着，美国modicon公司也开发出了可编程控制器08410。1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出日本第一台可编程控制器dsc-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，其功能基本上限于开关量逻揖控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，一般称为可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller,简称plc)。这种plc主要由中小规模集成电路和分立元件组成，在硬件设计上特别注重适用于工业现场恶劣环境的应用，但编程需要由受过专门训练的人员来完成，这是第一代可编程控制器。现代的plc不仅能实现开关量的逻辑顺序的控制，而且具有数字运算、处理数据、运动控制以及模拟量控制，还具有远程输入输出、通信网络和图像显示等功能，已成为实现生产自动化、管理自动化的重要支柱3。1.6 研究内容通过组态王软件与plc相关联形成的动态监控是本次的毕业设计的目的，具体是通过水箱，水槽的液位传感器检测液位的高低，将信号传递给阀门与循环泵通过改变阀门的宽窄调节水流量，最终达到循环。它还能完成比较精准的全自动非人为控制，并且有简单的构造，作业成本较低，前景广泛。双容量的自动控制的实现可大大减轻工厂的成本，提高能源利用率，较少能源的浪费，是建筑智能的标志8。第2章 系统设计的硬件软件介绍 本次毕业设计是通过可编程控制器编程，对双容液位实时监控通过编写梯形图，以达到循环自动控制，下面具体介绍plc的组成与特点。2.1 plc的组成plc是经过继电线路和接触线路的相关原理来组装的，其同等的内部装置及线路与继电接触线路基本相同。由plc定义可知，它同平常的pc电脑的结构相似，也有中央处理单元（cpu）、储存器（memory）、输入/输出（input/output）接口、电源部件及外部设备接口等。可是由于plc是专门为在工厂工业环境下应用而设计出来的。为方便于接线、方便于扩充功能、方便于操作及维护，它的结构又与一般pc计算机有所区别。 图2-1 原理图 我们常见的plc有整体式和模块式两类。不论哪种结构，其内部组成都是相同相似的，其结构框图如图2-1所示。 1.cpu是plc的核心处理部分。 与电脑的cpu一样，cpu在pc系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能： （1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器； （2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； （3）诊断电源和pc内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （4）在pc进入运行状态后：a）执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启动有关的控制电路）b）进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务 c）更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等） 2.存储器 系统程序存储器存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令、解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数，不能由用户直接存取。 用户程序存储器存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序，可以由用户直接存取。 功能存储器（数据区）存放用户数据 pc电脑的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储的容量。 注意：系统程序直接联系到pc的特性，不能由用户直接存取，所以，通常电脑产品资料中所设定的存储器形式或存储方式和它的容量，是指用户程序存储器而说的。 3.i/o输入/输出部件（i/o模块：接口电路、i/o映像存储器） i/o输入/输出部件cpu与现场i/o装置或跟其他的一些外部设备之间的关联部件。plc给予了各种操作电平和驱动电路能力的输入输出模块，并且各种用途的输入输出组件供用户选用： 输入/输出电平转换 电气的隔离 并行/串行转换 数据的传送 数模，模数转换 误码的校验 其他功能模块i/o模块也可与cpu处理器放在一起，并且也可以做远程放置。通常，输入输出模块上还具有状态显示和输入输出的接线端子排。0.4.编程器等外部设备编程控制器plc的开发和应用、监测和运行、检查和维护都是不可缺少的工具作用：主要作为用户的开发程序的编制、编辑、调试、检查和监视等。通过pc键盘和电脑显示器然后去检测plc内部的状态和对应参数。通过通讯的端口与cpu处理器关联，然后实现最终的plc的人机对话 分类：简单型只能联机编程；只能用指令清单编程 智能型既可联机（online），也可脱机（offline）编程；可以采用指令清单（语句表）、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器，安装相关的编程软件编程值得注意的是：编程器不直接加入现场控制运行。一台编程器可开发、监护许多台plc的作。 其他外设：磁盘、光盘、eprom写入器（用于固化用户程序）、打印机、图形监视系统或上位计算机等等。 5.电源内部电源开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供dc24v稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。外部电源可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。2.2 plc的工作原理 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：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。 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.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. 用户执行阶段 在操作人员执行的时候，该程序总是从上面开始在到下面依次扫描程序图。并且在扫描每一个梯形图,总是扫描梯形图的左边形成的接触控制电路,从左到右而检测,在控制电路监测逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新逻辑行循环系统中ram内存位对应于状态;或刷新输出线圈在i / o图像的相应状态;或者确定是否要执行该梯形图是提供特殊的命令。在用户程序的执行过程中,只在i / o输入点图像区域的状态和数据不会改变,和其他输出点和软设备i / o图像区域或系统ram存储区域的状态和数据有可能会改变,排在前面的梯形图和程序执行的结果排在下面这些线圈通常用于梯形图或数据;相反,低于梯形图,刷新逻辑线圈状态或数据只有一个扫描周期排在上面的程序来起作用。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。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。 2.3 plc的特点1. 通用性比较强plc是一种工业控制计算机，它的具体控制操作的功能可以通过编程软件来确定，在具体操作当中生产或设备的更新时，不用改变plc的硬件的设备，只是来需要适当改变编程程序就可以实现不同种类的控制，具有良好的发展前景与通用性能。2. 编程方案完善我们所学习的大多数的plc都是可采用相类似的继电控制电路图的形式的“梯形图”进行编程，控制线路清晰直观，方便调试，不需要太深入的学习即可进行编程控制，受到大家的普遍的欢迎。plc还与个人pc计算机相连成网络或者加入到集散的控制系统当中，通过在上位机上用梯形图的编程，来使编程更加方便、更加简洁。3.功能更加齐全现在因为我们的计算机有很强的运算处理能力，所以用计算机为核心的现代plc不只是有逻辑的运算定时、计数等控制功能，还有能完成a/d的转换、d/a的转换、模拟量的处理、高速计数、联网通信的功能，还能经过之前的上位机进行显示调控、报警记录、进行人机对话，交流、使控制的水平大大提高。4. 扩展相对灵活plc的产品也具有扩展的单元，使可以方便地来适应不同的输入/输出点数及不同的输入/输出店的最小的系统到几千个点的超级大型的系统均会轻易的实现，拓展灵活方便，组合也方便。5.系统的构成简单，安装调试方便经过需要组成的控制系统的时候，用简便的编程方法将程序存入存储器里面，接上相对应的输入，输出的信号，变能组成一个较完整的自动控制系统，不必须要继电器、转换的开关等等，它的输出也可直接启动执行机构(负载的电流一般可达2a），中间一般的时候也不需要设定转换的单元装置，所以就大大的简便了硬件的连接线路，减少设计的施工的工作量。同时可编程控制器又能事先进行模拟的调试，更减少了现场的调试工作量，并且plc的监控监视功能很强，模块化结构大大减少了维修量。6.可靠性更高可编程控制器是采用大规模的集成控制电路，其可靠的性能要比一些有触点的继电解除系统高一大截。在其自身的编程设计中，是经过采用冗余措施并且和容错技术，并且还有输入输出都采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调控与自身保护等相关措施，这提高了抵抗工业环境中存在的干扰，也使plc适合在工业环境中使用，其可靠性能大大提高。因为可编程控制器plc存在之前的特点，它与微型计算机的计数和开关量的控制技术很好地相结合在一块，还把连续量的非间接数字控制ddc的技术拼接进去并且和监控计算机联网的功能。所以其前景非常广泛，几乎覆盖所有的工业的领域，正在成为新时代机电一体化产业。它与目前应用于工业过程的各种顺序控制设备相比较，具有非常明显的优势。2.4 组态软件的概念本次课程设计是在plc控制同时，基于组态软件形成动态的实时监控控制，下面介绍组态王软件的特点发展。组态软件是在软件的领域内，操作人员根据应用的对象以及控制的任务的需求，配置包括对象的定义、制作和编辑，对象的状态的属性特点参数的设定等，用户的应用软件的过程，就是使用软件的工具对计算机和对应软件的各种资源相进行配置关联，以达到预期的设置以自动来执行特定的任务、满足使用的人的要求的目的，其实也就是把组态软件视为应用程序的生产器。从应用角度讲组态软件是完成系统的硬件和软件的沟通关联，起到搭桥的作用。建立现场和监控层相沟通的人机界面的软件平台，它的主要任务应用在工业自动化的领域，但是又不仅仅局限于此。伴随着集散控制系统的出现，组态软件已经引入到工业控制领域。在工业工厂的控制系统中存在两大类的可变因素；1. 操作人员需求的变化；2. 被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化；然而我们所学习的组态软件又是在保持软件平台执行的代码不变的基础上，经过改变之前的软件配置信息例如图形文件、硬件配置文件、实时数据库。适应这些不同系统对两大因素的要求，构成新的监控系统的平台的软件。用这样的方式来组成系统，这不仅提高了系统的工作效率，又保证了系统软件的可操作性和可靠性，这使用起来非常的方便灵活，并且又便于调控与维护。2.5 组态软件的组成 我们现在所了解的各种的组态软件，其基本的都是类似的组态软件，从大体上结构来看大多数一般都是由系统开发的环境(或称组态环境)与系统运行环境两大部分的构成。其系统的基本开发环境和系统基本运行的环境之间的联系的组成都是实时的数据库，三者之间的具体关系如图2-2所示。图 2-2 系统组态环境、系统运行环境和实时数据库三者之间的关系 组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用9。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计。(2)构造数据库。(3)建立动画连接。(4)运行和调试。2使用组态王软件开发具有以下特点:组态软件是数据的采集和过程的控制的相关软件，它们是在基于自动控制理论系统监控层一级的软件平台和开发环境，能够用灵活多变的组态方式(并不是编程方式)提供良好的用户开发界面，它的之前设置的相关软件的模块能够用非常容易的实现和完成监控层面的相关功能，并且能够同时支持各种硬件厂家的计算机和i/o产品，和工厂工控pc计算机且网络系统相结合，其可控制层提供软、硬件的所有接口，进行系统的组成。目前世界上有很多专业厂商(包括专业软件公司和硬件/系统厂商)生产和提供各种组态的相关产业产品。总的概括起来，我们所了解的组态软件有如下的特点:1. 功能的多样组态王系统的软件部分是提供工业科学的的基本教学模型库与功能库的控制，组态软件的基本模式比较简便，它还能够满足工作人员设定需要的测控的基本要求。还能够对测控的基本情况信息的历史的记录进行相应储存、显示和计算转换、分析还有打印，它的界面的操作也比较灵活和方便。还具有两方面的安全系统体系，在处理数据方面更加安全可靠。2. 丰富的画面显示的组态功能组态软件提供给用户以丰富的编辑工具和作图工具，能够提供大量的工程设备的标示符、仪表图符，还能够提供历史趋势图、历史曲线、组数据分析图等；提供非常友好的图形化用户的界面实时监控的画面等。画面丰富多彩，能够为设备的正常运行、操作人员的集中监控提供了极大的方便。它具有非常强大的通信功能和良好的开放性，组态软件向下可以与数据采集的相关硬件相通信；向上通过tcp/ip可与高层管理网互联。3. 多任务的软件运行环境、数据库管理和资源共享组态的软件是基于windows系统，充分的利用面向对象的计数和activex动态的连接库的技术，极大地丰富了控制系统的显示画面和编程的操控环境，从很多的方面使其方便灵活地实现多任务的操作。 (1)实验操作的过程中基本全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线。3具体在采用组态王软件开发系统应用的程序当中要注意以下三点:(1)图形,是用工具栏中抽象的图形画面来模拟实际操作的工程现场和对应的自动控制设备。(2)数据,就是根据目标组建一个实际的数据库,然后根据之前的数据库中的操作变量对应描述自动控制对象的多种属性,比如液位位、阀门控制流量等。(3)连接,就是根据组态软件的画面上的图案用动画来模拟现场设备的具体运行,以及怎样让操作人员输入实时的控制设备的指令。2.6 传感器选择2.6.1传感器原理现代因为我们要从外界获取一些必要的信息，所以借助于感觉器官。但是光靠我们自身的感应器官，在具体的研究过程当中例如自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就显得远远不够了。所以为了适应这种情况，传感器就应运而生了。因此可以认为，传感器是人类五官感应的延长，所以称之为电五官。传感器其实就是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的分析和定量的掌控所采取的一系列技术手段。工业技术革命的到来，让全世界快速进入信息时代。当利用信息的过程中，最先应该解决的就是要获取准确可靠及时的数据信息，而传感器就是获取自然和工业生产的领域中信息的主导方法与手段。在现代工业生产尤其是自动化无人生产过程中，要使用各式各样传感器来监视和控制生产过程中的各个数据以便及时控制更使设备工作在正常状态或最佳状态，提高效率并使产品达到最高最好的产品质量。所以可以这样认为，没有这么多的优良的传感器计数，我们现代自动化生产也就失去了基础水准。现在的一些非常重要和基础的实验，传感器已经是举足轻重的地位。当代高科技的跳跃式的飞速前进，致使现在的人类进入了喝多前所未见的新领域：比如在宏观上我们考察数十亿年的宇宙,还有在研究微小粒子的显微镜看不到世界,垂直观察的成千上万年的进化的天体,短到微秒瞬时的响应。此外还有更多的应该注意的出现在关于物理方面理解,开发新能源、新材料,都具有非常重要的作用在各种技术研究,如超高温、超低温度、超高压力、超高真空、强磁场、超弱磁场等等。因此,获得大量的人类感官信息不能直接得到,没有传感器不能适应。现在许多基础科学研究的障碍,首先克服对象信息采集困难,大量的新机理和高灵敏度的检测传感器,往往会导致该领域的突破。大多数传感器的发展,往往是一些前沿学科发展的先驱。传感器在很早的时候就已经被人们所用，诸如生产线中，探索太空，研究深海，生存发展的环保，海底和地底的资源，生物医学的研究和保护，等等非常多的领域，我们可以非常夸张的说现在的人们已经越来越离不开传感器技术。从我们赖以生存的环境到到人们所向往的太空。这些复杂和重要的工程已经都离不开传感器的参与，几乎每一个重要的是工业科技环节都离不开传感器。所以，传感器的应用在经济发展、社会进步的一些方面的起到举足轻重的地位，是显而易见的。世界很多国家已经是非常关注这类领域的推进。感觉的到不长的时间里，传感器的实际应用将会出现非常大的跳跃。通常，传感器都是由转换原件和敏感原件构成的，可是因为传感器的输出信号在一般的时候都是比较微弱。主要有别的的电信号的调控和变化电路并且将它们计算放大或者转变成别的较容易传送、计算处理、记录并且显示的现象。因为大多数的半导体器件与一些先进的集成的科学技术并且在传感器设备中的实际应用。传感器的电信号的调节器件和变换还可以安装在传感器的内部中，再者还可以跟其他的敏感的元件模块一起集成在一个芯片上。所以，输出信号的调节还有变换的电路并且实际需求的供电的电源都应该是传感器器件的组成的核心部分。我们所知道的很多传感器的组成部分都存在敏感的元件和信号转换的元件还有电路变换和外部的辅助的供电电源四部分组成如图2-2所示。图2-2 传感器的组成 我们之前所了解的比较常见的信号的调节和变化的电路都是具有电路放大器、电桥和振荡器还有电荷的放大原件，这些都是分别跟它们相对应应的传感所匹配。2.6.2 液位传感器种类1、浮球式液位传感器这类的传感器的组成部分一般是由具有磁性的浮球、测量精准的导管、信号明确单元和电子单元还有接线盒跟它的安装的部件所构成。大多数的具有磁性的浮球的比重都是小于0.5，它的能够漂于液面介质上面，然后经过测量的导管的上和下的位移。测量的导管的内部一般装有能够测量的器件，还有它还能够在外磁的作用之下还能将被测的液位高低的电信号转化成正比于的液位高度变化的电阻的信号，然后将电信号的单元变化成为420ma后者一些别的具有标准电信号的输出量。这类传感器一般具有模块化的电路还有抵抗酸性服饰、抵御潮湿、防护震动、抵抗腐蚀等多累优点，这类的电路它的内部一般含有恒久的电流的反馈电路还有内部的保护电路，并且还能控制输出的最大电流绝不超过28ma，所以能够比较可靠安全的地保护工作电源并且能够使实验中的二次仪表不被烧损破坏。 2、浮简式液位传感器浮筒式的液位传感器的核心原理就是是将磁性的浮球作为试验中的浮筒，它的基本原理就是阿基米德原理。我们所认识到的浮筒式的相关的液位传感器就是是利用较微小的金属膜作为应变，之后再通过传感器技术来测量计算液体介质的液位高度、界位限度和密度大小的。在传感器工作的时候我们可以通过现场的操作控制板的按键来进行常规的实时的基本设定操作。 3、静压或液位传感器静压的传感器就是通过利用液体介质的一些静态压力的测量原理方面的作业。其大多数只选用一般的硅压力来进行测压传感器然后再将之前所测量到的压力数据值在将其转换成有关的电信号，之后再经过补偿电路计算放大进行电路补偿，最后以420ma或010ma电流方式输出。本次设计的液位传感器选定静压液位传感器，该传感器是通过检测液体静压和液体介质高度的比例，经过计算在将该信号转化成相应的电信号，来通过plc识别以控制阀门和循环泵的工作状态。第3章 双容液位监控的基本原理3.1 实验原理该设计的两个水箱的液位检测实验是采用传感器的控制检测。本次实验核心是采用基于plc的自动循环控制，根据水箱的液位控制，将两个水箱液位控制在设定高度并且有一定的允许误差范围。然后通过传感器的上升沿和下降沿测定的信号，将信号反馈给阀门跟循环泵，及时控制。在水箱和水槽的顶部跟底部都安装有相应液位传感器，以便于实时监控，在工厂工作的时候向两个水箱注水时就会产生相应的液位信号。液位传感器将该信号转化为标准电信号传入plc，在plc的内部进行相应运算，根据之前程序的设定，最终控制阀门跟循环泵的关停来控制水流量，具体原理图如图3-1。图3-1 实验原理图3.2手动控制在水箱液位控制中，为了保持上下水箱跟水槽的液位恒定，我们操作人员也可以根据液位高度的变化情况实时控制阀门跟循环泵来控制水的液位。手动控制的过程主要分为三步如下设定参数如图3-2所示：1 实操作的过程中，实验人员通过自己眼睛的观察水箱的液位的高度来获取所需的测量值，然后再将这些数据通过我们的中枢神经系统传送给大脑。2我们的大脑通过之前眼睛所观测的水箱液位的高度的数据，然后跟我们之前的实验设定值来比较计算，就能得出实验的偏差大小和具体的研究方向，之后就根据大脑的操作经验调节并且发出一些命令来及时控制。表3-1 双容水箱液位控制仪表参数仪表主调节器副调节器kc1010ti10010td00设定60100输出1000反馈5150.50手动20203通过大脑的思考然后发出的一些命令，指示双手操作改变调节阀门1（或阀门2）的开度或者循环泵，让水箱液位始终能保持在工厂设备的工艺要求的高度上。在这类人为的控制调节的过程中，操作人员的眼睛、手和胳膊、大脑这三个器官，就像计算机中那些核心部分都担负了具体的检测、思考判断、和思维运算、执行控制三个作用，来完善完成测量检查、求偏差数值、在通过施加控制操作等工作来纠正设计偏差的工作流程，实时调节并且保持水箱液位介质的恒定。3.3 自动控制3.3.1 检测环节 在毕业设计的控制系统中，检测环节是非常重要的一个操作环节。设计中封闭容器的液位就是指密封容器内容器中液体介质的溶液的高低，经过液体高低的位测量就可以了解到容器中的介质例如原料或者半成品和成品的容积数量，方便调节设备中液体的流入流出容器的介质，让它达到工程中物料介质的平衡，让它保证生产过程能够顺利进行并且实时监测。在设计的过程中会关系到液位介质的检测和输送这些就方便和操作系统中的那些关于检测到的数据经过计算处理最终来来调节通道中液体水的流量，实时监控调节和控制水箱的具体的液位，流程框图如图3-2所示。 3-2 设计流程框图3.3.2 执行单元操作执行的单元是构成自动化的控制系统中不可缺少的非常重要组成部分，它主要接受来自外部调节控制单元的输出电信号，并且将其转化成直角位移或转角位移控制阀门的开度，以改变调节阀的流通面积，从而控制水的流入或流出在被控过程的水位物料或能实现过程参数的非人为自动控制。执行器的具体的工作原理，是经过调节机构(调节阀)循环泵和执行操作机构两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号根据设定值产生的误差转变成相应的推力或位移，来对调节机构(调节阀)根据执行机构的推力或位移实时调节控制，用来调节电动阀的阀座里面的液体流通面积或者开度和阀门中的阀芯的位置，用来调节容器内液位介质的做法。当来自调节器的电信号经信号转换单元转换对应的信号制式后，和来自执行操作机构的位置的反馈信号相比量，将它的电信号差值输入到对应的执行机构经过运算，以确定执行机构作用的方向和大小宽度，它传输出的的位移的力的控制调节阀门的相对变化动作，是改变调节阀门的液体流通的流量面积，从而改变被控介质的流量2。当操作过程中的反馈信号跟输入信号对应相等时，系统就会处于平衡状态达到无限循环工作，使调节阀处于某一开度。操作的系统中我们用到的调节阀门是以qs为核心的科学的智能型调节阀，它的所联系到的执行控制操作机构为全自动电动执行机构，输出为角位移的过程变化，方便来调节控制轴转动。关于plc控制器的对应的模拟量的输出大部分是dc4-20ma电信号ii，然后将反馈电信号if来相比较计算，之后将他们的计算的差值经过计算放大后来控制伺服的电动机正转或反转例如阀门跟循环泵，然后再经过设备中的减速器减速后，来改变调节阀门控制器的开度跟循环泵的电机的旋转速度，之后在根据输出轴的位移的变化，在经位置发生器计算在转换成对相应的电流的变化信号if。如果在ii=if的时候，设备中的电动机就会根据之前的设计及时停止转动，当设备中的调节阀处于某一开度的时候，比如q=kii，式中q为输出轴的转角，k为比例常数。电动调节阀还提供手动操作以备人为调节控制，它的上部分存有一个手柄跟上部分的轴连接起来在，在系统断电的时侯操作人员就可进行人为控制，保证系统的实时调节来完善工程设施。3.3.3 控制单元自动控制部分是整个设计系统的大脑。在操作的过程中，plc模块是此次自动控制的核心部分，它的自动控制操作单元式核心部分。操作系统应用的是欧姆龙系列的plc，其结构相对简单，性价比高，使用灵活并且方便维护。它可以采用例如模块化操作设计，本次设计它的主要部分是cpu的模块、模拟量的输入模块和模拟量输出模块和供电模块跟组态王软件相关联。该设计的核心是基于plc的自动控制具体步骤如下；我们本次的plc选择的欧姆龙plc，最开始启动程序首先是打开循环泵抽取水槽里面的水以供应上水箱，并且上水箱也会相应的向下水箱供水，一直匀速的供应一直到上水箱液位保持在100左右，下水箱液位保持在60左右，过程中一直通过俩个调节器，来调节完成基本的任务。第4章 基于plc水箱的液位编程设计4.1 plc地址分配因为实际试验中参数比较杂锁繁多为我们的带来很多的困扰，所以我们根据欧姆龙plc操作台首先设置输入和输出的具体分配的地址参数方为便于后期的编写梯形图如表4-1所示。开关作用自动控制中间继电器控制器地址手动控制中间继电器0.00总启动 20.00 系统电源0.07储水槽低液位监测 20.070.01总停止1.01阀门1手动启动10.010.02上水箱高液位监测20.022.01阀门1手动停止0.03上水箱低液位监测20.031.02阀门2手动启动10.020.04下水箱高液位监测20.042.02阀门2手动停止0.05下水箱低液位监测20.051.00循环泵手动启动10.030.06储水槽高液位监测20.062.00循环泵手动停止表4-1 plc地址分配表4.2 plc操作步骤首先根据之前所学的内容打开欧姆龙的plc软件，之后点击文件在打开新建的设置文件名称为双容液位，设备名称选择cpm2*，点击确定进入我们的具体编程的界面其详细的操作如图4-1所示。图4-1 plc操作图4.3 编写plc的控制元件梯形图首先设定中间继电器，中间继电器的作用能为后期的电动机的控制起一定的作用，例如能控制阀门1、阀门2和循环泵的启停。这些都根据水箱的液位来实时控制具体的参数设定如下；设定上水箱高液位的监测0.02，上升沿微分20.02。上水箱低液位监测0.03，下降沿微分20.03。下水箱高液位监测0.04，上升沿微分20.04。下水箱低液位监测0.05，下降沿微分20.05，具体如图4-2所示。因为要完成自动控制在这个过程中就少不了plc中的自动检测，当上升沿接到上升的信号就表示水箱的液位已经高于之前设定的水箱容器的上限，这时程序应该停止往该水箱继续进水。相应的当程序中下降沿接受到下降的信号就表示水箱的水量已经低于容器的下限，在不停止输出可能导致工作环境出现问题。综上所述，当两个水箱和水槽开始工作的时候，系统就会把接收到的信号转换成plc能识别的电信号，进入到欧姆龙的plc系统，而plc就会把这些信号经过计算和转换成控制系统中的所谓的启动和停止信号。系统首先会根据接收的信号来控制上升沿和下降沿所控制的20.02,、20.03、20.04、20.05继电器，进而就会根据水槽和上下水箱的液位的高度来自动控制设备中的液体介质的容量，来控制系统的所需要的平衡的循环结构。图4-2 plc双容水箱梯形图相应的水槽里面也存在传感器，因为水槽作为整个系统的核心调控组成部分。当水槽的液位高于上限就会给20.06一个上升脉冲，当水槽的液位低于下限就会给20.07一个下降脉冲，以此来控制循环泵的启停，来调节系统的循环稳定性如图4-3所示。图4-3 水槽梯形图4.4 实验的基本控制过程因为本次设计的基本要求是达到双容液位的自动循环控制，但是由于因为考虑到实验是模拟工厂的实际情况，就加入了人为的控制操作。我设计的步骤是首先人为的启动总开关，接通系统电源20.00，后面设定的20.00启动20.01经过1秒之后自动断开20.01，这时候循环泵10.00已经自锁。这时候最先启动的单向的循环泵，会从处水槽里面抽取液体介质往上水箱里面注水这期间的阀门一跟阀门二是停止工作的，当水槽里面的水低于下限，或者上水箱里面的水高于我们之前设定的上限80，传感器就会控制循环泵就会自动停止工作，设计中当然也可以因为原因人为的停止，之后的循环的工作中当上水箱的液位低的时候并且储水槽的水的液位满足工作状态的情况下也会自动启动循环泵。其具体的梯形流程图如图4-4所示。图4-4 循环泵的梯形图当前面的上水箱的液位高于上限这时候就会相应的启动阀门1，阀门1的开通就会从上水箱里面向下水箱供水，当然也可以人为的控制1.01来控制阀门1的启动或者关闭阀门1。当阀门1自锁之后会根据下水箱的液位和上水箱的液位来控制，当下水箱的液位高于上限80，或者上水箱的液位低于20这个下限值，就会自动关闭阀门1。系统工作的过程中当下水箱的液位低于下限和上水箱的液位满足工作环境的时候也会自动开启阀门10.01，这与之前的设定并不矛盾，其具体的梯形流程图如图4-5所示。图4-5 阀门1的梯形图当前面的下水箱的液位高于上限这时候就会相应的启动阀门2，阀门2的开通就会从下水箱里面向储水槽供水，当然也可以人为的控制1.02来控制阀门2的启动或者关闭阀门2。当阀门2自锁之后会根据下水箱的液位和储水槽的液位来控制，当储水槽的液位高于上限80，或者下水箱的液位低于20这个下限值，就会自动关闭阀门2。系统工作的过程中当储水槽的液位低于下限和下水箱的液位满足工作环境的时候也会自动开启阀门10.02，这与之前的设定并不矛盾，其具体的梯形流程图如图4-6所示。图4-6 阀门2的梯形图 根据我们之前的所有的设定和编写的程序，双容水箱即可以人为的控制阀门和循环泵的工作状况来控制液位的高度，也可以全自动的控制水箱的液位来满足我们系统的要求，这不仅方便还能很有发展前景，而且减少人力。第5章 软件调试与连接5.1 组态王软件与plc控制器的连接软件的仿真是设计最重要的环节，本次毕业设计是基于plc的关于组态王软件的仿真，所以首先要关联组态王软件与plc，用我们之前焊接的pc线连接电脑与plc机器的端口。接下来打开欧姆龙plc软件，点击在线工作看是否连接成功如图5-1所示。图5-1 监测图 当满足条件，即可关联plc与组态王软件就可以接下来的仿真测试。5.2 系统的调试mcgs(monitor and control generated system，它的基本作用就是监测与基本控制)这种系统是一种将windows95/98/nt的软件操作系统为基础的软件，它不仅能够比较快速建筑和创建pc上位机的监测系统的软件系统，而且还可以根据我们用户的需要给予从驱动的设备、采集的数据一直到处理数据还能够根据设定报警的控制流程，还可以根据动画的显示还有报表输出等实际的功能进行实时控制的操作系统软件工具。mcgs的