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水位检测系统的控制电路工 学 部工学一部专 业自动化班 级4418501学 号200413185006姓 名张策指导教师张起时负责教师张起时沈阳航空工业学院北方科技学院2008年7月沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）摘 要水位检测在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如江河湖海、水箱、水塔、地下水、水电站、自助售水、江河湖海等都需要进行水位检测来了解水位的变化情况。目前水位检测系统在国内外已经有了较为广泛的应用。水位检测是水位数据采集、存储、传输、处理等技术的集成，水位检测有许多方法，如人工检测，传感器检测等。本水位检测系统的工作原理是通过水位的变化导通或断开电路，实现导通或切断系统电源而实现警报指示的工作与停止。系统控制电路有多种形式，本次设计通过三极管的导通与否来控制电路的开闭，影响发光二极管的发光，从而起到视觉及听觉指示作用。同时将实际水位信号引入可编程控制器PLC中，通过PLC的通讯口与组态软件相连，在软件中通过信号模拟出实际的水位，从而更加清晰的了解到水位情况。关键字：检测；系统；控制；水位；电路AbstractWater level detection is widely used in our usual life and many industry fields, such as rivers or lakes, water tank，water tower, groundwater, hydropower station, selling water by self. The situations need water level detection to know the changes of water level. In these days, water level detection system has been widely used at home and abroad. Water level detection is the sum of the data cellection, saving, transmission and dealing , which has many methods, such as manual detection, sensor detection and so on. The water level detection system works through the changes in water level on-or off circuit to realize connection or breaking of power, controying the warning system in working or not. The system controls the electric way in many forms. System control circuits take many forms, the transistor, designed by the on-circuit or to control the opening and closing, the impact of the LED light-emitting diodes, which play a direct role in the visually and hearing. At the same time, the sigh of real water level can be changed into controller PLC. By linking the communications portal and configuration software can simulate real water level in order to know the situation of the water level. Keyword: detection; system; control the water level; circuit符 号 表U电压VI电流AR电阻角度。C电容w系数n匝数比目 录1绪 论11.1检测技术11.2水位检测技术的应用与发展11.3水位检测系统设计的意义22硬件设计32.1方案一32.1.1硬件电路图32.1.2硬件设计原理42.2方案二42.2.2硬件电路图42.2.1硬件设计原理52.3方案确定52.4整流电路的设计52.5元器件的介绍与参数计算62.5.1发光二极管62.5.2电阻82.5.3三极管82.5.4蜂鸣报警器92.5.5整流二极管92.5.6变压器92.6 EWB电路仿真102.6.1EWB简介102.6.2仿真电路122.7硬件焊接133软件设计163.1软件组态王介绍163.1.1概述163.1.2组态软件在我国的发展163.1.3组态王软件概述163.1.4组态王6.52173.2软件设计过程183.2.1水位检测主画面的建立183.2.2水位检测系统登录画面的建立193.3软件设计画面203.3.1软件仿真进入界面203.3.2软件仿真运行界面214硬件与PLC的结合224.2可编程控制器PLC224.2.1可编程控制器PLC的简介224.2.2可编程控制器编程元件地址分配244.2.3PLC的接线图254.2.4PLC的梯形图265软件与硬件的连接275.1系统工作原理275.2实际连接硬件时组态软件的连接设备的修改275.3软硬件实际连接图285.4实现设计要求286设计中遇到的问题与解决方法296.1器件参数的计算296.2 实际器件与理论器件有一定的偏差296.3硬件与软件的连接297结论31致 谢32参考文献33附录 元器件清单34341绪 论1.1检测技术检测技术是自动化学科的重要组成部分之一，是以现代自动化系统中的应用为主要目的，围绕参数检测和测量信号分析等信息，获取处理技术进行研究与开发的一门综合性技术。为了监督和控制某个生产过程或运动对象的状态，掌握其发展规律，使他们处于所选工况的最佳状态，就必须掌握描述他们特性的各种参数，这就首先要求检测这些参数的大小、变化趋势、变化速度等等。通常把这种流程中含有检查、测量和测试等比较广义的参数测量叫做检测。为实现参数检测组建的系统称为检测系统或检测装置。检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装置的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。1.2水位检测技术的应用与发展随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新要求，水文观测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。同时当今的工业领域中液位检测对许多自动控制方案来说都至关重要。现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水位监测技术自动化的发展。水位监测是采集、存储、传输、处理等技术的集成。从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：首先记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理，其次数据处理基本靠人工处理判断，费时易错，最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水文的需求。因此，要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。1.3水位检测系统设计的意义水位检测系统是自然界和一般工业界不可缺少的一种检测系统。但凡江河湖海，工业中应用的蓄水池、水塔、水箱、地下水等都需要有水位检测。供水系统中有许多设备由于所处地势高，上下极为不便，有时水即将用完或者已经用完也不知道，造成需用水时却水量不足或者无水可用的情况。此外，在向池中注入水过程中，由于不知道水位情况，也就无法控制注水量多少，为了准确掌握水位情况，传统的做法是安排人员进行人为监控，这样不仅会占用人力、物力，还会大大影响工作效率。为此需要对水位监测情况实现自动化监测、数据化、智能化显示、视觉或听觉冲击化报警，实现水位检测一个完整的系统，那么工作人员便可以实现在操作室获知整个设备的水位状况，如此不但大大减低工作人员的危险性，同时更提升了工作的效率及简便性。2硬件设计2.1方案一2.1.1硬件电路图图2.1 方案一硬件电路图表2.1 水箱水位小灯指示表水箱中的水位发光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED53/4水位LED1、LED2、LED3、LED41/2水位LED1、LED2、LED31/4水位LED1、LED2最低水位LED12.1.2硬件设计原理方案一的电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T1T5)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LED1LED5)。当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T1导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1/4时，晶体管T2导通，LEDl与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3导通，则LEDl、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的3/4时，晶体管T4导通，则LEDlLED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。发光二极管与水箱中的水位对应关系如表2.1所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。2.2方案二2.2.2硬件电路图图2.2 方案二硬件电路图2.2.1硬件设计原理方案二是由CMOS“与非”门组成的水位检测电路。如图2.2，当水箱无水时，检测杆上的铜箍AD与U端（电源正极）之间断开，“与非”门G1G4的输入端均为低电平，输出端均为高电平。调整可调电阻R的阻值，使发光二极管处于微导通状态，微亮度适中。 当水箱注水时，先注到高度A，U与A之间通过水接通，这时G1的输入为高电平，输出为低电平，将发光二极管点亮。随着水位的升高，发光二极管逐个依次点亮。当最后一个发光二极管点亮时，说明水位已经注满。这时G4输出为低电平，而使G5输出为高电平，晶体管T1因而导通。T1导通，使蜂鸣器DL发出报警声响。2.3方案确定上述的两种方案都可以实现。方案一是通过水导电从而形成回路，三极管导通使发光二极管实现水位检测。方案二可以用一个有多个与非门的组成的集成电路板，通过与非门来控制发光二极管实现水位检测。二种方案的中心思想基本一致。方案一中电路所需器件的成本较低，且电路简洁明了，易于搭接，因此本次设计采用了方案一的电路。2.4整流电路的设计此次电源的设计是将220V交流电压整流成为12V的直流电压，采用了二极管桥式整流电路的方法。所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载、D3构成一个回路，输出电压U3=U2-UD1-UD3。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压U3=U2-UD2-UD4。 图2.3 二极管桥式整流电路由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压。设输入交流电压为正弦波，其有效值为U2,则全波整流输出电压的有效值为： (2.1)在硬件电路图2.1中，U3=12V，则V 由式2.1可知，=9V (2.2)其中，2.5元器件的介绍与参数计算2.5.1发光二极管发光二极管简称为LED（Light Emitting Diode），它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。普通单色发光二极管 普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列。常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。本次选用的发光二极管是KSL-0581UBG，颜色为纯绿色根据元器件手册可知，此规格的发光二极管的最大电压值为3.6V，工作电流为20mA。设计电路的每一个水位检测都可以看成一条支路，其支路图电路如下图所示。图2.4 硬件支路电路图设电路中总电压为U，电阻R1两端电压为U1，R2两端电压为U2，发光二极管两端电压为ULED，根据上面的电路图可知： （2.3）即当U=12V，UTe=0.7V，ULED=3.6V时，可知U1+U2=7.7V在晶体三极管中，晶体三级管的放大倍数180时，I=0.02A,令R1=10则： 180I1=I2 （2.4） R1I1+R2I2=7.7 （2.5）由（2.3）（2.4）式可知：I1=0.00011A,R2=3842.5.2电阻在所设计的电路中，根据发光二极管的要求，计算电阻阻值。因为实际电路中电阻有保护电路的作用，因此应有适当的余量值。所以取：R1=10,R2=4002.5.3三极管半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 电子制作中常用的三极管有90系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管9018(NPN)等。它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。在老式的电子产品中还能见到3DG6(低频小功率硅管)、3AX31(低频小功率锗管)等，它们的型号也都印在金属的外壳上。本次选用的三极管型号为：S9013H；类型为：NPN2.5.4蜂鸣报警器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具等。蜂鸣器主要有电压式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。此次设计选取的是电压式蜂鸣报警器。2.5.5整流二极管整流二极管一种具有单向导电性的半导体器件,能将交流电能转变为直流电能。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。此次设计选择型号是2CP31的面结性硅管作为整流二极管。2.5.6变压器 变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯。变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primamary coil);而跨于此线圈的电压称之为一次电压。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统中的不可缺少的部分，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。此次选取的变压器是降压变压器，将220V电压降压到13.33V。根据图2.1时可知U1=220V,U2=13.33V 变压器线圈匝数比 (2.6)n=16.5取整n=17，由此可知变压器的型号为：CEI-102.6 EWB电路仿真2.6.1EWB简介Electronics Workbench (EWB) 软件是加拿大Interactive Image Technology 公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。它可以对模拟、数字或混合电路进行仿真。该软件的特点是采用直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，用屏幕抓取的方式选用元器件，创建电路连接测量仪器。能进行电子电路的设计，并能对电子电路进行较详细的分析，包括静、动态分析、时域与频域分析、噪声分析、失真分析和器件的线性与非线性分析，还能进行离散付里叶分析、零极点分析等多种高级分析。能将设计好的电路文件直接输出到常用的一些电子电路排版软件，如Protel等，排出印刷电路板图，为电路设计提供方便。它也是一种电子技术模拟实际训练软件，它可以完成实验室中进行的所有电子技术实验，结果与物理式方法基本一致。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。元器件和仪器的放置： EWB的电路图就在工作区中绘制，绘制时用户从工具栏的各个按钮中选取出要放置的元器件和仪器仪表，用鼠标拖放到工作区中。有各种各样的交直流电源如电池、恒流源、地、压控电流源；电阻、电容、电感、电解电容、变压器、继电器、电位器；二极管、稳压管、整流桥堆、发光二极管、可控硅;有PNP三极管、NPN三极管、场效应管;安培表、伏特表、七段数码管等等。当元器件和仪器放置好后，就可对元器件和仪器开始连线。先移动鼠标到要连接的元器件的端点，此时鼠标会变成一个小黑圆点，按下鼠标并拖动它，当拖动到另一元器件端点时鼠标又变成小黑圆点形状，此时松开鼠标按键，则两个元器件间就建立了一根连线。当从一个元器件端点往一根连线上连线时，拖动鼠标靠近该线时线上会出现一个小黑圆点，此时松掉鼠标则该元器件会连接到该连线上，并自动产生一个节点。同样，当往一个节点上连线时也是作同样的操作。只是线与节点上可以产生不止一个的小黑圆点，分别对应不同的方向，连线时应注意小黑圆点的朝向。元器件参数的编辑与修改：用鼠标双击要编辑的元器件就会弹出该元器件的参数对话框，用户可在该对话框中对它的各种参数进行修改。仿真环境的设定：用户在对电路进行仿真之前，要先对仿真分析环境进行设定。在菜单栏上依次选取ANALYSIS、ANALYSISOPTION，则弹出ANALYSISOPTION对话框，用户可对其中的仿真环境参数进行设定，如环境温度，绝对电流误差等。对绘制好的电路进行仿真：在上述步骤完成后，按下启动按钮即可进行电路仿真。此时用户可以对电路的工作进行各种分析，如付里叶分析，噪声分析等等，用鼠标双击电路中的仪器可以打开仪器面板，通过改变面板上的参数来改变电路输入状态或查看电路仿真结果，如改变信号发生器的输出波形、幅度和频率等来改变电路的输入状态，用户也可以查看它的仿真结果，如查看万用表上的指示值，查看示波器上的波形等。EWB中的仪器是非常直观的，其仪器面板几乎和我们平时所用的仪器一样，用户会发觉这些仪器比实际使用中的那些仪器还要好用，比如示波器，它不仅无需进行同步调整，而且它还有波形记忆功能，用户可以随时查看仿真过程中任一时刻的输出波形。2.6.2仿真电路设计的电路图是用水作为一个导体将12V电源与检测电路相连接，从而使每一个支路导通，进而使发光二极管发光实现检测，五个支路属于并联，根据这个，在仿真电路中，直接把支路并联在一起，用220V电压整流出12V的直流电，接在检测电路中，如果发光二极管都亮，那么设计的电路就是可实现的。根据EWB软件的用法，画出仿真电路如下所示。图2.4 ewb仿真电路图经实践，发光二极管都亮，证明该设计理论上是可以实现的。2.7硬件焊接在焊接电路时，在设计电路正确的情况下，首先要检测器件是否有无问题；再来就是，对于器件如二极管三极管各个管脚要测好，因为如果三极管的管脚不正确接入电路不但不能正常工作,还可能烧坏晶体管；最后要注意到电路在电路板上的清晰和美观。焊接电路时用到了上述所选择的器件还有电焊、焊锡、导线等。当实际选件时发现实际的电阻和计算结果有一定的偏差，因此选取了10和420的电阻。测晶体三极管NPN管的好坏将万用表欧姆挡置 R 100 或 R l k 处,把黑表笔接在基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小,再将红表笔接在基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很大,则说明三极管是好的。判别晶体三极管的类型。当知道管子的类型，即是NPN管，PNP管时，可直接将万用表档位调到“HFE”上，然后将三极管的头上的平面对自己，将三个管脚插入万用表的槽中，即可知道各个管脚的极，还可以知道HFE的值。因为选择器件时已经知道晶体三极管的类型和型号为：NPN,S9013所以可直接知道管子的管脚的各极。经过测试知道了五个晶体三极管的放大倍数为：178、186、192、194、178，因此可以知道将它的具体型号为：S9013I发光二极管的两个管脚一个长一个短，在常规中，长的一端为正极，短的一端为负极。测好各个元器件后进行焊接，焊接出实物图如下图所示。图2.5 实际焊接电路板正面图图2.6 实际焊接电路板反面图用塑料瓶来代替水箱，将与电路板连在一起，实际设计实物图如下图所示。图2.7 水位检测电路硬件实物图3软件设计3.1软件组态王介绍3.1.1概述组态的概念最早来自英文configuration,含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照预先设置，达到自动执行特定任务、满足使用者要求的目的。而组态是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程控制、生产控制提供了基础平台和开发环境。组态软件功能强大使用方便，其预先设置的各种软件模块可以非常容易的实现监控层的各种功能，并可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，使组态软件可以方便、快捷的进行系统集成，构成不同需求的数据采集与监控系统。3.1.2组态软件在我国的发展 组态软件产品于80年代初出现；在80年代末期进入我国；在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。3.1.3组态王软件概述组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产线的能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。3.1.4组态王6.52组态王6.52根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（King Historian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。组态王6.52保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特点。并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。组态王6.52的主要功能特性有： 可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接。 无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能。 可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印。 变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间。 强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。 强大的脚本语言处理，能够帮助实现复杂的逻辑操作和决策处理。 全新的Web Server架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布。 方便的配方处理功能。 丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。 提供硬加密及软授权两种授权方式。组态王6.52集成了对KingHistorian的支持，极大的提高了组态王的数据存储能力，能够更好的满足存储容量和存储速度的要求。具有单个服务器支持高达10万点、支持256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过30,000 条记录的强大功能。能够更好的满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。组态王6.52已能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种工业自动化设备。支持设备之多、之广可与国外优秀同类软件相媲美。通讯方式灵活多样，为用户提供了充足的选择空间，可以适应各种设计方案的需要。目前，组态王6.52支持的通讯方式已包括：串口通讯方式 ；以太网方式 ；GPRS通讯方式 ；Lonworks现场总线方式 ；BacNet现场总线方式。3.2软件设计过程3.2.1水位检测主画面的建立在D盘下组态软件文件夹中建立一个“我的工程”系统，工程描述为“水位检测”。然后点开启动工程管理窗口，双击“水位检测”进入工程浏览器-水位检测。点击“新建”，建立一个新的画面为水位检测主要画面，输入“水位检测”为画面的名称。然后进入画面，在图库中选择自己需要的器件，我选择了反应器水罐，五个检测小灯，管道等。并在最上端建立文本，输入文字“水位检测系统”。在设备中新建一个连接，因为首先要在虚拟中来实践，所以选择设备是仿真PLC，设置该设备的连接名称为，PLC设备地址为0，通讯方式为串口。然后在数据库的数据词典中对其分别进行定义。反应器变量名为水箱水位，变量类型为I/O实数型，连接为PLC。定义小灯，变量类型为内存离散，进水阀和出水阀的变量类型也是为内存离散。最后建立一个按钮，输入按钮文本为“退出”。双击按钮，在动画连接中，命令语言连接中选弹起时，点击后输入命令“exit(0);”，这样当程序运行时即可退出运行程序。设计画面如下图所示。图3.1组态软件水位检测主画面建立图3.2.2水位检测系统登录画面的建立点击“新建”，再建立一个新的画面，命名为登录画面。在上面建立文字，添加画面名称，加一个时钟，显示登录时间。在建立一个登录的按钮，在双击按钮，在动画连接中，命令语言连接中选弹起时，点击后输入命令“ShowPicture(水位检测);”，这样当程序运行时即可链接到水位检测画面。设计画面如下图所示。图3.2 组态软件登陆的画面建立图3.3软件设计画面3.3.1软件仿真进入界面图3.3 组态软件运行登陆图3.3.2软件仿真运行界面图3.4 组态软件水位检测运行图4硬件与PLC的结合4.2可编程控制器PLC 4.2.1可编程控制器PLC的简介 可编程控制器的定义及发展可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。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分为中央处理单元(CPU)、存储器、电源。 PLC的工作原理： 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。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映象区中的相应的单元内。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存储区中对应的位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应的位的状态；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。 PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可行性，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。 应用可编程控制器西门子S7-200针对低性能要求的摸块化小控制系统，它最多可有7个模块的扩展能力，在模块中集成背板总线，它的网络联接有RS-485通讯接口和PROFIBUS两种，可通过编程器PG访问所有模块，带有电源、CPU和I/O的一体化单元设备。其中的扩展模块（EM）有以下几种：数字量输入模块（DI24VDC；数字量输出（DO）24VDC和继电器；模拟量输入模块（AI）电压、电流、电阻和热电偶；模拟量输出模块电压和电流。还有一个比较特殊的模块-通讯处理器（CP）该块的功能是可以把S7-200作为主站连接到AS-接口（传感器和执行器接口），通过AS-接口的从站可以控制多达248个设备，这样就可以显著的扩展S7-200的输入和输出点数。CPU的设计有3种手动选择操作模式：STOP停机模式，不执行程序；TERM运行程序，可以通过编程器进行读/写访问；RUN运行程序，通过编程器仅能进行读操作。状态指示器（LED）：SF系统错误或（和）CPU内部错误RUN运行模式，绿灯；STOP停机模式，黄灯DP分布式I/O（仅对CPU-215）。存储器卡用来在没电的情况下不需要电池就可以保存用户程序。PPI口用来连接编程设备、文本显示器或其他CPU。4.2.2可编程控制器编程元件地址分配表4.1 PLC元件地址分配输入信号信号原件及作用I0.0最低水位时给一个信号I0.11/4水位时给一个信号I0.21/2水位时给一个信号I0.33/4最低水位时给一个信号I0.4最高水位时给一个信号输出信号控制对象及作用Q0.0小灯L0亮Q0.1小灯L1亮Q0.2小灯L2亮Q0.3小灯L3亮Q0.4小灯L4亮4.2.3PLC的接线图图4.1 硬件与PLC接线图4.2.4PLC的梯形图 图4.2 PLC梯形图 在设计好程序后，连接好实际线路图，并将灯L0L4接到Q0.0Q0.4上，PLC的小灯也同步显示水位检测。首先将程序下载，然后将程序运行，并进行检测，看各个网络的运行情况。经实践，当水位运行到各个点时I0.0I0.4分别触发，进而Q0.0Q0.4导通，证明硬件与PLC连接成功。5软件与硬件的连接5.1系统工作原理 水位检测的基本原理如图5.1所示。即实际水位信号进入可编程控制器PLC中，通过PLC导入电脑中，通过组态软件在电脑中反映出实际的水位，从而实现在远程和实际电路都可以检测出水位。因此可编程控制器在整个设计中起到到了通讯的作用。图5.1系统结构图 将水位导通点（即硬件电路图2.1中的B、D、A、E、C五点）设计电路中的接入PLC的输入点，即五个点分别接入I0.0，I0.1，I0.2，I0.3，I0.4 ，输出信号分别为Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.4，将输出信号通过PLC引入组态软件，在组态中实现模拟实际水位检测。因为PLC与组态软件供用一个CPU，所以当下载完PLC程序后，点击运行后，一定要关上PLC运行界面，组态才能运行。5.2实际连接硬件时组态软件的连接设备的修改在设备的连接中，开始时是设置得虚拟画面，所以选择设备是仿真PLC，所以实际连接硬件时，将设备的连接要进行修改，将生产厂家设为西门子，设备名称设为S7200系列，通讯描述为PPI。同时在数据辞典中重新定义小灯，小灯的变量类型为I/O离散，连接设备为PLC，寄存器选择与PLC输入对应的Q0.0至Q0.5，数据类型为Bit，读写属性为读写。修改后重新存入运行，即可与实际硬件连接上。5.3软硬件实际连接图图5.2 软硬件实际连接图5.4实现设计要求经过了对设计的修改，终于实现了设计要求，实现了设计任务书中所要求的各项指标与功能。在图5.2可以反映出硬件、PLC、组态检测的同步进行，即硬件上当水位到最低点，1/4，1/2，3/4和最高水位时，五个指示灯逐个亮起，同时当水位达到最高时蜂鸣器发出报警声响，而软件上随着硬件指示灯的亮起，组态软件中的模拟灯也跟硬件的灯一样同时亮起。6设计中遇到的问题与解决方法6.1器件参数的计算 元器件的选择时首先要进行估算，应首先根据自己的电路计算出元件的参数，由于个人能力的欠缺，在选择之初感觉无从下手，在经过查阅相关的资料后，在指导老师的帮助下，初步确定了元器件的参数范围，经过多次模拟计算与修正后最终确定了器件的参数。6.2 实际器件与理论器件有一定的偏差在实际选择器件的时候，发现实际器件的并不能找到理论值上所需要的。例如需要400的电阻，可在实验室实际选择时，发现没有400的电阻，与其阻值最近的是阻值为350和420的电阻，根据电路保护的原则，最终选择了420的电阻。还有在选择晶体三极管时，只知道选择的管子为S9013，通过晶体三极管的测试知道了晶体三极管的放大系数为178194，从而得出了晶体三极管的具体型号选为S9013I。6.3硬件与软件的连接在将硬件与软件连接时，发现无论电路如何导通，输入信号总为导通。而最开始连接