基于CC-Link液位控制系统设计毕业论文.doc

基于CC-Link液位控制系统设计毕业论文目 录1 绪论11.1 现场总线的发展现状11.2 现场总线的发展趋势21.3 CC-Link发展背景和现状31.4 课题研究的意义和主要内容31.4.1 课题意义31.4.2 课题研究主要内容42 液位控制系统设计方案52.1 系统硬件组成52.2 系统工作状况62.3 CC-Link系统72.4 CC-Link 系统网络选择模式72.5 CC-Link系统站的类型82.6 CC-Link 的卓越性能82.6.1 CC-Link 的传输速度和距离92.6.2 CC-Link 实现高速大容量的数据传输92.6.3 CC-Link 丰富的功能102.7 CC-Link 的通讯原理112.7.1 主站与远程设备站之间的通信112.7.2 主站与远程I/O站之间通讯122.7.3 主站与本地站之间的通讯152.8 系统硬件配置162.8.1 三菱Q系列PLC162.8.2 Q系列CC-Link模块182.8.3 远程数字量I/O模块192.8.4 远程模拟量数模转化D/A模块192.8.5 远程模拟量模数转化A/D模块222.8.6 红外中继器222.8.7 三菱FX系列PLC232.8.8 七段数码管显示243 系统软件设计253.1 系统功能流程图253.2 系统方案设计及原理263.2.1 液位高度采集和控制263.2.2 液位高度监测273.3 CC-Link2系统程序设计283.3.1 主站网络参数设置283.3.2 主站程序设计323.4 液位显示程序设计363.5 CC-Link1控制系统设计383.5.1 主站A的网络参数设置383.5.2 本地站B的网络参数设置40结 论41致 谢42参考文献43附录A CC-Link1主站程序44附录B CC-Link1本地站B程序45附录C CC-Link1本地站C程序(CC-Link2的主站)46附录D CC-Link2系统7号站程序49附录E CC-Link2系统8号站程序491 绪论 在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普片的渗透到自动控制的各个领域中，现场总线技术必将成为自动控制领域主要发展方向之一。现场总线一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，并且某些国外的大公司已经在大力的开拓中国市场，发展我国的现场总线技术已经刻不容缓。现场总线对自动化技术影响意义深远，当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。随着通讯和自动化技术的发展，自动化控制领域对通讯和控制要求的也越来越高，因而出现了现场总线的一种新型技术CC-Link。CC-Link是由三菱电机为主的多家公司与1996年推出的开放式现场总线。CC-Link站在了比较高的起点上，吸收了其他总线的优点而避免了它们的不足之处。CC-Link的卓越性能和简单使用，使得它得到广大用户的青睐，并得到了广泛的应用。PLC在生产过程自动化控制领域是应用最为广泛且可靠性较高的一种主控制器，现场总线技术是架构分布式控制系统的必备技术，因此，基于PLC控制系统的CC-Link网络应用具有特定的意义。1.1 现场总线的发展现状（1）多种总线共存 现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其它一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求为：过程自动化15、医药领域18、加工制造15、交通运输15、航空与国防34、农业未统计、楼宇未统计。由此可见，随着时间的推移，占有市场80左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。（2）总线应用领域不断拓展 每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其它领域发展。如PROFIBUS在DP的基础上开发出PA，以适用于流程工业。（3）不断成立总线国际组织 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。（4）每种总线都以企业为支撑各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，（5）一个设备制造商参加多个总线组织大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2 4个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。（6）各种总线相继成为自己国家或地区标准每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况是P-Net已经成为丹麦标准，PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170。其它总线也都成为各地区的技术规范。（7）在竞争中协调共存协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧洲标准EN50170在制定时，将德、法、丹麦3个标准并列于一卷之中，形成了欧洲的多总线的标准体系。各重要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其它总线相连接，如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的局面。1.2 现场总线的发展趋势虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心，基于现场总线的产品和应用的不断增多，现场总线控制系统体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在以下几个方面。（1）网络结构趋向简单化 早期的MAP模型由7层组成，现在Rockwe11公司提出了3层结构自动化，Fisher Rosemount公司提出了2层自动化，还有的公司甚至提出1层结构，由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3层设备、2层网络的32结构。3层设备是位于底层的现场设备，如传感器/执行器以及各种分布式I/O设备等，位于中间的控制设备，如PLC、工业在制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、般工作站等；2层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。（2）大量采用成熟、开放和通用的技术在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的TCP/IP协议加以太网，操作设备一般采用工业PC甚至普通PC，控制设备一般采用标准的PLC或者是工业控制计算机等，而控制网络就是各种现场总线的应用领域。由此可见，新型的现场总线控制系统与传统的控制系统（如DCS、PLC）之间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。1.3 CC-Link发展背景和现状 在1996年11月，以以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线CC-Link,第一次正式向市场推出CC-Link这一全新的多广商、高性能、省配线的现场网络。CC-Link是Control & Communication Link的简称，是一种可以同时高速处理控制和信息数据的现场网络系统，可以提供高效、一体化的工厂和过程自动化控制。在10Mbps的通信速率下传输距离达到100m，并能够连接64个站。其卓越的性能使之通过ISO认证成为国际标准，并且获得批准成为中国国家推荐标准GB/T19760-2008，同时也已经取得SEMI标准。作为开放式现场总线，CC-LINK是亚洲唯一能被国际工控界认可并为广泛使用的一种现场总线，由于其与其他总线在可靠性、稳定性以及经济性上有较大的优势，且又具有区域性优势，因此CC-Link技术特在亚洲被广泛的应用。1.4 课题研究的意义和主要内容1.4.1 课题意义CC-Link是控制与通路链路系统的简称。CC-Link现场总线是目前在工业自动化领域中应用最为广泛的通讯技术之一。通过CC-Link现场总线将自动化生产线上个各独立的模块链接起来以实现对生产线的高速、高效、高柔性化的分散控制。液位控制是工业生产中经常碰到的控制参数之一，它在工业生产中都有很广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度的保持在给定的数值范围内，液位控制的好坏直接影响产品的质量甚至产品制造的成功与失败，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和生产质量有这至关重要的作用，同时液位控制在高层小区水塔水位控制、灌装商品液位控制、污水处理设备和有毒有腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。因而液位的控制具有广泛的实际应用价值和广泛的应用前景。由于常规PID控制器结构简单、鲁棒性强，被广泛应用于过程控制中，但常规PID不能根据现场的情况进行在线自整定，非线性系统的常规PID控制往往不能获得较好的控制效果。近年来， 随着科学技术的迅猛发展，液位控制逐渐的向大型化、智能化、自动化和集成化发展。为了提高竞争力，提出在控制方面运用了CC-Link现场总线技术，从而降低了自动化生产线的成本、提高了可靠性和数据采集的智能化、增强了可维护性。1.4.2 课题研究主要内容现如今液位控制在高层小区水塔水位控制、灌装商品液位控制、污水处理设备和有毒有腐蚀性液体液位控制被广泛应用，课题研究和模拟水塔的液位控制系统。在水塔中经常要根据水面的高低进行水位的自动控制，同时进行水位压力的检测和控制。本液位器为了实现水位检测、报警、自动加水和排水，压力检测等功能。采用了CC-Link现场总线和PLC等自动化控制技术。主要由CC-Link现场总线，Q-PLC、FX2N-PLC，A/D转换模块，一点水位检测，压力检 测电路、数码显示电路、电源电路等组成控制系统。主要要完成：（1） 系统要实现操作人员能够直观的了解到现场设备的工作状况以及水位的变化；（2） 系统要能够实现对设备的现场控制和远程控制；（3） 系统要能够实现，用户对水位高度的自行设置；（4） 系统要能够实现水位高度的正常显示，若水位变化或操作人员改变水位高度，其显示部分也能够正常显示。2 液位控制系统设计方案2.1 系统硬件组成系统设计用3个三菱Q系列PLC（可编程控制器）配以CC-Link主站模块QJ61BT11N组成主站与本地站，形成CC-Link1控制系统。同时本地站D作为CC-Link2控制系统的主站，采用了Q系列PLC（Q02HCPU可编程控制器）配以CC-Link主站模块QJ61BT11N、两个远程I/O模块（远程I/O站）、一个A/D模块AJ65SBT-64AD（远程设备站）、一个D/A模块AJ65SBT-62DA（远程设备站）、两个三菱FX3U系列PLC（远程设备站）组成一个8从站的CC-Link2远程控制系统。系统框架图如图2-1，系统实物图如2-2所示。 AD、DA站（远程设备站） FX3U系列PLC（远程设备站站）红外中继器数据传输远程I/0站图2-1 液位控制系统框架图图2-2 液位控制系统实物图2.2 系统工作状况一般工业控制领域的网络分为 3 到 4 个层次，分别是上位的管理层，控制层和部件层。部件层也可以再细分为设备层和传感器层， CC-Link 是一个以设备层为主的网络，同时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。CC-Link2系统中的每个设备站，都占有很大的作用。远程I/O站控制系统的启动信号和电磁阀的得失电的信号，作为CC-Link2系统各占据一个站，分别为1站和2站；A/D站正常与否直接关系着液位高度信号的采集与否，在CC-Link2系统中作为从站占据2个站，为3站和4站；D/A站工作直接关系着A/D站采集来的信号是否能够正确在主站中处理，在系统中占据两个站，为5站和6站；7站和8站是三菱系列PLC，它的工作正常与否直接关系着液位显示，因此，需要对它们的工作状况进行监视，为此，在CC-Link2系统的主站模块的Q40X中，通过其中的指示灯的亮灭来指示各个设备站是否正常工作。具体软件程序见第4章。CC-Link1系统中有主站A、本地站B、本地站C和触摸屏等4个设备，本地站C在CC-Link1系统中作为本地站，在CC-Link2系统中作为主站使用。触摸屏与主站相连，通过触摸屏，可以启动整个系统，同时系统所具备的功能，在触摸屏上均可以体现出来，相当于一个上位管理层，而本地站B相当于一个控制层。2.3 CC-Link系统作为设备层现场总线CC-Link系统，一 个单独的主站上可以链接远程 I/O 站、远程设备站、本地站、备用主站、智能设备站等总计64个站。系统配置必须满足下列条件：（1） （1*a）+(2*b)+(3*c)+(4*d)64 a:占用 1 个站的模块数b:占用 2 个站的模块数c:占用 3 个站的模块数d:占用 4 个站的模块数（2）（16*A）+(54*B)+(88*C)2304A:远程 I/O 站的数量 64B:远程设备站的数量 42C:本地站、备用主站和智能设备站的数量 262.4 CC-Link 系统网络选择模式CC-Link 有两种模式：远程网络模式和远程I/O 网络模式。 表2-1 CC-Link的选择模式2.5 CC-Link系统站的类型 CC-Link系统站的类型有：主站、备用主站、本地站、远程I/O站、远程设备站、智能设备站。具体功能见表2-2。表2-2 CC-LINK站的类型CC-LINK站的类型说明主站控制CC-LINK上全部站，并需设定参数的站即控制数据链接系统的站。每个系统中必须有一个主站，如A/QnA/Q系统PLC等本地站具有CPU模块，可以与主站及其他本地站进行通信能力的站，如A/QnA/Q系统PLC等备用主站因电源中断或主站出现故障时，接替作为主站，并作为主站继续进行数据链接的站，如A/QnA/Q系统PLC等远程I/O站只能处理位信息的站（用外部设备执行输入和输出），如远程I/O模块、AJ65BTB1-16D，AJ65SBTB1-16D、电磁阀等远程设备站可处理位信息及字信息的站，如A/D、D/A转换模块、变频器等智能设备站可处理位信息及字信息的站，而且也可完成不定期数据传送的站，如A/QnA/Q系统PLC、人机界面等2.6 CC-Link 的卓越性能 一般情况下， CC-Link 整个一层网络可由 1 个主站和 64 个子站组成，它采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。网络中的主站由三菱电机 FX 系列以上的 PLC 或计算机担当，子站可以是远程 I/O 模块、特殊功能模块、带有 CPU 的 PLC 本地站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统等现场仪表设备。如果需要增强系统的可靠性，可以采用主站和备用主站冗余备份的网络系统构成方式。2.6.1 CC-Link 的传输速度和距离 CC-Link 具有高速的数据传输速度，最高可以达到 10Mbps ，其数据传输速度随距离的增长而逐渐减慢，传输速度和距离的具体关系如下表所示。 表2-3 传输速度和距离的对应关系 不带中继器带中继器带T型分支10Mbps100m4300m1100m5Mbps150m4450m1650m2.5Mbps200m4600m2200m625Mbps600m5800m6600m156Mbps1200m7600m1320m CC-Link 提供了 110 欧姆和 130 欧姆两种终端电阻，用于避免因在总线的距离较长、传输速度较快的情况下，由于外界环境干扰出现传输信号的奇偶校验出错等传输质量下降的情况。2.6.2 CC-Link 实现高速大容量的数据传输 CC-Link 提供循环传输和瞬时传输 2 种方式的通信。每个内存站循环传送数据为 24 字节，其中 8 字节（ 64 位）用于位数据传送， 16 字节（ 4 点 RWr 、 4 点 RWw ）用于字传送。一个物理站最大占用 4 个内存站，故一个物理站的循环传送数据为 96 个字节。对于 CC-Link 整个网络而言，其循环传输每次链接扫描的最大容量是 2048 位和 512 字.在循环传输数据量不够用的情况下， CC-Link 提供瞬时传输功能，可将 960 字节的数据，用指令传送给目标站。CC-Link 在连接 64 个远程 I/O 站、通信速度为 10Mbps 的情况下，循环通信的链接扫描时间为 3.7 毫秒。稳定快速的通信速度是 CC-Link 的最大优势。2.6.3 CC-Link 丰富的功能（1）自动刷新功能、预约站功能CC-Link 网络数据从网络模块到 CPU 是自动刷新完成，不必有专用的刷新指令；安排预留以后需要挂接的站，可以事先在系统组态时加以设定，当此设备挂接在网络上时， CC-Link 可以自动识别，并纳入系统的运行，不必重新进行组态，保持系统的连续工作，方便设计人员设计和调试系统。（2）完善的 RAS 功能RAS 是 Reliability （可靠性）、 Availability （有效性）、 Serviceability （可维护性）的缩写。例如故障子站自动下线功能、修复后的自动返回功能、站号重叠检查功能、故障无效站功能、网络链接状态检查功能、自诊断功能等等，提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在最短时间内恢复网络系统。（3）互操作性和即插即用功能 CC-Link 提供给多种类型产品的数据配置文档。这种文档称为内存映射表，用来定义控制信号和数据的存储单元（地址）。以模拟量 I/O 开发工作表为例，在映射表中位数据 RX0 被定义为 “ 读准备好信号 ”，字数据 RWr0 被定义为模拟量数据。由不同的 A 公司和 B 公司生产的同样类型的产品，在数据的配置上是完全一样的，用户根本不需要考虑在编程和使用上 A 公司与 B 公司的不同，另外，如果用户换用同类型的不同公司的产品，程序基本不用修改。可实现 “ 即插即用 ” 连接设备。（4）循环传送和瞬时传送功能 CC-Link 的 2 种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信是数据一直不停地在网络中传送，数据是安站的不同类型，可以共享的，由 CC-Link 核心芯片 MFP 自动完成；瞬时通信是在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大 960 字节），可以用专用指令实现一对一的通信。 （5）优异抗噪性能和兼容性 CC-Link系统本身不仅具有卓越的抗噪性能，而且光缆中继器给网络系统提供了更加可靠、更加稳定的抗噪能力。具有优异的抗噪性能和兼容性2.7 CC-Link 的通讯原理CCLink的通信形式可分为2种方式：循环通讯和瞬时传送。循环通讯意味着不停地进行数据交换。各种类型的数据交换即远程输入RX，远程输出RY和远程寄存器RWr，RWw。一个从站可传递的数据容量依赖于所占据的虚拟站数。占据一个从站意味着适合32位RX或RY，并以每4个字进行重定向。如果一个装置占据两个虚拟站，那么它的数据容量就扩大了一倍。除了循环通信，CCLink还提供主站、本地站及智能装置站之间传递信息的瞬时传送功能。信息从主站传递到从站，信息数据将以150 B为单位分割，并以每批150 B传递。若从从站传递到主站或其他从站，每批信息数据最大为34 B。瞬时传送需要由专用指令FROMTO来完成，瞬时传送不会影响循环通信的时间。2.7.1 主站与远程设备站之间的通信在液位控制系统中，站D内含有两个CC-Link模块，次站在CC-Link1中作为本地站，在CC-Link2中作为主站。在整个系统设计中，A/D模块、D/A模块、FX3U型号PLC等均属于远程设备站，因此主站与远程设备站之间的通讯时不可或缺的，图2-4是主站与远程设备站之间通讯示意图。其通讯原理如下： （1） PLC系统电源接通时，PLC CPU中的网络参数传送到主站，CCLink系统自动启动；（2） 远程设备站的远程输入RX自动储存在主站的“远程输入RX”缓冲存储器中（3） 储存在“远程输入RX”缓冲存储器中的输入状态储存到用自动刷新参数设置的CPU软元件中；（4） 用自动刷新参数设置的CPU软元件开关数据存储在“远程输出RY”缓冲存储器中；（5） 根据“远程输出RY”缓冲存储器中存储的输出状态，远程输出RY自动设定为开关(每次链接扫描的时候)；（6） 用自动刷新参数设置的CPU软元件的传送数据存储在“远程寄存器RWw”缓冲存储器中；（7） 存储在“远程寄存器RWw”缓冲存储器中的数据自动送到每个远程设备站的远程寄存器RWw中；（8） 远程设备站的远程寄存器RWr的数据自动存储在主站的“远程寄存器RWr”缓冲存储器中；（9） 存储在“远程寄存器RWr”缓冲存储器中的远程设备站的远程寄存器RWr数据存储在用自动刷新参数设置的CPU软元件中。2.7.2 主站与远程I/O站之间通讯在液位控制系统中，远程I/O模块控制系统的启动与停止，同时通过采集电磁阀的信号输入来控制自动加水和停止加水，起到至关重要的作用，如图2-3所示，为主站与远程I/O站之间的通讯原理示意图。其通讯原理如下：（1） PLC系统电源接通时，PLC CPU中的网络参数传送到主站，CCLink系统自动启动（数据链接启动）。（2） 远程 I/O 站的输入状态自动存储（每次链接扫描时）在主站的“远程输 入 RX”缓冲存储器中。（3） 存储在“远程输入 RX”缓冲存储器中的输入状态存储在用自动刷新参 数设定的 CPU 软元件中。（4） 用自动刷新参数设置的 CPU 软元件开/关数据存储在“远程输出 RY” 缓冲存储器中。（5） 存储在“远程输出 RY” 缓冲存储器中的输出状态自动输出（每次链接 扫描的时候）到远程 I/O 站。图2-3 主站与远程I/O之间的通讯图2-4 主站与远程设备站通讯原理示意图2.7.3 主站与本地站之间的通讯液位控制系统的上位层控制，是由主站A、本地站B、本地站C以及触摸屏构成的网络系统，因此主站与本地站之间的通讯时不可或缺的，系统中采用的是循环传送通讯的，PLC CPU 之间的数据通信可以使用远程输入 RX 和远程输出 RY（本地站系统中 使用的位数据）以及远程寄存器 RWw 和远程寄存器 RWr（本地站系统中使用的用于读写的字数据）以 N：N 的模式进行。其通讯原理如下：（1） PLC 系统电源接通时，PLC CPU 中的网络参数传送到主站，CC-Link系统自动启动。（2） 用自动刷新参数设置的 CPU 软元件的开/关数据存储在本地站的“远程 输出 RY”缓冲存储器中。远程输出 RY 用作在本地站系统中的输出数据。（3） 本地站“远程输出 RY”缓冲存储器中的数据自动存储（每次链接扫描 的时候）在主站的“远程输入 RX”缓冲存储器和其它本地站中的“远 程输出 RY”缓冲存储器中。（4） 存储在“远程输入 RX”缓冲存储器中的输入状态存储在用自动刷新参 数设定的 CPU 软元件中。远程输入 RX 用作本地站系统中的输入数据。（5） 存储在“远程输出 RY”缓冲存储器中的输入状态存储在用自动刷新参 数设定的 CPU 软元件中。（6） 用自动刷新参数设置的 CPU 软元件开/关数据存储在主站的“远程输出RY”缓冲存储器中。（7） 在“远程输出 RY”缓冲存储器中的数据自动存储（每次链接扫描时） 在本地站的“远程输入 RX”缓冲存储器中。（8） 存储在缓冲存储器中的输入状态“远程输入 RX”存储在用自动刷新 参数设置的 CPU 软元件中。（9） 由自动刷新参数设置的 CPU 软元件字数据存储在主站的“远程寄存器RWw缓冲寄存器中。远程寄存器 RWw用作本地站系统中写的字数据。（10） 缓冲存储器“远程寄存器RWw中的数据自动存储（每次链接扫描的时候）在所有本地站的缓冲存储器“远程寄存器 RWw中。远程寄存器 RWr用作本地站系统中读的字数据。（11） 由自动刷新参数设置的字数据存储在本地站的“远程寄存器 RWw缓 冲存储器中。但是，数据仅存储在与其自己的站号相对应的区域。（12） “远程寄存器 RWr缓冲存储器中的数据自动存储（每次链接扫描的时 候）到主站的“远程寄存器 RWr和其它本地站的“远程寄存器RWw中。（13） 存储在“远程寄存器 RWr缓冲存储器中的字数据存储到用自动刷新 参数设定的 CPU 软元件中。（14）存储在“远程寄存器 RWw缓冲存储器中的字数据存储到用自动刷新 参数设定的 CPU 软元件中。2.8 系统硬件配置2.8.1 三菱Q系列PLC Q系列PLC在整个系统设计中，起到很大的作用，它与CC-Link模块连接组成一个模块。系统设计中的液位控制、各个设备站的正常工作状况以及数据的处理转化等都离不开它，系统设计中的三菱Q系列PLC采用的型号是Q02HCPU。三菱Q系列PLC的发展及特点如下。Q系列PLC是三菱公司从原A系列PLC基础上发展过来的中、大型PLC系列产品，Q系列PLC采用了模块化的结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096点；最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；基本指令的处理速度可以达到34ns；其性能水平居世界领先地位，可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合。 Q系列PLC的基本组成包括电源模块、CPU模块、基板、I/O模块等。通过扩展基板与I/O模块可以增加I/O点数，通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提高PLC的性能，扩大PLC的应用范围。 Q系列PLC可以实现多CPU模块在同一基板上的安装，CPU模块间可以通过自动刷新来进行定期通信或通过特殊指令进行瞬时通信，以提高系统的处理速度。 Q系列PLC的特点如下：（1） 节省空间、节省配线 （2） 安装Q系列所需的空间只是原来AnS系列的60 （3） 安装灵活 Q系列有5槽、8槽、12槽多种基板，可灵活配置，减少系统所用基板数。 （4）CC-LINK Q系列有更强的CC-LINK网络功能，使用方便。 （5） 高性能高精度 （6） 提高程序开发/调试效率 （7） 设备兼容性优越,多种高性能模块 基本模式（Q00JCPU，Q00CPU及Q01CPU） 1）当使用Q系列的IO模块和智能功能模块时，QCPU的基本模式都能获得一个具有高性能、高功能和优越性能价格比的紧凑系统。例如，将无需电源的Q5B扩展模块与由电源、CPU和基板组合为一体的Q00JCPU相连，可以配置成一个紧凑的系统。同样也可以通过装载以太网模块、MELSECNETH模块或CC-Link网络模块来配置网络系统。 2）Q00JCPU是一个由CPU模块、电源模块和主基板单元(5槽)组成的CPU单元。(电源模块设计为100V-240V)Q00CPU和Q01CPU是离散的CPU模块。 3）尽管Q00JQ00CPU的程序容量只有8K步，Q01CPU的程序容量只有14K步，但是它们使用的程序指令代码位数少，所以编制的控制程序大约是普通A系列所编写的控制程序的两倍。 4）软元件的存储器为18K字，约是AnSCPU软元件存储器的5倍。而且，允许软元件在16K字范围内指定。此外，Q00Q01CPU将RAM用做文件寄存器的标准RAM。文件寄存器含有32K字，约是AnSHCPU文件寄存器所含字数的4倍。因此紧凑系统能处理大容量的数据。 5）QCPU基本模式都含有闪存ROM。标准的CPU能在不使用存储卡的情况下执行ROM操作。(和AnSHCPU不同，你无需准备存储卡盒)您可以使用GXDeveloper(第7个版本及以后的版本)方便地完成对闪存ROM的写入操作。(不需要用ROM写入器)6）Q00Q01CPU基本模式具有串行通讯功能。CPU的RS-232接口能与使用MC通讯协议的外部设备进行通讯。此功能使CPU不再需要串行通讯模块，降低了成本。 7）由于具有自动CC-Link启动功能，您可以在不设定参数的情况下启动CC-Link、刷新数据，减少了人工设定参数的时间。 8）为了系统扩展，用Q00JCPU来配置系统，它由主基板、扩展基板和GOT(总线连接)组成。 9）用GX Developer访问多CPU 通过GXDeveloper来设定参数，组成多PLC系统简单化。只要将GXDeveloper和一个CPU链接，无需更换电缆，就可以在其它CPU上执行编程监视功能。Q系列PLC因其具有强大的功能和特点，得到广泛的应用，本系统设计的Q系列PLC选用了Q02HCPU型号的PLC。2.8.2 Q系列CC-Link模块CC-Link模块在整个系统设计中，起到通讯、控制、链接和传送数据等重要作用，它的重要性是不言而喻的。因此，CC-Link模块的选择是很重要的。本系统设计采用了型号为QJ61BT11N的CC-Link模块，此型号的CC-Link模块即可做为主站也可以作为从站使用。其特点如下：（1） 使用自动刷新方式或瞬时传送方式进行数据通讯（2） 自动启动通过安装QJ61BT11，不用创建顺控程序，只要打开电源，就启动CC-Link 并刷新所有数据。但是，如果连接模块的数目小于64 的话，就有必要设定网络参数以优化链接扫描时间。（3） 可以组成主站/备用主站冗余方式（4） 自动恢复功能（5） 只要在网络参数中设置即可（6） 最多可带64个远程I/O站，42个远程设备站，26个远程智能站如图2-5是系统设计中的本地站B站，它是由Q系列PLC、Q40X、Q40Y、Q41X、Q41Y及CC-Link的组合模块，其中Q40X、Q40Y、Q41X、Q41Y模块中均十六个点，在本地站B模块中，对用的地址分别为为00-0F，10-1F,20-2F,30-4F。主站A模块和本地站B模块相似。图2-5 本地站B模块2.8.3 远程数字量I/O模块远程I/O模块就是具有通信功能的数据采集/传送模块，自身没有控制调节功能。只是将现场数据送到控制中心（比如PLC），或者接受控制中心的数据，对现场设备进行控制。 本系统设计中的I/O模块选用的型号为AJ65SBTB1-16D/AJ65SBTB1-16T，各占一个逻辑站，其站号和传送速率可以手动设置。其中输入I模块AJ65SBTB1-16D输入点数为16个，额定输入电压为24VDC，正常工作电压范围是19.2-26.4VDC（波动率为5%以内），额定电流大概为7mA。输出O模块AJ65SBTB1-16T输出点数为16个点，额定输入电压为24VDC，正常工作电压范围是19.2-26.4VDC（波动率为5%以内）。2.8.4 远程模拟量数模转化D/A模块D/A模块在系统中作为远程设备站处理，起作用是将其他站输入主站中的数据进行处理，使其转换为模拟量。系统设计中的D/A模块采用的型号为65SBT-62DA。此D/A 模块的特性如下：（1） 模块具有2个通道，每个通道可以选择电压或电流输出。（2） 高速转化处理模拟量在80微秒/通道的速度下进行转换处理。转换速度表示从读取已经写入缓冲存储器的数字输出值进行D/A转换到输出指定的模拟值所需要的时间 ，AJ65SBT-62DA的每个通道的转换速度是1ms ， 由于CC-Link系统的数据链接处理时间 所以会有直到实际读取D/A转换值的传送延迟关于数据链接处理时间例子 当主模块是AJ61BT11或A1SJ61BT11时进行的数据链接处理时间 计算公式：SM+LS2+远程设备站处理时间 SM 主站顺控程序的扫描时间 LS 链接扫描时间 远程设备站处理时间 使用的通道数+1* 1ms AJ65SBT-62DA的内部处理时间。（3）高精度模拟输出的精度在0.2% 10mV 之内（当操作环境温度是255C时）， 模拟输出的精度在0.4% 20mA 之内（当操作环境温度是0至55C时）。 精度与模拟输出值的最大值有关。注意：如果你更改偏置/增益设置或输出范围来更改输出特性 则精度不变并保持在性能规格中指示的范围内。模块的电压输出精度会随着模拟输出值的最大值随范围变化而变化，例如，当选择0至5V范围时，精度与5V有关。 （4）I/O转换特点 I/O转换特点表示当从PLC CPU设置的数字值转换成模拟值 电压或电流输出时连接偏置值和增益值的直线的倾斜度。偏置值是当从PLC CPU设置的数值是0时的模拟值电压或电流输出。增益值是当从PLC CPU设置的数值是4000时的模拟值电压或电流输出。 （5）切换分辨率模式分辨率模式可以按照应用来切换，并且可以选择数字值分辨率设置1/4000、1/12000或1/16000。所谓的分辨率是指D/A模块的通道能够分辨数字输入信号的最小变化。AJ65SBT-62DA的分辨率可以通过修改偏置值和增益值的设置而任意设置。以下就是当更改偏置值和增益值的设置时计算给定数字输入值的模拟值分辨率和模拟输出值的方法 ： 1）分辨率的计算方法模拟分辨率 =（增益值 - 偏置值）/4000 2） 模拟输出值的计算方法 模拟输出 = 模拟分辨率 数字输入值 + 偏置值 图 2-6为D/A模拟量输出模块的性能规格列表图 2-6 D/A模拟量输出模块的性能规格列表2.8.5 远程模拟量模数转化A/D模块A/D模块在系统中作为远程设备站处理，其作用是将其他站输入主站中的模拟量进行处理，使其转换为数字量。系统设计中的A/D模块采用的型号为65SBT-64AD。此A/ D模块的特性如下：（1） 模块具有4个通道，每个通道可以选择电压或电流输出.（2） 高速转换在80微秒/通道的高速下进行转换。可以使用“全部通道+160微秒”的处理时间执行温度漂移补偿功能。（3） 高精度模块的模拟输出的精度在0.2% 10mV 之内（当操作环境温度是255C时）转换。（4） 切换分辨率模式分辨率模式可以按照应用来切换，并且可以选择数字值分辨率设置1/4000、1/12000或1/16000。所谓的分辨率是指A/D模块的通道能够分辨模拟输入信号的最小变化。2.8.6 红外中继器CC-Link 的中继器目前有多种：一种为 T 型分支中继器 AJ65SBT-RPT ，每增加一个距离延长一倍。一层网络最多可以使用 10 个。第二种为光中继器 AJ65SBT-RPS 或 AJ65SBT-RPG ，用光缆延长，因此在一些比较容易受干扰的环境可以采用。光中继器要成对使用，每一对 AJ65SBT-RPS 之间的延长距离为 1 公里，最多可以使用 4 对；每一对 AJ65SBT-RPG 之间的延长距离为 2 公里，最多可以使用 2 对。第三种为空间光中继器 AJ65BT-RPI-10A/AJ65BT-RPI-10B ，采用红外线无线传输的方式，在布线不方便，或者连接设备位置会移动的场合使用。空间光中继器也必须成对使用，两者之间的距离不能超过 200 米，还有一些方便接线的中继器和与其他网络相连的网关和网桥。本系统设计是模拟水塔的工作状况，正常情况下，控制室与水塔之间有一定的距离，但很多控制器安装在控制室，因此需要进行数据传送，以方面更好的控制水位。由于距离的原因，特此引进了红外中继器，借此来传送控制信号以及数据。如图2-7为红外中继器的外形。图2-7 红外中继器2.8.7 三菱FX系列PLC系统设计中，液位高度A/D模块转换，输入主站进行处理后，通过红外中继器进行传送，最后通过FX系列PLC控制数码管的亮灭，进而控制液位显示。系统设计中采用了三菱FX3U系列的PLC，FX3U系列是三菱电机公司新近推出的新型第三代PLC,可称得上是小型至尊产品。虽然体积小，却功能强大，基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，同时内置增加了3轴独立最高100kHz的定位功能和新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。其特点如下：（1） 可靠性高，抗干扰能力强（2） 系统配置即固定又灵活，通用性强，控制程序可变，使用方便（3） 功能强，适应面广（4） 编程简单，容易掌握三菱FX系列PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。（5）高速运算、使用于多种特殊用途、外部机器通讯简单化，具有共同的外部设备。由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。（6)体积小、重量轻、功耗低、维护方便三菱FX3u系列PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.8.8 七段数码管显示为了更好的直观的监视水塔的液位高度变化，因此系统设计用七段数码管来显示液位的变化。同时由于系统的液位显示，是利用PLC的输出控制数码管来显示的，而无论是PLC的输出触点还是数码管，他们都有一定的耐压值。如果电流太大会烧坏PLC的触点，使PLC损坏或者是数码管长时间工作，发热导致数码管损坏；如果电流太小，会影响数码管的显示亮度，甚至不亮，因此对限流电阻的选定很苛刻。不仅这些还需要测定数码管的共阴共阳，以此来确定是否能够和PLC的输出触点匹配。经过测试最终选定了共阳的5寸七段数码管。3 系统软件设计3.1 系统功能流程图液位控制系统在上电之后，系统首先要进行初始化，通过GX软件将网络参数写入主站及本地站中，然后按下启动按钮，系统启动。液位计将采集来的信号输入A/D模块中，通过A/D模块的转换将数据输入主站中，主站进行处理后，分别送入从远程设备站D/A站中，通过内部的数据处理，在D/A模块的数字表头中显示，方便监视信号的处理是否完成；同时数据通过红外中继器的传送，送入PLC中，使用FROM指令接受数据，同时使用数据传送MOV指令，数据除法DIV指令，7段码译码SEGD指令等功能指令，将不断变化的液位高度数据传给7段码译码SEGD指令，7段码译码SEGD指令再驱动数码管，显示不断变化的液位。如图3-1为系统功能流程图。图3-1 系统功能流程图3.2 系统方案设计及原理在水塔中经常要根据水面的高低进行水位的自动控制，同时进行水位压力的检测和控制。通常情况下，水塔的水位具有严格的控制，为此会安装压力传感器或液位传感器等进行监测，本系统就是模拟了水塔在正常工作下的状态。系统设计具有水位检测、报警、自动上水和排水、压力检测等功能。3.2.1 液位高度采集和控制液位高度的检测主要通过两路液位计来采集，在模拟水塔的液位箱中安装两个液位计。安装位置分别为2 CM的A处和45 CM的B处，如图3-2所示。当液位高度低于2 CM的时候，电磁阀得电，电磁阀打开液位箱自动加水，当液位高度超过45CM的时候，电磁阀失电，电磁阀关闭液位箱自动停止加水。电磁阀的得电与失电，由远程I/O模块的O模块控制。系统采用的液位计是ZRN701投入式液位计。ZRN701投入式液位计采用进口充油硅芯片，不锈钢全封焊结构设计，具有良好的防潮性能和极强介质兼容性，可用于许多工业场合较弱的腐蚀性介质中；电路部分的关键元器件、压力敏感芯子，选用国际著名品牌的元器件采用国际生产标准工艺，它各项技术指标均达到国际水平，具有很好的稳定性和较高的精度。广泛应用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、油池、水文地质、水库、河道、海洋等场所。图3-3是ZRN701投入式液位计的外形结构。ZRN701投入式液位计技术参数 （1） 全封闭式电路，具有防潮、防结露、防渗漏功能 （2） 量程：00.5mH2柱至0.200mH2O柱 （3） 可选一体式、分体式（可选指针显示、LED显示、LCD显示） （4） 精度：0.1%FS、0.25%FS、0.5%F （5） 供电：24VDC （6） 外型尺寸长约110mm, 直径26mm （7） 输出：420mA、05VDC、15VD （8） 工作温度：-20+60 （9） 适用于液位测量 （10） 密封级别：IP68 （11） 激光调阻温度补偿，使用温域 图3-2 水箱液位高度采集 图3-3 ZRN701投入式液位计3.2.2 液位高度监测水箱中的液位高度经过液位计的转换作用，输出为电信号。将此电信号输入A/D模块中，通过A/D模块的转换将此模拟信号转换为数字信号，由于A/D模块本身具有高精度的分辨率，系统中采用的是4000模式，即模拟信号输入为0-5VDC，A/D模块内部的输入数据为0-4000，因此液位高度的不同，液位计输出的信号不同，A/D模块内部也有一定的对用关系，为了确定输入的信号是否正确，特此分别在A/D和D/A模块的通道一中，接出一个数字表头，A/D模块的数字表头用来显示输入信号，D/A模块的数字表头用来监视信号是否出现异常。 3.3 CC-Link2系统程序设计CC-Link2控制系统是一个控制层，系