【《某水箱液位控制系统的硬件和软件设计案例》5000字】

某水箱液位控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2723某水箱液位控制系统的硬件和软件设计案例 129932第1章系统硬件设计 1148221.1控制器的硬件选型 1269181.2电源模块选型 49771.3I/O模块选型 545391.4变频器选型 922191.5液位测量装置选型 12211261.6流量测量装置选型 14304361.7泵的选型 1966981.8电动调节阀选型 2031909第2章系统PLC软件设计 23143314．1控制器硬件组态 23180732.2PLC软件编程 24240792.3组态监控设计 26第1章系统硬件设计为了进一步准确的完成以上两套液位控制系统，进行合理的对抗样本生成平台搭建。特选取以下硬件组成硬件平台，进行相关的研究工作，1.1控制器的硬件选型在这次课题研究当中，结合相关要求，选取西门子S7-1200控制器，作为这次系统搭建的主控制器。S7-1200PLC系统，其设计结构非常紧凑，并非一体化的PLC设备。整体PLC控制系统扩展性比较强，在使用上面的灵活度也比较高。一般用于完成比较简单的自动化控制任务，以及相对应的基础性的通信任务。也是在日常学习跟工作当中，对于小型控制系统，所采取的一套较为精美的解决方案。在网络通信层面，也具有比较强大的功能，适用于日常的基础操作。也方便于接下来的设计以及相关工作开展，西门子S7-1200PLC实物图如图3-1所示：图3-1S7-1200PLC实物图西门子S7-1200PlC控制系统，大体分为5种不同的控制模块，其拥有比较强的扩展性，满足日常学习研究过程中绝大多数的控制要求。比如在选定的CPU模块当中，可以依照任务的不同，轻松的添加更多的数模转换I/O模块。这样的操作并不会增加此类控制器的实际大小。例如CPU1212C可连接的信号传递模块数为2个，而CPU1215C可连接的信号传递模块数为8个。其次，通信传输模块在西门子S7-1200CPU上的连接数量为3个左右，可以用于控制器两端的串行通信。CPU1215C型CPU的电路图如图3-2所示：图3-2CPU1215C型CPU的电路图西门子S7-1200的特色优势主要有：扩展性优秀，且扩展方式非常的简易和灵活。信号模块可以满足对于一些特殊的数模I/O口要求，CPU可以提供扩展的信号模块数量为8个，满足对I/O口大量的适配需求[16]。信号板西门子S7-1200的一个信号板可以将多个CPU连接起来，并可以在模拟量模块与数字量模块的需求上的不同，在控制器上添加相应的模块。这样操作并不会影响整个控制器所占空间的大小。西门子S7-1200PLC正是因为这样高度模块化的设计，方便了在不同的控制场景下，进行自行设计相应控制系统，满足于不同使用者个性化的需求。S7-1200PLC集成了PROFINET接口用于日常控制系统的编程，以及两个PLC之间的通信。这样的接口可与第三方设备进行相互通信连接。即使这些设备处于开放的以太网环境内。此类接口具有一定的纠错能力的RJ45连接器，在以态网的连接数量上为16个。并且拥有多种类型的通信协议，该型通信所用于的控制使用接口数量，符合日常的接口数量标准。在实际的现场通讯应用过程当中，拥有很好的表现。在标准的通信方式上也支持TCP标准的通信方式。1.2电源模块选型在本次设计过程当中对电源模块的选型，选用的是西门子系列PS307-5A，其的输出电流为5A，在直流电压输出方面为24V。该型的电源模块的连接接线图如3-3所示。其中图中1号位置显示的是24伏DC电压是否存在，图中2号位置显示的是24VDC电压的开关，图中3号位置显示的是保护性导体的接线端子与主回路的连接情况，图中4号位置显示的是输出电压24vDC的输出接线端，图中5号位置显示的是张力消除情况统计。图3-3电源模块的连接接线图1.3I/O模块选型（一）模拟量输入模块在本次设计当中需要选取2块4个通道8个点位的模拟量输入相应模块。在结合多种资料之后，选取的型号为SM331-AI8×16位模拟输入模块，SM331-AI8×16位模块拥有4个通道和8个点位的输入。可编程的数据类型在每个通道当中为电压和电流，并且具有优势的是，在每个通道组当中，各个的测量范围均可由实际情况个性化选择。该型CPU加入了电气隔离的安全保护装置，可以进一步的保证整个控制系统能够平稳运行。[17]SM331-AI8×16模块的方框图如图3-4所示，SM331-AI8×16的设备接线图如图3-5所示图3-4SM331模块方框图图3-5SM331设备接线图模拟量输出模块根据整个控制系统的相关设计要求，我们选取了1块4通道的模拟量输出模块，其具体的输出模块型号为SM332-AO4×12。此行模拟量输出模块的分辨率为12位，运行速度较以往产品有了较大的提升。在端口数量上面，此型模块拥有20个接线端口。输出内容既可以为电压输出内容，也可以为电流输出内容。在设计过程当中，所有的执行器的输入信号均为4~20mA的电流信号，所以在我们这个模块的使用上面，均采用的是电流输出模式。采用此类型输出的时候其方框图如3-6所示，其中图中1号位置显示的是等电位的连接端口，图中2号位置显示的是功能性接地端子，图中3号位置显示的是内部电源的连接指示，图中4号位置显示的是电气隔离对应指示，图中5号位置显示的是背板层面上的总线连接接口，图中6号位置显示的是模拟量转为数字量的转换器，该型模块的设备接线图如图3-7所示：图3-6SM332模块方框图图3-7SM332模块设备接线图1.4变频器选型变频器的工作是以变频技术加上微电子技术为技术基础的。变频机内部的工作原理是通过绝缘山双极型晶体管的打开和断开，用于调整电源输出电压和频率。其特点是可以根据所对应的电机的实际需求，为其提供合适的电压。这样做的优点是有可以给被匹配的电机提供很好的保护作用，而且在其改变电机的转速上具有一定的影响，其实物图如3-8所示:结合这次的实验设计，我们采取的变频器型号为FR-D720S-0.4KW变频器。其作为整个控制系统的执行器之一，以交流电压作为其的输出信号，用来控制泵的转速。进而能够控制相对应的流量。三菱变频器具有一套标准的接线方法，其标准的接线方法如图3-9所示，在图中的l1，l2，l3作为此变频器的三项交流电接入端子，然而我们在系统当中并不需要三相交流电只需要两相，所以我们将火线与零线选取合适的两个端口进行连接即可，因为整个PLC控制器模拟控制信号以电流信号为主，且其量程为4~20毫安，因此我们接到4号端口，在输出信号的选取当中，选择U和V两项。图3-8FR-D720S变频器实物图图3-9FR-D720S变频器接线图变频器的必须要有外围设备。因此变频器的外围设备有，断路器，电磁接触器，功率因数改善器等等。结合此次设计需求，本系统所采用的外部接线图如图3-10所示：图3-10变频器外部接线图1.5液位测量装置选型在液位测量装置选型上面，主要选取了701系列的扩散硅压力变送器，其具体型号为CRW1A1。其内部的核心组成构件为扩散硅压力传感器。所使用的电源是24伏的直流电源，其测量精度为0.25%.，其量程为0-5Kpa.，输出的信号为电流信号，信号范围是4-20mA。该型测量装置采用两线制工作，红色为电源正极线，蓝色为信号线，正极在其一引角上，联通电源正极，信号线在其二引脚上，为4~20毫安量程，连接到仪器的正极.变送器接线图如图3-11所示，变送器实物图，如图3-12所示，图3-11压力变送器接线图图3-12压力变送器实物图该型液位测量变送器，其原理结构为可控硅结构，其结构如图3-13所示。在单晶硅薄膜片上有一组长方形电阻，其制成材料为扩散式应变原件结构主体材料。它们的排列十分的规整，当外部的压力变化时，这些长条形的电阻阻值相对应的就会发生变化。从而将这样的变化阻值转化为相对应的压力值。其的灵敏度非常高，可以满足对精准的水箱液位的控制需求，其结构原理如图3-13所示，图3-13压力变送器原理结构图1.6流量测量装置选型在本系统中，主要采取两种流量测量器对出水流量和进水流量进行测量，以级上下水箱之间的中间水流量进行检测。在进水流量和出水流量当中，选取的是电磁流量计，选择的型号为SF10TD-C。此种类型的电磁流量计内壁设计十分光滑，没有相应的阻碍液流器件。压力损失可以忽略不计，它的供电电源采用的是220伏交流电源。它的测量结果并不受到液体的压力，温度，电导率等等因素而影响，工作的稳定性非常高。满足设计需求，其实物图如图3-14所示，其中黑色的线为信号线，白色的线为电源线，其内部接线图如图3-15所示。图3-14电磁流量计实物图图3-15电磁流量计内部接线图电磁流量计的根本原理是利用电磁感应定律来测量液位流速流量。在管道的内壁安装了相对应的磁铁。管内的液体流动就会带来切割磁感线的运动，进而会产生感应电动势，通过相对应的换算，用来测量管内的液体流量，其原理简图如图3-16所示，图3-16电磁流量计原理简图在本系统中，上水箱下水箱之间的液位测量，也可以选择涡轮流量计进行测量，本次选择的型号为LWGY10AP其实物图如3-17所示，该型涡轮流量计采用直流24V电源进行供电，测量精度为1%，输出的是电流信号范围为4-20mA.。额定工作压力需小于2.5MPa。其内部结构主要有法兰，前导向，叶轮，后导向，压紧圈等结构构成，其内部结构如图3-18所示。图3-17涡轮流量计实物图图3-18涡轮流量计内部结构图涡轮流量计的主要是依靠其内部中间的轴进行测量的。在导管的中心线上安装轴，当管内的液体以一定的速度流过涡轮时，液体就会推动涡轮让涡轮转动。实际中也是采用了电磁感应的方式进行测量。这种测量方式具有不接触，使用方便等优势和特点。因此涡轮流量计的涡轮叶片均采用导磁性材料制成，当液体推动涡轮进行转动时，会改变通过线圈的对应磁通量，进而产生感应电动势脉冲。通过测量脉冲来判断管内的涡轮转速，配搭配上电子脉冲技术装置和相应的计算程序，就可将脉冲信号进行记录。通过换算就可以得出流量，其接线图如图3-19所示。图3-1涡轮流量计接线图1.7泵的选型泵是整个控制系统当中液体流量的动力来源，结合本系统设计，选取的泵的型号为德国威乐RS15/6磁力泵，这类水泵的类型为屏蔽式水泵。具有自冷却自润滑的特点，采用50Hz220V交流电作为额定电压。其管的公称直径为15mm，泵的额定扬程为5m，额定流量为13L/min。此类泵的温度等级为95，对应的防护等级为IP42，泵的安装长度为1.3m，其实物图如图3-20所示，此类磁力泵的内部尺寸结构如图3-21所示，图3-20磁力泵实物图图3-21磁力泵内部结构图1.8电动调节阀选型电动调节阀作为水箱流量控制的执行机构，结合本设计的相关要求，选取的电动调节阀型号为QSTP-16K，这类电动调节阀为智能电动调节阀，调节阀的实物图如图3-22所示。电动调节阀的原理如下，电动调节阀是通过改变流经管路流量的横截面积，进行流量的调节的。通过流经管路的横截面积变化，调节管道内的流量。，图3-22电动调节阀实物图调节阀有以下几个部分构成，阀杆，阀体，阀芯，阀座以及相对应的电动调节机构，电动调节阀通过电动机构旋转螺纹上下移动，进而改变流经广物的横截面积，进而调节流量。在本系统中主要调节的是进水流量。电动执行机构调节阀的原理方框图如图3-23所示，电动调节阀接受由调节器送来的电流信号，通过内部预制的伺服放大机构传递给内部的电动机.再通过齿轮减速结构，带动调节阀转动。同时将阀杆的上下移动位置反馈给控制器。组成了一套随动控制系统，整个系统采取负反馈调节，用于保证输入的信号可以精确的变换为阀杆的上下移动行程。图3-23电动调节阀原理方框图所选取的此类调节阀直径为20X15mm，其所传递的介质温度需小于200摄氏度。其阀杆的运动行程为16mm，该行电动调节阀阀芯与流量特性图如图3-24所示。图3-24阀芯与流量特性图第2章系统PLC软件设计4．1控制器硬件组态因为本次控制系统所采用的是西门子S7-1200PLC，在对其进行编程和组态的时候。需要用到由西门子公司所研发的STEP7软件，其作为一套标准的组态和编程软件包，包含一系列工具。便于用户自主开发相适应的PLC控制系统，STEP7软件可以对控制系统硬件和控制系统连接网络实现组态。其具有操作简单，显示直观，便于修改等等优点。还提供了在线和离线编程两种编程模式，可以对plc程序进行上载和下载。[18]因此用户可以比较方便的完成一个相适用于自身的自动化解决方案。创建程序的步骤，如图4-1所示，其调用结构如图4-2所示：图4-1STEP7程序创建流程图图4-2STEP7程序调用结构图在利用STEP7软件编程时，需要对其硬件进行配置。结合前文所选择的I/O选项卡和CPU，其硬件配置如图4-3所示，因为在前文当中选择了两块模拟量输入SM331。地址范围512~543，模拟量输出模块SM332。地址范围是512~527。其地址范围配置图如图4-4所示：图3-12PLC硬件配置图图3-12硬件地址配置图2.2PLC软件编程参考相关资料，选取两套系统，对两套系统进行编程，单容水箱系统编程如图4-5所示，双容水箱系统编程，如图4-6所示：图