PLC的液位控制设计.docx
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PLC的液位控制设计
南山学院
毕业论文
题目PLC的液位控制设计
************************
所在学院：
____自动化工程学院
所学专业：
电气工程及其自动化
班级___电气工程2+2
学号___************
*************************
完成时间：
____2012年4月
毕业论文（设计）任务书
论文题目
PLC的液位控制设计
院部
自动化工程学院
专业
电气工程及其自动化
班级
2+2
毕业论文（设计）的要求：
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用海利普公司的HLPA03D743B变频器，系统中由信捷XC3系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
基于信捷XCPPro的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。
系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
毕业论文（设计）的内容与技术参数
本设计使用的是软件是信捷XCPPro编程软件,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
技术参数：
（1）利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。
（2）在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：
增益Kc=0.25。
（3）采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
毕业论文（设计）工作计划
2011．12看关于单片机原理的书籍；2012。
01看关于自动控制关于比例积分微分有关书籍；2012.01看有关显示电路，输出控制电路和故障报警电路的书籍；2012.02制定开题报告；2012.03开始编写论文：
a编写所用到的各种元器件的原理和简单介绍b完成主题设计思路完成电路图设计；2012.03编写主程序；2012.04完成装置的调试工作；2012.04.15完成设计总结
接受任务日期2011年12月5日要求完成日期2012年4月15日
学生解健（签名）2012年4月2日
指导教师（签名）年月日
院长（主任）（签名）年月日
摘要
自从三十多年前将PLC引进以来，PLC已经在广泛的工业领域中成为几十万控制系统的基础。
在众多生产领域中,经常需要对贮槽,贮罐,水池等容器中的液位进行监控,以往采用传统的继电器接触器控制,使用的硬件连接多,可靠性差,自动化程度不高,目前已有许多企业采用先进控制器对传统控制器进行改造,大大提高了控制系统的可靠性和自动化程度,为企业提供了更可靠的生产保障.
本文介绍了基于信捷XC3型可编程控制器（PLC）,组态软件的液位控制系统的设计方案.系统采用PID算法,实现液位的自动控制.利用组态软件设计人机界面,通过串行口和可编程控制器通信,实现控制系统的实时监控,现场数据的采集与处理,其结构简单,监控系统不仅自动化程度高,还具有在线修改功能,灵活性强.
关键词:
PLC液位控制触摸屏变频器
Abstract
SincethirtyyearsagototheintroductionofPLC,thePLChasbecomethebasisofhundredsofthousandsofcontrolsystemsinawidevarietyofindustries.Inmanyareasofproduction,oftenneedtomonitortheliquidlevelinthetank,tanks,poolsandothercontainers,inthepastusingthetraditionalrelaycontactorcontrolhardwareusedtoconnectmultiple,poorreliability,andhighdegreeofautomation,thecurrentmanyenterpriseshaveadvancedcontrollertotransformthetraditionalcontroller,greatlyimprovingthereliabilityanddegreeofautomationofthecontrolsystemtoprovideenterpriseswithamorereliableproduction.
ThisarticledescribesNobukatsuXC3programmablelogiccontroller（PLC）,theconfigurationsoftwarelevelcontrolsystemdesign.SystemusesaPIDalgorithmtoachieveautomaticcontrolofthelevelusingtheconfigurationsoftwaredesignman-machineinterface,throughtheserialportandtheprogrammablecontrollercommunication,real-timemonitoringofthecontrolsystem,fielddataacquisitionandprocessing,itssimplestructure,themonitoringsystemisnotonlythedegreeofautomation,butalsohastheonlineeditingfeaturesandflexibility.
Keywords:
PLClevelControlTouchScreenInverter
1绪论
1.1PLC的液位控制设计的背景
20世纪20年代起,人们把各种继电器､定时器､接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统,控制各种生产机械,这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统｡由于它结构简单,容易掌握,价格便宜,在一定范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在工业控制领域中一直占主导地位｡但是继电接触器控制系统有明显的缺点:
设备体积大,可靠性差,动作速度慢,功能少,难与实现较复杂的控制,特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统,接线复杂,当生产工艺或对象改变时,原有的接线和控制盘就要更换,所以通用性和灵活性较差｡
20世纪60年代末期,美国的汽车制造业竞争激烈,各生产厂家的汽车型号不断更新,它必然要求生产线的控制系统亦随之改变,以及对整个开展系统重新配置｡为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚,适应白热化的市场竞争要求,1968年美国通用汽车公司公开向社会招标,对汽车流水线控制系统提出具体要求,归纳起来是:
编程方便,可现场修改程序;维修方便,采用插件式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘;数据可直接送入管理计算机;成本可与继电器控制盘竞争;输入可以是交流150V以上;输出为交流115V,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器,电磁阀等;扩展时原系统改变最小;用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）｡十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式,实现大规模生产线的流程控制｡
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义:
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部进行存储执行逻辑运算､顺序运算､定时､记数和算术运算等功能的面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入或输出,控制各种类型的机械或生产过程｡可遍程序控制器及其相关外部设备,都应按照易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计｡
1.2PLC的液位控制设计设计的内容
本课题将在以下几方面对液位系统进行研究和论证:
控制系统可以根据生产的需要对液位进行来设定,当液位低于设定限位时自动启动水泵进行加液,当液位到达设定值时停泵,操作人员可以通过触摸屏进行液位设定,控制监控等操作｡
1.3PLC的液位控制设计的目的和意义
可编程控制器（PLC）因为抗干扰能力强,可靠性好,控制系统结构简单,通用性强,编程方便,易于使用,设计､施工､调试､的周期短,体积小,维护操作方便,易于实现网络化,可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广,最广泛的通用工业控制装置,成为当代工业自动化的主要支柱之一｡通过PLC对程序设计,提高液位系统的控制水平｡因此PLC在液位控制系统中应用非常广泛,具有很高的应用价值｡
2系统控制方案的确定
2.1采用PLC控制液位的优点
2.1.1从控制方式上比较
用继电接触器控制完成一项控制工程,必须首先按工艺要求画出电气原理图,然后画出继电器屏的布置和接线图等,进行安装调试,以后修改起来十分不便｡而采用PLC控制,由于其硬软件齐全,为模块化积木式结构,且已商品化,故仅需按性能､控制要求设计控制程序,而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能｡
2.1.2从工作方式上比较
电器控制并行工作,而PLC串行工作,不受制约,I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路;在结构上对耐热､防潮､防尘､抗震等都有周到的考虑｡
2.1.3从可靠性,可维护性上比较
电器控制接触点多,会产生机械磨损和电弧烧伤,接线较多,可靠性,维护性差;而PLC无触点,采用密封､防尘､抗震的外壳封装结构,能适应工作现场的恶劣环境,使用寿命长,且有自我诊断功能,对程序执行的监控功能,现场调试和维护方便｡
2.2系统设计的基本步骤
在液位控制系统的设计过程中主要考虑以下几点:
深入了解和分析液位控制系统的工艺条件和控制要求;确定I/O设备;根据液位控制系统的功能要求,确定系统所需的输入,输出设备;根据I/O点数选择合适的PLC类型;分配I/O点,分配PLC的输入输出点,编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图;设计液位控制系统的梯形图,根据控制要求设计出周密完整的梯形图程序,这是整个液位控制系统设计的核心工作;将程序输入PLC进行软件测试,查找错误,使系统程序更加完善;进行液位控制系统的整体联机调试,调试中发现的问题逐一排除,直至调试成功｡具体系统设计步骤如图2-1所示｡
图2-1系统设计步骤图
2.3系统控制方案
系统控制原理如图2-2所示,系统主要是由触摸屏､可变程序控制器变频器（PLC）､液位计､配电装置以及水泵等组成｡
图2-2系统控制图
系统带有触摸屏显示装置,可以显示系统的工作状态､当前压力､贮水池水位､设定压力､压力曲线､变频器频率､等各种控制参数等｡系统工作压力可以由触摸屏设置｡变频器的作用是为三相水泵的电机提供可变频率的电源,实现电机的无级调速,从而使水管的水压连续变化｡液位计的作用是检测当前液位压力｡在PLC内部设定液压期望值,压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后,经可编程控制器内部PID控制运算输出给变频器一个控制信号｡
图2-3系统原理图
3系统硬件设计
3.1可编程控制器（PLC）的选型
3.1.1如何选购PLC产品
在现代化的工业生产设备中,有大量的数字量及模拟量的控制装置,例如电机的起停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度､压力､流量的设定与控制等,工业现场中的这些自动控制问题,若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一｡
硬件选购目前市场上的PLC产品众多,除国产品牌外,国外有:
日本的OMRON､MITSUBISHI､FUJJ,德国的SIEMENS,韩国的LG等｡近几年,PLC产品的价格有较大的下降,其性价比越来越高,这是众多技术人员选用PLC的重要原因｡那么,如何选购PLC产品呢?
首先,系统规模首先应确定系统用PLC单机控制,还是用PLC形成网络,由此计算PLC输入､输出点数,并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）｡
第二,确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型,是大电流还是小电流,以及PLC输出点动作的频率等,从而确定输出端采用继电器输出,还是晶体管输出,或品闸管输出｡不同的负载选用不同的输出方式,对系统的稳定运行是很重要的｡
第三,存储容量与速度,尽管国外各厂家的PLC产品大体相同,但也有一定的区别｡目前还未发现各公司之间完全兼容的产品｡各个公司的开发软件都不相同,而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标｡一般存储容量越大､速度越快的PLC价格就越高,但应该根据系统的大小合理选用PLC产品｡
第四,编程器的选购PLC编程可采用三种方式:
一种是用一般的手持编程器编程,它只能用商家规定语句表中的语句编程｡这种方式效率低,但对于系统容量小,用量小的产品比较适宜,并且体积小,易于现场调试,造价也较低｡还有一种是用图形编程器编程,该编程器采用梯形图编程,方便直观,一般的电气人员短期内就可应用自如,但该编程器价格较高｡再一种是用IBM个人计算机加PLC软件包编程,这种方式是效率最高的一种方式,但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵,并且该方式不易于现场调试｡
因此,应根据系统的大小与难易,开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品｡
3.1.2PLC的选型标准
世界上有很多厂商生产PLC,如德国的西门子､日本的三菱､松下,美国GE公司等
完成系统的设计主要是选型和程序设计｡但是由于PLC应用在不同场合,有不同的工艺流程,对控制功能有不同的要求,由于各程序难易程度不一样,因此有一定的选择标准,主要表现在:
PLC机型选择主要考虑I/O点数｡根据控制系统所需要的输入设备（如按钮､限位开关､转换开关等）､输出设备（如接触器､电磁阀､信号指示灯等）以及A/D､D/A转换的个数,确定I/O的点数｡一般要留有一定裕量（约占10%）,满足生产发展和工艺的改进;随着PLC功能日益完善,很多小型机也具有中､大型机的功能｡对于PLC的功能选择,一般只要满足I/O点数,大多数机型也能满足｡目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块､A/D､D/A转换模块,以及高级指令､中断能力与外设通信能力;PLC一般根据I/O点数的不同,内存容量会有相应的差别｡在选择内存容量时同样应留有一定余量,一般时实际程序的25%｡不应单纯追求大容量,以够用为原则;在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性｡如果是单机系统控制,I/O点数不多,不涉及PLC之间的通信,但又要求功能更强,要求有处理模拟信号的能力,可选择整体式机,如松下FP0､FP1､FP-M系列,以及OMRONC200H系列等｡如果仅有开关量控制,可选择OMRONC系列P型机､西门子S7-200,三菱F1､FX系列等;一个企业尽量选择同一类型的PLC,同一机型PLC模块可互为利用,便于采购管理,同一机型PLC的功能､编程方法相同,有利于技术人员水平的提高,同一机型PLC,其外围设备通用,资源共享,易于联网通信,与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统｡
3.1.3PLC机型的选择与特点
目前,国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品,使用户眼花缭乱｡通过对输入输出点的选择,对存储容量的选择,对I/O响应时间的选择对PLC价格的考虑以及厂家的售后服务,决定使用无锡信捷科技有限公司生产的XC系列的XC3型号的可编程控制器,如图3-1所示｡
XC系列PLC的几大优势:
阵容强大的全系列PLC,广泛适用于多种场合;具备3通道､80KHz､32位高速计数功能;24段高速计数中断功能;高达400KHz的脉冲输出,最多支持4路;强大的通讯和组网能力;业内首创的以C语言编写功能块指令;独创的I/O点切换功能;本体加入PID控制功能;中断功能;丰富的扩展性能｡
产品规格如表3-1:
表3-1模块规格
项目
模拟量输入
模拟量输出
电压输入
电流输入
电压输出
电流输出
模拟量输入范围
0~5V,0~10V
0~20mA,4~20mA
-
最大输入范围
DC±18V
0~40mA
-
电压输入
电流输入
电压输出
电流输出
模拟量输入范围
0~5V,0~10V
0~20mA,4~20mA
-
最大输入范围
DC±18V
0~40mA
-
模拟量输出范围
-
0~5V､0~10V,
（外部负载电阻2KΩ~1MΩ）
0~20mA､4~20mA
（外部负载电阻小于500Ω）
数字输入范围
-
12位二进制数（0~4095）
数字输出范围
14位二进制数（0~16383）
-
分辨率
1/16383（14Bit）;转换数据以16进制形式存入PLC（14Bit）
1/4095（12Bit）;转换数据以16进制形式存入PLC（12Bit）
PID输出值
0~K4095
综合精确度
0.8%
转换速度
20ms/1通道
3ms/1通道
模拟量用电源
DC24V±10%,100mA
安装方式
可用M3的螺丝固定或直接安装在DIN46277（宽35mm）的导轨上
端子说明:
表3-2端子说明
端子信号:
表3-3端子信号
通道
端子名
信号名
CH0
AI0
电流模拟量输入
VI0
电压模拟量输入
C0
CH0模拟量输入公共端
CH1
AI1
电流模拟量输入
VI1
电压模拟量输入
C1
CH1模拟量输入公共端
CH2
AI2
电流模拟量输入
VI2
电压模拟量输入
C2
CH2模拟量输入公共端
CH3
AI3
电流模拟量输入
VI3
电压模拟量输入
C3
CH3模拟量输入公共端
CH0
AO0
电流模拟量输出
VO0
电压模拟量输出
C0
CH0模拟量输出公共端
CH1
AO1
电流模拟量输出
VO1
电压模拟量输出
C1
CH1模拟量输出公共端
-
24V
+24V电源
0V
电源公共端
3.2水泵选型
水泵有很多种,从原理上可以分为气压泵,离心泵,轴流泵,混流泵,螺旋泵等｡气压泵是靠大气压提升水位｡凭借活塞的运动,制造出一个近似真空,外部大气压将水压上来｡这种泵液位依赖与大气压所以提升水的高度有限｡离心泵的原理是离心现象,是依靠也叶轮叶片的转动产生离心的作用,将液体甩出｡所以,输送效果依赖叶轮的转速,直径等因素｡
本课题将采用ISW系列卧式单级单吸离心泵如图3-4,该泵是在吸收国内外同类产品先进技术的基础上,采用国内通用离心泵之性能参数,自行研制开发的新一代节能､环保卧式离心泵｡该系列泵性能优､可靠性高､寿命长､结构合理､外形美观,具有行业领先水平｡产品特点有:
运行平稳;滴水不漏;噪音低;故障率低维修方便;占地更省｡
3.3变频器选型
变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术､电子电力技术､微电子技术和计算机技术的基础上｡它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电､容易实现对现有电动机的调速控制､可以实现大范围内的高效连续调速控制､实现速度的精确控制｡容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动｡完善的保护功能:
变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别（如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等）,并立即封锁输出电压｡这种“自我保护”的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏｡
由于选用的是配带功率为3KW的水泵,所以将采用HLPA03D743B,其规格如表3-4所示
表3-4海利普HLPA03D743B变频器产品规格
项目名称
HLP-A
控制方式
SPWM
输入电源
220V电源:
170~240
五位数码显示
及状态指示灯
显示频率､电流､转速､电压､计数器､温度､正反转状态､故障等｡
通信控制
RS-485
操作温度
-10~40℃
湿度
0~95%相对湿度（不结露）
振动
0.5G以下
频率控制
范围
0.10~400.00Hz
精度
数字式:
0.01%（-10~40℃）;模拟式:
0.1%（25±10℃）
设定解析度
数字式:
0.01Hz;模拟式:
最大操作频率的1‰
输出解析度
0.01Hz
键盘设定方式
可直接以←∧∨设定
模拟设定方式
外部电压0-5V,0-10V,4—20mA,0—20mA｡
其它功能
频率下限,启动频率,停车频率､三个跳跃频率可分别设定
一般控制
加减速控制
4段加减速时间（0.1-6500秒）任意选择
V/F曲线
可任意设定V/F曲线
转矩控制
可设定转矩提升,最大10.0%启动转矩在1.0Hz时可达150%
多功能输入端
6个多功能输入端,实现8段速控制,程序运行,4段加减速切换,UP､DOWN机能､计数器,外部急停等功能
多功能输出端
有5个多功能输出端,实现运转中､零速､计数器､外部异常､程序运行等指示及报警
其它功能
自动电压稳压（AVR）､减速停止或自由停止､直流刹车,自动复位再起动,频率跟踪,PLC程序控制､横动控制､载波可调,最高达20KHz等
保护功能
过载保护
电子电驿保护马达
驱动器（恒转矩150%/1分钟,风机类120%/1分钟）
FUSE熔断保护
FUSE熔断,马达停止
过电压
220V线:
直流电压>400V;380V线:
直流电压>800V
不足电压
220V线:
直流电压<200V;380V线:
直流电压<400V
瞬间停电再起动
瞬停后可以频率跟踪方式再起动
失速防止
加/减速运转中失速防止
输出端短路
电子线路保护
其它功能
散热片过热保护,反转限制,开机后直接起动及故障复归之功能,参数锁定等｡
3.4触摸屏选型
3.4.1触摸屏的工作原理
为了操作上的方便,人们用触摸屏来代替鼠标或键盘｡工作时,我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入｡触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成;触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器;而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行｡
3.4.2触摸屏的主要类型
从技术原理来区别触摸屏,可分为五个基本种类:
矢量压力传感技术触摸屏､电阻技术触摸屏､电容技术触摸屏､红外线技术触摸屏､表面声波技术触摸屏｡
电阻触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境,不怕灰尘和水汽,它可以用任何物体来触摸,可以用来写字画画,比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用;表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面､球面或是柱面的玻璃平板,安装在CRT､LED､LCD或是等离子显
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