基于CCLink水位控制系统设计Word下载.docx
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特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。
在众多生产域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监制，以往常采用传统的继电器接触控制，使其硬连接器件多，可靠性差，自动化程度低。
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。
从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。
在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。
在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在水箱液位控制。
通过液位控制系统检测水箱的水位的高低，以免由于水箱水位的过高而在不了解的情况下，带来危险和财产损失。
1.2本文研究的目的和意义
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度、提高控制系统的可靠性和自动化程度，本文介绍了基于CC-Link液位控制系统的设计方案，系统采用模拟量实现液位的自动控制。
利用触摸屏设计人机界面，通过串行口和可编程控制器通信，通过CC-Link通信网络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。
基于CC-Link液位控制系统中可编程控制器（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、周期短，体积小，维护操作方便，易于通过CC-Link实现网络化，可实现多台PLC联机操作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设计法案的选取及设计步骤
2.1设计方案的选取
液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。
单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。
对于液位控制系统，常规的PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。
以下为采用PLC控制液位的优点。
（1）从控制方式上比较：
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）从工作方式上比较：
电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。
（3）从控制速度上比较：
PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。
（4）从定时，计数上比较：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；
有计数功能。
（5）从可靠性，可维护性上比较：
电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。
综上，考虑到设计需达到的性能要求，同时考虑到成本需要把PID控制去掉，且同时要求远程控制与现场操作，这里选择PLC控制方式。
最终形成的方案是，利用PLC为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。
根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由PLC控制电磁阀的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。
检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开进水电磁阀，停止进水；
检测值若低于下限设定值，要求报警，开启电磁阀，控制开始放水。
现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
2.2PLC控制系统设计的步骤
对控制任务的分析和软件的编制，是PLC控制系统设计的两个关键环节。
通过对控制任务的分析，确定PLC控制系统的硬件构成和软件工作过程；
通过软件的编制，实现被控对象的动作关系。
PLC控制系统设计的一般步骤为：
（1）对控制任务进行分析，对较复杂的控制任务进行分块，划分成几个相对独立的子任务，以减小系统规模分散故障。
而且每个子任务都具有一定的复杂程序，机械设备上也相对独立。
（2）分析各个子任务中执行机构的动作过程。
通过对各个子任务执行机构动作过程的分析，画出动作逻辑关系图，列出输入信号和输出信号，列出要实现的非逻辑功能。
对于输入信号，按钮输入信号占用一个输入点，接触的辅助触点不需要输入PLC，故不作为输入信号。
对于输出信号电磁阀作为输出信号占用一个输出点，对于状态显示，如果是输出执行器件的动作显示，可与输出执行器件的动作的显示，可与输出执行器件共用输点，出不再作为新的输出信号；
如果是非动作显示，如“运行”，“停止”，“故障”等指示，应作为输出信号占用输出点。
（3）根据输入输出信号的数量，要实现的非逻辑功能，输入输出信号的空间分布情况，选择PLC。
（4）根据PLC型号，选择信号输入器件，输出执行器件和显示器件等。
（5）进行输入输出（I/O）口的分配，绘出控制系统硬件原理图，设计控制系统主回路。
（6）利用输入信号开关板模拟现场输入信号，根据动作逻辑关系图编制PLC程序，进行模拟调试。
（7）制作控制柜。
（8）进行现场调试，对工作过程中可能出现的各种故障进行模拟，考察PLC程序的完整性和可靠性。
（9）编制技术文件，进行控制系统现场试运行。
3设计系统的组成
该系统网络有CC-LINK1和CC-LINK2,CC-LINK1是控制级的CC-LINK网、CC-LINK2是生产设备级的CC-LINK网。
下控制图是模拟工厂网络图。
下图的CC-LINK1是由主站A、本地站B以及人机界面组成的，各个CPU之间进行数据的交互，反应生产实际情况，然后通过数据线上传到管理部门（触摸屏）。
CC-LINK2是有主站（CC-LINK1本地站）、远程I/O站、远程设备站组成，该网络主要是模拟生产线的工作情况。
大概的工作原理是：
液位计将液位的高度转化成0—5V电信号输出，经由A/D模块采集转换成0—4000的模拟信号送到CC-LINK2网络中的主站进行处理，然后分别送到D/A模块、远程设备站FX3U—PLC、CC-LINK1网络主站A。
经D/A模块送到电压表显示电压值；
经远程设备站FX3U—PLC处理送到数码管显示液位高度；
经CC-LINK1网络主站A处理后分别送给本地站B和触摸屏，进行指示灯显示和模拟画面显示。
Error!
Referencesourcenotfound.为系统的实物图，该实验系统可供进行CC-LINK网络的主站和本地站、远程IO站、远程设备站的连接设置参数，以及编程功能测试。
CC-LINK已有应用场合半导体电子产品PCB生产线、汽车涂装系统，楼宇工厂控制管理等布线较长的场合。
如下Error!
Referencesourcenotfound.所示为系统示意图。
图31系统示意图
图32实物图
3.1PLC的发展现状
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；
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工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
3.1.1三菱QPLC
液位控制系统采取的三菱Q系列PLCError!
Referencesourcenotfound.为主站。
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。
图33三菱Q系列PLC
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。
特殊设计的过程控制CPU模块与高分辨率的模拟量输入/输出模块，可以适合各类过程控制的需要。
最大可以控制32轴的高速运动控制CPU模块，可以满足各种运动控制的需要。
3.1.2Q02HPLC
CC-Link网络中主站本地站均采用Q02HPLC作为主站。
高性能型Q02HCPU是以中大规模系统为对象的，在大幅提高CPU模块处理性能和程序寄存器容量的同时，还提高了与网络模块，编程用外围设备之间数据通信的性能。
支持的本地I/O最大可达4096点，程序容量最大有252K步。
最快指令仅需34纳秒。
除了可以使用梯形图、语句表、ST（结构化文本，类高级语言）、SFC、FB等5种编程语言进行编程外还支持结构化编程，最大程序数量为252个。
内置标准RAM及ROM，还可插存储卡。
有12M的USB和115K的RS232两个编程接口（除Q02CPU）。
高性能QCPU可支持多达4个CPU，一个系统中可集成顺控CPU、过程控制CPU、运动控制CPU（最大96轴）、PCCPU。
（1）标准规格
项目
指标
操作环境温度
0～55℃
储存环境温度
_25～75℃﹡3
5～95﹪RH﹡4无凝结
抗震性
符号标准JIS
B
61131-2
频率
加速度
振幅
扫描次数
有间歇振动时
10t～57Hz
—
x,y,z各方向上各10次（80分钟内）
57～150Hz
s2
有连续振动时
10～57Hz
抗冲击性
符合JISB3501,IEC61131-2为依据（147m/s2,XYZ方向各3次）
工作环境
无腐蚀性气体存在
使用地高度
≤2000m（6662m）
安装位置
控制板内
过电压种类﹡1
最大||
污染度﹡2
≤2
（2）性能规格
型号
Q02CPU
Q02HCPU
Q06HCPU
Q12HCPU
Q25HCPU
备注
控制方式
存储程序的反复运算
输入输出控制方式
刷新方式
可以利用软元件名直接输入输出
程序语言
顺序控制专用语言
继电器符号语言（梯形图）、逻辑符号语言（列表），
MELSAP-3（SFC）,MELSAP-L
处理速度（顺控指令）
LO
79ns
34ns
MOV（MOVDOD1）
237ns
102ns
恒定扫描（保持扫描时间恒定的功能）
～2000ms（可以为单位设置）
利用参数进行设置
程序容量
步数
28k步
60k步
124k步
252k步
文件数
28（个）
60（个）
124（个）
252（个）
其中SFC/MELSAP-L为2个
输入输出软元件点数
8192点（X/YO～1FFF）
输入输出点数
4096点（X/YO～FFF）
软件元点数
内部继电器（M）
默认8192点（M0～8191）
可以利用参数在字的范围内变更
链存继电器（L）
默认8192点（L0～8191）
链存继电器（M）
默认8192点（80～1FFF）
定时器（T）
默认8192点（T0～2047）（低速定时器共用）
低速定时器/高速定时器的切换采用指令设置
低速定时器/高速定时器的计测单位用参数设置
低速定时器：
1～1000ms,1ms单位，默认100ms
高速定时器：
～1000ms,单位，默认10ms
累加定时器（ST）
默认0点（ST0～2047）（低速定时器/高速定时器共用）
计数器（C）
1普通计数器
默认1024点（CO～12287）
2
中新计数器最大2128点（默认0点，利用参数进行设置）
数据寄存器（D）
默认12288点（D0～12287）
链接寄存器（W）
默认8192点（W0～1FFF）
报警器（F）
默认2048点（F0～2047）
边沿继电器（V）
默认2048点（V0～2047）
文件继电器®
32768点
32768点/65536点
131072点
软元件点数为固定
链接特殊继电器（S8）
2048点（SBO～7FF）
链接特殊寄存器（SW）
2048点（SWO～7FF）
步进继电器（S）
8192点（SO～8191）
变址寄存器（Z）
16点（20～15）
指针（P）
4096点（PO～4095）,利用参数设置文件内指针/适用指针
中断指针（I）
的实用范围256点（10～255）
利用参数设置系统中断指针128～131的限定周期间隔
（～1000ms
单位）
特殊继电器（SM）
2048点（SWO～2047）
特殊寄存器（SD）
2048点（SDO～2047）
功能输入（FX）
16点（FX0～F）
功能输出（FY）
16点（FY0～F）
功能寄存器（FD）
5点（FDO～4）
链接直接软元件
直接存取链接软元件的软元件
指定形式：
J□□￥□□
智能功能模块直接软元件
直接存取智能功能模块的缓冲存储器的软元件
U□□￥G□□
链存（停电保持）范围
L0～8191（默认）
可以对B,F,V,T,ST,C,W,D进行缓冲范围设置
运程PUN/PAUSE接点
可以从X0～1FFF之中设置RUN/PAUSE接点各1点
时钟功能
年、月、日、时、分、秒、星期（润年
自动判别）
精度在0℃时～↑+（TYP+秒/天
精度在25℃时～↑+（TYP+秒/天
精度在0℃时～↑+（秒/天
容许瞬间停电时间
根据电源模块
参照电源模块项
DC5V内部消耗电流
重量
外形尺寸
98（H）
×
（W）×
（D）（mm）
3.2CC-Link通信系统
CC-Link是Control&
CommunicationLink（控制与通信链路系统）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1996年11月，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，并第一次正式向市场推出了CC-Link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。
由于CC-Link研发和公布的时间相对较晚，在业内的硬件和软件的基础相对较为完善和先进，故在技术层面上有其得天独厚的优势。
1998年，汽车行业的马自达、五十铃、雅马哈、通用、铃木等也都成为了CC-Link的用户，而且CC-Link迅速进入中国市场，目前在中国许多重大的工程项目和典型设备中有大量的应用。
随着技术的发展和进步，根据客户的需求和市场的需要，分别于2002年推出了CC-Link/LT,2003年初推出了CC-LinkCC-Link/LT是比CC-Link更低端，价格更便宜，更能满足现场分布式应用的网络，它使CC-Link在技术层面上更加丰满，使用上更加简单方便。
CC-Link是在CC-Link的基础上将数据容量扩大了8倍，使得它更适合于半导体制造等需要大容量和稳定的数据通讯领域。
3.2.1CC-Link特性
融合了控制与信息处理的现场总线CC-LINK（Control&
CommunicationLink）是一种省配线、信息化的网络，它不但具备高实时性、分散控制、与智能设备通信、RAS等功能，而且依靠与诸多现场设备制造厂商的密切联系，提供了开放式的环境。
与其他现场总线相比，他具有如下独特的特点：
（1）系统构成：
一个主站，可以连接远程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。
Referencesourcenotfound.所示
图34系统构成
开放网络为了将各种各样的现场设备直接连接到CC-LINK上，与国内外众多的设备制造商建立了合作伙伴关系，以及用户可以很从容地选择现场设备，以构成开放式的网络。
独立的非盈利性机构“CC-LINK协会”（CC-LINKPartnerAssociation，简称CLPA）有效地在全球方位内推广和普及CC-LINK技术，到2004年8月，CPLA成员数量为550多家公司，拥有近600种兼容产品。
（2）通信速度和距离CC-LINK到达了行业中最高的通讯速度（10Mbit/s），可确保需高速相应的传感器输入和智能化设备间的大容量数据的通信。
（3）CC-LINK站的类型见Error!
Referencesourcenotfound.所示。
CC-LINK站的类型
内容
主站
控制CC-LINK上全部站，并需设定参数的站。
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的站，如A/QnA/Q系统PLC等
备用主站
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，如远程I/O模块、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
表31CC-LINK站的类型
3.3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。
3.3.1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2CM的A处和45CM的B处，如Error!
当液位高度低于2CM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
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