PLC水箱自动水位控制器设计.docx
《PLC水箱自动水位控制器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC水箱自动水位控制器设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
PLC水箱自动水位控制器设计
湖南文理学院
课程设计报告
课程名称：
自动化系统课程设计
专业班级：
自动化班学号（）
学生姓名：
指导教师：
完成时间：
2014年11月26日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
湖南文理学院制
一、设计题目
水箱自动水位控制器设计
二、设计要求
1、设计一自动水位控制器，使其具有均匀水流流出。
当水位降到一定程度时开始注水；
2、当水位升到一定水位时，停止注水，开始放水，要求给出信号。
三、设计作用与目的
在日常生活和工业生产中都要用到水箱，通过水泵将井水抽到高处的水箱中储存起来，平时就用水箱中的水，从而达到如同城市中的自来水一样方便的效果。
在使用中经常会将水箱中的水用干后才知道水箱中已没水了，此时才去合上水泵电源向水箱中供水，整个过程都需要人工参与，非常麻烦，有时还会一时疏忽而使水箱中的水满溢，弄得整个屋子都是水。
利用这款水箱水位自动控制器，能够实现如下功能：
水箱中的水位低于预定的水位时，自动启动水泵抽水；而当水箱中的水位达到预定的高水位时，使水泵停止抽水，始终保持水箱中有一定的水，既不会干，也不会溢，非常的实用。
四、所用设备及软件
三菱PLC（核心控制部件），高低位水箱的水位检测电路（由两个浮球液位开关将高低水位信号传送给PLC），水泵电动机控制电路（PLC控制启停及主备切换）；所用软件为GXWORK2和组态王。
五、系统设计方案
5.1系统总体设计
系统总体结构框图见附录1。
5.2系统工作原理
水箱水位自动控制系统由三菱PLC（核心控制部件），高低位水箱的水位检测电路（高低水位信号传送给PLC），水泵电动机控制电路（PLC控制启停及主备切换）组成；通过水位检测电路测得水箱的水位信号交由PLC处理，再由PLC对水泵电动机控制电路进行控制，该过程可由上位机的组态软件进行监控，本次设计在传统的水塔、水箱供水的基础上，加入了PLC及液压变送器等器件．利用PLC和组态软件来实现水塔水位的控制．提供了一种实用的水箱水位控制方案。
系统启动时，关闭出水口，控制输入控制液体阀，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，这种切换由一个输入的数字量控制，水池也有两个检测装置，得到的相关信息可对PLC进行调节。
六、系统硬件设计
6.1系统整体设计
系统整体设计如图1所示。
图1系统整体设计
6.2PLC选型及相关介绍
本设计中输入:
系统启动按钮一个,系统停止按钮一个,液位传感器四个分别表示为X4,X3，X2和X1 。
输入一共有6个，考虑到留有15％～20％的余量即6×（1＋15％）＝6.9取整数7，所以共需7个输入点。
输出:
电磁阀,指示灯 ,水泵1，水泵2。
输出共有4个。
可以选三菱公司的FX2N-14MR型PLC（8点输入6点输出）就能满足此例的要求。
可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。
计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。
因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。
可编程控制器（ProgrammableController）也可称逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。
为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。
可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。
但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。
通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。
这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。
所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。
PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。
国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元（CPU），如图二所示。
图二PLC硬件结构
下面简单介绍PLC的各个结构：
1，中央处理单元（CPU）是PLC控制中枢。
它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。
这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2，存放系统软件存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件存储器称为用户程序存储器。
1、PLC常用存储器类型
（1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除只读存储器。
断电情况下，存储器内所有内容保持不变。
紫外线连续照射下可擦除存储器内容）
（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除只读存储器。
使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。
2、PLC存储空间分配
各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
（3）用户程序存储区
系统程序存储区：
系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：
逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
（1）I/O映象区：
PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。
它需要一定数量存储单元（RAM）以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。
整个I/O映象区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）系统软设备存储区：
I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。
该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
用户程序存储区：
主要用来存放用户的应用程序。
所谓用户程序时指使用户根据工程现场的产生过程和工艺要求编写的控制程序。
次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。
也可将用户程序存放在EEPROM中。
3，输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。
现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。
由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。
输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。
可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。
这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。
数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。
数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。
模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。
由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。
模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。
现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。
另外还有：
0—somV、0—IV、—5—+SV、—10—+10V，0—10mA等。
模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。
模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。
4，拓展模块，当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。
模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。
只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。
5，编程器，它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。
图三PLC外部接线图
6.3I/O点分配
本设计I/O点分配如表一所示。
表一I/O点分配表
I/O点名称
I/O点类型
说明
X0
输入
停止按钮
X1
输入
启动按钮
X2
输入
液位检测开关1
X3
输入
液位检测开关2
X4
输入
液位检测开关3
X5
输入
液位检测开关4
Y0
输出
水泵1
Y1
输出
水泵2
Y2
输出
电磁出水阀
Y3
输出
故障指示灯
三菱PLC具有强大模拟量数据处理能力，可用于模拟量控制。
通过指示灯模拟上水水泵，结合钮子开关模拟水位监测信号，模拟了水箱自动上水控制，当水池水位低于水池低位界面（X5为ON）时，电磁阀打开进水（Y2为ON），定时器开始定时，4S后，如果Y2还为OFF，那么故障指示灯闪烁，表示电磁阀没有进水，出现故障，X4为ON后，阀Y2关闭（Y为OFF）。
当X2为OFF，且X3为ON，Y0为ON，水泵1运转抽水。
当X2为ON时水泵1停止。
只要X5不为ON,水泵2就出水。
6.4电机硬件部分
电机硬件部分如图四所示，主要说明了水泵1和水泵2的接线。
图四电机部分硬件图
七、系统软件设计
7.1主程序流程设计
图五主流程图
7.2其它流程图
7.2.1中断子程序流程图
图六中断子程序流程图
7.2.2中断流程图
图七中断流程图
7.3编程软件相关
7.3.1GxDeveloper简介
GxDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
GxDeveloper有如下特点：
1. 软件的共通化 GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）,FXGP（WIN）格式的文档。
2.利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
3.程序的标准化
（1）标号编程，用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。
（2）功能块（以下，略称作FB），FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化,使得顺序程序的开发变得容易。
此外,零件化后,能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。
（3）宏,只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
4.能够简单设定和其他站点的链接,由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
5.能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
（1）经由串行通讯口
（2）经由USB
（3）经由MELSECNET/10（H）计算机插板
（4）经由MELSECNET（Ⅱ）计算机插板
（5）经由CC-Link计算机插板
（6）经由Ethernet计算机插板
（7）经由CPU计算机插板
（8）经由AF计算机插板
6.丰富的调试功能
（1）由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
（a）没有必要再和可编程控制器连接。
（b）没有必要制作条使用的顺序程序。
（2）在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。
。
（3）数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。
7.3.2组态王简介
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
组态王kingview是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低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（KingHistorian）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地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。
组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，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。
组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布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。
组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。
此外，还可以实现值的行列统计功能。
组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：
IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。
组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。
KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。
具有单个服务器支持高达100万点、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20,000条记录的强大功能。
能够更好地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。
其特点有：
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
（1）图形界面的设计
（2）构造数据库
（3）建立动画连接
（4）运行和调试
2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:
（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:
（1）图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
（2）数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
（3）连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
7.4水位PID控制的逻辑设计
系统的自动控制功能主要是通过软件来实现的,结合前面所述变频调速恒压供水系统的控制要求,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制,两台水泵切换信号的生成、接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都由程序控制。
在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则,采取“先入先出”的排队策略,执行变频方式轮值,确保各水泵使用率基本均衡。
生活及消防双恒压的两个恒定值是采用数字式方式直接在程序中设定的。
生活供水时系统设定值为满量程的75%,消防供水时系统设定值为满量程的90。
PID回路增益和时间常数初步设定为:
增益kc=0.25、采样时间ts=0.2 s、积分时间ti=30 min.根据具体情况需进一步调整以达到最优的控制效果。
八、仿真调试分析
图八仿真结果
用组态王软件进行简单仿真结果如上图所示，滑动输入模块模拟水箱的液位变化，数据实时曲线反映了水箱液位变化的具体数值。
九、设计中的问题及解决方法
1，由于时间关系，供水监控系统的设计不够完善，例如没有具体写出上位机监控软件程序以及对具体的监控界面的设计和数据处理。
2，现有设计研究实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水位、PID算法、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力。
以上这部分工作有待在以后的学习与工作中进一步完成。
十、心得体会
本设计针对供水要求，设计了一套由PLC、PID算法、液位控制阀、水泵、计算机、通信模块等主要设备构成的水箱水位PID控制系统，克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的稳定供水。
系统实现了计算机和PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，设计合理。
感谢学校，学校一直给我们提供良好的学习环境，让我们在实践中学到更多实际的知识。
然后要感谢指导老师老师细心的指导让我收获颇多为我们详细、耐心的为我们讲解各种问题；最后要感谢那些和我一起完成设计的同学们，相互间的交流确实使问题变得简单很多。
十一、参考文献
[1]夏春茂、姚建飞主编.可编程序控制器原理、应用与实训[M]52~45
[2]王庭有等编著.可编程控制器原理及应用.第二版[M].北京：
国防工业出版社，30~36
[3]廖常初主编.S7-200PLC编程及应用[M].机械工业出版社201016~19
[4]李建兴主编.可编程控制器应用技术.[M]北京：
机械工业出版社.200527~30
[5]范永生、王岷编.电气控制与PLC应用.第二版[M]。
北京：
中国电力出版社200792~94
[6]李惠昇主编.电梯控制技术[M].北京：
机械工业出版社，200347~49
[7]周美兰、周封、王岳宇编著.PLC电气控制与组态设计[C].北京：
科技出版社，200373~76
[8]张兴国编著.可编程
升级会员 