基于plc的液位控制系统毕业论.docx

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基于plc的液位控制系统毕业论

摘要

在众多的工业生产中经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，液位是工业生产中经常碰到的,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,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。

本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对液位进行监控的一种方法，其电路结构简单，投资少，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，适用于多段液位监控场合。

系统可以根据生产的需要将液位分为多段来设定，并分段显示，当液位为最低限时自动启动水泵加液，液位到达设定值时发出声光报警，并停泵；操作人员可通过确认按钮解除蜂鸣报警信号，闪烁灯光转平光；系统具有手动/自动两种控制方式。

关键字：

可编程控制器（PLC）液位监控供水自动控制

ABSTRACT

Innumerousindustrialproductionoftenneedtostoragetank,storagetank,tankcontainerliquidlevelmonitor,theliquidlevelisoftenmetinindustrialproduction,liquidlevelcontrolisgoodorbaddirectlyaffectsthequalityoftheproductsandproductmanufacturingsuccessandfailure,andliquidlevelcontrolhaswideapplicationvalueandbroadapplicationprospects.Hereintroducedinthispaperakindoftheprogrammablecontroller（PLC）tomonitorliquidlevelofakindofmethod,itscircuitstructureissimple,lessinvestment,notonlyahighdegreeofautomation,monitoringandcontrolsystemalsohasthefunctionofon-linemodification,strongflexibility,suitableformultistageliquidlevelmonitoring.Systemcanneedaccordingtotheproductionlevelcanbedividedintomanysegmentstoset,andsectionshowsthatwhentheliquidleveltothelowestlimitautomaticallystartthepumpandliquid,liquidlevelreachesthesetpointsendoutsoundandlightalarm,andstopthepump;Operatorsthroughtheconfirmbuttontoliftbuzzeralarm,flashinglightsturnflat;Twosystemswithmanual/automaticcontrolmode.

Keywords：

Programmablecontroller（PLC）LevelmonitoringwaterSupplyautomaticcontrol

目录

摘要I

ABSTRACTII

1绪论-2-

1.1PLC的产生、定义及现状-2-

1.1.1PLC的产生、定义-2-

1.1.2PLC的发展现状-3-

1.2过程控制的发展-4-

1.3本文研究的背景、主要内容-5-

1.3.1本文研究的背景、意义-5-

1.3.2本文研究的主要内容-6-

2本课题方案的确定-7-

2.1采用PLC控制的特点-7-

2.2系统设计的基本步骤-8-

2.3系统控制方案选择-10-

2.3.1继电器控制-10-

2.3.2PLC液位控制优点优势-10-

3系统硬件电路的设计-11-

3.1plc控制液位的过程-11-

3.2　可编程控制器（PLC）的选型-13-

3.3液位传感器的选型-16-

3.4水泵的选型-17-

3.4PLC外部电路的设计-18-

3.5I/O分配表-19-

3.6硬件接线图-20-

4软件部分的设计-21-

4.1系统设计步骤框图-21-

4.2编程软件的操作方法-22-

4.3系统工作过程分析-25-

4.4梯形图-26-

结论-30-

致谢-31-

参考文献-32-

1绪论

PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

可编程控制器，简称PLC。

它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。

具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻、功耗底等特点。

具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

由于PLC具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

它是一种新型工业控制设备。

可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。

PLC是用于工业现场的电控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC对程序设计，提高了液位的控制水平。

1.1PLC的产生、定义及现状

1.1.1PLC的产生、定义

一、可编程控制器的产生

20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。

二、可编程控制器的定义

国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

1.1.2PLC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。

1.2过程控制的发展

进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。

过程控制是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。

在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。

生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。

因此，当时的劳动效率是很低的。

40年代以后，生产自动化发展很快。

尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。

纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：

50年代前后，过程控制开始得到发展。

一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。

这是过程控制发展的第一阶段。

这阶段主要的特点：

检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。

在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。

在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。

为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。

70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。

对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。

过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。

在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。

1.3本文研究的背景、主要内容

1.3.1本文研究的背景、意义

由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，PLC向小型化、微型化和高速化发展。

在应用中，PLC可与上位机联网，也可下挂PLC，组成分布式控制系统。

PLC已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、市政、交通和军工等行业。

PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。

根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：

开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制；、数据处理、通信和联网。

据美国FROST&SULLIVA公司的报告，全球PLC从1993年的39亿美元上升到2000年的76亿美元，由占工控机市场的46%上升到50%。

专家估计，2000年PLC的国内市场销售达到15~20万套，约25~35亿元，其中进口占90%左右。

上述数据表明：

我国PLC市场几乎被国外产品占领，国内PLC产品的市场占有率不足10%。

（以上PLC统计数据包括小型PLC）据专家估计，国内PLC产品的年增长率为12%，以满足石油、化工、电力、市政等行业技改的需要，到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右，约人民币35~45亿元。

目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。

主要的国外生产厂家包括Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE、富士、日立、光洋等等。

据电子部98年调查结果表明，国内应用Siemens产品的用户占20.8%，Modicon占14%左右，A-B14%左右，OMRON14%占14左右，三菱8.3%，GE6.25%，富士4.2%；其他（日立、光洋等）4%。

国内PLC产品仍以国外产品为主，并以Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产品为主。

锅炉控制系统改造具有很好的市场发展空间和投资收益前景，值得广泛地推广。

它不仅能够通过自动化控制技术实现安全生产的目的，还能够节煤节电并能使排放更环保，总之锅炉的计算机自动化控制是锅炉行业发展的大势所趋，也是一项利国利民的发展方向。

可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便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。

分段液位控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。

通过PLC对程序设计，提高了液位的控制水平。

因此PLC在分段液位控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。

1.3.2本文研究的主要内容

本设计将在以下几个方面对液位控制系统进行研究和论证。

控制系统可以根据生产的需要将液位分为多段来设定，并分段显示，当液位为最低限时自动启动水泵加液，液位到达设定值时发出声光报警，并停泵；操作人员可通过确认按钮解除蜂鸣报警信号，闪烁灯光转平光；系统具有手动/自动两种控制方式。

2本课题方案的确定

2.1采用PLC控制的特点

可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变软件指令即可，使得硬件软件化。

因此它在工业控制中的地位越来越高，占有极其重要的地位，最重要的原因是它具有如下独特的特点：

1）．可靠性高PLC是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。

PLC是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命长，平均无故障工作时间高。

2）．编程简单易学PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。

方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。

3）．通用性强，使用方便由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。

对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议标准。

4）．系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同时进行，这样大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。

5）．对生产工艺改变适应性强其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合；现今plc已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。

6）．安装简单、调试方便、维护工作量小PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。

PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时。

其本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排除，维护的工作效率高。

7）．适应工业环境：

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

这是PLC产品的市场生存价值。

2.2系统设计的基本步骤

分段液位控制系统设计与调试的主要步骤，如下图2.2所示：

在分段液位控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

1）.深入了解和分析分段液位控制系统的工艺条件和控制要求。

2）.确定I/O设备。

根据分段液位控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。

3）.根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4）.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。

5）.设计分段液位控制系统的梯形图程序，根据工作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。

6）.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。

7）.分段液位控制系统整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

图2.2系统设计的步骤图

2.3系统控制方案选择

2.3.1继电器控制

传众所周知，目前我国75%的生产机械设备，都是采用继电器控制统的自动控制系统由继电器—接触器控制组成，存在故障多、可靠性差、工作寿命短、不易检修等缺点，设计程序也很繁杂。

从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。

而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。

设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。

编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。

开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。

它还克服了继电接触控制器只能进行开关量的控制而不能进行摸拟量和数字量以及数据处理等其它方面的控制的缺陷，并在成本上可与继电接触控制器竟争，它的优点恰好克服了继电接触控制器的缺点等诸多有利因素，只要做好密封，防腐蚀性气体，防潮，防尘和抗震等工作，相信会有广阔的前景。

2.3.2PLC液位控制优点优势

1）、控制方式上看：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2）、工作方式上看：

电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。

3）、控制速度上看：

电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。

4）、定时、记数上看：

电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。

5）、可靠、维护上看：

电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，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。

所以本设计采用plc控制。

3系统硬件电路的设计

3.1plc控制液位的过程

1）本系统为液位的双位控制系统。

液位可分四段设定和显示，在最低液位时自动启泵，当液位到达设定值时自动停泵。

（水泵为ALW系列卧式管道离心泵）

2）当X10打到自动时，自动指示灯亮，，完成自动监控；当X10打到手动时，手动指示灯亮，通过X12、X13按钮实现手动启泵、停泵。

3）液位由X4~X7按钮分最低、较低、较高、最高四段设定，系统设置由低到高的优先权，即当多个设定按钮同时闭合时，低液位设定优先。

4）采用干簧管传感器检测液位时，当液位到达检测点时其触点闭合，指示灯点亮；液位离开检测点时其触点打开，为保证相应测量段指示灯不立即熄灭及不受液位波动的影响，只有当液位上升或下降到相邻段时指示灯才熄灭。

5）当液位到达检测点时，液位指示灯闪烁，若液位到达设定值时，自动停泵，并设置蜂鸣报警器报警，报警声设计为响3S停2S，循环30S后自停，或在30S内按x11确认按钮停音响，指示灯传平光

6）首次开车时，液位低于或高于最低液位时，需先手动启泵，再切换成自动运行；或先进入试验方式，按最低液位试验按钮启动料泵，再进入自动运行方式。

原理图如图3.1所示。

图3.1.1系统原理图

此设计在锅炉上的示意图如图3.1.2所示。

图3.1.2锅炉示意图

3.2　可编程控制器（PLC）的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1）．输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。

余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入31点，输出33点。

2）．存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10