基于PLC的水箱液位监控系统的设计.docx
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基于PLC的水箱液位监控系统的设计
摘要
液位作为工业生产过程中重要的工艺参数之一，在各个领域中都有广泛的应用，诸如液体储罐、储槽、进料罐、缓冲罐、水箱等设备。
而对于水箱液位的监控越来越有其实际的意义，我们可以在其上进行诸多的控制策略的试验，然后将成功的经验总结、应用到其他领域中去，这对节省能耗、工业安全性以及工业自动化的发展是很有推动意义的。
本毕业论文用水箱液位监控系统的设计与实现方案的实践操作来阐述PLC的应用。
通过PLC软件设计及其优化,实现了水箱液位的自动控制。
选用西门子S7-200系列PLC作为系统软件开发,利用STEP7-Micro/WIN32软件进行梯形图及指令语句表程序编制。
运用力控组态软件完成上位机监控界面及整体监控系统设计，设计了一种水箱液位控制器。
详细介绍液位系统的结构、工作过程、软件的实现。
该系统具有操作简便、自动化程度高、运行速度快、可靠性高等特点。
关键词：
水箱液位监控、PLC、STEP7-Micro/WIN32、监控组态软件、力控组态软件
第1章绪论
1.1PLC的基本概念
1.1.1PLC的定义
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”[14]
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.1.2PLC的特点
1．PLC的主要特点
（1）高可靠性
1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
2）各输入端采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4）采用性能优良的开关电源。
5）对采用的器件进行严格的筛选。
6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
（2）丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
•交流或直流；
•开关量或模拟量；
•电压或电流；
•脉冲或电位；
•强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
•按钮
•行程开关
•接近开关
•传感器及变送器
•电磁线圈
•控制阀
直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
（3）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合[11]
（4）编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握
（5）安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障
由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行
2．PLC的功能
（1）逻辑控制
（2）定时控制
（3）计数控制
（4）步进（顺序）控制
（5）PID控制
（6）数据控制
（7）通信和联网
（8）其它
PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
1.1.3PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：
1．中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2．存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（1）PLC常用的存储器类型
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）
这是一种可擦除的只读存储器在断电情况下存储器内的所有内容保持不变。
（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）
3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）
这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
（2）PLC存储空间的分配
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：
系统程序存储区
系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
用户程序存储区
1）系统程序存储区
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
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在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
2）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
A．I/O映象区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。
因此整个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
B．系统软设备存储区
除了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）的存储区。
存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
1）逻辑线圈
与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。
另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。
2）数据寄存器
与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16bits）。
另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。
3）计时器
4）计数器
3）用户程序存储区
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC，其存储容量各不相同。
3．电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在±10%（±15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
1.1.4PLC的编程语言
PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。
根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）。
PLC的编程语言包括以下五种：
梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。
1.2PLC的工作原理
1.2.1PLC的工作方式
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
[7]
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
1.2.2扫描循环时间
PLC在RUN工作模式时，执行一次图1-5所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值约为1～l00ms。
扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。
有的编程软件或编程器可以提供扫描周期当前值，有的还可以提供扫描周期的最大值和最小值。
1.2.3输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。
输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电到断电时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下。
由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。
PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。
要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。
1.3西门子简介
1.3.1概述
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
1.3.2S7-200系列PLC的介绍
S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用
1.3.3S7-200的组成
1.基本单元
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用。
2.扩展单元
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。
3.编程器
PLC在正式运行时，不需要编程器。
编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。
S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。
4.程序存储卡
为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。
程序存储卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。
5.写入器
写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。
6.文本显示器
文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。
文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。
过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。
TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。
第2章STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍
2.1STEP7-Micro/WIN32的概述
STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。
下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。
2.1.1硬件连接及软件安装
1、系统要求
运行STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机系统要求如表A-1所示。
表A-1系统要求
CPU80486以上的微处理器
内存8MB以上
硬盘50MB以上
操作系统Windows95,Windows98,WindowsME,Windows2000
计算机IBMPC及兼容机
2、硬件连接
利用一根PC/PPI（个人计算机/点对点接口）电缆可建立个人计算机与PLC之间的通信。
这是一种单主站通信方式，不需要其他硬件，如调制解调器和编程设备等。
典型的单主站连接如图A-1所示。
把PC/PPI电缆的PC端与计算机的RS-232通信口（COM1或COM2）连接，把PC/PPI电缆的PPI端与PLC的RS-485通信口连接即可。
图A-1PLC与计算机间的连接
3、软件安装
STEP7-Micro/WIN32编程软件可以从西门子公司的网站上下载，也可以用光盘安装，安装步骤如下：
1）双击STEP7-Micro/WIN32的安装程序setup.exe，则系统自动进入安装向导。
2）在安装向导的帮助下完成软件的安装。
软件安装路径可以使用默认的子目录，也可以用“浏览”按钮，在弹出的对话框中任意选择或新建一个子目录。
3）在安装过程中，如果出现PG/PC接口对话框，可点击“取消”进行下一步。
4）在安装结束时，会出现下面的选项：
是，我现在要重新启动计算机（默认选项）；
否，我以后再启动计算机。
建议用户选择默认项，单击“完成”按钮，结束安装。
5）软件安装结束后，会出现两个选项：
是，我现在浏览Readme文件（默认选项）；
是，我现在进入STEP7-Micro/WIN32
如果选择默认选项，可以使用德语、英语、法语、西班牙语和意大利语阅读Readme文件，浏览有关STEP7-Micro/WIN32编程软件的信息。
2.1.2软件的基本功能
STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。
1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。
在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。
2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。
3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。
经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。
4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。
5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
2.1.3编程软件的使用
1.编程的准备
1）创建一个项目或打开一个已有项目
2）设置与读取PLC的型号
3）选择编程语言和指令集
4）确定程序的结构
2.编写用户程序
1）梯形图的编辑
2）语句表的编辑
3）功能图的编辑
2.1.4程序的监控及调试
1.编译程序
2.下载与上载程序
3.PLC的工作方式
4.程序的调试
1）程序的运行
2）程序的调试
*程序状态监控
*状态表监控
*趋势图监控
第3章水箱液位的控制系统PLC设计
3.1水箱液位的控制系统设计思路
1.利用西门子S7-200可编程控制器实现液位PID控制系统,通过调节电动调节阀的开度，改变水箱的进水流量，从而使水箱内的液位维持于恒定值。
2.在上位机编制工艺画面，显示系统的实时状态、通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式,向用户提供检验液位PLC控制系统的动态运行情况，显示SP（设定值）、PV（液位高度检测值）、OP（阀开度）、P（比例）、I（积分时间）、D（微分时间），并且在画面上实现手自动切换、历史数据查询、报表、报警信息、历史曲线等功能。
3.2硬件设备的选择及工作情况
3.2.1硬件设备
硬件设备主要包括：
上水箱、液位变送器LT1、电动调节阀1，变频器，水泵。
3.2.2连接图
各个设备的连接情况如图1所示：
设备之间安装与连接按照图2所示，将所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。
图1过程控制系统结构图
图2控制系统示意图
图3控制系统框图
3.2.3系统控制电气连接图
PLC选型
1）CPU选择的型号是西门子的CPU-226，它是200系列中一款高档次的CPU，其主要应用于具有较高要求的控制系统中。
和其它型号的CPU相比，其具有更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和更强的内部集成的特殊功能。
主要特性如下：
可携带7个模块，集成24个输入、16个输入共40个数字量I/O点，最大可扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，13K字节的程序和数据存储空间
6个独立的30KHz的高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，并具有PID控制器，2个RS485通讯/编程接口，具有PPI通信协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力I/O端子排可很容易的整体拆卸
2）模拟输入模块采用EM231，其输入信号是4~20mA信号，本设计即要求输入量为该数，满足要求，因此选用该型号。
3）模拟量输出模块采用EM232。
电气连接图如下所示：
3.3程序的编写及下载
3.3.1在STEP7-MicroWin环境中编写、调试、下载PLC的梯形图程序
在编写PLC程序时，查阅了STEP7关于模拟量输入处理、模拟量输出处理、定时中断、PID指令等内容。
程序的流程图如下图所示：
3.3.2系统梯形图
如下图所示
（1）主程序：
M0.0为1时，进行PID自动调节；M0.0为0时，进行手动控制
（2）子程序Ai_in（将32位整数转换为0到1的实数）
（3）子程序Ao_out（将0到1的实数转化为32位整数）
（4）子程序
PID_control
注释：
符号表
偏移地址说明
第四章运用组态软件完成上位机监控界面及整体监控系统设计
4.1监控组态软件简介
4.1.1概念
监控组态软件是指用于数据采集和过程控制的专用软件，它们是在自控系统中处于监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（非编程方式）提供良好的开发界面和简洁的使用方法。
利用其预先设置的各种软件模块可以非常容易的实现监控的各项功能，并能支持大部分硬件，可以向控制及管理层提供软、硬件的全部接口，从而进行系统集成。
[10]
4.1.2组态软件的发展和现状
美国的Wonderware公司在上世纪80年代末就率先推出第一个商品化监控组态软件Intouch。
从此组态软件得到了迅猛的发展。
目前比较知名的监控组态软件：
Intouch,Fix,Citech,Wincc,LabView等。
4.1.3组态软件的特点
组态软件使用简单，对于用户，不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要掌握编程技术），就能很好的完成一个复杂的工程所要求的所有功能。
运行可靠，修改方便。
用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发
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