基于S71200和触摸屏的水箱水位监控设计.docx
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基于S71200和触摸屏的水箱水位监控设计
宜宾职业技术学院
毕业论文（设计）
基于S7-1200和触摸屏的水箱水位监控系统设计
系部电子信息与控制工程系
专业名称电气自动化
班级电气11402班
姓名蒋漓
学号201411035
指导教师张强
2016年10月5日
摘要
近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也趋于完备，而控制监控的概念更是应用在许多生活周围的事物。
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位水位的控制监控问题，液位控制监控系统已是一般工业界所不可缺少，而在人们的日生活中，水箱水位大多没能实现自动控制，水箱水位的高低大多水电管理人员进行控制，造成了不必要的人力和资源的浪费为了解决这一问题所以有了本设计。
本设计以触摸屏控制为核心，其硬件由SIEMENSS7-1200PLC为核心与软件编程相结合，达到水箱水位的监控，通过触摸屏设计来实现题目的要求，系统由触摸屏，仿真软件，PLC等组成。
关键词：
触摸屏；水箱水位；PLC。
Abstract
Inrecentdecades,theautomaticcontrolsystemhasbeenwidelyusedinitsresearchanddevelopment,tendtobecomplete,theconceptofmonitoringandcontrolisusedinmanylifesurroundings.Inpeople'slifeandindustrialproduction,andmanyotherareasofteninvolvetheproblemofwaterlevelcontrolofliquidlevelmonitoring,liquidlevelcontrolmonitoringsystemisessentialtogeneralindustry,andinPeople'sDailylife,thetankwaterlevelmostlyfailedtoachieveautomaticcontrol,thewatertankwaterlevelheightmostlyhydropowermanagementcontrol,causingunnecessarywasteofmanpowerandresourcestosolvethisproblemwiththisdesign.Thisdesignwithtouchscreencontrolasthecore,itshardwareconsistsofSIEMENSS7-1200PLCasthecorecombinedwithsoftwareprogramming,toachievethewatertankwaterlevelmonitoring,throughthetouchscreendesigntorealizethesubjectrequirements,systemconsistsoftouchscreen,simulationsoftware,PLC,etc.
Keywords:
touchscreen;waterlevel;PLC.
1引言
PLC（ProgrammableLogiealController）通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、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。
由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，能适应恶劣工业环境以及高可靠性，其应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱（即PLC、机器人和CAD／CAM）之一。
触摸屏作为一种新型的人机界面，是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。
随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。
但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并且可以减少操作上的失误。
即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。
使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I／O点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能。
会使用PLC及触摸屏等仿真软件从事自动控制及机电一体化专业工作的技术人员不可缺少的重要技能。
将PLC和触摸屏结合使用可以节省很多如按钮，转换开关，中间继电器，时间继电器等硬元件，还可以通过组态软件将整个系统的现场数据集中在触摸屏上显示，方便观察，自动记录，另外其体积相对较小，安装方便，便于维护，成本也较低。
2系统方案设计
2.1控制任务
设计以S7-1200和触摸屏为中心进行水箱水位监控系统，分别从硬件和软件两方面进行该监控系统的设计。
并对其进行调试和运行使该系统达到预期目标，通过PLC、触摸屏对水箱水位进行监控，当水箱水位过高时通过出水阀门出水，当水箱水位过低时通过进水阀门进水。
能使水箱水位控制在一个稳定的值或一个稳定的区间，且水位数值能够输出显示。
当水位过高或过低时能够输出报警。
2.2系统方案设计
方案一：
由西门子S7—1200PLC作为设计的硬件部分，WinCC作为操作界面。
由液位变送器检测水箱水位，当水位降到下限时通过进水阀门进水，直到水位达到水位上限时停止进水，当水位升到上限时通过出水阀门出水，直到水位达到水位下限时停止出水，从而将水位控制在一个合适的区间。
方案二：
由西门子S7—1200PLC作为设计的硬件部分，KTP700BasicPN触摸屏为操作界面，控制水箱水位。
由液位变送器检测水箱水位，当水位降到下限时通过进水阀门进水，直到水位达到水位上限时停止进水，当水位升到上限时通过出水阀门出水，直到水位达到水位下限时停止出水，从而将水位控制在一个合适的区间。
方案三：
由三菱FXPLC作为设计的硬件部分，浙大中控DCS集散控制系统来进行控制，控制水箱水位。
由液位变送器检测水箱水位，当水位降到下限时通过进水阀门进水，直到水位达到水位上限时停止进水，当水位升到上限时通过出水阀门出水，直到水位达到水位下限时停止出水，从而将水位控制在一个合适的区间。
根据控制任务要求通过PLC、触摸屏对水箱水位进行控制，本设计采用方案二为主要方案。
2.3系统框图
图2-1系统框图
3硬件设计
3.1PLC选型
方案一：
选用S7-200。
S7-200是一种小型的可编程序控制器，处理速度0.8~1.2ms；存贮器2k；数字量248点；模拟量35路。
适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
优点：
（1）极高的可靠性；
（2）极丰富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）丰富的内置集成功能；（6）实时特性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。
S7-200实物图如图3-1所示。
图3-1S7-200实物图
方案二：
选用S7-300。
S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器（PLC）系列产品之一。
其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。
优点：
（1）针对低性能要求的模块化中小控制系统；
（2）可配不同档次的CPU；（3）可选择不同类型的扩展模块；（4）可以扩展多达32个模块；（5）模块内集成背板总线；（6）网络连接-多点接口（MPI）,-PROFIBUS或-工业以太网；（7）通过编程器PG访问所有的模块；（8）无插槽限制。
S7-300实物图如图3-2所示。
图3-2S7-300实物图
方案三：
选用S7-1200。
S7-1200PLC是用于一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务。
S7-1200PLC的主要特色为：
简单却高度精确的自动化任务。
优点：
（1）用于可扩展设计中紧凑自动化的模块化
（2）概念；
（2）实现了通信简便，有效的技术任务解决方案，并完全满足一系列的独立自动化系统的应用需求；（3）安装简单方便，节省空间的设计；（4）可扩展性强、灵活度高；（5）不需要专用编程电缆和以太网扩展模块，减少了安装空间和成本；（6）XX不能修改代码或过程量，提高操作的安全性。
S7-1200实物图如图3-3所示。
图3-3S7-1200实物图
因为S7-1200的特色是紧凑型、模块化，比起S7-200和S7-300有着使用简单，方便，并且对于本毕业设计的程序来说，选择S7-1200可以节约成本，并且操作灵活，所以决定采用S7-1200作为本程序。
本设计选用型号：
S7-1200
3.2传感器选型
本设计选用HM21投入式液位变送器。
该液位变送器利用流体静力学原理测量水位或液位，是压力传感器的一种重要应用。
用微机械加工技术制作的高灵敏度的硅压阻力敏元件是液位传感器的心脏，辅之以带通气导管的专用电缆及专门的水密封技术，既保证了浸入式传感器的水密封，又使得参考压力腔与环境气压相通，从而获得准确的测量结果与优良
的稳定性。
HM21液位变送器采用了德国HELM具有国际先进水平的干式陶瓷电容传感器或带温度补偿的隔离膜片式扩散硅压力传感器，作为感测元件，大大提高了产品的使用性能。
广泛应用于石油、化工、电厂、城市供排水、水文勘探等领域的水位和液位的测量与控制。
优点：
分体式结构:
投入液体中的传感器部分为全密封不锈钢结构，电子线路部分壳体为铸铝结构，便于调校和接线
一体化结构:
传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，无需外部调校
传感器外壳的防护等级为IP68，接线盒的防护等级为IP65
该产品由高性能压力传感器作为测量元件，精度高、体积小、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、灵敏度高、防水、抗结露
免维护，安装、调试方便，直接投入水中以测量出变送器末端到液面的液位高度。
3.3阀门选型
本设计选用DF-15。
如图3-4所示。
图3-4DF-15电磁阀
电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。
用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。
电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
3.4人机界面选型
人机界面（HumanMachineInteraction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、通讯界面、数据存储单元等，HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件。
触摸屏属于人机界面的硬件部分，触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触摸面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
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。
触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极有发展前途的交互式输入技术，因而受到各国的普遍重视，并投入大量的人力、物力对其进行研发，新型触摸屏不断涌现，触摸屏技术的发展趋势，具有专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化等特点。
根据本设计的设计要求选择采用触摸屏KTP700作为设计中的硬件部分。
3.5系统接线图
（1）I/O分配表
I/O分配表如表3-5所示。
表3-5地址分配表
序号
地址
含义
序号
地址
含义
1
10
Q0.0
自动指示灯
2
11
Q0.1
手动指示灯
3
M0.2
触摸屏启动
12
Q0.2
高水位报警
4
M0.3
触摸屏停止
13
Q0.3
低水位报警
5
M0.4
手动进水
14
Q0.4
进水阀打开
6
M0.5
手动放水
15
Q0.5
出水阀打开
7
M0.6
手/自动
16
I0.2
标准水位
8
I0.0
低水位状态
9
I0.1
高水位状态
（2）系统接线图
系统接线图如图3-6所示。
M0.0
M0.1Q0.0
M0.2Q0.1
M0.3Q0.2
M0.4Q0.3
M0.5Q0.4KM1
KM2
M0.6Q0.5
I0.0
3L
I0.1
3M
I0.2
M
1M
L+
DC24V
图3-6系统接线图
4程序设计
4.1系统流程图
程序流程图如图4-1
开始
手动模式否是否自动是自动模式
运行？
进水
高水位否
开关
手动进水手动出水
开关开关是
低水位
开关否
高水位开关低水位开关高水位报警
闭合闭合是
高水位报警低水位报警打开出水阀低水位报警
关闭进水阀打开进水阀
停止停止
结束
图4-1系统流程图
4.2程序设计
M0.2常开触点闭合，M0.3的常闭触点开启，M2.3得电并自锁。
触摸屏启动，M0.3常闭触点闭合，M2.3失电，触摸屏停止。
5系统组态
5.1触摸屏的简介
触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触摸面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
触摸屏是一种附加在显示屏表面的透明介质，其通过使用者的手指触摸该介质来实现对计算机的操作定位，最终实现对计算机的查询和输入，从而简化计算机是输入方式，真正实现零距离操作。
触摸屏的本质就是传感器，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表面，用于检测用户触摸位置，然后将信号送至触摸屏控制器。
触摸屏控制器的主要作用是接收触摸检测装置发出的触摸信息，然后转换成触点坐标发送给CPU，同时接收执行CPU发出的命令信息。
根据传感器类型划分，触摸屏主要分为表面声波式、电阻式、电容式、红外式和新概念式等类型。
由于电阻式触摸屏价格相对便宜，市场占有率较高，本设计所选用的KTP700就属于电阻式。
5.2组态界面的设计
打开TIAPortalV13输入项目名称并创建新项目，如图5-1。
图5-1创建新项目
创建成功后打开项目视图，添加新设备选择CPU型号，如图5-2所示。
图5-2选择CPU型号
确定CPU型号后组态硬件，选择AI、AQ、信号板AQ、通信模块的信号，如图5-3。
图5-3组态硬件
通过选型后，组态完毕的硬件视图，同时点击AI模块，鼠标右击出现属性，取消全部带勾选项。
如图5-4.
图5-4组态硬件完毕
添加功能块，例图依次添加FC1、FC2、FC3,如图5-5。
图5-5添加功能块
点击变量表，建立本次设计所需的变量，定义变量类型、名称、地址，如图5-6。
图5-6建立变量表
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