毕业设计 基于plc的液位控制系统.docx

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毕业设计基于plc的液位控制系统

毕业设计（论文）

题目：

基于PLC的液位控制系统-下位机设计

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

班级：

1126班

指导教师：

2015年5月22日

摘要

随着当今社会科学技术的迅猛发展，各类监测并调控液位系统对自动化程度的要求也越来越高，原有的水位控制系统，已远远不能满足当前高度自动化的需要。

本课题是研究通过PLC系统来控制水位，监控组态来模拟监控界面，实现生产的自动化，可视化。

本课题首先设计PLC控制系统，根据要求实现的功能分配IO口，接线，然后编制通过V4.0step7软件进行梯形图的编辑、运行，并把现场的水塔水位状况实时传送给上位机，上位机采用力控组态软件进行监控。

监控组态界面是通过ForceContro7.0进行监控界面的编写、运行。

首先设计监控界面，设置通信参数和IO口，使得上下位机能够可靠通信。

本水位控制系统以PLC为控制核心，具备开始和停止功能，这是一种PLC控制的自动调节控制系统。

应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。

关键词：

PLC监控组态STEP7力控

Abstract

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyintoday'ssociety.Allkindsofmonitoringandcontrolsystemofliquidlevelofautomationareincreasinglyhighrequirements.Theoriginalcontrolsystemofwaterlevel,cannotmeetthecurrentneedsofthehighlyautomated.

ThisprojectistoresearchthroughthePLCsystemtocontrolwaterlevelmonitoring,configurationsimulationmonitoringinterface,realizingproductionautomation,visualization.Inthispaper,thedesignofPLCcontrolsystem,accordingtothefunctionalrequirementstoachievethedistributionofI/O,thenthepreparationofwiring,editing,operationladderthroughV4.0step7software,andthewaterlevelsceneofthereal-timetransmissiontothePC,PCmonitoringusingForceContro7.0configurationsoftware.

Theconfiguration,operationmonitoringinterfaceiseditedbyForceContro7.0software.First,themonitoringinterfacedesign,communicationparameterssettingandI/Oport,thecomputercanreliablecommunication.ThewaterlevelcontrolsystemusingPLCasthecontrolcore,haveopenandallstopfunction,thisisakindofautomaticcontrolsystemPLCcontrol.Theapplicationofthiscontrolsystemcansignificantlyimprovetheworkefficiency,reducelaborintensity.

Keyswords：

PLCconfigurationstep7forcecontrol

第一章绪论

1.1设计的意义及目的

基于PLC的水位控制系统可以实现生产的自动化，使实际操作简单容易，省时省力。

对于降低运行成本，充分利用资源，更大的获得利益，是有重要意义的。

本设计目的在于：

（1）培养我们分析并解决本专业实际工程问题的反应速度和独立思考的能力，增长实际工作经验。

（2）使学生能正确的运用科学技术资料，国家标准手册、图册等工具研究开发工业项目。

（3）了解液位控制系统的工作原理，设计理念和现实意义。

（4）了解控制系统上位机的后台开发过程，熟知控制系统下位机的硬件选型，连接，程序的编写等详细过程。

掌握数据的交换的内容及信息的接收发送。

（5）学会利用I/O设备驱动完成上位机对下位机的实时监控。

1.2课题的发展现状

从最初的理念上来讲，逻辑控制上普遍应用PLC，并且数量巨大，占有主导地位。

适合在相对较简单，过程不复杂的简易控制上应用，例如顺序控制和时序控制等场合。

当今工业生产对于脱离人力生产的需要飞速提升，计算机领域的发展也突飞猛进，尤其是CPU也飞速发展，不断更新换代，包括微型计算机同类的芯片都可以用作新一代PLC的核心处理器的选择对象，PLC在今后的发展当中必将失去一部分市场份额。

但换个角度去思考，现如今一些规模庞大，技术先进，市场占有率高的大工业控制器厂商，也迅速的尝试将微机业的一些最新的软件技术移植到现代的PLC当中，使其不断完善与改进，增加了更强大的功能，也大大提高了设备的性能。

PLC也早已不只是逻辑控制这么简单的设备了。

对于这些现代的PLC已经远远不能再简单的理解为过去的“可编程逻辑控制器”。

显而易见，这些新的PLC必将会在以后的制动化领域大有作为。

PLC是一个与时俱进的产品，它最初是受到计算机设计思想的启发而研发的，经历了几十年的发展历程，各个生产厂商在竞争中不断的创新、完善，使其更符合自动化的发展，更适应自动化的实际要求。

PLC始终屹立不倒，昂首挺立于工业领域靠的就是它无论在怎样的环境下都能正常准确的发挥作用。

微型计算机适应艰苦恶劣的周边环境的能力太差，很难适应工业生产现场，所以他是远远不能取代PLC的。

因此工业生产中离不开PLC，是没有争议的。

目前中国PLC市场本土品牌几乎没有，最受国人青睐的品牌有三菱、欧姆龙、西门子、罗克韦尔、施耐德、GE-Fanuc等国际知名公司。

大中型PLC欧美品牌市场份额最大，小型PLC日本品牌也实力雄厚，另外，中国台湾与韩国也有一小部分市场。

网络化、微型化、电脑化和开放性是PLC未来发展的主要趋势。

在PLC自动化的最初时期，其体积庞大而且价格不菲。

但近些年以来，微型PLC（小于32I/O口）已经问世，价格也只有几百美元。

现如今我们使用PLC的同时还要必须使用单独的监控组态软件作为辅助工具，PLC以后的发展趋势就是在自身的系统里自带有与自身硬件相匹配的监控组态软件，这样会更受到广大用户的喜欢，也更符合市场的需求，也是新的商机，更是一种趋势。

1.3本设计主要工作

选取西门子S7-200系列PLC来主要控制变频器及水泵等设备达到自动调节液位的目的，主要实现方法：

（1）利用投入试液位测量器捕捉水箱液位信息，将水位传达给输入输出模块；

（2）经A/D转换后，进行数据比较，来控制变频器的输出频率变化，于此同时，显示水位具体信息；

（3）本系统设计有自动报警功能，当液位异常超过警戒水位或是低于最低水位就会传递预警；

（4）根据上位机的要求还可以水位的PID闭环控制，同时把水位数据传送给上位机，实现水位数据的实时显示和状态监控。

具体任务如下：

（1）以PLC为控制核心的硬件电路设计；

（2）根据所提功能完成硬件接线；

（3）软件设计，实现水位的采集和传输以及越限报警；

（4）可以实现水位的PID闭环控制。

第二章PLC及SIEMENSS7-200

2.1PLC概述

2.1.1PLC的产生及发展

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，1969年第一台可编程序控制器问世。

如今PLC已成为工业现代化生产中必不可少的，利用率最高的，应用最普及的，市场占有率最高的的工业生产控制器。

（1）PLC的产生

PLC产生之前，控制电气装置主要依靠继电器，接触器等电子元件来实现操作，并用导线按一定顺序连接。

由于其装置庞大，生产费时费力，灵活性差，复杂，事故率高，等诸多不便，人们对于自动控制有了更高的要求。

68年美国通用汽车公司（GM）招标要求：

“①软连接代替硬接线②维护方便③可靠性高于继电器控制柜④体积小于继电器控制柜⑤成本低于继电器控制柜⑥有数据通讯功能⑦输入115V⑧可在恶劣环境下工作⑨扩展时，原系统变更要少⑩用户程序存储容量可扩展到4K”。

其核心思想是用程序代替硬件接线，输入/输出电平可与外部装置直接相连，结构易于扩展。

这便是PLC理念的雏形。

次年美国DEC公司根据这一理念开发出世界上第一台PLC（PDP-14），并成功的应用在通用汽车公司的生产线上。

（2）PLC的发展

微处理器诞生于20世纪70年代初。

微处理器问世后人们很快将其引入PLC，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，使其真正成为具有计算机特征的工业控制设备。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

随着个人计算机的普遍利用后，为了更加便捷和凸显可编程控制器的功能以及特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController。

20世纪70年代中晚期，PLC进入了一个更加贴近实际应用化的发展阶段，可编程控制器大规模吸收并采纳计算机技术扩展和改进自身功能功能，使其功能发生了翻天覆地的变化。

越来越小的体积及更美的外观，越来越高的运算速度、更可靠越来越稳定的工业抗干扰设计、越来越精准的模拟量运算以及更完善的PID功能及越来越低的市场价格更加巩固了它在现代工业领域的地位。

20世纪80年代初，西方先进工业国已经大量的使用PLC为工业生产实现了高度的自动化。

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。

20世纪80年代至90年代中期，一个东西正以不可思议的超高速度在飞速发展，那就是PLC。

之所以它如此的发展迅速，全要归结于当时工业的超高速发展，因此，PLC的产量有了质的飞跃，始终稳定在30%以上。

也正是在此过程中，PLC在某些领域撼动了处于统治地位的DCS系统。

因为PLC在处理模拟量、数字量的运算方面，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。

到上世纪末，可编程控制器朝着更适合现代工业发展的特点不断完善与改进。

超大型PLC和超小型PLC都相继出现，为了迎合不同控制要求的工业场合。

特殊功能单元也种类繁多，扩展了PLC的功能。

人机交互界面单元、通信单元更加方便人们的使用，PLC的这些变化，给工业生产自动化增添了强大的动力。

2.1.2PLC的组成

PLC基本组成简单明了，分为几大部分，每一部分又有各自不同功能的模块，具体包括中央处理器（CPU）、存储器、接收发出信息的端口、对外另外连接的仪器的编程器及提供电能的部分这几大部分。

其中对外接收和发送信息的端口又分为好几类，具体的形式见图2-1。

PLC分管不同功能的每个东西通过总线连起来，对外的连接需要按照实际的被控对象连接与之对应的设备，使之构成一个完整的PLC控制系统。

图2-1PLC基本组成

（1）中央处理器

其简称CPU，是PLC的最高级指挥中心。

相当于我们的大脑。

（2）存储器

PLC的存储器组成主要有三部分，分别是系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器。

①系统程序存储器

系统程序存储器是存放PLC生产厂家编写的系统程序的地方，并且锁定在ROM内，个人用户不能随意的擦出及写入。

它使PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。

系统程序质量的好坏很大程度上决定了PLC的性能。

②用户程序存储器及数据存储器

用户存储器又分为用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）这两个存储器，分别负责不同的存储任务。

用户程序存储器是专门存放用户根据实际控制情况具体编写的程序的地方，程序要采用PLC编程语言编写。

这个存储器当中的存储单元类型又分为多种，有RAM（随机存取存储器）、EPROM（可擦除可编程序存储器）和EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）。

存储器中的内容可读可写可修改，用户可以根据自己的需要自行发挥。

用户数据存储器是保存运行程序中器件所使用的开关量以及运算过程中产生的数据的空间。

程序容量的大小靠的就是用户存储器的大小，存储器越大，能开发的程序就能越大，这就说明PLC性能也就越好。

判断PLC的优劣，很重要的指标就是看用户程序存储器的大小。

为了方便用户程序的读写，更改，检验，也为了更安全有效的保护用户程序的信息，防止程序因断电等意外丢失，因此，一般用RAM用作程序存储器，并备有后备电源。

由于RAM的抗干扰能力稍差，在程序已经运行并且无误的情况下，通常将其固化在只读存储器中。

如今电可擦除可编程只读存储器正逐步成为用户存储器的首选，直接将程序写进EEPROM中已成为时下流行的潮流。

工作数据指的是在PLC运行时一直都在变化、一直都在存取的一些数据。

工作数据需要随即存取，因此存放在RAM中最恰当。

开发人员需要通过编写程序来设定这些器件的初始状态，以便更好的完成自动控制的目的。

在管理数据的区域中，有这样一个数据保持区，它是能在一些数据在掉电时用后备电池保持原有状态的时刻，可以将这些数据保存下来的存储区。

用户在开发使用PLC的过程中是不会触及系统程序及工作数据的，PLC产品说明书或使用手册中所标明的存储器的说明，包括其形式以及存储器的容量都指的是用户程序存储器。

功能不强大的PLC往往用户存储器容量小，用户在开发使用的过程中也会出现信息超出用户存储器的容量的情况，为了解决这种情况带来的不便，许多PLC还有存储器扩展功能。

常见的存储器主要有1.RAM，可读可写的随机存储器；2.ROM，只读存储器。

ROM又有PROM、EPROM等多种形式可供用户根据需要来自行选择，但他们均为可擦除可编程的只读存储器。

（3）接口

要想利用PLC进行完整的控制任务，PLC就必须与外界建立联系，接收和发送各种信号就需要输入输出接口。

负责接收信息的端口是用来接收程序正常运转时所产生的各种变量的。

接收的不同变量在PLC中经过特定的程序计算处理产生被控信息，这些信息由输出口送出PLC。

执行设备接收到输出口传递的信号后，带动被控器件动作，最终完成控制。

PLC控制好坏的评判很大程度上取决于接口接收和发送信号的能力。

由于工业生产现场情况复杂多变，干扰也比较强烈，所以接口要有抗干扰的能力。

另外，工业控制信号种类繁多，类型不一，所以接口还必须有处理不同类别信号的能力，满足各类信号的匹配能力。

①输入接口

可编程序控制器因需求不同有不同的接口。

·数字量输入接口：

一般传感器传递给PLC的信号如果是数字量，那么这些数字量就需要由数字量输入接口接收，并把他们转化成能用作PLC内部处理的标准信号。

数字信号可能由交流电传递也可能用直流电传递，因为这个缘故，接口只能又分成接收直流信号的直流输入接口和接收交流信号的交流输入接口。

如图2-1、图2-2、图2-3所示。

图2-1直流输入接口电路

图2-2交/直流输入接口电路

图2-3交流输入电路

由上图可以看到输入接口的电源部分画在了虚线框以外，这说明这类接口是分体式数字量输入接口。

但现如今的PLC一般不采用这种接法，另提供电源既不节能又不便捷，现在的输入接口都采用本机直流电源直接供电。

·模拟量输入接口：

顾名思义，模拟量输入接口就是能将输入到PLC的模拟量转化成PLC可处理的信号。

凡是模拟量，不论是电压的模拟信号还是电流的电信号，只要是标准的模拟信号，接口都能自动匹配。

②输出接口

·数字量输出接口：

它的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的数字（开关）量信号。

·模拟量输出接口：

它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为响应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。

③智能接口

为了适应较复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元。

如PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。

这类单元大多是独立的工作单元。

它们和普通输入输出接口的区别在于其一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。

在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。

从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用智能输入输出单元的功能稍弱。

（4）编程器

当你编辑好你所要用的PLC控制程序时，你就需要用到编程器来进行下一步的工作。

它能将你要用到的程序送到PLC的用户程序存储器。

另外，它还能帮你查看程序的运行流程，当程序出现错误或有不符合控制要求的时候，还可以利用它对其进行修改、调试等。

编程器又有两种分类。

简易编程器：

顾名思义，简易就是简单容易，它占地不大，可轻易移动，缺点就是仅仅可以识别语句编程。

如果PLC选的不大，用这简易的就挺好。

图形编程器：

它的功能不仅包括简易编辑器的功能，另外又能识别梯形图语言，功能更完善，用户可根据自己的需要自行选择。

PLC强大的功能随之衍生出来的是名目繁多的周边配套产品，辅助编程软件就是其中之一。

当我们在电脑里安装了它之后，我们就能用我们熟悉的梯形图，语句之类的编写我们自己的程序了，并且我们可以实现电脑和PLC之间的通信，观察正在工作的PLC等。

（5）电源

PLC的电源简单来说就是交流变直流整流器。

他将我们提供的交流电变成直流电，因为PLC的各个模块的工作电流必须采用直流电。

PLC的电源必须各项性能都强大，自身稳定，抗干扰，并且要求有些电源还带有向外输出电能的能力，因为这样就可以直接给被控设备供电，简化了电路接线。

2.2PLC的特点、性能及分类

2.2.1PLC的特点

（1）可靠性强

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。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

PLC的供电系统必须稳定。

制作PLC的所有工件必须精挑细选，不容马虎。

之所以称为稳定，它还具有自救能力，当其构成部分出现意外事故，他的CPU能马上做出动作，避免事故扩大。

大型PLC还通过增加CPU的个数来增加产品的稳定性，可靠性。

这个方法极大地提高了它的稳定性。

（2）丰富的I/O接口模块

PLC所控制的器件是多种多样的，接收的电信号也类型多种多样，各种各样的信号也难不倒强大的PLC。

为了适应各种外来信号，PLC有一系列处理不同情况的装置来解决。

（3）模块化结构

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。

（4）编程简单易学

PLC的程序基本是移植继电器的电路图，对于熟悉继电器的电气工作者，它的程序简单易懂，难度也不大，广泛的适合大家学习。

（5）安装简单，维修方便

使用PLC可以随时随地，完全不必考虑地点的限制，对环境的适应能力也相当强悍，所以说很方便。

其硬件安装也相当简便，只要把你要用到的机器通过导线与PLC的输入输出接口相连，检查无误后便可马上发挥作用。

如果使用时出现错误，或者器件自身由于某些原因出现故障，在哪出现毛病，在哪部分就会有明显的提示，使用户及时的处理问题。

每部分都是可拆卸的，也就意味着局部出现问题可以立即更换，以减少因故障带来的损失。

2.2.2PLC的性能指标

（1）I/O总点数

I/O总点数是衡量PLC接入信号和科输出信号的数量。

PLC的输入输出有开关量和模拟量两种。

（2）存储器容量

这个指标代表的是PLC中能够存储我们编写的程序的能力。

一般情况下我们默认以字来计量他的大小。

每1024个字为1千字。

PLC中通常以字为单位。

（3）编程语言

编程语言是PLC厂家为用户设计的用于实现各种控制功能的编程工具，它有多种形式，常见的是梯形图编程语言及语句表编程语言，另还有逻辑图编程语言、布尔代数编程语言等，它的功能强否主要取决于该机型指令系统的功能与否。

一般来讲，指令的种类和数量越多，功能越强。

（4）扫描时间

这个时间指的是读取并完成1000条指令要花费的时间。

通常来讲这个过程一共消耗10ms左右。

（5）内部寄存器的种类和数量

PLC里面的寄存器有好多种不同的分类，且不同的PLC所拥有的数量也会不同，这是判断PLC好坏的标准之一。

（6）通信能力

这个能力指的是PLC与同类之间的信息相互递送的能力，也包括PLC与电脑连接后相互递送信息的能力，它是工厂自动化的必备基础。

现在所有的已经生产出来的PLC无论类型如何，功能好坏，几乎全带有通信口，最少一个，无上限数量。

（7）智能模块

智能模块是那些自身具有处理器的能独立完成某些任务的立方体。

它并不是整个系统完整动作的不可或缺的一部分，也不再循环中，是独立的。

但它的意义在于执行PLC的命令，完成特殊的动作。

如常见的位置模块、温度模块、PID模块和模糊模块等等。

2.2.3PLC的分类及应用

PLC可从多种角度进行分类：

（1）按控制规模分：

输入输出量，开关量是这样分类的评判标准，都是按照路数来分类。

有了点数的区别，也就有了不同点数的PLC。

根据点数由少到多PLC也就有微小中大超大之分，这区分依据就不在此一一赘述，有兴趣可以查阅下相关资料。

（2）按结构组成分：

通过上文我们了解了完整PLC有几大部分组成，把这几大部分分别独立的割裂开来，然后再一一连接，这就是模块化的。

将这些组成部分直接集成在一个立方体中，这就是箱式的。

如OMRON公司，原来小型机都是箱体式，现在的CQM1则为模块式的。

箱体的PLC把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。

整个四方体就能实现全部的功能。

通常这个小箱子是不符合设计需要的，这就需要在另外连接小箱子，达到目的。

模块式的PLC是把PLC的组成结构一部分一部分的单独割裂开来，然后加以连接，组成完整的系统。

类型比较大的设备需要的模块用不着很强，所以与之相匹配的模块类型就很有选择性。

今后这种潮流定会十分流行。

在自动化的今天，凡是机器取代了人力用作工业生产的领域，就会有PLC的存在。

PLC就是取代人类劳动的机器人，有了它，人类文明的进步速度迅猛加快。

PLC的应用之广，几乎遍布我们社会活动的所有方面。

工业上完全依赖PLC作为生产控制的中枢，接收信息处理数据并传达指令，使工业生产能高效，有序，稳定的运行，全靠PLC的作用。

这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。

凡是与工业挂钩的地方，有机器参与生产，这么说吧，只要是通过耗电来搞生产的地方，就有PLC的存在！

可能我们还不是很了解PLC，但它已经悄无声息的存在于我们日常生活的各个角落。

只要是我们应用的各种物品，