基于西门子PLC供水系统水位控制的研究.docx
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基于西门子PLC供水系统水位控制的研究
黑龙江科技学院
毕业论文（设计）
基于西门子PLC供水系统水位控制的研究
系部电子信息工程
专业名称电子信息科学与技术
班级电科二班
姓名汪洪源
学号2007018618
指导教师魏娜
2010年11月28日
基于西门子PLC供水系统水位控制的研究
指导老师：
魏娜
2007电子信息科学与技术专业学号2007018618姓名汪洪源
摘要
在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。
水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况的水位控制，而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位的装置。
利用水的到点性连续地全天地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，把水位保持在适当的位置。
关键词：
可编程序控制器PLC；液位传感器；定时器；
SiemensPLCbasedcontrolofwatersupplysystem
Tutor:
Weina
ElectronicInformationScienceandTechnology,2007Professional
levelNo:
2007018618Name:
WangHongyuan
Abstract
Intheindustrialandagriculturalproductionprocess,oftenneedtomeasureandcontrolthewaterlevel.Waterlevelcontrolapplicationsineverydaylifeareverywide,suchaswatertowers,groundwater,hydropower,etc.Thewaterlevelcontrol,andthewaterleveldetectioncanbeachievedwithavarietyofmethods,suchasmechanicalcontrol,logiccontrol,electricalandmechanicalcontrol.Inthispaper,themainPLCcontrol,installanautomaticwatertanklevelmeasuringdevice.Useofwatertothepointofcontinuouslymeasuringthewaterlevelchangesinthewholeworld,themeasuredwaterlevelchangesintocorrespondingelectricalsignals,MCGSconfigurationsoftwareconsoleapplicationthereceivedsignalfordataprocessing,completethecorrespondinglevelshowsthatfaultalarminformationdisplay,real-timecurveandthecurveofhistoryshowsthatthewaterlevelmaintainedattheappropriatelocation.
Keywords:
PLCprogrammablecontroller,Levelsensor,Thetimer.
目录
1．绪论……………………………………………………………………………………1
1.1可编程控制器的产生…………………………………………………………1
1.2PLC的特点………………………………………………………………………1
1.3PLC的基本结构………………………………………………………………1
1.4PLC的工作方式………………………………………………………………2
1.5PLC的发展………………………………………………………………………3
2西门子PLC的几种编程语言简单介绍…………………………………………4
2.1西门子PLC的几种编程语言………………………………………………4
2.2PLC应用设计步骤和简介……………………………………………………5
2.3可编程控制器的维护和故障诊断………………………………………6
3水塔水位控制系统PLC硬件设计………………………………………………7
3.1水塔水位控制系统要求……………………………………………………8
3.2水塔水位控制系统主电路…………………………………………………9
3.3I/O口的分配………………………………………………………………10
4.水塔水位控制系统PLC的软件设计…………………………………………11
4.1程序流程图…………………………………………………………………11
4.2梯形图……………………………………………………………………………12
5.设计总结………………………………………………………………………………14
辞谢…………………………………………………………………………………………15
参与文献…………………………………………………………………………………16
第1章绪论
1.1可编程控制器的产生
可编程控制器（ProgrammableController）,也称可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），是以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，为了避免与个人电脑（也简称为PC）相混淆，通常将可编程控制器简称为PLC。
可编程控制器的产生与继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已有上百年的历史，它是一种用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、易于维修的优点。
此种控制系统布局固定，按预先规定的时间、条件、顺序工作。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛的用途。
1.2PLC的特点
、可靠性高，抗干扰能力强
、编程简单，易于掌握
、组合灵活，使用方便
、功能强，通用性好
、开发周期短，成功率高
六、体积小，重量轻，功耗低
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1-1所示：
、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
、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。
、输入/输出模块
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接口。
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。
、扩展模块
当一个PLC中心单元的1/0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，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。
智能1/0接口模块种类很多，例如高速技术模块、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、中断控制模块、智能存贮模块以及智能1/0模块等。
、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磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。
目前编程器主要有以下三种类型:
便携式编程器（也叫简易编程器）;图形编程器;用于IBM一PC及其兼容机的编程器。
、电源
PLC中的电源一般有三类：
1、+5V、±15V直流电源：
供PLC中TTL芯片和集成运放使用；
2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；
3、锂电池及其充电电源。
考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。
1.4PLC的工作方式
PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。
一个完的期可分为三个阶段：
（1）、输入采样阶段
程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。
（2）、用户程序执行阶段
所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。
（3）、输出刷新阶段
将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。
1.5PLC的发展
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
第二章西门子PLC的几种编程语言简单介绍
2.1西门子PLC的几种编程语言
不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言也就那么几种。
下面，以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。
1、顺序功能图（SFC－Seauential Fuction Chart）
这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：
机械手控制程序）。
编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。
西门子STEP7中的该编程语言是S7 Graph。
2、梯形图（LAD－LAdder Diagram）
梯形图语言是一种图形化的编程软件，它沿用了传统的继电接触器控制中的触电、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图十分相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器去控制系统的人来说，易于被接受。
继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言，由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其他方式表达，然后改写成相应指令表，编程设备简单廉价。
状态转移图语言（SFC）类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态，这种方式容易构思，是一种常用的表达方式。
高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。
通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规律有：
1）梯形图按自上而下、从左至右的顺序排列，每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯型，梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。
2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流通过。
但为了读图方便，常有“有电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：
层次的改变也只能是自上向下。
3）梯形图的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器有“1态”，表示该继电器线圈通电，其合动触点闭合，动断触点打开，反之为“0态”。
梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
4）梯形图信息流程从坐到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用：
而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的连锁电路，从而使电路设计大大简化。
所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
而PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递减顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。
每扫描完成一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
3、语句表（STL－STatement List）
是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。
语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。
4、功能块图（FBD－Function Block Diagram）
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。
功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。
5、结构化文本（ST－Structured Text）
结构化文本（ST）是为IEC61131－3标准创建的一种专用的高级编程语言。
与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。
STEP7的S7 SCL结构化控制语言，编程结构和C语言和Pascal语言相似，特别适合于习惯于使用高级语言编程的人使用。
2.2PLC应用设计步骤和简介
PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。
需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。
设计可按照下图中几个步骤进行。
1．确定控制对象及控制范围
详细了解被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。
2．PLC型号的选定
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。
适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。
并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
3．硬件设计
根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。
按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电器控制系统总装配图和接线图。
4．软件设计
（1）在进行硬件设计的同时可以同时着手软件的设计工作。
软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。
在程序设计的时候建议将使用的软继电器（内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。
（2）程序初调也成为模拟调试。
将设计好的程序通过程序编辑工具下载到PLC控制单元中。
由外接信号源加入测试信号，通过各种状态指示灯了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，消除缺陷，直到满足设计的要求为止。
5．现场调试
在初调合格的情况下，将PLC与现场设备连接。
在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。
在保证整个硬件连接的正确无误的情况下即可送电。
把PLC控制单元的工作方式布置为“RUN”开始运行。
反复调试消除可能出现的各种问题。
在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改老配合软件的调试。
应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。
试运行无问题后可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，并做备份（至少应该作2份）。
2.3可编程控制器的维护和故障诊断
为了保障系统的正常运行，定期对PLC系统进行检查和维护是必不可少的，而且还必须熟悉一般故障诊断和排除方法。
一、检查与维护
1.定期检查
PLC是一种工业控制设备，尽管在可靠性方面采取了许多措施，但工作环境对PLC影响还是很大的。
所以，通常每个半年时间应对PLC做定期检查。
如果PLC的工作条件不符合表1规定的标准，就要做一些应急处理，以便使PLC工作在滚规定的标准环境。
2.日常维护
PLC除了锂电池和继电器输出触点外，基本没有其它易损元器件。
由于存放用户程序的随机存储器（RAM），计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保护，锂电池的寿命大约5年，当锂电池的电压逐渐降低达一定程度时，PLC基本单元上电池电压跌落指示灯亮。
提示用户注意，有锂电池所支持的程序还可保留一周左右，必须更换电池，这是日常维护的主要内容。
调换锂电池步骤：
① 在拆装前，应先让PLC通电15S以上（这样可使作为存储器备用电源的电容器充电，在锂电池断开后，该电容可队PLC做短暂供电，以保护RAM中的信息不丢失）；
② 断开PLC的交流电源
③ 打开基本单元的电池盖板
④ 取下旧电池，装上新电池
⑤ 盖上电池盖板
更换电池时间要尽量短，一般不允许超过3min。
如果时间过长，RAM中的程序将消失。
二、故障查找
PLC有很强的自诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。
3.为什么要在网络总线中添加终端电阻
端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：
阻抗不连续和阻抗不匹配。
阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。
这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。
消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。
由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。
引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。
这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。
要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。
在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。
第三章水塔水位控制系统PLC硬件设计
3.1水塔水位控制系统
近年来对城市供水提出了更高的要求，水塔水位控制自动化系统被不断地改造，以适应社会的发展和人民生活水平的提高，满足及时、准确、安全和保证充足供水。
目前水位自动控制系统有很多成熟的产品，控制手段主要有单片机监控、比较电路监控、利用PLC和传感器构成水塔水位恒定的控制系统等，运行可靠，可实现远程监控和无人值守。
在许多偏远地区，特别是居住相对分散的农村地区，供水问题也待解决。
如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。
本文针对乡镇和偏远农村家庭供水的特点，设计一款简单实用、符合要求的水位自动控制系统。
1水箱水位自动控制系统的组成
针对偏远农村分散居住，取水不方便（包括从水井取水）的特点，考虑到农民生活消费水平不高，设计的供水系统必须是既方便农民的生活，又经济实惠等特点的水箱水位自动控制系统。
水箱水位自动控制系统的组成。
由图中可知，水位自动控制系统电路主要由主电路和控制电路两大部分组成。
主电路是一台抽水水泵，由220V交流电源电压供电。
控制电路由包括整流、滤波、稳压电路、感应电路及限流限压电路组成。
2水箱水位自动控制系统的设备
水位自动控制系统的设备只需选用价格低廉、安全可靠的设备。
由设备表可知，所有的设备都是简单而常用的小型设备，价格低廉，控制和维
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