水塔水位控制系统设计.docx

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水塔水位控制系统设计

1.1可编程控制器的产生1

随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置——可编程控制器。

随着科技的发展和现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，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、水电站等情况下的水位控制。

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装置。

利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，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，使水位保持在适当的位置。

关键词：

水位控制、PLC、故障报警

Abstract

Withthedevelopmentofmodernsocialproductionandtechnologicalprogress,thelevelofmodernindustrialautomationincreasinglyrapiddevelopmentofmicroelectronicstechnologymachine,therelaycontrolsystembasedonanewgenerationofindustrialcontroldevices-programmablelogiccontroller.Withthedevelopmentoftechnologyandtherealityofsomeoftheproblemsexposedinordertobemoreefficientandmoreconvenienttocompletesometasksintheindustrialandagriculturalproductionprocess,oftenneedtomeasureandcontrolthewaterlevel.Waterlevelcontrolapplicationsineverydaylifeareverywide,suchaswatertowers,groundwater,hydropowerandotherwaterlevelcontrolcase.Thewaterleveldetectioncanhaveavarietyofimplementationmethods,Suchasmechanicalcontrol,logiccontrol,electricalandmechanicalcontrol.

Inthispaper,themainPLCcontrol,installanautomaticwatertanklevelmeasuringdevice.Theconductivityofwaterusearoundtheclocktomeasurethewaterlevelcontinuouslychanges,themeasuredwaterlevelchangesintoacorrespondingelectricalsignal,theconsoleapplicationMCGSthereceivedsignalconfigurationsoftwarefordataprocessing,completethecorrespondinglevelshowsfaultalarminformationdisplay,real-timedisplayofcurveandthecurveofhistory,sothatthewaterlevelmaintainedattheappropriatelocation.

Keywords:

Waterlevelcontrol,PLC,Faultalarm

系统设计

1绪论

1.1可编程控制器的产生

可编程控制器是继电器控制的基础上发展起来的一种新型工业控制装置，可是将自动化技术、微型计算机技术及通讯技术融为一体的高可靠性的控制器，可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，它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的。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。

它已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。

计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。

可编程控制器（ProgrammableController）也可称逻辑控制器（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。

为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。

可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。

继电器—接触器控制已经有上百年的历史，它是一种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。

对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，至今仍有广泛的用途。

但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。

通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控

制。

其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即:

这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。

用可编程控制器代替继电器——接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。

这样，工作人员不必在编程上花费大量地精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，市电控制系统可方便地在需要的地方运行。

所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。

1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。

PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。

国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

1.2PLC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为三个阶段。

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这是的PLC多少由电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离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器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，有故障指示，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。

在七十年代，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的功能大大增强。

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，还增加了模拟量快、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的应用范围得以扩大。

进入八十年代中、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档次普遍提高。

而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。

这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。

2PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元（CPU），如图2-1所示。

图2-1硬件结构

2.1中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC控制中枢。

它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，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，命令解释后按指令规定执行逻辑或算术运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为进一步提高PLC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表决式系统。

这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2.2存储器

存放系统软件存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件存储器称为用户程序存储器。

1、PLC常用存储器类型

（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）这是一种可擦除只读存储器。

断电情况下，存储器内所有内容保持不变。

紫外线连续照射下可擦除存储器内容。

（3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除只读存储器。

使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。

2、PLC存储空间分配

各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）

（3）用户程序存储区

系统程序存储区：

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EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC性能。

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。

（4）I/O映象区：

PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。

它需要一定数量存储单元（RAM）以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。

一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。

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。

（5）系统软设备存储区：

除I/O映象区以外，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）存储区。

该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。

用户程序存储区：

主要用来存放用户的应用程序。

所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。

此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。

也可将用户程序存放在EEPROM中。

2.3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、限位开关以及传感器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。

由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。

输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。

这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。

数字量输入模块带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。

数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。

模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。

由于工业控制系统中有传感器或执行机构，有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。

模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器与PLC的1/0总线挂接。

现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。

另外还有：

0—somV、0—1V、—5—+5V、—10—+10V，0—10mA等。

模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。

模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。

2.4扩展模块

当一个PLC中心单元的I/O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，使可编程控制器的功能更加强大和完善。

智能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLC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、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。

2.5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。

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：

1.便携式编程器（也叫简易编程器）；

2.图形编程器；

3.用于IBM—PC及其兼容机的编程器。

便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示，这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。

图形编程器以液晶显示器（LCD）或阴极射线管（CRT）作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。

使用图形编程器可以用多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。

图形编程器还可与打印机、录音机、绘图仪等设备连接，有较强的监控功能。

但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。

编程器工作方式主要有编程和监控两种。

编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。

监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。

因此编程器的监控方式对控制器中重新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。

编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。

显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。

键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以便选择其中一种方式工作。

现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。

不同厂家、不同型号的PLC的输入／输出点数也不同，有的大型机输入／输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。

因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。

扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。

主要有数字输入／输出模板，模拟输入／输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。

用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：

用户可根据自己实践控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。

当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所做的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。

特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。

2.6PLC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。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。

通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类：

小型机：

256点以下（无模拟量）；

中型机：

256~2048点（64~128路模拟量）；

大型机：

2048点以上（128~512路模拟量）。

具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。

但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。

3PLC的工作原理与特点

3．1PLC的工作原理

图3-2PLC扫描周期示意图

3.2PLC特点

（一）高可靠性

1.抗干扰能力强，适合于在恶劣的生产环境下运行，它完全不需要一般计算机所要求的环境。

且所有的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.各输入端均采用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

（二）系统采用了分散的模块化结构

1.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。

2.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，可针对各类不同控制需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而大大提高了效率。

3.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。

（三）采用了大规模集成电路技术和微处理器技术

为了实现机电一体化，将其设计得紧凑、坚固、小体积，易于装入机械设备内部，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。

（四）编程简单易学

PLC的编程大多使用面向控制操作的控制逻辑语言。

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。

（五）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。

4梯形图程序设计及工作过程分析

梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、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非常相似，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——接触器控制系统的人来说，易被接受。

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，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。

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，是一种常用的程序表达方式。

高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们