基于PLC的水塔水位控制的设计说明.docx

1、基于PLC的水塔水位控制的设计说明摘要在人们的日常的生活中经常需要用到水塔，且需要对水塔水位进行测量和控制。水位的控制有着多种实现方法如：利用机械控制水位、利用逻辑电路控制水位等。随着科技的发展，无论是在日常生活当中，还是在工农业发展当中，PLC都具有相当广泛的应用且可编程控制器PLC具有抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化等特点。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而利用PLC和水位传感器来设计的水塔水位控制系统成本低、安装方便、灵敏性高是水塔水位控制的理想系统。本设计使用FX2N系列的模拟量模块FX2N-4AD与水位传

2、感器配合进行水塔水位控制系统的设计。关键词：水塔水位控制；PLC；水位传感器；FX2N-4AD1 绪论1.1水塔水位控制系统设计的目的水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点。而自动控制原理, 是依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定来满足用水要求, 从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出

3、了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须对其进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、低成本的设计、高实用价值的控制器。1.2 PLC的产生与发展可编程控制器（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

4、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。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各阶段：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

5、了改进以适应工业控制现场的要求。装置种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

6、外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，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，是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，由于插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。1.3 PLC的基本结构PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件上的结构基

7、本上与微型的计算机相同。中央处理单元(CPU)，如下图1-1：图 1-1 PLC的基本结构中央处理单元(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数运算结果送入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。进一步提高

8、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。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。PLC常用存储器类型有下列3种：（1）RAM （Random Assess Memory） 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（Erasable Programmable Read Only Memory）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(Electric

9、al Erasable Programmable Read Only Memory)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。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下列三个区域：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。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

10、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。（1）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。（2）系统软设备存储区 ：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）

11、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。所谓用户程序时指使用户根据工程现场产生过程和工艺要求编写的控制程序。次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。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借口。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。由于这些信号电平各式各样

12、，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广电耦合电路，其

13、目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、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宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。另外还有：0somV、0IV、5+SV、10+10V，010mA等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8位

14、、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。编程器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： （1）便携式编程器(也叫简易编程器)：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

15、示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。（2）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月多种编程语言编程，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、绘画仪等设备连接，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。（3）用于IBMPC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

16、，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

17、有一个选择键，以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

18、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：（1）用户可根据自己时间控制系统的要求，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。（2）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，所作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。PLC中的电源一般有三类：+5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；供输出接口使用的高压大

19、电流的功率电源；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：（1）小型机：256点以下（无模拟量）； （2）中型机：256 2048点（64 128路模拟量）； （3）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。1.4 PLC特点(一) 高可靠性1.

20、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1020ms.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) 丰富的I/O 接口模块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

21、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。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。(四) 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

22、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。1.5 PLC工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： （1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作

23、。 （2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 扫描技术：当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完

24、成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下图1-2：图1-2 PLC 扫描周期（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(

25、梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑

26、线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。PLC的I/O响应时间：为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一

27、个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。如下图1-3：图1-3 PLC扫描周期示意图2 FX2N-4AD工作原理2.1 FX2N-4AD简介 三菱FX2n-4AD是三菱电机公司推出的一款FX2n系列PLC模拟量输入模块，有CH1CH4四个通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率最大为12位，采集信号的电压为-10V+10V，分辩率5mV。电流输入时，为420mA或-2020mA，分辩率20uA。 FX2n-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器(BMF)，用于与PLC主机交换数据。 FX2n-4AD占用FX2n扩展总线的8个点，这

28、8个点可分配为输入与。FX2N-4AD输出耗电为5V，30mA。2.2 FX2N-4AD缓冲存储器（BFM)简介FX2N-4AD缓冲存储器（BFM)的分配如下表2-1：BFM内容*#0指定CH1-CH4的输入方式缺省值为H0000*#1CH1平均值的取样的次数缺省值为8*#2CH2*#3CH3*#4CH4#5CH1CH1-CH4的平均值#6CH2#7CH3#8CH4#9CH1CH1-CH4的当前值#10CH2#11CH3#12CH4#13-19保留*#20复位到缺省设定值缺省值为0*#21禁止调整偏移、增益值，缺省值为0（1为允许调整）*#22偏移、增益调整b7 b6b5b4b3b2b1b0G

29、4O4G3O3G2O2G1O1*#23偏移量缺省值为0*#24增益值缺省值为5000#25-28保留#29错误状态#30识别码K2010#31禁用表2-1 FX2N-4AD缓冲存储器（BFM)的分配带*标志的缓冲区（如#0）可以用BFM写入指令TO从PLC写入，不带*标志的缓冲区(如#5)可以用BFM读出指令FROM读入到PLC。3 水塔水位控制系统硬件设计3.1 水塔水位控制系统方案水塔水位控制系统方案如下图3-1：图3-1 水塔水位控制系统方案3.2 水位传感器的选择本设计选用的水位传感器为PY201,以下为PY201的简介及主要参数 PY201采用进口扩散硅感压芯体，全不锈钢封焊结构，具

30、有良好的防潮能力及优异的介质兼容性，适用于介质压力微弱的负压压力场合的测量与控制。采用进口高精度感应芯体，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成010VDC、0.54.5VDC、420mA、05VDC等标准电信号。采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。使之产品的抗冲击能力、过载能力、产品密封性等性能有了较大提高，产品最高压力可达500米水位。主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。传感器通常也被称为：投入式液位传感器、投入式液位变送器、液位传感器、液位变送器、地下水位传感器、地下水位

31、变送器，水塔水位和水压测控仪器。产 品 说 明 投入式液位传感器,水位传感器,液位变送器 1、产品概述及特点： A、采用进口扩散硅感压芯片； B、选进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿； C、高精度和高稳定性放大集成电路； D、全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高； E、输出信号多样化（有电流型、电压型）； F、结构小巧，安装方便； G、电气连接采用特殊灌封工艺，配套3芯导气屏蔽电缆，防护等级达国家IP68标准 2、产品应用： A、水箱水位、油箱油位、水槽（油槽）的液位测量；B、水井、水塔、河流、水库的水位测量； C、污水处理设备、海洋水位、地下水监测； 3、产品主要参数： 被测介质： 液体（弱腐蚀性） 压力类型： 表压 量 程： 00.1M1M3M5M10M20M50M100M200M500M （水位深度最小量程为0.1米） 输 出：420mA（二线制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三线制） 综合精度： 0.25%FS、0.5%FS 供 电： 24V Dc（936VDC） 绝缘电阻： 1000 M/100VDC 负载电阻: 电流输出型：最大800 电压输出型：大于50K 介质温度：-2085 环境温度：