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基于PLC与组态的液位控制系统设计


基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

基于 PLC 与组态的液位控制系统设计
摘要
随着现代社会生产的发展和技术的进步, 现代工业自动化水平的日益提高, 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 更方便的完成一些任务,在生产过程中,经常需要

对液位的来进行控制,而对 于这控制,因 PLC 的功能特点,所以非常适合来控制液位的高低。本次毕业设 计的课题是基于 PLC 与组态的液位控制系统。在设计中,主要是对 PLC 控制程 序的设计和组态王的画面设计。 本文的主要内容包括:PLC 的产生和定义,以及在未来 PLC 控制的发展,三 菱 FX2N 系列的可编程控制器的掌握,液位控制结构示意图,工作流程图及原理 分析,I/O 分配表、接线图及 PLC 程序,利用组态软件来设计液位控制画面。

I

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The liquid level control system based on PLC and Configuration
Abstract
With the development of modern social production and technological progress,the level of modern industrial an increasingly rapid development of microelectronics technology machine,the relay control system based on a new generation of technology and the reality of some of the problems exposed in order to be more efficient and more convenient to complete some tasks in the industrial and agricultural production process.The subject of graduation design is based on PLC and Configuration,liquid level control system design.In the design,the auther is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design,so the design used in the paper referred to was more control program design of PLC and picture design of Configuration. Main contents of this article: PLC creation and definition,process control,level development,and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis,FX2N series PLC hardware control,the liquid level control structure schematic diagram, the flow chart and theory analysis, I/O distribution table, the wiring diagram and PLC program, using the configuration software to design level control screen.

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基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

目录
第一章 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景和意义 ...................................................................................................... 1 1.2 主要研究内容及章节安排 .............................................................................................. 1 1.2.1 主要研究内容 ....................................................................................................... 1 1.2.2 章节安排 ............................................................................................................... 2 第二章 FX2N 系列 PLC 与控制................................................................................................... 3 2.1 PLC 的产生和定义........................................................................................................... 3 2.1.1 PLC 的产生............................................................................................................ 3 2.1.2 PLC 的定义............................................................................................................ 3 2.2 三菱 PLC 控制系统......................................................................................................... 3 2.3 PLC 的构成 ...................................................................................................................... 4 2.3.1 CPU 模块 ............................................................................................................... 4 2.3.2 I/O 模块.................................................................................................................. 5 2.3.3 电源模块 ............................................................................................................... 5 2.4 PLC 的特点和功能........................................................................................................... 5 2.5 梯形图设计 ...................................................................................................................... 6 第三章 系统软硬件设计方案 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 3.1 系统硬件的设计 .............................................................................................................. 8 3.1.1 变频器的选型和接线 ........................................................................................... 8 3.1.2 PLC 的选型............................................................................................................ 9 3.1.3 电磁阀门的特性 ................................................................................................... 9 3.1.4 组态王软件概述 ................................................................................................. 10 3.2 系统软件设计 ................................................................................................................ 11 3.2.1 水箱液位控制装置图 ......................................................................................... 12 3.2.2 设计要求 ............................................................................................................. 13 3.2.3 系统控制流程 ..................................................................................................... 13 3.2.4 系统控制结构 ..................................................................................................... 15 第四章 PLC 控制程序 ................................................................................................................ 17 4.1 水箱液位控制的 I/O 接口分配表................................................................................. 17 4.2 PLC 接线 ........................................................................................................................ 18 4.3 PLC 程序设计梯形图..................................................................................................... 19 4.4 PLC 程序设计对应的指令............................................................................................. 20 4.5 组态王软件设计界面 .................................................................................................... 21 第五章 总结与展望 ..................................................................................................................... 23 1.总结 .................................................................................................................................... 23 2.展望 .................................................................................................................................... 23 参考文献 ....................................................................................................................................... 24 致谢............................................................................................................................................... 25

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基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

第一章
1.1 课题研究背景和意义

绪论

为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。 从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程 中,一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定,直接影响到 了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一 系列中途的问题。随着现在工业控制的要求越来越高,一般的自动化控制已经 不能满足工业生产控制的需求,所以我们就又引入了可编程逻辑控制(又称 PLC) 。引入 PLC 使控制方式更加集中、有效、更加的及时。 液位控制系统是以液位为被控参数的系统,是现代工业生产中的一类常见 的、重要的控制过程,一个系统的液位是否稳定,直接影响到了工业生产的安 全与否,生产效率的高低,能源是否能得到合理运用等一系列问题。而传统的 液位控制多采用单回路控制,并采用传统的指针式仪表来显示液位值,使液位 控制的精度和显示的直观性受到限制,而随着生产线的更新及生产过程控制要 求的提高,要求液位控制系统有高的控制精度,即准确稳定的液位,一般的得 自动化控制方式已不能满足工业生产控制的要求。 液位控制由于其应用极其普遍,种类繁多,其中不乏一些大型的复杂系统。 它主要有以下几个特点:1、时滞性很大,2、时变性,3、非线性。 这几个特点,都严重影响 PID 控制的效果,在实际生产中而随着生产线的 更新及生产过程控制要求的提高,要求液位控制系统有高的控制精度,即准确 稳定的液位,一般的得自动化控制方式已不能满足工业生产控制的要求,为了 使系统具有直观准确的显示功能,我们采用 PLC 和组态软件对液位进行控制。

1.2

主要研究内容及章节安排

1.2.1 主要研究内容
一、一个系统是否能达到预想的控制效果,其中系统的总体控制框架很重 要,能够知道设计中那些的不足之处。 二、在液位控制系统中,调节阀是否与所控制的液体发生化学反应,兼容 性问题等,这个直接影响到控制结果。 三、控制方案的选取,一个好的控制方案会使系统更加完美,所以控制方

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案的选取是相当重要的环节。 四、PLC 和组态软件知识的掌握。 本次课题研究都是已 PLC 和组态为基础, 所以这两方面都是至关重要。 五、具有水位过高、过低报警和提示用户功能。 六、变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程 PLC 上。

1.2.2 章节安排
第一章是绪论来介绍本课题研究的背景和意义。 第二章主要介绍 FX2N 系列 PLC 的产生,定义及 PLC 的原理图。 第三章是介绍系统的设计方案,包括系统控制结构图,控制流程,控制流 程图。 第四章是介绍 PLC 控制液位,程序,I/O 接口分配表,接线图。 总结和展望是对本次的设计做出的心得,对所涉及到的内容与所学的知识 想结合,做出看法。

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第二章
2.1

FX2N 系列 PLC 与控制

PLC 的产生和定义

2.1.1 PLC 的产生
在 20 世纪 60 年代,世界技术改造的冲击下,要求寻找一种比继电器更加 可靠,功能更加齐全,响应速度更加快的新型工业控制器,在工业生产过程中, 大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行 连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气 动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM (通用汽车)公司提出取代继电 气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术 的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序 控制器,称 Programmable Controller ( PC ) 。个人计算机(简称 PC )发 展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器 定名为 Programmable Logic Controller ( PLC ) ,现在,仍常常将 PLC 简 称 PC 。

2.1.2 PLC 的定义
国际电工委员会( IEC )对 PLC 的定义是:可编程控制器是一种数字运 算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器, 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的 指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易 于扩充其功能的原则设计。

2.2

三菱 PLC 控制系统
FX2N 系列的 PLC 是三菱公司在 1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出的产品,

是目前运行速度最快的小型 PLC 之一。下面介绍 FX2N 系列的 PLC 的硬件组成。 图 2.1 为 PLC 的原理图。

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其 存 接 接 口 口 他

EPROM 储存器

A/D D/A 机 其


RCM




RAM

理器 CPU
显 示



输入接 合

输 体

接 开关

图 2.1

PLC 原理图

2.3

PLC 的构成
从结构上分,PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括

CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的 整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架,这 些模块可以按照一定规则组合配置。

2.3.1 CPU 模块
CPU 是 PLC 的核心组成部分, 与通用微机的 CPU 一样, 它在 PLC 系统中的作 用类似于人体的神经中枢,故称为“电脑” 。其功能是: 1.PLC 中系统程序赋予的功能,接收并存储从编程器输入的用户程序和数 据。 2.用扫描方式并接受现场输入装置的状态,并存入映像寄存器。 3.诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。在 PLC 进 入运行状态后,从存储器中逐条读去用户程序,按指令规定的任务产生相应的 控制信号,去开启和关闭有关控制的电路。

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2.3.2 I/O 模块
I/O 模块是 CPU 与现成 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。 PLC 提供 了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块和各种用途 I/O 元件供用户选用。如输 入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D 或 D/A 变换以及其他功能模块等。I/O 模块将外部输入信号变换成 CPU 能接受的信号, 或将 CPU 的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象,以确保整个系统 正常工作。 其中输入信号要通过光电隔离, 通过滤波进入 CPU 控制板, CPU 发出输出信 号至输出端。输出方式有三种:继电器方式、晶体管方式、晶闸管方式。

2.3.3 电源模块
根据 PLC 的设计特点,它对电源并无特殊要求,它可使用一般工业电源。

2.4

PLC 的特点和功能
PLC 能如此迅速发展的原因, 除了工业自动化的客观需要外, 还有许多独特

的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、 经济等问题。其主要特点如下: 1. 控制功能强 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件,可以 实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比,它具有很高的性能 价格比。可编程序控制器可以通过通信联网,实现分散控制与集中管理。 2. 编程方便、简单 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言,其电路符号、表达方式与 继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单、易学,熟悉继电器电 路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户 程序。 3. 设计、安装、调试周期短 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、 时间继电器,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少,缩短了施工周期。 可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试,模拟调试好后再将 PLC 控 制系统在生产现场进行修改程序就可以解决,大大缩短了设计和投运周期。

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三菱 FX2N 是三菱 PLC 是 FX 家族中最先进的系列。 具有高速处理及可扩展 大量满足单个需要的特殊功能模块等特点,为工厂自动化应用提供最大的灵活 性和控制能力。三菱 FXPLC 是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当 FX 系列中最高档次的超小程序装置,除输入出 16~25 点的独立用途外,还可以适 用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满 足多样化广泛需要的 PLC。 FX 系列 PLC 拥有无以匹及的速度,高级的功能逻辑选件以及定位控制等特 点; FX2N 是从 16 路到 256 路输入/输出的多种应用的选择方案;FX2N 系列是 小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于 FX 系列中最高档次的超小形程 序装置。除输入出 16-25 点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的 连接, 模拟控制, 定位控制等特殊用途, 是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块, 可进行 16-256 点的灵活输入输出组合。 可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机, 可以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。 可根据电源及输出形式,自由选择。内置 800 步 RAM(可输入注释)可使用存储 盒,最大可扩充至 16K 步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、 高速处理指令、输入过滤常数可变,中断输入处理,直接输出等。便利指令数 字开关的数据读取,16 位数据的读取,矩阵输入的读取,7 段显示器输出等数 据处数。

图 2.2 三菱 FX2N 系列

2.5

梯形图设计
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,但又加入许多功能强大又使用灵活的指令,它比较直观、形象、对

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于那些熟悉继电器—接触器控制系统的人来说、容易被接受。继电器梯形图多 半实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号和作用器件编号组成,比较抽象,通常都先用其 他方式表达,然后改写成相应的语句表,编程设备简单,价格便宜。 状态转移图语言类似于计算机常用的程序框图,但有他自己的规则,描述 控制过程比较具体,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式。

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第三章
3.1 系统硬件的设计

系统软硬件设计方案

根据系统的设计要求, 本系统选用三菱 FX2N 系列 PLC 及其相关输入输出量 模块和变频器,一台抽水电机、继电器、接触器及电磁阀门这些构成了被控对 象。组态软件部分选用组态王软件。

3.1.1 变频器的选型和接线
各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率 均 200V/60Hz(50Hz)或 100V/60Hz(50Hz) 。通常,把电压和频率固定不变的 交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器” 。为了产生可变的 电压和频率,该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电(DC) 。然后再把 直流电(DC)变换为三相或单相交流电(AC) ,我们把实现这种转换的装置称为 “变频器” (inverter) 。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电 能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改 变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频器也可用于家电产品。使用变 频器的家电产品中不仅有电机(例如空调等) ,还有荧光灯等产品。用于电机控 制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要 用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池(直流电)产生交流电的设备 也进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供 电,在该项应用中,变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。 变频器的发热主要来自于 IGBT,IGBT 的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开 关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩 容, 就是这个道理。?? 根据设计的要求,本系统选用 FR-A540 系列变频器, 其接线图 3.1 所示。 变频器主要是用来控制抽水电机的转速,用过设定的频率来调节电机的调速。

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图 3.1 变频器接线图

3.1.2

PLC 的选型

变频器的运行与关断由 PLC 的 1 个输出点,控制变频器使电机正转需 1 个 输出信号控制,报警器的控制需要 1 个输出点,输出点数量一共 3 个。控制起 动和停止需要 2 个输入点, 变频器极限频率的检测信号占用 2 个输入点, 共需 4 个输入点。系统所需的输入/输出点数量共为 7 个点。本系统选用 FX2N-16MR 型 PLC。为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型 PLC 外,绝大多数的 PLC 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 架及电缆将各个模块连接起来, 系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合, PLC 的编程绝大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图形式, 对我们来说不具 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。

3.1.3 电磁阀门的特性
质气, 液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀, ZQDF 用于空气, 例 ZQDF —Y 用于液体,ZQDF—2(或-3)用于蒸汽,否则易引起误动作。ZDF 系列多功能 电磁阀则可通通于气.液体。最好订时告明介质状态,安装用户就不必再调式。

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介质温度不同规格产品,否则线圈会烧掉,密封件老化,严重影响寿命命。介 质粘度,通常在 50cSt 以下。若超过此值,通径大于 15mm 用 ZDF 系列多功能电 磁阀作特殊订货。通径小于 15mm 订高粘度电磁阀。介质清洁度不高时都应在电 磁阀前配装反冲过滤阀, 压力低时尚可选用直动膜片式电磁阀作例如 CD—P。 介 质若是定向流通,且不允许倒流 ZDF—N 和 ZQDF—N 单需用双向流通,请作特殊 要求提出。根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号。例如,用 于一条管道向两条管道切换的,小通径的选 CA5 和 Z3F,中等或大通径请选 ZDF —Z1/2。又如控制两条管道汇流的,请选 ZDF—Z2/1 等。根据流量和阀门 Kv 值 选定公称通径,也可选同管道内径。请注意有的厂家未标有 Kv 值,往往阀孔尺 寸小于接口管径,切不可贪图价低而误事。最低工作压差在 0.04Mpa 以上是可 选用间接先导式; 最低工作压差接近或小于零的必须选用分步直接式。 如图 3.2 所示

图 3.2 电磁阀门

3.1.4 组态王软件概述
组态王软件是一种通用的工业监控软件,它融过程控制设计、现场操作以 及工厂资源管理于一体,将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流 汇集在一起,实现最优化管理。组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动 控制系统,它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封 闭式系统。 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常 可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层 对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且 在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:
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画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监 控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者 实时现场监控。而且,它能充分利用 Windows 的图形编辑功能,方便地构成监 控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等, 可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数 据链接功能。 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法:(1)图形界面的设计,(2) 构造数据库,(3)建立动画连接,(4)运行和调试。

3.2

系统软件设计
水箱液位系统控制电路图,如图 3.3 所示

图 3.3 水箱液位主电路图

热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路,它在电路中的用 作电动机的过载保护。 熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中,由于电流超 过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路,防止电气设备 短路和严重过载。

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3.2.1 水箱液位控制装置图

图 3.4 水箱液位控制图

在系统通电后,要保持水箱内部的水位在 S1-S2 之间,当水箱液位低于下 限液位开关 S2,控制下限的压力传感器 P3,把液位低的信息传递给 PLC,PLC 来 控制流程,此时 S2 开关为开,电磁阀门打开,开始往水箱里面注水。本设计在 电磁阀门打开的瞬间开始计时为 6S, 在这 6S 内, 水箱里面的液位要超过所设定 的下限液位开关 S2, 如果在 6S 后, 水箱里面的液位没有超过下限液位开关则系 统发出警报;如果此时,水箱液位已经超过所设定的下限开关时,则系统运行 正常,而此时的下限液位开关关闭,控制下限的压力传感器 P3 关闭。当水箱内 部的液位高于所设定的上限值时,控制上限液位的压力传感器工作,把高于上 限值的信息传递给 PLC,让 PLC 来控制系统,而此时电磁阀门也就关闭,停止往 水箱里面注水。而同时蓄水池里面的液位也是保持在 S3-S4 之间,当蓄水池的 液位低于下限值时,控制下限液位的压力传感器 P1 工作,抽水电机运转,把水 箱内部高于上限液位的水通过抽水电机往蓄水池里排,直到水箱里面的液位在 S1-S2 之间。

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3.2.2 设计要求
1.可以能够直观了解设备的工作状态及水位的变化。 2.具有水位过高、过低报警的功能。 3.要可以自行设置水位的高低,以控制变频器的启动停止。 4.保持水箱液位在 S1-S2 之间,保持液位平衡。 5.能够在水位高于所设定的上限值时,系统能够停止运行。 6.在水位低于所设定的下限值时,系统能够通过控制流程那样运行操作。 7.在 6S 内往水箱内注水,液位必须超过所设定的下限值。

3.2.3 系统控制流程
在系统通电之前,必须先检查各个硬件设备是否可以正常工作,确保选定 的硬件设备可以正常工作后,首先保持水箱液位在 S1-S2 之间,当水箱液位低 于下限液位开关 S2,此时 S2 为开,电磁阀门打开,开始往水箱里面注水,设 定的时间为 6S,6S 内水箱的液位必须超过所设定的下限值,超过水箱下限液位 开关 S2 时,而此时水箱水位下限开关 S2 为关,表示水箱水位已经高于所设定 的下限水位。当水箱里面的液面高于所设定的上限水位 S1 时,此时 S1 为开。 在系统通电后,在接收到系统启动信号时,通过压力传感器,根据实际液位和 设定液位的误差来调节变频器的输出频率和控制电机的转速,当实际液位达到 设定值,即进水量与出水量相平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间电机工 作在调速运行状态。系统程序会判断液位是否低于下限,如果发生低液位,则 发出低水位报警,并通过调节变频器控制进水量;如果液位偏高,则调节出水 流量,并发出高液位报警,电磁阀关闭,停止向水箱进水,如图 3.5 所示

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检查设备

系统通电启动

N

水箱液位<下限 值? Y 电机、变频、阀门启动运行

Y

低水位报警

6S 时间水箱注水

上限值≥水箱水位≥下 限值? N 水箱继续加水

Y

水箱水位>上限 值? Y 电机、变频、阀门关闭

N

高水位报警 水箱水位在设定值范围内,即 下限值和上限值之间,水位平 停止运行 衡。

图 3.5 系统控制流程图

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为了能够更加了解本设计的控制流程,通过组态王软件来设计出大致的结 构示意图,如图 3.6 所示

图 3.6 控制流程示意图

3.2.4 系统控制结构
由一台电机作为被控对象,可以使用单台 PLC 进行单个对象的控制,只要 适当的选用高性能的 PLC,完全能够胜任此功能。PLC 采集传感器、监控电机及 变频器等有关的各类对象的信息。本系统中,对电机采用一台变频器来进行频 率的调节控制。采用 PLC 输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号,从 而控制电机转速大小,并且向 PLC 反馈自身的工作状态信号,当发生故障时, 能够向 PLC 发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改 变同步转速来实现的,故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功 率,因此具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。通过变频器的频率来调节 水箱液位的高低,调节抽水电机从蓄水池那里抽水的速度,确保使得水箱的水

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位能够保持平衡,达到所设定的数值,在进水量与出水量都可以在水箱完成, 假如水箱的液位满了,而此时的可编程控制器能够控制对变频器的调节频率, 甚至可以把变频器的一些水位高低的信息能够反应到 PLC 上,以保持水箱里面 的液位平衡。系统控制结构图 3.7 所示
压力传感器

报警

PLC

变频器

液位显示

组态软件

水泵

图 3.7 系统控制结构图

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第四章
4.1

PLC 控制程序

水箱液位控制的 I/O 接口分配表
本设计的水箱液位 PLC 控制的 I/O 接口分配表,如 4.1 表所示:
表 4.1 水箱液位控制 I/O 接口分配表
类别 电气元件 控制开关 SB 蓄水池上限液位开关 SB1 蓄水池下限液位开关 SB2 水箱下限液位开关 SB3 水箱上限液位开关 SB4 电磁阀门 YV 接触器 KM,接通抽水电机 水箱下限指示灯 HL1 水箱上限指示灯 HL2 输出(O) 蓄水池下限指示灯 HL3 蓄水池上限指示灯 HL4 报警器指示灯 HL5 Y4 PLC 元件 X0 X1 X2

输入(I)

X3

X4

Y0

Y1

Y2

Y3

Y5

Y6

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4.2

PLC 接线

4.2 PLC 液位控制接线图

输入/输出接口分配是硬件设计中的一个重要环节, 输入接口通常是开关量 输入模块, 它的工作电压等级主要根据现场检测元件与模块之间的距离来选择, 该设计控制距离不是很远,选择 24V 即可。工作过程中,假设蓄水池和水箱的 水位初始状态都是空的,4 个液位指示灯全亮,当执行系统程序流程时,扫描到 水箱的液位低于所设定的下限值时,电磁阀打开,开始往水箱里面进水,时间 为 6S,如果在这 6S 内水箱的水没有超过下限值,则说明系统出现故障,报警灯 亮,自动报警。若在 6S 内按照规定的设计程序运行,则说明系统正常,当超过 水箱液位下限值时,下限的指示灯 HL1 灭。此时,水箱的液位已经超过了下限 位置,系统检测到这个信号后,由于蓄水池的液位现在还是处于初始状态中, 低于蓄水池的下限位置,则抽水电机开始运行,从水箱那里向蓄水池供水,当 水箱的液位超过了上限液位时,水箱上限指示灯 HL2 灭,高水位报警,电磁阀 就关闭,停止向水箱进水。

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4.3

PLC 程序设计梯形图
通过水箱液位控制的 I/O 接口分配表和系统设计的 PLC 接线图,可以写出

PLC 程序梯形图,如图 4.3 所示:

图 4.3 PLC 程序梯形图

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4.4

PLC 程序设计对应的指令
由 PLC 梯形图那里可以得到所对应的 PLC 程序指令: LD OR ANI OUT LD ANI OUT LD ANI OUT LD ANI OUT LDI OUT LD OUT LD OUT LD OUT X0 Y0 X4 Y0 X3 X4 Y1 Y0 X3 T0 T0 X3 Y6 X3 Y2 X4 Y3 X1 Y5 X2 Y4 K60

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基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

4.5

组态王软件设计界面
水箱液位的控制在组态王软件设计中,当系统开始通电运行时的界面,如

图 4.4 所示,电磁阀门的颜色绿色为打开,红色为关闭。

图 4.4 系统开始运行

水箱液位在高于上限值时,抽水电机往蓄水池进水,如图 4.5 所示

图 4.5 水箱液位达到上限值

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福建电力职业技术学院毕业论文

电磁阀门在打开之前的界面,水箱都为初始状态,如图 4.6 所示

图 4.6 水箱的初始状态

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基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

第五章
1.总结

总结与展望

通过本次毕业论文的创作,我认识到了液位控制系统在生活中的重要性, 也在设计的过程中加深了对自己所学基础理论、专业知识和基本技能的理解, 也培养了我分析和解决问题的能力。基于 PLC 和组态软件的液位控制系统能让 工业控制变得安全化、智能化,具体化。相对于前人以前的所做的液位控制系 统,本系统更加的人性化,可以直观的将液位显示在组态软件上,系统更加安 全,可靠,直观。但本论文有许多不足之处,在 PLC 的编程方面做得不够理想, 也未能实现具体的硬件调试,希望大家能给与指正。本论文研究的是水箱液位 控制系统。液位控制系统以 PLC 为核心进行设计,借助于 PLC 强大而灵活的控 制功能和变频器优良的变频调速性能,来控制电机的转速,实现了水箱液位的 控制,代替了原有的手动启动、阀门控制系统。 通过这次的设计实践,让我更熟悉掌握了三菱 PLC 软件的简单编程方法, 对于三菱的 PLC 工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。 刚开始学习三菱 PLC 软件时,由于我对一些细节的不加重视,当我把自己想出来的一些认为是对的 程序运用到梯形图编辑时,问题出现了,转换成指令表后则显示不出很多正确 的指令程序,这主要是因为我没有把理论和实践相结合,缺乏动手能力而造成 的结果,最后通过老师的纠正和自己的实际操作,终于把正确的结果做了出来 了,同样也看清了自己的不足之处。

2.展望
现有系统实现了水位控制系统的工况控制、调节和设备状态监控功能,将 来还可以通过对更多现场数据的采集与传输,如电压、电流、功率、水压、水 位、水流量等,通过开发上位机的数据管理系统,实现具有综合功能的水位自 动化控制与管理系统, 提高后勤管理能力.这部份工作有待在以后的学习与工作 中来进一步开展下去。 随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用,与此同时能量却日益 紧缺,在这种情况下,一些容器的水位系统的使用肯定会越来越普及,当然以 后对水位控制技术将提出更高的要求。 如对系统采用基于 GPRS 的无线方式进行 数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。

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福建电力职业技术学院毕业论文

参考文献
[1] 汤自春.PLC原理及应用技术.高等教育出版社,2006 [2] 龚仲华.三菱FX/2N系列PLC应用技术.人民邮电出版社,2006 [3] 吴建强、姜三勇.可编程控制器原理及应用.哈尔滨工业大学出版社,2000 [4] 秦春斌、张继伟.PLC基础及应用教程.机械工业出版社,2011 [5] 张万忠、刘明芹.电器与PLC控制技术.北京化学工业出版社,2003 [6] 张桂香.电气控制与PLC应用.北京化学工业出版社,2003 [7] 易传禄.可编程序控制器应用指南.上海科学普及出版社,2003 [8] 赵跃华.可编程序控制器原理及应用[M] .成都:电子科技大学出版社,1998

[9] 李建兴.可编程控制器应用技术.机械工业出版社,2004

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基于 PLC 与组态的液位控制系统设计

致谢
对于这次毕业设计的顺利完成,我首先要感谢苏老师,是他细心的给我讲 解了许多关于 PLC、 水位平衡原理相关的知识, 并在设计过程中所遇到的难题都 给了非常重要的意见, 本次设计能够有较好的主体框架也得益于苏老师的指导, 导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范,使我 受益匪浅,在此,谨向苏老师表示我最衷心的感谢。我要感谢关心我们毕业设 计的系领导和各位老师,感谢你们三年来为我们付出的辛勤汗水;还要感谢学 院图书馆给我们提供的各种资料。同时在此感谢四年来自动化各位老师的孜孜 教诲和母校的细心培养,让我能有今天的进步,在以后的人生道路中上实现自 己的价值!最要感谢的是我的父亲,母亲,一直以来对我的信任和支持,给与 了我不断进步的勇气。在不久的将来,我希望用我的实际行动去回给他们同样 的爱。鉴于本人所学知识有限,经验不足,又是初次研究这种复杂的设计。在 此过程中难免存在一些错误和不足之处,恳请各位老师给予批评和指正。 学生签名:张敬涛 日期:2012 年 1 月

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