基于PLC的多段液位控制

1、基于PLC的多段液位控制摘 要 在众多生产领域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行控制，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，目前都已采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，实现了真正的自动化。 本论文对多段液位进行控制的设计，其电路结构简单，投资少，控制系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，适用于多段液位控制场合。 关键词 PLC 液位 多段控制目录第一章 PLC的简介11.1 PLC的硬件组成11.2 PLC的特点及功能21.3 PLC的工作原理4第二章 多段液位系统硬件设计62.1 系统控

2、制方案62.2 PLC机型的选择82.3 液位传感器的选型92.4 水泵的选型112.5 PLC外部电路的设计132.6 I/O分配表142.7 硬件接线图15第三章 PLC对多段液位的软件设计163.1 系统工作过程分析163.2梯形图17结论19致谢20参考文献21引 言随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域，特别是在自动控制领域取得了长足的发展，有了越来越多的应用。PLC以其可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、使用方便等优点不断发展，在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都有新的突破，成为工业自动化领域中最重要、应用最广的控制设备之一，在国民经济建设有突出贡献。近年来由于P

3、LC与其他学科结合，使其在各个控制领域显示出了较强的应用潜力和良好的应用前景。本论文在PLC的基础上，结合其他电气设备，完成了对多段液位系统的控制。 第一章 PLC的简介1.1 PLC的硬件组成PLC的基本结构如图1-1：图1-1 PLC的基本结构 可编程序控制器PLC各组成部件的作用 1、CPU是PLC的核心部分。 （1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据， 并存入输入映象寄存器或数据寄存器； （2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； （3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （4）在PC进入运行状态后： a）执行用户程序产生相应的控制信号（从用户

4、程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路） b）进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务 c）更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等） 2、存储器 系统程序存储器存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数 3、I/O（输入/输出部件） CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各

5、种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O组件供用户选用：输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、A/D、D/A转换、误码校验、其他功能模块 4、编程器等外部设备5、电源：内部开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。 外部可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。 1.2 PLC的特点及功能早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体

6、,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。而随着电子技术和计算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点： 1、可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 2、具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。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。 3、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

7、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解和掌握。 5、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。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。 可编程序控制器PLC的功

8、能可编程序控制器PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 由于PLC强大功能和优点,使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。1.3 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循

9、环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改

10、变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。第二章 多段液位系统硬件设计2.1 系统控制方案多段液位的控制系统主要是对水箱水体的液位进行控制。液位控制通过干簧管液位传感器， PLC，水泵，实现液位指示灯显示以及液位的蜂鸣器报警：原理图如图2-1所示。图2-1 系统原理图1、本系统液位可分四段设定和显示，在最低液位时自动启泵，当液位到达设定值时自动停泵。当打到自动时，自动指示灯亮，完成自动监控；当打到手动时，手动指示灯亮，通过SB1、SB2按钮实现手动启泵、停泵。2、液位由按钮

11、分最低、较低、较高、最高四段设定，系统设置由低到高的优先权，即当多个设定按钮同时闭合时，低液位设定优先。3、采用干簧管检测液位时，当液位到达检测点时其触点闭合，指示灯点亮；液位离开检测点时其触点打开，为保证相应测量段指示灯不立即熄灭及不受液位波动的影响，只有当液位上升或下降到相邻段时指示灯才熄灭。4、首次开车时，液位低于或高于最低液位时，需先手动启泵，再切换成自动运行；或先进入试验方式，按最低液位试验按钮启动料泵，再进入自动运行方式。当液位最低时自动料泵启动，到达设定值时发出报警，并停泵；操作人员可通过确认按钮解除报警，闪烁灯转平光。设计采用SET和RST的联合使用。2.2 PLC机型的选择目

12、前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品。针对市场上多种系列的PLC，通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O响应时间的选择、对功能以及可靠性程度的选择以及输出负载的特点和经济实惠选型的分许。我决定使用我们学校用的三菱公司生产的FX2N系列的FX2N-32MR型号的可编程PLC,如图2-2所示。该型号PLC是FX系列PLC家族中最普遍的系列。它具备如下特点：可靠性高，抗干扰能力强，控制程序可变，具有很好的柔性，编程简单，使用方便，功能完善，扩充方便，组合灵活适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力

13、。图2-2 FX2N系列-32MR型号的可编程PLC2.3 液位传感器的选型传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。本设计所采用的液位检测传感器是干簧管传感器。如图2-3所示。干簧管传感器是一种磁敏的特殊开关。它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。当永久磁铁靠近干簧管时，或者由

14、绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。由于磁极极性相反而相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合;当磁力减小到一定值时，在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态。这样便完成了一个开关的作用。因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。有一种自行车公里计，就是在轮胎上粘上磁铁，在一旁固定上两个簧片的干簧管构成的。装在门上，可作为开门时的报警、问候等。在“断线报警器”的制作中，也会用到干簧管。干簧管有三个触头的转换式干簧管。其引脚有的是直的，有的是折弯90的。干簧管的玻璃壳直径为巾25mm长度为50mm（分成小、中、大型）其触头尺寸不同，

15、工作电流也不同（有多种型号供用户选择）小型的工作电流小于100mA大型工作电流可达。本论文采用的BL-YW700系列的干簧管传感器，它的量程范围为3002000mm，介质密度0.52，工作温度为-40100，工作电源24VDC或12VDC，接线形式普通接线盒。图2-3 干簧管传感器2.4 水泵的选型水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。从原理上可以分为气压泵，离心泵，轴流泵，混流泵，螺旋泵等。使用最多的是离心泵。离心泵的类型有卧

16、式的、单级的、管道的、立式的等等。本设计采用的ISW卧式离心泵，如图所示它的主要特点：运行平稳：卧式离心泵轴的绝对同心度及叶轮优异的动静平衡，保证ISW离心泵的平稳运行，绝无振动。 滴水不漏：采用不同材质的硬质合金密封，可以保证不同介质输送均无泄漏。 噪音低：两个低噪音的轴承支撑下的离心泵，运转平稳，除电机微弱声响，基本无噪音。 故障率低：结构简单合理，关键部分采用国际一流品质配套，整机无故障工作时间大大提高。 维修方便：更换密封、轴承、简单容易方便。 节省空间：出口可向左、向右、向上三个方向，便管道布置安装，节省空间。本论文采用的是上海中球泵业的ISW50-125型号。流量为12.5（m3/

17、h），扬程为20（m），转速为2900rpm（rpm），配带功率1.5（kW），吸入口径50（mm），排出口径50（mm）。图2-4 ISW卧式离心泵2.5 PLC外部电路的设计为节省输入口数量，节省投资，本系统运行/试验功能的转换采用了对I/O模块接线的优化，使PLC输入模块中1个输入节点起到2个输入节点的作用，完成PLC工作在两种方式下的I/O功能。参见图2-5 I/O模块接线的优化。图2-5 I/O模块接线的优化2.6 I/O分配表表2-1 I/O分配表序号输入地址说明序号输出地址说明1X0最低开关SB1,SB51Y0最低指示灯2X1较低开关SB2,SB62Y1较低指示灯3X2较高开关S

18、B3,SB73Y2较高指示灯4X3最高开关SB4,SB84Y3最高指示灯5X4最低位设定干簧管传感器15Y4蜂鸣器6X5较低位设定干簧管传感器26Y5水泵7X6较高位设定干簧管传感器37Y6自动指示灯8X7最高位设定干簧管传感器48Y7手动指示灯9X10自动/手动SA110X11确认SB1011X12手动启泵SB1112X13手动停泵SB122.7 硬件接线图系统的硬件连接图即PLC和系统中各个硬件的连线。具体的如图2-6所示：图2-6 硬件接线图系统正常运行时，运行/试验转换旋钮S接通1-3接点，各试验按钮不起作用，液位信号由各干簧管传感器传输给PLC；系统处于试验状态时，S接通1-2接点，

19、各传感器输入信号不起作用，此时可用各试验按钮模拟各段液位信号传输给PLC。两种控制方式下的两个信号共用一个输入节点，成倍提高I/O端口的利用率，节省I/O点数。第三章 PLC对多段液位的软件设计3.1 系统工作过程分析 系统过程分析如图3-1所示。启动，清零自动控制否？液位分段检测分段指示灯闪烁确认否？指示灯转平光最低液位否？启泵到设定值否？报警音响启动（30S后自停）停泵确认否？报警音响停指示灯转平光停泵停泵否否否否否是是是是是图3-1 系统流程图3.2梯形图图3-2 多段液位控制梯形图结 论本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制多段液位的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。同时使我加深了对多段液位运行过程、控制系统的认识，熟悉了可编程序控制器在多段液位控制系统中的运用。并且在所学知识的基础上，尝试了对多段液位控制系统的研究。并且，使我将原来所学的知识系统化、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。通过这次论文，我还认识到无论做什么，都需要踏实，勤奋，严谨的工作态度，这对我以后的工作将会产生深远的影响，也使我了解到胡敏老师的用心良苦，并且从胡敏老师那