PLC课程设计水位采集系统报告

1、西安邮电大学PLC课程设计报告题目：水位采集控制系统学院：自动化班级：自动1104姓名： 刘佩 06111122 彭张杰06111127侯龙腾 06111133 贺彦博06111117蔡瑞妮 06111112 蔡星星 06111107日期：2014/06/04一、 课程设计题目及要求（老师给） 名称：水位采集控制系统 描述：S7-300为核心控制器，设计一个水位采集控制系统。 具体要求：1、可实时测量水位的变化，并在组态软件中显示，测量精度cm；2、当水位发生变化时，自动进行出水与进水，使水位保持在设定值；3、PLC程序、组态软件设计；4、系统搭建及调试。二、 设计所课程需器件 主要元器件：A

2、I模块1个、DO模块1个、电磁阀2个、压力传感器1个、开关等、导线若干。三、 器件介绍1. PLC组成及工作原理（1）CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过

3、地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。（2）存储器具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。（3）输入/输出接口 1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信

4、号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。 2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电

5、压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。 3）还有特别用来输入/输出模拟电流信号和高速脉冲信号的特殊结构，例如：模数/数模转换模块、高速计数模块等。（4）编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便，我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口，与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。2.WinccWinCC简介西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMISCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国

6、Control Engnieering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。在设计思想上，SIMATIC WinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软是WinCC开发者的追求。Wincc是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如AB，Modicon，GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。通过OPE的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。WinCC V6O采用标准Microsoft SQL

7、Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。WinCC具有以下性能特点：1）创新软件技术的使用。WinCC是

8、基于最新发展的软件技术。西门子公司与Microsoft公司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。2） 包括所有SCADA功能在内的客户机服务器系统。即使最基本的WinCC系统仍能提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的wincc系统组件建立。3）可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务。WinCC是一个模块化的自动化组件，既可以灵活地进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。4）众多的选件和附加件扩展了基本功能。已开发的、应用范围广泛的、不同的WinCC选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不

9、同工业分支的需求。5）使用MtcrosoftSQLServer2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库可以使用ODBC，DAO，OLEDB，WinCC OLEDB和ADO方便地访问归档数据。6）强大的标准接口(如OLE，ActiveX和OPC)。WinCC提供了OLE，DDEActiveX服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。7）使用方便的脚本语言。WinCC可编写ANSIC和Vi sualBasic脚本程序。8）API编程接口可以访问WinCC的模块winCC模块都有一个开放的C编程接口(CAPL)。这意味着可以在用户程序中集成WinCC的部分功能。9）具有向导

10、的简易(在线)组态。WinCC提供了大量的向导来简化组态工作。在调试阶段还可进行在线改。10）可选择语言的组态软件和在线语言切换。WinCC软件是基于多语言设计的。这意味着可以在英语、德语、法语以及其他众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在系统运行时选择所需要的话言。11）提供所有主要PLC系统的通讯通道。作为标准，WinCC支持所有连接SIMATC S5/S7、/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUS DP，DDE和OPC等非特定控制器的通讯通道。此外，更广泛的通讯通道可以由选件和附加件提供，12）与基于PC的控制器SIMATIcwinAc紧密接口，软/插槽式PLC和操作、监控系统在一

11、台PC机上相结合无疑是一个面向未来的概念。在此前提下，WinCC和WinAC实现了西门子公司基于PC的、强大的自动化解决方案。13）全集成自动化TIA(Totally Integrated Automation)的部件。TIA集成了西门子公司的各种产品包括WinCC。WinCC是工程控制的窗口，是TIA的中心部件。TIA意味着在组态、编程、数据存储和通讯等方面的一致性。14）SIMATIC PCS7过程控制系统中的SCADA部件，如SIMATIC PCS7是TIA中的过程控制系统；PCS7是结合了于控制器的制造业自动化优点和基于PC的过程工业自动化优点的过程处理系统(PC5)。基于控制器的PC

12、S7对过程可视化使用标准的SIMATIC部件。WinCC作为PC57的操作员站。15）符合FDA 21 CFR Pant 11的要求。16）集成到MES和辽RP中。标准接口使SIMATICWinCC成为在全公司范围IT环境下的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理MES(制造执行系统)和ERP(企业资源管理提供管理数据。3.液位传感器工作原理420mA、05v、010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。利用流体静力学原理测量液位，压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相

13、通，从而保证了测量的高精度和高稳定性，是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：=g.H + Po式中：P：变送器迎液面所受压力：被测液体密度g：当地重力加速度Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力

14、为：.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深度。4.继电器工作原理：电磁继电器一般由 电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，

15、可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。5.空气开关工作原理：脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作， 但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。开关的脱扣机构是一套连杆装置。当主触点通过操作机构闭合后，就被锁钩锁在合

16、闸的位置。如果电路中发生故障，则有关的脱扣器将产生作用使脱扣机构中的锁钩脱开，于是主触点在释放弹簧的作用下迅速分断。按照保护作用的不同，脱扣器可以分为过电流脱扣器及失压脱扣器等类型。6.开关电源工作原理：开关电源的工作原理：开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输

17、入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。 脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。开关电源大致由主电路、 控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。1、主电路冲击电流限幅控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3、检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4、辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（P

18、WM等芯片）工作供电。：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去调整。7.DI模块、DO模块：数字量输出输入、模块8.AI模块模块概要： · 模拟量输入· 用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻和热电阻模拟量输入模板用来实现PLC与模拟量过程信号的连接。用于连接电压和电流传感器、热电耦、

19、电阻和热电阻模拟量输入模块将来自过程的的模拟量信号转换为可在控制器中进行内部处理的数字量信号。该模块具有如下特点：· 分辨率为 9-15 位 + 符号位（具有不同的转换时间），可以设置。· 各种量程；电流/电压的默认设置是使用量程模块以机械方式设置的，可通过编程器和 STEP 7 的“Hardware configuration”进行细调。· 中断能力；该模块将诊断和限值中断发送到控制器的 CPU。· 诊断；该模块将综合诊断信息发送到 CPU。西门子S7-300，模拟量输入SM 3319.电磁阀四方案设计（1) 本课题设计的目的和意义可编程控制器PLC）

20、因为抗干扰能力强，可靠性好，控制系统结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，设计、施工、调试、的周期短，体积小，维护操作方便，易于实现网络化，可实现三电一体化等优势已经成为应用面最广，最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。通过PLC对程序设计，提高液位系统的控制水平。因此PLC在液位控制系统中应用非常广泛，具有很高的应用价值。 (2)采用PLC控制液位的优点 从控制方式上比较：用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已

21、商品化，故仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。2·从工作方式上比较：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。3·从控制速度上比较：电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动一说。4·从定时，计数上比较：电器控制定时精度不高，易受环境温度变化的影响，且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有计数功能。5·从可靠性，可维护性上比较：电器

22、控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。(3)原理框图液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系:P=

23、gh 式中, 是被测液体的密度()。如图所示：设计一个闭环系统，被测对象是水箱中水的液位，通过阀门手动调节液位，在显示器中可以与水箱刻度对比校准。下面是装置设计图：水箱储水池溢出管管道水泵稳压包液位传感器放水阀打开水泵和进水阀，水箱上水；若超过500mm，则通过溢出管返流到储水箱。液位传感器/变送器进过运算之后在显示器上。关闭水泵和进水阀，打开出水阀；手动调节液位，对比刻度和显示器。结构图如下：液位控制对象液位传感变送器数字显示PLC水泵给定值SV 仪表测控系统结构图五程序六调试过程中遇到的问题及解决方法(1) PLC的AI模块两线制电流的选择两线制是指；电源24V正接到仪表的正端，然后由负端

24、的信号进入模块的正端，模块负端出来的线接到COM端也就是24V负端！从而采集信号。四线制仪表是仪表需要独立的供电电源，如24V直流和220V交流。给仪表供电。然后由仪表的信号输出端输出信号直接接入模块的信号输入端子即可。模拟量输入是采集外部模拟信号进行转换就可以了如温度0-100摄氏度如果是电流4-20MA在西门子200里的工程量就是6400-32000了！这样你就换算得出实时的当前温度对于用户来说，对于四线制变送器，模拟量输入模块量程必须设定为4线制，此时直接将变送器的+接m+,变送器的-接m-.对于两线制变送器，模拟量输入模块量程可以设定为4线制或者2线制，模块量程以设定为4线制时要外接D

25、C24v,此时,DC24V+接变送器的+，变送器的-接模拟量输入模块的+，模拟量输入模块的-接DC24V的-。直接将模拟量输入模块量程设为2线制时，则变送器的+接m+,变送器的-接m-.将D对着模块上的箭头。(2) 液位传感器接法 接传感器两个线 红线和黑线，分别接入AI，作为输入。(3) Wincc变量定义wincc内各种变量类型有什么区别？1.有符号8位整数, 允许负数,0符号位可以是0或1 范围-128-127 无符号32位与32位浮点数的区别：1.数据类型不同。无符号数是整型的不可以表示带有小数部分的数，浮点数是浮点型的可以表示小数 2.表数精度不同。无符号数是精确的表数法，浮点数表示

26、的数是不精确的 3.表数范围：无符号数是0-232-1；浮点数要比这个大很多，而且有正负的。七个人分工及心得体会彭张杰： 我们学会了许多关于PLC的知识。对单片机，有了充分的感性认识。这对于我们以后从事相关工作，有很大的好处。在课程设计中，我们遇到了很多的问题，很多的挫折，但是我们没有退缩，最终在规定期限内完成了设计，这本身就是对我们自身能力的一种肯定，一种承认。有了这次经历，我想我们以后遇到类似的问题，也能很好的处置，度过难关，完成既定的目标。在设计过程中，我们发现原来理论和实际有着很大的差别。我们在课堂上学到的东西，距离实际应用还有一定的距离，譬如模拟电路的相关部分和PLC的相关理论，我们

27、学得很好，却在实际操作中遇到了很大问题，而找不到其中原因。这种种，都坚定的告诉我们，我们要学以致用，我们的知识不是用来忘记的，而是要用到实际生活中的。有了这种思想，我想我们在以后的学习中会更加注重理论于实际的联系，使我们所学的知识能够尽可能的用到实处，而不仅仅是为了应付考试。我觉得我们组这次课设成功的关键在与我们组员之间的团结和不放弃的精神，从电路设计到仿真，再到连接电路，在这一过程中，我们遇到了很多困难，但是我们没有放弃，也没有互相抱怨，而是一直呆在一起，在网上和图书馆查找资料，研究并讨论出现的问题，最终我们取得了成功。刘佩：时间过的很快，两周的实习很快就结束了，在这些天中通过不断的学习，不

28、断对新知识的追求和索取，感觉到自己的知识结构水平有了很大提升。在本次课程设计过程当中，我们做的是水位的测量，使用的主要工具有PLCS7-300、液压传感器、调节阀水箱 。首先对实验整个过程的认识，了解到许多在控制生产过程当中需要注意的事项和研究方法。我们首先熟悉了PLCS7-300的整体架构，了解到相关的仪器设备，例如传感器、执行器，AI、AO、DI、DO模块，调节阀等。然后熟悉了程序制作过程当中所需要的软件，例如WINCC，STEP7。首先我们用STEP7写了要使用的软件，接着连接了硬件，在STEP7上仿真成功后，设计了WINCC上的仿真图。通过本次实验，我们受益匪浅。一方面，将课堂上的理论知识应用到了实际，加强巩固了理论知识，也提高了实际动手能力。通过实践反馈，了解到我们自身知识面的不足。另一方面，在实验过程中，遇到问题时候，我们一一进行排查，找出问题的所在，队员之间分工明确，团结合作，本次实验正是通过队员之间的合作实现的。实验前，接收到方案时我们完全不知道自己究竟要干什么。然后我们上网查了很多资料，在第一个方案的讨论中，我们发现网上下载下来的程序达不到控制水位的要求，所以我们小组便亲力亲为，自己编写程序，把电路图画出来再进行仿真分析，