MCGS水位控制系统设计与制作

1、MCGS水位控制系统设计与制作摘要：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、MCGS、PLC 目录1.引言142.设计思路153.各电路设计

2、163.1 设计方案 163.2 系统硬件解析 173.3 主电路及接线图 183.4 系统梯形图及其软元件明细表 194.MCGS组态软件开发水位控制系统244.1 MCGS工控组态软件概述 244.2水位控制系统组成 244.3建立水位工程系统 254.4工程安全机制 275.PLC与组态软件的连接295.1概述295.2 通用串口设备设置及其他设置 295.3硬件连接315.4设备调试316小结321.引言在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。但是，在一般的情况下，往往需要测量的水箱或水塔和控制室都有相当长的距离，常常需要架设在上百米或者上千米的输电和控制线路，很显然上述性的

3、工作如果是人工完成的话无论从时间和资金上都将造成很大的浪费。给测量和控制带来了一定的麻烦和不便，同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。 所以设计一种利用PLC的无线自动测量控制系统来控制水位是十分必要的，既不用架设电缆，而且可以实现水位的连续测量和控制，非常的方便和实用，而且节省人力和物力。本课题研究的内容是“智能水位控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，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。本实验采用PLC和集成电路进行主控制，在水池上安装一个自动测

4、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，主控台应用单片微机或时基集成电路对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警等功能。本论文以传感器为基础，在此基础上介绍水泵控制电路。也包括了完整的控制电路和详细的原理说明；介绍了传感器的结构和工作原理以应用为目的。对水泵进行自动化控制的目的是当水池（水箱、水塔、水井）水位低于一定限度时，能够及时的补充，以保证工程人员的生活用水和机械设备用水，水泵控制通常采用限位式控制方式（如压力、水位高限和低限），常用的控制器有晶体管式、电接点压力表式以及球型液位控制器等。水位传感器是一种能把非电输

5、入信息转换成电信号输出的器件或装置。它具有灵敏度高，可靠性好，利于安装，误差小，并且具有低成本，适用性强等特点受到极大的欢迎。其次就是分析部分，如何在检测信息到来之后做到合理的分析并作到信息的反馈对水位做出合理的处理。以下是以工控PC机为主控上位机，利用人机接口的智能软件包-MCGS组态软件在PC机上建立工控的对象，完成对PLC(下位机)的控制，实现水位上限（250L）和下限（50L）的报警及自动控制，不仅可以以最少的人员配备对远程监控的管理，提供较为直观、清晰、准确的现场状态信息，进而整体提高远程监控系统的运行速度。本文介绍了MCGS主要特点、组态过程和PLC混合编程在实时监控中的应用。以典

6、型水位控制系统为例，利用MCGS模拟水位和流量测算过程，开发一个水位控制远程监控系统。根据过程控制实验需要，采用MCGS组态软件开发水箱水位控制实验装置，利用MCGS与PLC实现远程数据通讯，并利用智能调节仪进行水位数据采集，通过实验证实实现了良好的测控效果。本课题要求利用PLC结合MCGS组态软件实现水箱水位控制系统的设计与制作，可以进行操作和监控，充分体现现代工业控制“快捷”、“高效”和“集中”的特点。2设计思路本设计主要涉及的问题是对水位控制组态的设计，即通过对组态软件的设计可以实时对水位控制系统中一些数据量及相关的一些变量进行监视和控制。该设计系统中涉及到两个方面的内容，其中包括了通过

7、PLC实现的水位控制作用，；另一方面则是使用MCGS组态软件对该系统进行实时的操作与监控。就前者采用较为简单的PLC控制，大概的设计框架是系统运用PLC作为主控制单元，通过水泵是否加水来实现控制水箱中的液位变化（由于有出水阀的参与，水位不会只上升不下降的现象），其中该控制包括了手动控制和自动控制。系统中通过传感器传递信号给主控制单元，进而控制水泵是否进行加水作业。为了方便于实际的观察，这里还将加入液位指示灯。系统中使用的是多段液位调节控制，其中手动控制将分为四段，该四段控制将对应四个设定要达到的液位值，系统根据手动控制要求，将通过调节水泵使得液位达到相应的手动设定值。还有就是系统的自动运行，在

8、没有手动运行的状态或液位已经达到手动运行的设定值后，系统自动对液位进行一个最低液位控制作用，表现在实际运用上就是，当系统液位低于最低液位值后，系统自动加水，并将液位调整到最高液位值。整个系统中包括了自动控制及手动控制的内容，在系统调节过程中，系统将优先于手动控制，其后在考虑自动控制的内容。这里的具体设计内容详见第3章。组态方面，运用传统的方法，利用组态与PLC进行通行的原理，实现主控制单元PLC与组态的通行，从而达到组态对系统进行实时的操作与监控的作用。详细3. 各电路设计3.1 设计方案该设计的中组态是基于PLC实现的系统控制之上的，所以在对组态进行整个控制系统是一个自动控制系统与多个手动控

9、制系统的结合。自动控制方面是在液位低于最低液位（即低液位）时作用，当液位低于低液位时，系统启动自动控制环节。系统自动环节启动后，控制系统通过水泵给水箱加水，在不受手动控制影响的条件下，水位上升至高液位后再加水处理5秒后停止加水。其中的自动控制方面分为四个控制手动控制内容，分为中低液位手动控制、中液位手动控制、中高液位手动控制及高液位手动控制。对应的按下手动控制开关，控制系统对应的通过水泵将液位调节到相应的液位高度。当然和一般控制系统一样，这里添加系统的启动和关断控制按钮。还有为了便于系统中控制液位的观察，这里使用相应的指示灯来显示控制液位达到的液位高度值。该系统通过PLC作为主控制单元对系统进

10、行控制，使用较为简单的液位检测装置对液位进行检测处理，同时使用常用水泵作为系统的调节控制输出端对系统中液位进行具体的调节控制。3.2 系统硬件解析3.2.1 PLC PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller）指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。利用PLC的通信功能，我们可以实现设计要求的MCGS与PLC的数据通信问题。在这里我们选用“三菱 FX1N系列”可编程控制器，这是一种适

11、合于小规模控制的基本型机器。使用PLC如图3.1所示。 图3.1 三菱 FX1N系列PLC3.2.2 水位检测装置为了便于对实际的液位进行实时监控，这里利用一般水的导电的原理选用较为简单的水位检测装置，该装置的具体控制原理如下图图3.2所示。虚线表示允许水位变化的上下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。为此，在水箱的不同高度安装了3根金属棒，以感知水位变化情况。a图3.2 水位检测原理图如图所示，其中B棒处于下限水位，C棒处于上限水位，A棒接+24V电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。水箱由电机带动水泵供水，PLC控制电机转动以达到对水位控制之目的。供水时，水位上升。当达到上限时，

12、由于水的导电作用，B、C棒连通+5V。因此，b、c两端均为连通状态，这时应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。当水位降到下限时，B、C棒都不能与A棒导电，因此，b、c两端均为断开状态。这时应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通，b端为导通状态。C端为断开状态。这时，无论是电机已在带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降。都应继续维持原有的工作状态。3.3 主电路及接线图3.3.1 主电路系统图系统图图3.3.主电路系统图图3.4. PLC外部接线图3.4 系统梯形图及其软元件明细表3.4.1 PLC软元件明细根据上述所示

13、的图3.4 PLC外部接线图的内容，列出该系统PLC软元件的明细表，如下图3.5所示。软元件注释X0低液位传感（常开） B点X1中低液位传感（常开）X2中液位传感（常开）X3中高液位传感（常开）X4高液位传感（常开）X5中低液位手动X6中液位手动X7中高液位手动X10高液位手动X11急停X12系统开启X13系统停止Y0水泵运行指示及水泵运行的执行控制端Y1低液位报警Y2低液位指示灯Y3中低液位指示灯Y4中液位指示灯Y5中高液位指示灯Y6高液位报警Y7高液位指示灯M0自动控制时 间接水泵控制M1中低位手动控制时 间接水泵没控制M2中位手动控制时 间接水泵没控制M3中高位手动控制时 间接水泵没控制

14、M4高位手动控制时 间接水泵没控制M10系统开断间接控制T0低液位延时报警T1高液位延时报警T2中低液位加水延时T3中液位加水延时T4中高液位加水延时T5高液位加水延时图3.5软元件明细表3.4.2 系统梯形图控制系统可以根据生产的需要将液位分为多段来设定，并分段显示，当液位为最低限时自动启动泵加水，液位到达设定值时发出声光报警，并停止出水（即出水阀自动关闭），同时水泵运行继续；操作人员可通过按钮进行手动的控制，将液位要求为对应分段按钮的值；系统具有手动/自动两种控制方式。在流程图中当水位到达最低点时AB两点断开时，水位控制器会发出声音报警并延时5秒停止，同时可以用触电的下降沿表示使水泵开始工

15、作，在水位不断上升的过程中，当每到一个测量点时（水位开关）相应的灯就会亮起，以此来表示水位的现有状态，当水位到达最高点时，最高点指示灯亮起，对应的声音报警响起并延时五秒停止，此时延时电路开始工作，使水位略有升高，这样能保证片刻水箱满刻度的状态。根据系统所需的要求，在水位到最低位时（如上图3.3所示的B点位置），系统要求自动加水且有报警和显示，报警要有一定的时间，在到最高点是要求自动停止泵的工作，并且有水量显示，根据要求所列的PLC梯形图如下图3.6、3.7及3.8所示：图3.6 PLC梯形图（1）图3.7 PLC梯形图（2）图3.8 PLC梯形图（3）如上面的梯形图，图中X5，X6，X7，X1

16、0为手动按钮，当按下后，水泵会随时给水箱加水，并且在面板上会显示水量的多少，运用手动调节按钮可以随即控制水量的多少，加到手动要求量时可自动关闭水泵。当液位达到设定要求后，系统会自动停止。自动控制时（即使用自动控制处理），当水量到达最低时，AB断电，此时X0的下降沿时X0接通，水泵开始工作，同时系统开始报警，直到液位上升至C点时，报警停止，水量继续上升，当达到最高时（如上图3.3所示的F点），系统在时间程序的作用下，水箱会继续加水5S的时间后停止水泵的工作，此时X0恢复常态，在下一次水泵自动加水时有一个下降延触发。综上所述，高水位自动控制系统中的手动控制是建立在自动控制基础之上的，只要液位低于B

17、点，系统自动启用自动控制，该自动控制部分起到一个保证液位一定值的保护作用。不至于让液位低于液位的B点值。4MCGS组态软件开发水位控制系统上述的一套控制系统已经完全可以解决相应的水位控制问题。但是为了便于对系统数据量的监控及对系统控制，这里使用MCGS组态与PLC通信，以实现其整体对系统的监控及控制作用。4.1 MCGS工控组态软件概述    MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 9598MeNT2000等操作系统。MCGS提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够

18、完成现场数据采集、实时和历史数据处理报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。4.2 水位控制系统的组成该水位控制系统由上位机和智能调节仪两部分组成。上位机由两个画面组成，分别是实时数据采集，运行动画。MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是DLL(动态连接库)文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分。完成整个系统的通讯过程，设备关系如图4所示：下位机由智能仪表（这里使用的是

19、PLC主控制单元模块）构成，实现对水位数据的采集和控制。PLC是利用RS232RS485和上位机进行通讯的人工智能工业调节器，该设备构件用于MCGS操作和通过串行I=I读写仪表的数据。根据实际应用的需要来正确设置仪表的各项参数，也可通过本构件的设备命令设置仪表的部分参数。上下位机组成结构图4.1所示： 图4.1 上下位机组成结构图4.3 建立水位工程系统4.3.1 设计水位控制工程的画面流程在【用户窗口】工作台中建立【窗口名称】为“水位控制”的用户窗口，然后对其相应的设置。添加该“水位控制”用户窗口如下图4.2所示。图4.2 创建用户窗口根据前面章节系统硬件的介绍及设计需要的监控及控制要求，对

20、应到该组态软件上要做相应的画面设计。对应的静态画面如下图4.3及4.4所示图4.3 主控制画面至此，已经绘制好了基本的水位控制系统的静态图形。4.3.2 水位控制工程中数据对象的设置完成水位控制系统的静态画面设置之后要对相应的额数据对象进行设置，主要的内容是增加数据对象、修改对象属性。对应的设置如图4.4所示。图4.4 数据对象设置4.3.3 水位控制工程中动画连接 由图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗户中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性链接，并设置

21、相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集进行驱动，从而实现了图形的动画仿真效果。水罐动画链接如图4.5所示进行设置，各项内容设定好后确定设置完成该环节内容。如该设置所示同时给水罐和水泵动画连接、出水阀动画连接、流动块动画连接进行设置。如图4.5 水罐动画链接设置4.3.4编写控制流程对用户窗口属性中的循环脚本进行设置为了便于形象的观察系统中各个环节的变化，如水泵与水罐2之间水管的液位流动等等，这里需要编辑循环脚本程序对用户控制画面进行编辑。具体进入脚本程序设置的路径如下图4.6所示。图4.6 循环脚本程序设置如上图4.6所示的循环控制程序的内容是当液位低

22、于50时，水泵启动给水罐进行加水作业，对应的当液位低于50时，给控制系统的出水阀将强制关闭，无水输出。4.4 工程安全机制为了整个系统能安全地运行，需要对系统权限进行管理。选择【工具】|【用户权限管理】，弹出【用户管理器】窗口。在MCGS中，固定有一个名为“管理员组”的用户组和一个名为“负责人”的用户，他们得名称不能修改。管理员组中得用户有权利在运行时管理所有得权限分配工作，管理员组的这些特性是由MCGS系统决定的，其他所有用户组都没由这些权利。用户所隶属得用户组在下面得列表框内选择（一个用户可以隶属多个用户组）。例如： 用户名称： 液位控制系统 用户描述： 许振轩 用户密码： * 确认密码：

23、 *单击【确认】按钮，完成用户的添加。 对应的操作界面如下图4.7所示。图4.7 定义用户和用户组为了更好地保证工程安全、稳定可靠地运行，防止与工程系统无关的人员进入或退出工程系统，MCGS系统提供了对工程运行时进入和退出工程得权限管理。对应的权限设置问题不做详细介绍5PLC与组态软件的连接用MCGS组态软件制作界面显示电动机运行状态，并可以上位机设定各项参数，FX系列的PLC支持无协议的RS232和RS485两种通信方式，下面简单介绍三菱_FX系列PLC编程口设备构件(嵌入版)使用说明5.1 概述本设备构件用于MCGS读写三菱FX系列中支持编程口协议的PLC设备。MCGS通过上位机中的串行口

24、设备和PLC上的通讯单元（编程口）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。在PLC方面选用三菱FX1N型号，单击【设备窗口】，再单击【组态设备】按钮进入【设备组态：设备窗口】。单击【工具箱】，打开【设备工具箱】窗口，再单击【设备管理】窗口。在【可选设备】中找到【通用串口父设备】，双击，单击【增加】按钮，将【通用串口父设备】加到右面的【选定设备】。再单击【PLC设备】，选择【三菱】双击，选择【三菱 FX系列串口】,单击【增加】按钮，将（三菱 FX系列串口）加到右边的【选定设备】。如下图5.1所示5.1 设备管理设定5.2 通用串口设备设置及其他设置FX-232设备必须挂接在通用串口设备下

25、，通用串口设备在通用设备构件中。通用串口设备是用来设置上位机与具体设备连接的通信参数和通信端口的，在通道连接窗口中设置需要的数据对象变量如下图所示：图5.2 数据通道设置窗口对应的通道设置完毕后，还需要对连接变量、内部属性设置、设备名称、采集周期及初始工作状态等等内容进行一系列的设置，对应的编辑如图所示。（这边还包括了对CPU的类型进行具体的设置）图5.3 设备属性具体设置完成具体的PLC控制系统的设计及组态软件的设置后，需要将系统中的PLC与电脑中的组态连接起来，使得监控的电脑与PLC进行硬件的连接。5.3 硬件连接FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式，通过改变D8120的值来改变通信方式。2332R