水箱液位串口控制系统设计

1、安 庆 师 范 学 院毕业论文课题名称 水箱液位串口控制系统设计 指导教师 职 称 指导教师 职 称 专业名称 机械制造与自动化 班 级 08 学生姓名 王彦颖 学 号 实习单位 安庆市泺建工贸有限公司 课题需要完成的任务：利用PLC设计水箱液位串口控制系统，完成如下任务：1、 通过触摸屏、可变程序控制器变频器（PLC）、压力传感器、配电装置以及水泵实现水箱液位控制系统的设计2、 确定控制方案，选择PLC型号，定义输入/输出，画出 PLC 端子接线图。3、 进行软件编程、完成控制梯形图并完成调试。 物理与电器工程学院 系（部、分院） 2011年 4 月 26 日PLC的过去、现在与未来众所周知

2、，科技世界里只有一个永恒真理，那就是变化。这在可编程逻辑控制器（PLC）及其各种应用的发展过程中尤为明显。自从三十多年前将PLC引进以来，PLC已经在广泛的工业领域中成为几十万控制系统的基础。从本质上讲，PLC是一种用高度专业化语言编程的工业计算机，并继续受益于计算机和信息技术领域的技术进步。它的最突出之处是小型化和通信功能。 微型化的PLC PLC的过去、现在与未来众所周知，科技世界里只有一个永恒真理，那就是变化。这在可编程逻辑控制器（PLC）及其各种应用的发展过程中尤为明显。自从三十多年前将PLC引进以来，PLC已经在广泛的工业领域中成为几十万控制系统的基础。从本质上讲，PLC是一种用高度

3、专业化语言编程的工业计算机，并继续受益于计算机和信息技术领域的技术进步。它的最突出之处是小型化和通信功能。 微型化的PLC在最初引进PLC的时候，主要改进它的体积，这与替换了数百个硬接线继电器和计时器有关。一个嵌有CPU和I/O的典型单元有大约19寸电视机那么大。从20世纪80年代到20世纪90年代初，模块化的PLC逐渐微型化，同时它的容量和性能也得到了提高。近年来，更小型PLC已经发展到纳米级和微型级，它们已具有以前只在大型PLC上才有的特点。因此仅为了额外特性或性能而不是增加I/O容量而具体指定一个大型的PLC变得不必要，因为即使纳米级PLC也具备以太网通信、运动控制、自动调谐的嵌入式PI

4、D、远程连通性等更多的功能。现在，由于PLC能执行运动控制、数据采集，远程终端单元（RTU）甚至一些集成人机介面（HMI）等功能，因此PLC在很多应用中也已配置齐全从而替代单一的过程控制器。以前，这些功能通常要求他们自身内置实现这些功能的控制器和软件，此外，还需要一个用于离散控制和互锁的独立的PLC。强大的通信功能近年来，最有意义的变化也许发生在通信领域。在20世纪90年代，Modicon推行的Modbus通信协议，允许PLC通过标准电缆进行通信。这为PLC更好地适用于现存的设备提供了可能性，并且向主板上的其它控制系统通信成为可能。在过去的30年里，我们真实地目睹了数百个专利化协议和标准化协议

5、的发展，每一个协议都有自己独特的优势。现在，PLC已成为数据编译器和信息网关，它们必须接入条形码扫描器和打印机，还有温度和模拟传感器。在过程控制中，它们需要支持多种协议，以便它们能和其它设备通信。此外，在它们全部具备这些功能的同时，它们仍然要有高的性价比而且编程简单。另一个主要改进来自于计算处理领域。确切地说，它革命化了PLC的编程方式、互相通信、与用于HMI、SCADA和DCS的PC有接口。在过去的五年中，车间级以太网通信的应用已经翻了一倍。尽管串行通信仍然很受欢迎并且很可靠，但以太网快速地成为值得选择的通信媒体，它有着不能被忽视的优势，例如：网速、设置简单、布线方便、现成网络组件的可用性、

6、嵌入式通信设置集成运动控制另一个分配给PLC的任务是运动控制。从简单的开环控制到多轴应用来看，在PLC的软件和硬件中集成运动控制已经成为一个趋势。很多系统在快速运行时要求精确的控制，但并不是在超高速运行时的绝对精准。单机PLC在一些系统上也能很好地运行。许多纳米级和微型级PLC都有高速运算能力和控制器内置的高频脉冲输出能力，使它们成为开环控制的可行解决方案。一方面要提醒的是控制器在控制顺序上不能确定输出设备的位置。另一方面要提醒的是它的主要优势在于它的成本。以前，即使简单的运动控制也要求有一个昂贵的选择模块。有时为了满足系统需求，它不能用于更精密的控制平台中。越精密的运动控制系统要求越高精度的

7、定位硬件和软件，而许多PLC都提供高速选择模块接入伺服驱动。现在，许多驱动都兼容来自控制主机（PLC或PC）的传统命令，或者提供自身的内部运动控制。将运动控制组态软件集成在PLC编程软件包中将成为一种趋势。在最初引进PLC的时候，主要改进它的体积，这与替换了数百个硬接线继电器和计时器有关。一个嵌有CPU和I/O的典型单元有大约19寸电视机那么大。从20世纪80年代到20世纪90年代初，模块化的PLC逐渐微型化，同时它的容量和性能也得到了提高。近年来，更小型PLC已经发展到纳米级和微型级，它们已具有以前只在大型PLC上才有的特点。因此仅为了额外特性或性能而不是增加I/O容量而具体指定一个大型的P

8、LC变得不必要，因为即使纳米级PLC也具备以太网通信、运动控制、自动调谐的嵌入式PID、远程连通性等更多的功能。现在，由于PLC能执行运动控制、数据采集，远程终端单元（RTU）甚至一些集成人机介面（HMI）等功能，因此PLC在很多应用中也已配置齐全从而替代单一的过程控制器。以前，这些功能通常要求他们自身内置实现这些功能的控制器和软件，此外，还需要一个用于离散控制和互锁的独立的PLC。强大的通信功能近年来，最有意义的变化也许发生在通信领域。在20世纪90年代，Modicon推行的Modbus通信协议，允许PLC通过标准电缆进行通信。这为PLC更好地适用于现存的设备提供了可能性，并且向主板上的其它

9、控制系统通信成为可能。在过去的30年里，我们真实地目睹了数百个专利化协议和标准化协议的发展，每一个协议都有自己独特的优势。现在，PLC已成为数据编译器和信息网关，它们必须接入条形码扫描器和打印机，还有温度和模拟传感器。在过程控制中，它们需要支持多种协议，以便它们能和其它设备通信。此外，在它们全部具备这些功能的同时，它们仍然要有高的性价比而且编程简单。另一个主要改进来自于计算处理领域。确切地说，它革命化了PLC的编程方式、互相通信、与用于HMI、SCADA和DCS的PC有接口。在过去的五年中，车间级以太网通信的应用已经翻了一倍。尽管串行通信仍然很受欢迎并且很可靠，但以太网快速地成为值得选择的通信

10、媒体，它有着不能被忽视的优势，例如：网速、设置简单、布线方便、现成网络组件的可用性、嵌入式通信设置集成运动控制另一个分配给PLC的任务是运动控制。从简单的开环控制到多轴应用来看，在PLC的软件和硬件中集成运动控制已经成为一个趋势。很多系统在快速运行时要求精确的控制，但并不是在超高速运行时的绝对精准。单机PLC在一些系统上也能很好地运行。许多纳米级和微型级PLC都有高速运算能力和控制器内置的高频脉冲输出能力，使它们成为开环控制的可行解决方案。一方面要提醒的是控制器在控制顺序上不能确定输出设备的位置。另一方面要提醒的是它的主要优势在于它的成本。以前，即使简单的运动控制也要求有一个昂贵的选择模块。有

11、时为了满足系统需求，它不能用于更精密的控制平台中。越精密的运动控制系统要求越高精度的定位硬件和软件，而许多PLC都提供高速选择模块接入伺服驱动。现在，许多驱动都兼容来自控制主机（PLC或PC）的传统命令，或者提供自身的内部运动控制。将运动控制组态软件集成在PLC编程软件包中将成为一种趋势。编程语言编程语言是反映PLC历史的一个方面。国际电工委员会61131-3标准（IEC 61131-3）处理了编程语言并且定义了两个图形化的和两个文本化的PLC编程语言标准：梯形逻辑（图形化） 功能块图（图形化）结构化文本（文本化）指令表（文本化） 这项标准也定义了为顺序控制和并行控制处理组织程序的图形化的和文

12、本化的顺控功能图元素。基于这项标准，许多PLC生产商提供最少三种语言中的两种作为他们PLC编程时的语言选择。讽刺的是，在近来接触的PLC使用者中，有大约96%仍然使用梯形图编写PLC代码。由于梯形图长期的良好表现，因此梯形图编程似乎会继续成为最好的选择。硬件平台 现代的PLC已经在它们的CPU里集成了多种的商业非定制（COTS）技术。最新的技术为PLC提供了一个更快，更强，存储量更大且成本更低的处理器。这些先进技术也为PLC扩展集成和接受新任务（如通信、数据处理和高速运动）留出空间，而不会以牺牲工业控制设备所要求的严格可靠性为代价。新技术已经创造了另一种控制器可编程自动化控制器（PAC）。展望

13、未来来自Reed研究团的一份2005年PLC产品聚焦研究指出了一些对于PLC使用者、机器制造商和采购决策人员愈加重要的因素。排在最前的、有重要特征的因素是：1联网能力和易用性以太网通信在通信领域中独占熬头。不只是新协议在逐渐平面化，许多已经使用了许多年的工业标准化协议也在逐渐地接入到以太网平台上，这些协议包括Modbus (ModbusTCP)、DeviceNet (Ethernet/IP)和Profibus (Profinet)。PLC的以太网通信模块已经具有高速性能和灵活性的协议群。同样，许多PLC上的CPU在工作时已经可以接入以太网，这就节省了I/O槽空间。PLC将会继续开发更成熟的连通

14、性，使它可以将信息传输到其它PLC系统、系统控制系统、数据采集（SCADA）系统和企业资源计划（ERP）系统上。另外，无线通信方式将会进一步普及。2用PC连接PLC输入/输出（I/O）的能力同样的一个趋势，过去与PLC联网获益良多，但现在已经转移到了I/O水平上。许多PLC生产商已经支持最受大众接受的现场总线网络，使PLC的I/O可以分配在广阔的区域上或者定位在以前被认为是几乎不可能的位置上。这使个人电脑通过使用接口卡接入到标准PLC的I/O子系统成为可能，而这种接口卡主要是由PLC生产商或第三方开发商提供的。现在，这些具挑战性的广阔区域都可以由个人电脑监控。至于在不需要技术等级控制引擎支持的

15、地方，使用者可以利用更为先进的软件包和硬件机动性，这成本也比较低廉。3使用通用编程软件编制多对象/平台的能力过去，人们都认为一个智能型控制器需要复杂的编程，但现在不再是这样了。使用者不再只是受过培训的编程人员（如设计工程师和系统集成人员），而是在更熟悉的设计上期待能用上人性化软件的最终用户。在他们个人电脑上，基于视窗(Windows)的外观和触感是最为人所熟悉的，它已成为最受大众接纳的图形用户界面。开始时，用于为PLC编程的简单继电逻辑仿真已经发展成为使用更高级功能块的编程语言（这些功能块可以更直观在配置出来）。PLC生产商也已经开始一体化不同功能块的编程，使你在构造逻辑、HMI、动态控制和其

16、它特定功能时只需学习一个编程软件包。也许，最终用户的最终愿望是获得一个可以无缝地为多个PLC和子系统编程的软件包。毕竟，无论是安装在Dell、HP电脑上还是安装在IBM电脑上，微软的视窗（Windows）操作系统和应用程序都是同样地运行，这就方便了系统用户。总的来说，PLC用户对现行可用的PLC产品感到满意。同时，他们密切关注新的趋势，并在他们认为有利可图的地方用上新的PLC产品。新PLC利用先进的技术，使它们在工业界更容易地被采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监控,以往采用传统的继电器接触器控制,使用的硬件连接多,可靠性差,自动化程度不高,目前已有许多企业采

17、用先进控制器对传统控制器进行改造,大大提高了控制系统的可靠性和自动化程度,为企业提供了更可靠的生产保障. 本文介绍了基于信捷XC3型可编程控制器(PLC),组态软件的液位控制系统的设计方案.系统采用PID算法,实现液位的自动控制.利用组态软件设计人机界面,通过串行口和可编程控制器通信,实现控制系统的实时监控,现场数据的采集与处理,其结构简单,监控系统不仅自动化程度高,还具有在线修改功能,灵活性强.关键: PLC 液位控制 触摸屏 变频器目录前言 12第一章 绪论131.1本课题设计背景131.2本课题设计内容141.3本课题设计的目的和意 14第二章 系统控制方案的确定 142.1 采用PLC

18、控制液位的优点142.2 系统设计的基本步骤152.3 系统控制方案16第三章 系统软件设计283.1程序设计编程基本原则与注意问题 283.1.1 程序设计（梯形图）编程基本原则283.1.2 程序设计注意问题 284.2变频器参数设定31致谢参考文献附录一 程序清单附录二 系统硬件电路图前言可编程控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于其具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业自动

19、化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除了许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内越来越多的设备采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。与继电-接触器系统相比PLC控制系统更加可靠；占位空间比继电-接触器控制系统小；价格上能与继电-接触器控制系统竞争；易于现场变更程序；便于使用，维护，维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能想中央数据处理系统直接传输数据等。 第一章.绪论1.1本课题设计背景 20世纪20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制

20、系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差. 20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车

21、流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1） 编程方便，可现场修改程序（2） 维修方便，采用插件式结构（3） 可靠性高于继电器控制装置（4） 体积小于继电器控制盘（5） 数据可直接送入管理计算机（6） 成本可与继电器控制盘竞争（7） 输入可以是交流150V以上（8） 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等（9） 扩展时原系统改变最小（10） 用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。 美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义

22、：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.2本课题设计内容本课题将在以下几方面对液位系统进行研究和论证控制系统可以根据生产的需要对液位进行来设定，当液位低于设定限位时自动启动水泵进行加液，当液位到达设定值时停泵，操作人员可以通过触摸屏进行液位设定，控制监控等操作。1.3本课题设计的目的和意义

23、可编程控制器（PLC）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。第二章 系统控制方案的确定2.1 采用PLC控制液位的优点1·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。

24、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

25、宽；有计数功能。5·从可靠性，可维护性上比较：电器控制接触点多，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。22系统设计的基本步骤液位控制系统的设计与步骤，如下图2-1所示在液位控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：1·深入了解和分析液位控制系统的工艺条件和控制要求。2·确定I/O设备。根据液位控制系统的功能要求，确定系统所需的输入，输出设备。3·根据I/O点数选择合适的PLC类型。4·

26、分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5·设计液位控制系统的梯形图，根据控制要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个液位控制系统设计的核心工作。6·将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7进行液位控制系统的整体联机调试，调试中发现的问题逐一排除，直至调试成功。确定课题研究课题内容确定方案查找资料记录运行结果并分析调试程序系统结构的设计根据控制要求编写程序根据控制要求确定硬件配置设计电路原理图总结图2-1 系统设计步骤图23系统控制方案系统控制原理如图2-2所示,系统主要是由触摸屏、可变程序控制器变频器（PL

27、C）、液位计、配电装置以及水泵等组成触摸屏 PLC AD/DA 变频器液位计水泵图2-2 系统控制图系统带有触摸屏显示装置，可以显示系统的工作状态、当前压力、贮水池水位、设定压力、压力曲线、变频器频率、等各种控制参数等.系统工作压力可以由触摸屏设置。变频器的作用是为三相水泵的电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使水管的水压连续变化。液位计的作用是检测当前液位压力。在PLC内部设定液压期望值，压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制运算输出给变频器一个控制信号。图2-3系统原理图第三章 系统软件设计3.1程序设计编程基本原则与注意问题3.1.1 程

28、序设计（梯形图）编程基本原则（1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为以逻辑行，又称为一个梯级。每个梯形图由多层逻辑行组成。每一逻辑行起于左母线，经触电、线圈终止于右母线。（2）触电不能放在线圈的右边，即线圈与右母线之间不能有任何触电。（3）线圈不能直接与左母线相接，如果需要，可通过一个没有使用的常闭触电或特殊继电器R9010相连接。（4）触电可以任意串联、并联，而且同一触点可以无限次使用。（5）输出线圈可以并联不能串联，同一输出线圈在同一程序中避免重复使用3.1.2 程序设计注意问题1. PLC和上位机(或触摸屏)组成监控系统时,在画面上很多时候需要有"手动&qu

29、ot;,"自动"等控制模式(一般都是多个只能一个时). 在程序里面可以用"MOV" 指令. 如:当选择"手动" 就将常数1存储到一个寄存器里面, 当选择"自动" 就将 2  存储到 同一寄存器. 只要判断寄存器的数据是多少,就知道系统是那种控制方式. 这样的思路好处是容易理解,不需要互锁之类的麻烦程序.  2. 程序有模拟量控制时, 如果读取的模拟量基本上没误差, 可以采取时间滤波的方式,延时一段时间(我做过一个系统,基本上能正常反映实际情况,但是偶尔会出现一次很大跳动,由于没有加滤波

30、,引起了系统停机,其实不算故障). 如果读取的数据误差很大, 就需要采取其它的滤波方式.如算平均值等.可以查阅相关的资料.3. 在程序调试过程中(特别是设备改造时,你的程序是加入到原来设备的程序中时), 当程序语句中出现 条件满足, 而 输出线圈不接通 时,  可以检查你的这段程序是否是在这样的语句之间, 还有一种可能就是在中断程序之后. 条件满足而没输出不接通,一般都是这段的程序不被扫描.4. 在设计程序的时候, 当出现工艺上的故障 (非控制系统控制), 最好将故障现象保持,并有灯光声音报警.  5. 当检查所设计的程序无误后，对所输入的程序进行调试和

31、检测。3.2变频器参数设定根据该系统的控制需要其变频器相关参数设定如下表4-1功能码功能设定范围及功能说明设定值CD033运行指令来源0：操作器 1：外部端子 2：通讯口1CD034运行频率来源0：操作器 1：外部端子 2：通讯口2CD065模拟量输入选择0：010V 1：05V 2：020mA 3:420mA 4:010V,420mA叠加0CD074模拟量滤波常数05020表4-1变频器参数设定致谢三年大学生活转眼即逝。在这三年学习期间，安庆师范学院的老师们无私耕耘、孜孜教诲，让我们学到了很多书里和书外的知识。为我们即将进入社会打下了良好的基础。在这里我向所有老师们表示深深得谢意和崇高的敬意

32、。你们辛苦了！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。附录一 程序清单附录二 硬件接线图PLC接线图变频器接线图毕业设计总结毕业设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，可编程控制器（PLC）已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。 因此作为二十一世纪的大学来说掌握可编程控制器（PLC）的开发技术是十分重要的。经过一个多月的努力终于把毕业设计顺利完成了。通过这一个多月的学习，我发现自己还有好多不足之处。然而这次的毕业设计也让我进一步获得了独立自主的学习，摸索，思考，动手等多种能力。 论文设计初期开始了对其运行要求进行解读，并着手开始绘制原理图，同时也积极查询相关资料。在毕业