PLC的水塔水位控制系统

PAGE17武夷学院成人高等教育毕业论文（设计）题目PLＣ水塔水位掌握系统设计姓名胡凤祥学号10208４1026系（教学点）南平技师学院班级、专业09机电一体化2层次、形式高起专、脱产指导老师、职称:卢平

摘要随着中国人口的不断增长,人们生活用水的增加，早先采纳继电器作为水塔水位的自动掌握系统，由于频繁操作,会产生气械电气磨损,而且维护和更新不便利,已经不能满意人们对于这个时代的需求了。本文采纳的是欧姆龙PLC可编程掌握器作为水塔水位自动掌握系统核心,对水塔水位自动掌握系统的功能性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位,将水位简略信息传至PＬC构成的掌握模块,经A/Ｄ转换后，进行数据对比，来掌握电机的动作,同时进行数据还原，显示水位简略信息，若水位低于或高于某个设定值时,就会发出危险报警的信号。本篇论文以一个水塔水位掌握系统的分析、设计和开发过程为主线，给出基于ＰＬC水塔水位掌握系统的设计和实现过程,分析了其功能的实现思想，阐述了建立一个系统该遵循的分析方法。关键词:自动掌握，欧姆龙系列，传感器，报警名目第一章前言。..。。．．．...。。．。.．..。。．.。.。.。．。．.。。。．.．。。.。。.．。。.。。．．。..．。。．.．．..。。．．．．。.。。．．...。．..．.．.。。.。..．。.。...。．.。．.．.。.．。１1．１可变程序掌握器的产生．．。．．．．．.．。．.。..。．。。.。..。..．.．。。．．．..。．。。．．.。。..。.。。。。．．。。。。.．．．。.．．。。．．.。.．。..．。..．．.．．．。．...。。.．11。2ＰLＣ的进展.．．．.．。.。.。．．。...．．。。．．。。．。.．。。..．.。．。．。。.。．．．．．。.．.。。．．..。.。。。。。．．。．.．。.。.．。.．．。.．。。．.。．．．。..．．．..．。。。。..．２1．３PLC的基本结构..．.．。。．...．。．..．..．．．。。．.。。。。．。。。。。..．..．。．..。。.．。。．.。.．．...．．。．。．...。。．...．。。．．.。。.．。。．..．.。．。。。．．。.．..．３1．４PLC的特点.。．.。。．。．.。．..。。．。。...．.．.。。．.。．．.．。..。．。.。．。．。...．...。.。．．。。．．.．。．。。．..。。。.．．.．．。。.。.。.。．.。．。．．．。.．.。。。..．。..。..。．．.。41。5PＬＣ的工作原理。。．。.。。．。.．．．.．．。.。．。．。．。.．。。..。.．．．.。.．．。.．．。．。。。。。...．...．．。.。。.。。．...。.．.．。。。．.．。．．．．。..。．..．..。。。5其次章水塔水位系统ＰLＣ硬件设计。．...．。．。．。。..．．.。。.．.。.．。.。．。．．．。.。。。。。．．.。．．．．.．。.。.。.．。。.。．。。.．.。.。.．。.．．.．82.1水塔水位掌握系统要求．。。.。．．..．．。。．．。。..。.。.。.。。..．..．．．．。.．．．。．。。。。．。.．.．．。.．。。..．．．.．．.．．.。。．。．．．．.。..。．.。..．．．82.2水塔水位掌握系统主电路.．．..。．。。.。.。。...．．.。.．.．．.．.．.．．．。..．。。。．。...．。。．.．。．．。。．.。.。。．。．．。。．.。。．..．．．．.。．.．。。．。。．．。．92.3I/O口的安排.。。。．..。．。．．．。．．．。．．.。．。．.．．。．．．.。。。．.。．．.．．．.。。.。。．.。.。．.。。．．。.。。.。...．．．．。。..．...．.。。.。.．．。。．。。.．．．．。。１０２．4水塔水位系统的输入/输出设备．．．。．.．．．。．．．.。。．.．.．。．．。。...。.．...。。．.．．.。．。。.．。．.。。．.。..．。..。．．.。。。．。...。。。．.．．．。11第三章水塔水位系统的ＰLＣ软件设计.．．．.．..。.。。.。.．．。．．。。．．．。.。。..．.．．．．.．．。。.。。。．.。。。.。。.。..．．。．。..。.。12３．1水位掌握系统的工作过程。．．.．。．..。..．。．。．。．．.。．..。.。。.．。.．.．..。.．．．．。．．.。。。。．。.。。。..。。.。.．。．。.。.。。。。。。．。。．．.。．.。．。.1３3．2程序流程图.．...。。。。..。..。。..。。．．。．。...。...．.。．.。。．。.．．。.。。。。。．。..。．．...。。。。．．...．.。．。.．．.．.．.．。.。。..．。．。。。．．。..．..．.．..．。。14３。3梯形图．．．。.．．．．．。。。．．..．。。。．。..。．．.．。。。.。.。。。．.。.．。．.。．．。。。.。．。．。...．..．．.。.．。。．。。．。．。．．.．。。。．．.。.。．..．。。.．。。。.。。．..．.．.．。。。．１53.4指令表．。．．.．．。.．．。。.。.．．．．．.。．．.．.。.．。。．。。．。.．．.．.。.．．.．.。.．.。．。．..．..．..．．.．．.．．．。.。．。．．．．．.．。...．。．．．．.。。.。..。．．.．.．。.。。。。。16第四章总结.。。.。.．．。。。．..。..．.．.。。．.．..。．．。..。..。．。．.．。.．．．。。..。。。．.。.．.．.。.．．..．．..。。。。..。．。。.．．.。。。．。．．．。。．。。．.．.．。。．.。。...．。18参考文献。．．．..．．.．．.。。。.．．.．。。.。．.．．.。。。．.．。..。.．。.．。.。。.．．。。.．。。．。．。．．..。．。。。。。。．。.。。。．．..．．..．。.．.．。.。。．．。.。。。.．..．．。.。。．．．18第一章前言1．1可变程序掌握器的产生可编程掌握器是20世纪70年月进展起来的掌握设备，是集微处理器、储存器、输入／输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业.计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速进展，大大加强了可编程掌握器通信能力，丰富了可编程掌握器编程软件和编程技巧,增强了PＬＣ过程掌握能力。因此，无论是单机还是多机掌握、是流水线掌握还是过程掌握，都可以采纳可编程掌握器，推广和普及可编程掌握器的使用技术,对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。可编程掌握器（ＰrogｒammableＣoｎｔｒolleｒ）也可称规律掌握器（PrｏgrammabｌeＬｏｇicConｔroller)，是一微处理器为核心的工业自动掌握通用装置,是计算机家族的一名成员，简称PＣ。为了与个人电脑（也简称ＰC）相混淆通常将可编程掌握器称为PＬＣ。可编程掌握器的产生和继电器-接触器掌握系统有很大的关系。继电器—接触器掌握已经有百年的历史，它是一种弱电信号掌握强电信号的电磁开关,具有结构简洁、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简洁的场合格外使用，至今仍有广泛的用途.但是当工作模式转变时，就必须转变系统的硬件接线,掌握柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高,用户宁愿扔掉旧掌握柜，另做一个新掌握柜使用,阻碍了产品更新换代。随着工业生产的飞快进展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种,向小批量、多品种转换，继电器—接触器掌握难以满意市场要求,此问题首先被美国通用汽车公司(ＧM公司)提了出来.通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满意用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业掌握装置,取代传统的继电器-接触器掌握。其对新装置性能提出的要求就是闻名的GM1０条，即：１．编程便利,现场可修改程序;6．成本可与继电器掌握装置竞争；

2．维修便利，采纳模块化结构;7。输入可以是沟通１1５Ｖ;

3．牢靠性高于继电器掌握装置;8.输出为沟通115V，2Ａ以上4．体积小于继电器掌握装置；9.在扩展时，原系统只要很小变更；ﻫ5．数据可直接送入管理计算机;１0.用户程序存储器容量至少能扩展到4K这十项指标就是现代ＰLＣ的最基本功能,值得注意的是PLC并不等同于一般计算机，它与有关的外部设备，依据“易于与工业掌握系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。用可编程掌握器代替了继电器—接触器的掌握,实现了规律掌握功能，并且具有计算机功能灵敏、通用性等特点，用程序代替硬接线,并且具有计算机功能灵敏、通用性能强等优点,用程序代替硬接线,削减了重新设计，重新接线的工作,此种掌握器借鉴计算机的高级语言，利用面对掌握过程,面对问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言,使得熟识计算机的人也能便利地使用。这样，工作人员不必在变更上花费大量地精力,只需集中精力去考虑如何操作并发挥更改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口,使掌握系统可便利地在需要的地方运行。所以，可编程掌握器广泛地应用于各个工业领域。1.２PＬC的进展虽然PLC问世时间不长,但随着微处理器的消灭，大规模，超大规模集成电路技术的飞快进展和数据通讯技术的不断进步，PＬC也飞快进展，其进展过程大致可分为三各阶段:早期的ＰLＣ一般称为可编程规律掌握器。这时的PLC也就是继电器掌握装置的替代物的含义，主要功能只是执行原先由继电器完成的挨次掌握、定时等.它在硬件上以计算机的形式消灭，在I/O接口电路上作了改进以适应工业掌握现场的要求。装置中的器件主要采纳分离元件和中小规模集成电路，存储器采纳磁芯存储器。另外还实行了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采纳宽阔电器工程技术人员所熟识的继电器掌握线路的方式—梯形图。因此，早期的PLＣ的性能要优于继电器掌握装置，其优点包括简洁易懂,便于安装，体积小,能耗低，有故障指示,能重复使用等。其中PＬC特有的编程语言—梯形图始终沿用至今。七十年月，微处理器的消灭使PLC发生了巨大的变化。美国,日本,德国等一些厂家先后开头采纳微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PＬC的功能大大增强。在软件方面,除了保持其原有的规律运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能.在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量快、远程I/Ｏ模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种规律线圈的数量增加,还供应了肯定数量的数据寄存器,使PLＣ的应用范围得以扩大.进入八十年月中、后期,由于大规模集成电路技术的飞快进展，微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PＬＣ所采纳的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用规律处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。1.3PLＣ的基本结构PＬC实质是一种专用于工业掌握计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,中央处理单元（CPＵ），如下图所示。图1－1=1\＊CＨＩNEＳＥNＵM3一、中央处理单元（CＰU）中央处理单元（CＰＵ)是PLC的掌握中枢。它依据PＬＣ系统程序给予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、Ｉ／O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当ＰLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行规律或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等全部用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置,如此循环运行,直到停止运行.进一步提高PLＣ牢靠性，近年来对大型PLC还采纳双ＣPＵ构成冗余系统，或采纳三CPU表决式系统。这样,某个CPU消灭故障，整个系统仍能正常运行。=２\*CＨINESＥNUM3二、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器.PＬＣ常用的存储器类型(１)RAＭ(RaｎdomＡsseｓsＭemorｙ）

这是一种读/写存储器（随机存储器),其存取速度最快，由锂电池支持.(2）EPRＯＭ（ＥrasaｂｌePｒoｇrammabｌeRｅａｄOnｌｙＭemoｒy)这是一种可擦除的只读存储器.在断电情况下，存储器内的全部内容保持不变。（在紫外线连续照耀下可擦除存储器内容）。（３）EEPROM(EｌectｒicalEraｓａblｅPｒｏgｒａmmaｂleＲeadOｎｌyＭｅmｏry）这是一种可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。=3＼*CHIＮESENＵＭ3三、输入／输出模块输入/输出模块是可编程掌握器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口.现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感器输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流)等,都要通过输入模块送到PLＣ.＝4＼＊CＨＩNESEＮUM3四、扩展模块当一个PＬＣ中心单元的1／０点数不够用时，就要对系统进行扩展,扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程掌握器在工业掌握中的广泛应用和进展,各可编程掌握器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块,使可编程掌握器的功能更加强大和完善。智能1/0接口模块种类很多,例如高速技术模块、PLCＡ掌握模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门掌握模块、中断掌握模块、智能存贮模块以及智能1/0模块等。=5\*CＨＩNＥSＥNUＭ3五、编程器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入ＰＬC。目前编程器主要有以下三种类型:便携式编程器（也叫简易编程器）;图形编程器;用于ＩＢM一PＣ及其兼容机的编程器.=6\*ＣＨINＥＳENUM3六、电源PLＣ中的电源一般有三类：1、＋５V、±15V直流电源:供PＬＣ中ＴTL芯片和集成运放使用；2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源;3、锂电池及其充电电源。考虑到系统的牢靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。１.4ＰLC的特点(一)高牢靠性１.全部的I／Ｏ接口电路均采纳光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上隔离2.各输入端均采纳R-C滤波器其滤波时间常数一般为10~20ｍs３.各模块均采纳屏蔽措施以防止辐射干扰4．采纳性能优良的开关电源5。对采纳的器件进行严格的筛选6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生特别情况,CPU立即采纳有效措施以防止故障扩大7.大型PLＣ还可以采纳由双ＣPU构成冗余系统或有三CPＵ构成表决系统，使牢靠性更进一步提高(二)丰富的I/Ｏ接口模块１.PＬＣ针对不同的工业现场信号如：沟通或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位;强电或弱电等.2.有相应的Ｉ/Ｏ模块与工业现场的器件或设备如:按钮；行程开关;接近开关；传感器及变送器;电磁线圈；掌握阀.3.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等等.（三）采纳模块化结构为了适应各种工业掌握需要除了单元式的小型ＰLＣ以外，绝大多数ＰLＣ均采纳模块化结构,PＬＣ的各个部件包括CPU电源I/Ｏ等均采纳模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可依据用户的需要自行组合.(四）编程简洁易学PＬC的编程大多采纳类似于继电器掌握线路的梯形图形式，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.(五）安装简洁维修便利

PLＣ不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，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，由于采纳模块化结构,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飞快恢复运行.１．５ＰLC的工作原理最初研制生产的PＬＣ主要用于代替传统的由继电器接触器构成的掌握装置，但这两者的运行方式是不相同的：(1）继电器掌握装置采纳硬规律并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电,该继电器全部的触点（包括其常开或常闭触点)在继电器掌握线路的哪个位置上都会立即同时动作。（2)ＰＬＣ的ＣPU则采纳挨次规律扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或规律线圈被接通或断开,该线圈的全部触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作.为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异,考虑到继电器掌握装置各类触点的动作时间一般在1０0ｍs以上,而PLＣ扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLＣ采纳了一种不同于一般微型计算机的运行方式-－-扫描技术。这样在对于I/Ｏ响应要求不高的场合,PＬC与继电器掌握装置的处理结果上就没有什么区分了.1、扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PＬC的ＣPＵ以肯定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下图：图1－2PＬC扫描周期（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入全部输入状态和数据,并将它们存入Ｉ/O映象区中的相应得单元内.输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会转变。因此,如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PＬC总是按由上而下的挨次依次地扫描用户程序(梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的掌握线路，并按先左后右、先上后下的挨次对由触点构成的掌握线路进行规律运算,然后依据规律运算的结果,刷新该规律线圈在系统RAＭ存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在Ｉ/Ｏ映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I／O映象区或系统RAＭ存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反,排在下面的梯形图，其被刷新的规律线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PＬC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU依据I/Ｏ映象区内对应的状态和数据刷新全部的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PＬC的真正输出。２、PＬC的I/O响应时间为了增强ＰＬC的抗干扰能力，提高其牢靠性，PLC的每个开关量输入端都采纳光电隔离等技术。为了能实现继电器掌握线路的硬规律并行掌握,PLC采纳了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要缘由，使得ＰLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业掌握系统满的多,其响应时间至少等于一个扫描周期,一般均大于一个扫描周期甚至更长.所谓I/O响应时间指从PＬＣ的某一输入信号变化开头到系统有关输出端信号的转变所需的时间。如下图：图１－3PＬC扫描周期示意图其次章水塔水位系统PLC硬件设计图2－1水塔水位掌握装置图2.１水塔水位掌握系统要求

1）保持水池的水位在S1~S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为ＯN，电磁阀打开，开头往水池里注水，当4S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S１为OＦＦ，表示水位高于下限水位.当页面高于上限水位S２时,则S2为ＯN,电磁阀关闭。2）保持水塔的水位在Ｓ3～S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关Ｓ3为ON，则驱动电机M开头工作,向水塔供水。当S３为OＦF时，表示水塔水位高于水塔下限水位.当水塔液面高于水塔上限水位开关Ｓ4时，则S4为ON,电机M停止抽水。3）当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时,电机M不能启动。2。2水塔水位掌握系统主电路图2—2水塔水位系统掌握主电路图２.３Ｉ／O口的安排表２—1水塔水位系统PＬC的输入/输出接口安排表输入继电器输入变量名输出继电器输出变量名0．00掌握开关10０00电磁阀0。０1水塔上限开关1０0０1电机M０.02水塔下限开关1０002水池下限指示灯a1０.０3水池下限开关１0003水池上限指示灯a20。04水池上限开关１0004水塔下限指示灯a３１0００5水塔上限指示灯a410006报警指示灯a52.４水塔水位系统的输入/输出设备这是一个单体掌握小系统，没有特殊的掌握要求,它有5个开关量，开关量输出触点共有８个，输入、输出触点数共有1３个,只需选用一般中小型掌握器即可.据此，可以对输入、输出点作出地址安排，水塔水位掌握系统的Ｉ/Ｏ接线图如下:图２-第三章水塔水位掌握系统PLC软件设计３.1水位掌握系统的工作过程设水塔、水池初始状态都为空着的，４个液位指示灯全亮。当执行程序是,扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀打开,开头往水池里进水，如果进水超过４S,而水池液位没有超过水池下限位,说明系统消灭故障，系统就会自