基于PLC的液位控制系统设计(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上题 目： 基于PLC的液位控制系统设计 姓 名： 朱 峰 学 号： 7 系 别： 物理与电子工程系 专 业： 电子信息工程 年级班级： 2009级1班 指导教师： 郭荣艳 副教授 2013年5月18日专心-专注-专业毕业论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描

2、等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文题目：基于PLC的液位控制系统设计作者单位：物理与电子工程系作者签名： （学号：7） 年 月 日目 录基于PLC的液位控制系统设计摘 要：以可编程控制器（PLC）为核心，把智能传感器检测、电机和PLC控制相结合，提出了一种基于PLC的液位控制系统的设计方案。系统运用液位传感器实时检测水箱液位的变化；并且由PLC处理，并控制电机来实现对液位的控制，液位情况有触屏显示器上显示出来。触屏显示器与PLC相联，可以通过触屏显示器改变液位阈值。这种液位控制系统具有控制灵活，精度高，易于操作的特点。关键词

3、：PLC；液位；自动控制；传感器The Liquid Level Control System Based on PLC Is DesignedAbstract：With the programmable controller (PLC) as the core, the intelligent sensor, motor and PLC control, this paper puts forward a design scheme of control system based on PLC. System uses liquid level sensor to check the rea

4、l-time changes of liquid level of water tank; and the PLC control the liquid level through controlling motor , and level is displayed on a touch-screen display. The touch screen display is connected with PLC, through changing the touch screen display level threshold is set. The control system of liq

5、uid level has the characteristics of flexible control, high accuracy, easy operation .Key words：PLC; Liquid level; Control system; Sensor引言液位控制在工业生产中是一个比较常见的控制过程，他在工业生产的作用毋庸置疑。随着科技的进步，液位控制也从人工控制发展到了自动控制。早期，用继电器、定时器、接触器及其触点按照电路关系连接起来就组成了人工继电接触器控制系统，然而这种继电接触器控制是存在诸多问题的，例如操作的灵敏度、控制的精度等，现在的电气液位自动控制系统已经解

6、决了人工控制中存在的问题。本文设计一种基于PLC的液位控制系统，PLC具有抗干扰能力强、控制结构简单、可编程、操作容易等优点，因而在工业的液位控制系统中应用非常广泛，具有较广阔的发展前景。1. PLC简介与系统方案及原理可编程序控制器是新一代工业自动化控制装置，近年来得到迅速发展并广泛应用的。前期的PLC在功能上只是实现逻辑控制，所以被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。随着科技的进步，微处理器获得了广泛的应用，一些PLC生产厂商就选用微处理器用作PLC的中央处理器，使PLC的功能得到了加强。因此，美国电器制造协会于1980年将它正式命

7、名为可编程序控制器（Programmable Controller，PC）。该名称已在工业界使用多年，但近年来个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了区别，目前可编程控制器常被称为PLC1。在1985年，国际电工委员会颁布的标准中，对可编程序控制器定义为：一种转为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，在其内部存储进行逻辑与算术运算、顺序控制、计数与定时等操作指令，通过数字式、模拟式的输入与输出，控制各种各样的生产机械与过程。近年来，PLC发展非常迅速，其功能已经大大超出以上所述定义范围。1.1 液位控制系统方案水源论文的主要内容是设计一个

8、基于PLC的液位控制系统，要求控制系统可以根据生产的需要对液位进行设定，当液位低于或高于限定值时自动启动电机加液或排液，当液位达到设定值时电机停转，操作人员可以改变限定值，并达到阈值报警功能。根据要求系统设计方案如图1所示。触摸屏电动机PLC水箱接触器液位传感器 图1 系统设计方案图1.2 系统的工作原理液位控制系统工作原理：液位传感器监控水箱液位变化并转化成电信号发送给PLC，然后PLC根据不同的电信号来控制电机的正转、反转与停止。同时液位信息也同步发送给触摸屏，在触摸屏上显示出液位变化，而且触摸屏通过数据线与PLC相接可以设置水箱内的液位参数。当系统出现故障时工作人员可以通过接触器来控制电

9、机正转、反转和停止。2. 器件的选取及其特点PLC在市场上主要有三菱（日本）和西门子（德国）两个品牌，西门子具有较强的过程控制与通信控制能力，而且程序简单，模拟量模块价格也适宜，而三菱的模拟量模块价格昂贵，程序复杂，三菱在过程控制和通信方面的功能较弱。所以针对液位控制系统选取西门子的PLC，而且此次设计的所需要的设备中有很多仪表的数据要用通信进行采集，选取西门子一系列产品便于控制。因此本设计选取的主要器件有：西门子S7-200型号的PLC，欧姆龙公司NS8触摸屏，浮球式液位变送器和直流电动机。2.1 西门子S7-200PLC简介S7-200PLC的硬件由主机、I/O扩展机及外部设备组成，其简化

10、框图如图2所示。主机：由微处理器通过数据总线、地址总线、控制总线和一些辅助电路联接存储器、接口与I/O口单元，检测PLC的硬件工作状态；由编程器感应并接收用户键入的程序与数据；读取、翻译并运行输入的程序；按所定的时序接收输入状态、更新输出状态，与外部设备进行交换信息等1。在主机中包含有微处理器和存储器及I/O接口。电源：PLC都会配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，来增加抗干扰的能力输入输出模块：输入输出模块就是I/O模块，是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。输入模块用于调理输入信号，把输入信号安全地传递到PLC内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算

11、结果输出到PLC外部。功能模块：除了开关量输入/输出外，PLC的其他输入/输出功能由功能模块来实现。较常见的功能模块有A/D模块、D/A模块、动态输入/输出模块、温度传感器模块、计数器模块、PID模块、远程I/O模块与通信模块等。电 源输入单元输出单元微处理器（cpu226）运算器控制器外设I/O接口I/O扩展机I/O扩展接口编程器存储器外部设备RAMEPROM图2 PLC硬件简化框图扩展口：扩展口为PLC的总线接口。主机和近程扩展机之间都是由扩展口来连接的。编程器：编程器为PLC经常使用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外部设备。它在主机上通过编程器接口与其相连。

12、编程器装配着一个方式选择开关，用于控制PLC的工作方式。也就是编程方式和监控方式。其他外设：PLC可带打印机、显示器、键盘等外设。本设计就用到了触摸屏外设。S7-200PLC的器件参数如表1所示。2.2 NS8触摸屏简介触摸式可编程终端是由显示器与触摸屏系统组成，习惯上称为触摸屏，是通过触摸方式来进行人机信息交换的可视人机界面，具有安全耐用、灵敏度高、节省空间、便于交流的优点。本设计采用OMRON公司NS8触摸屏，如图3所示。NS8PT是一款整体机，具有简单灵活的系统配置和无缝网络通信配置，连接设备简单，监控功能强大，高性能专用软件等特点。它通过串行口（RS-232C）表1 S7-200PLC

13、的主要器件参数用户数据大小10240字节变量存储器（V）VB0VB10239输入映像寄存器I0.0I15.7局部存储器（L）LB0LB63输出映像寄存器Q0.0Q15.7位存储器（M）M0.0M31.7模拟量输入（只读）AIW0AIW62特殊存储器（SM）只读SM0.0SM549.7SM0.0SM29.7模拟量输出（只写）AQW0AQW62定时器（T）256（T0T255）计数器（C）C0C255跳转/标号0255高速计数器（HC）HC0HC5调用/子程序0127顺序控制继电器（S）S0.0S31.7中断程序0127累加器寄存器（AC）AC0AC3正/负跳变256PID回路07端口端口0，端口

14、1图3 欧姆龙NS8外观图和以太网与PLC连接，串行口连接是最基本，最常用的连接方式。NS8PT最基本的使用方法是：在PC上用CX-Designer软件编写程序，下载到PT上，再把PT与PLC连接起来，实现预期的功能。2.3 浮球式液位变送器简介浮球式液位变送器是有磁性浮球、信号单元、测量导管、电子单元、接线盒及其安装组件构成。常用的磁性浮球的比重低于0.5，能漂浮在液面之上并可沿测量玻璃管上下浮动。导管内装配有测量单元，根据外磁作用变送器把被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并通过电子单元转换成420mA电流信号或其它类型信号输出。这种变送器为模块电路，具有耐酸、抗震、防潮、抗腐蚀等

15、优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏，实物如图4所示。图4 浮球式液位变送器主要技术指标：有效检测范围：0-0.2-20m；精度：1级；承压范围：负压、常压、高压(32MPa以下)；工作温度：-50240；环境温度：-2075；适用介质：酸、碱、盐或对聚四氟乙烯无腐蚀的任意介质；输出信号：4-20mA、二线制；供电电源：负载电阻 0-750 DC24V；3. 硬件电路的设计本次设计中主要的硬件电路主要有触摸屏与PLC的连接，传感器与PLC的连接，PLC与电动机的连接。触摸屏与PLC的连接，构成人机界面，可以通过触

16、摸屏设置液位的阈值、电动机的转速2。传感器与PLC的连接，将检测的液位信息反馈给PLC。PLC与电动机的连接，PLC对液位传感器反馈的信息进行逻辑处理后，控制电动机正转、反转和停止，从而实现对水箱的控制。3.1 PLC与触摸屏的连接触摸屏与PLC的连接方式可分为：1:1链接方式：这是一种最容易的链接方式。N:1链接方式：多台PLC与一台PT链接。1:N链接方式：多台PT与一台PLC链接。本文设计采用1:1链接方式3，如图5所示中的一种。PT通信类型主机通信类型支持链接方法RS232CRS232C主机PT RS232C电缆RS232A主机PT RS232A电缆 NSAL002适配器以太网以太网主

17、机PT 以太网 10BaseT/100BaseControllerLinkControllerLink主机PT 规定的屏蔽双绞线 Controller Link接口装置图5 PLC与PT的1:1链接3.2 直流电动机控制电路的设计对于直流电动机的正反转控制是通过利用改变电枢电压极性来实现的，其控制电路4,5如图6所示，对于电动机的转速问题，在电路中加入了电阻R1和R2，用于限流，从而实现了电动机的不同转速问题，避免用变频器，节省了设计成本。电动机工作有七种状态：停止、正转速度一、正转速度二、正转速度三、反转速度一、反转速度二、反转速度三。将三速、二速、反转、正转分别用M3.0、M3.1、M3.

18、2和M3.3表示，电动机的七种状态可用七位十六进制数表示，如表2所示。例如正转低速时可表示为M3.3、M3.2、M3.1、M3.0=2#1000（16#8）。图6 直流电动机的正反转及调速控制电路表2 正反转数据表转速正转停止反转停止高速中速低速低速中速高速数据BA804670高速Y4M3.010000010中速Y3M3.111000110低速Y1M3.200001110正转Y0M3.3111000003.3 控制电路与PLC接线的设计直流电动机的正反转及调速控制电路与PLC连接起来，其中包括制动电路连接、保护电路连接、反转电路连接、正转电路连接和调速电路连接。通过编程设计就能实现PLC对直流

19、电动机进行逻辑控制，KM3是电枢电压控制开关，通过断开和闭合改变电压极性来实现电动机的正反转控制。直流电动机的正反转及调速控制电路与PLC接线图如图7所示。图7 直流电动机的正反转及调速控制电路与PLC接线图3.4 液位传感器与PLC的连接液位传感器检测液位变化，并把液位信息转换成电信号发送给PLC，然后PLC才能进行逻辑处理。这一切信号传递与实现都必须把PLC与液位传感器连接起来6-8。液位传感器与PLC的连接图如图8所示。浮球式液位变送器PLCX2X1Y2图8 浮球式传感器与PLC的连接示意图4. 系统软件的设计本文设计中，采用浮球式液位变送器对水箱液位进行检测，并将检测信号发送给PLC，

20、经过PLC的处理，由液位传感器所传送的信号可以在触摸屏上显示当前液位，PLC对信号进行逻辑处理，然后根据正反转数据库对电动机正反转控制，以使液位保持在操作人员所设置的液位值9。系统流程图如图9所示。报警电机正转自动控制小于设定值手动控制大于设定值报警电机反转等于设定值启动、清零液位检测停止否否否否是图9 系统流程图5. 软件调试每种PLC都有其配套的仿真软件，西门子S7-200PLC的仿真软件是S7-200 SIM 2.0仿真软件，这种仿真软件的界面友好，使用简单。通过仿真，本次设计程序正确，然而仿真软件毕竟不是真正的PLC，他只具备PLC的部分功能，不能实现完全仿真10。与真正的PLC相比，

21、S7-200 SIM 2.0软件仿真具有省钱、方便等优势。具体仿真步骤如下：在STEP7-Micro/WIN软件中编译程序，再单击菜单栏中的“文件”“导出”命令，并将导出的文件保存，文件扩展名默认为“.awl”。打开S7-200 SIM 2.0软件，单击菜单栏中的“配置”“CPU型号”命令，弹出CPU型号对话框，选定所需的CPU，再单击“Accept”按钮即可。装载程序。单击菜单栏中的“程序”“装载程序”命令，弹出“装载程序”对话框，单击确定按钮，弹出“打开”对话框，选择需仿真的文件，单击“打开”按钮。此时，装载程序完成。开始仿真。单击工具栏上的“运行”按钮，运行程序进行测试。液位控制系统的仿

22、真图如图10、图11和图12所示。仿真图中灯0、1、2分别代表电动机的正转、反转和停止10。直流电动机正转灯0亮：图10 直流电动机正转图直流电动机反转灯1亮：图11 直流电动机反转图直流电动机停止灯2亮：图12 直流电动机停止图6. 结束语在本次设计中，采用西门子S7-200PLC、OMRON公司NS8触摸屏、直流电动机等，设计出基于PLC的液位控制系统，实现了液位的自动控制，当液位不在设定高度时，电动机自动启动工作，当系统出现故障时，可以通过接触器进行手动控制，运用S7-200 SIM 2.0仿真成功，基本上达到了设计要求。随着现代控制系统的快速发展，可编程控制器在工业领域的应用越来越广泛

23、，对于控制系统的要求也会越来越高，可编程控制器的发展也会越来越辉煌。参考文献1 孙同景,陈桂友.PLC原理及工程应用M.北京:机械工业出版社,2008: 1-346.2 黄轶,徐少川.基于PLC的模糊PID控制器设计J.华北科技学院学报.2008(02): 57-59.3 李强,李岭,张英梅.触摸屏TPC7063E与S7300PLC之间MPI通信实现J.煤矿机械.2010(07): 209-211.4 李航,高翔,张润花.Auto CAD 2012从入门到精通M.北京:机械工业出版社,2012: 434-448.5 王阿根.西门子S7-200 PLC编程实例精解M.北京:电子工业出版社,201

24、1: 332-335.6 赵艳秋,崔红.基于VB与PLC串口通信的液位监控系统J.微计算机信息.2007(25): 48-51.7 向晓汉,陆彬.西门子PLC高级应用实例精解M.北京:机械工业出版社,2012: 364-366.8 李江全,严海娟,刘姣娣等.西门子PLC通信与控制应用编程实例M.北京:中国电力出版社,2012: 60-136.9 丁巧芳.PLC控制自动门系统设计J.科学之友.2011(12): 45-75.10 余丹,于建顺.STEP7模拟调试及实现与WINCC连接的仿真J.现代电子技术.2010(14): 81-83.附录附录1：硬件电路连接示意图附录2：输入/输出元件及控制

25、功能表PLC软元件元件文字符号元件名称控制功能输入X1SB2正转按钮电动机正转X2SB3反转按钮电动机反转X3FI1过电流继电器过电流保护FI2欠电流继电器失磁保护X4KU欠电压继电器能耗制动输出Y0KM1接触器1电动机电枢绕组正接Y1KM2接触器2电动机电枢绕组反接Y2KM3接触器3电动机电枢绕组电源Y3KM4接触器4二速短接R1Y4KM5接触器5三速短接R2Y5KM6接触器6能耗制动连接R附录3：系统主要程序致 谢随着这篇论文的最后落笔，我四年的大学生活即将画上圆满的句号。在09电子信息工程这个班集体里，浓厚的学习风气，丰富的文化生活，真挚的同学情谊，还有那种力争上游、不服输的精神都让我难以忘怀。在这四年的学习过程中，由于物理与电子工程系领导和老师的辛勤教育和培养，我取得了很大的进步。在完成这篇毕业论文的过程中，我得到了很多老师和同学的帮助。其中我的指导老师郭荣艳老师对我的指导尤为重要。郭老师常常询问我们论文的完成情况、遇到的问题以及我们对这个问题的看法，最后给出他的意见。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最后的定稿，老师都尽心尽力。大学生活即将结束，在此想对我的母校、我的老师和同学表达我真诚的感谢。不管是在学习上还是在生活中，是他们给了我帮助、支持和信心。正是他们无私的奉献，我踏实认真地完成了四年的大学生活。