毕业设计基于PLC的液位控制系统设计Word下载.docx

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5硬件接线图……………………………………………………………………28

第四章系统软件设计………………………………………………………………28

4.1程序设计编程基本原则与注意问题…………………………………………28

1.1程序设计（梯形图）编程基本原则……………………………………28

2程序设计注意问题……………………………………………………28

2所用编程软件特点及界面操作…………………………………………………29

4.2。

1编程软件特点……………………………………………………………29

2.2信捷XCPPro编程软件操作……………………………………………29

3变频器参数设定…………………………………………………………………31

4触摸屏程序……………………………………………………………………32

4.4。

1屏幕保护画面……………………………………………………………32

4.4.2操作画面…………………………………………………………………32

4.4.3参数设置画面……………………………………………………………33

致谢

参考文献

附录一系统硬件电路图

前言

可编程控制器（ProgrammableLogicController）,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：

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。

定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。

定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”,他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。

这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作,它还具有“数字量和模拟量输入和输出"

的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”.

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。

3本课题设计的目的和意义

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。

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。

2．2系统设计的基本步骤

在液位控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

深入了解和分析液位控制系统的工艺条件和控制要求.

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。

根据I/O点数选择合适的PLC类型。

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。

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。

图2—1系统设计步骤图

2．3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（PLC）、液位计、配电装置以及水泵等组成

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

第三章系统硬件设计

3.1可编程控制器（PLC）的选型

1如何选购PLC产品

在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停,电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一。

硬件选购目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有:

日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ,德国的SIEMENS，韩国的LG等。

近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高,这是众多技术人员选用PLC的重要原因。

那么，如何选购PLC产品呢?

1、系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络,由此计算PLC输入、输出点。

数,并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）。

2、确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等,从而确定输出端采用继电器输出,还是晶体管输出,或品闸管输出。

不同的负载选用不同的输出方式,对系统的稳定运行是很重要的。

3、存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。

目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。

各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。

一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品.

4、编程器的选购PLC编程可采用三种方式:

是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。

这种方式效率低,但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试,造价也较低。

是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高.

是用IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式,但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。

因此,应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。

2PLC的选型标准

世界上有很多厂商生产PLC,如德国的西门子、日本的三菱、松下，美国GE公司等

完成系统的设计主要是选型和程序设计.但是由于PLC应用在不同场合，有不同的工艺流程，对控制功能有不同的要求,由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：

（1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。

根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数.确定I/O的点数。

一般要留有一定裕量（约占10%）,满足生产发展和工艺的改进.

（2）随着PLC功能日益完善,很多小型机也具有中、大型机的功能。

对于PLC的功能选择,一般只要满足I/O点数,大多数机型也能满足。

目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。

（3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。

在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。

不应单纯追求大容量，以够用为原则。

（4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性.如果是单机系统控制，I/O点数不多,不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP—M系列，以及OMRONC200H系列等。

如果仅有开关量控制，可选择OMRONC系列P型机、西门子S7-200，三菱F1、FX系列等。

（5）一个企业尽量选择同一类型的PLC

·

同一机型PLC模块可互为利用,便于采购管理。

同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员水平的提高。

同一机型PLC，其外围设备通用，资源共享，易于联网通信，与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统。

3.1.3PLC机型的选择与特点

目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱。

通过对输入输出点的选择，对存储容量的选择,对I/O响应时间的选择对PLC价格的考虑以及厂家的售后服务,决定使用无锡信捷科技有限公司生产的XC系列的XC3型号的可编程控制器,如图3—1所示。

XC系列PLC的几大优势：

1、阵容强大的全系列PLC，广泛适用于多种场合。

XC本体配备了3通道，最高频率高达80KHz的32位高速计数功能,可与旋转编码器直接相连，对来自编码器的输入进行计数。

2、具备3通道、80KHz、32位高速计数功能

3、24段高速计数中断功能

利用高速脉冲进行在指定位置的中断操作，具有实时性好，可靠性高、成本低等优点，可代替电子凸轮,每路高速计数器拥有24段32位的预置值.

4、高达400KHz的脉冲输出,最多支持4路

XC系列带有晶体管输出的PLC一般具有2个脉冲输出点（XC5-32RT-E具有4个脉冲输出点）,通过调用不同的指令，可进行多种方式的输出，输出频率最高可达400KHz。

5、强大的通讯和组网能力

XC系列PLC一般具有2个通讯口，最多可达4个，支持RS—232/485，CAN总线，可连接变频器、仪表等外设。

Modbus通讯

XC系列PLC支持Modbus通讯主或从方式,通过标准Modbus协议可以和大多数设备进行通讯.PLC一般处于从站通讯模式下。

6、业内首创的以C语言编写功能块指令

为了使XC系列PLC具有更强大的实用性以及更广泛的兼容性，信捷公司率先开发出了以C语言来编写功能块,该功能的开发使用户的程序具有更强的保密性，直接调用编辑好的功能块指令，内部程序不可见。

通过调用功能块，不仅节省了内部空间,减小了工作量，而且提高了编程效率。

C语言的编辑完全只需在XC的编程软件XCPPro中进行，兼容C语言支持的全部函数，此外，编写的功能块可以单独存储，以备后用.

7、独创的I/O点切换功能

对用户而言，在使用PLC的过程中经常会遇到这样的苦恼，当内部光耦、继电器或晶体管遭遇损坏的时候，对应的输入/输出点将无法使用,解决的途径要么是重新修改繁杂的程序，要么是向厂家寻求帮助，这样不但繁琐，而且周期长，影响了用户正常的作业进度。

由信捷公司自主开发的新型PLC可以帮助用户轻松解决这一难题，终端用户只须在操作现场，利用文本显示器或者触摸屏进行简单修改，PLC便又可以照常使用了.操作简单快捷而有效。

8、本体加入PID控制功能

全新3。

0版本的XC系列PLC在本体部分加入了PID控制指令,并提供了自整定功能.用户可以通过自整定得到最佳的采样时间及PID参数值，从而提高控制精度。

9、中断功能

XC系列PLC具有中断功能，分为外部中断、定时中断、24段高速计数中断，通过中断可以处理一些特定的需要立即执行的程序,不受用户程序扫描周期影响。

10、丰富的扩展性能

XC系列本体可以通过外部扩展模块和BD板以适应更多场合的使用需要。

可扩展多达7个扩展模块,I/O点数可增至284点，模块的种类不受限制，可为输入输出扩展、可为模拟量处理、可为温度处理.可扩展1个BD板,直接安装在本体上，不占用多余空间，BD板一般用做模拟量和温度处理。

1.4模拟量输入输出模块（XC—E4AD2DA）

模块特点及规格：

XC-E4AD2DA模拟量输入输出模块（以下简称为XC-E4AD2DA）,将4路模拟输入数值转换成数字值，2路数字量转换成模拟量，并且把他们传输到PLC主单元。

模块特点：

●4通道模拟量输入:

可以选择电压输入和电流输入两种模式,其中电压输入0～5V、0～10V可选，电流输入0～20mA、4～20mA可选。

●2通道模拟量输出.

●可以选择14位的高精度模拟量输入。

●作为XC系列的特殊功能模块，最多可在PLC主单元右边连接7台XC-E4AD2DA模块.

●XC—E4AD2DA模块4通道A/D具有PID控制功能。

产品规格如表3-1：

项目

模拟量输入

模拟量输出

电压输入

电流输入

电压输出

电流输出

模拟量输入范围

0～5V,0～10V

0～20mA，4~20mA

-

最大输入范围

DC±

18V

0～40mA

0～5V，0～10V

0～20mA,4～20mA

—

模拟量输出范围

0～5V、0～10V，

（外部负载电阻2KΩ～1MΩ）

0～20mA、4~20mA

（外部负载电阻小于500Ω）

数字输入范围

12位二进制数（0~4095）

数字输出范围

14位二进制数（0～16383）

分辨率

1/16383（14Bit）；

转换数据以16进制形式存入PLC（14Bit）

1/4095（12Bit）；

转换数据以16进制形式存入PLC（12Bit）

PID输出值

0~K4095

综合精确度

0。

8％

转换速度

20ms/1通道

3ms/1通道

模拟量用电源

DC24V±

10％，100mA

安装方式

可用M3的螺丝固定或直接安装在DIN46277（宽35mm）的导轨上

表3-1模块规格

端子说明:

图3—2端子说明

端子信号：

通道

端子名

信号名

CH0

AI0

电流模拟量输入

VI0

电压模拟量输入

C0

CH0模拟量输入公共端

CH1

AI1

VI1

C1

CH1模拟量输入公共端

CH2

AI2

VI2

C2

CH2模拟量输入公共端

CH3

AI3

VI3

C3

CH3模拟量输入公共端

AO0

电流模拟量输出

VO0

电压模拟量输出

CH0模拟量输出公共端

AO1

VO1

CH１模拟量输出公共端

24V

+24V电源

0V

电源公共端

图3-3端子信号

2水泵选型

水泵有很多种，从原理上可以分为气压泵，离心泵，轴流泵，混流泵，螺旋泵等.气压泵是靠大气压提升水位。

凭借活塞的运动，制造出一个近似真空，外部大气压将水压上来。

这种泵液位依赖与大气压所以提升水的高度有限.离心泵的原理是离心现象，是依靠也叶轮叶片的转动产生离心的作用,将液体甩出。

所以,输送效果依赖叶轮的转速,直径等因素。

本课题将采用ISW系列卧式单级单吸离心泵如图3—4，该泵是在吸收国内外同类产品先进技术的基础上,采用国内通用离心泵之性能参数，自行研制开发的新一代节能、环保卧式离心泵。

该系列泵性能优、可靠性高、寿命长、结构合理、外形美观，具有行业领先水平.产品特点有:

运行平稳:

泵轴的绝对同心度及叶轮优异的动静平衡，保证平稳运行，绝无振动。

滴水不漏:

不同材质的硬质合金密封，保证了不同介质输送均无泄漏.

噪音低：

两个低噪音轴承支撑下的水泵，运转平稳，除电机微弱声响，基本无噪音。

故障率低:

结构简单合理，关键部分采用国际一流品质；

配套，整机无故障工作时间大大提高。

维修方便:

更换密封、轴承，简易方便。

占地更省：

出口可向左、向右、向上三个方向，便于管道布置安装，节省空间

本论文采用的是上海太平洋泵业的TPW100-160IA,流量为12。

5（m3/h）,扬程为32（m）,转速2900（r/min）配带功率3（kw）吸入口径50（mm），排出口径50（mm）。

3变频器选型

变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上.它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。

容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。

完善的保护功能：

变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压,功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。

这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

本课题采用海利普HLP—A系列变频器如图3-5

由于选用的是配