水塔水位自動控制裝置.doc

四 川 理 工 學 院說 明 書題 目：水塔水位自動控制裝置系 別：電子與信息工程系專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：教 研 室：電 子 教 研 室提交時間：20XX年6月8日摘 要本控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、PLC模塊、數(shù)碼顯示模塊、報警模塊和電機控制模塊五部分組成。其中傳感器模塊將檢測到的水位信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入PLC模塊進行分析處理后，輸出信號去控制數(shù)碼顯示模塊、電機控制模塊和報警模塊裝置工作；而數(shù)碼顯示模塊部分由CD7448和LED數(shù)碼管構(gòu)成，完成當前水位的數(shù)碼顯示；報警模塊是由基于555組成的音頻多諧振蕩器和揚聲器構(gòu)成，完成水位不正常時候的報警功能；電機控制部分直接受PLC輸出的作用而實現(xiàn)對水塔水位的控制。本設(shè)計的第一章提出并論證了設(shè)計方案，第二、三、四章為系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)鍵詞： 水塔水位，傳感器，PLC，CD7448ABSTRACTThe automatic control system is mainly posed of sensors modules, PLC modules, digital modules show, warning module and electrical control module five parts. The sensor module will be tested to the water level signals into volet signal processing analysis into PLC module, export control digital show module, electrical control module and warning module; And digital modules shown in part by CD7448 digital led control and a plete digital shows the current water level; warning module based on the position of the 555 audio loudspeakers and a multi-standard oscillator, the normal time to plete the warning water level is not functional. Electrical parts directly affected by the Plc control and the role of export controls to achieve water levels in cooling towers. The first chapter of this thesis the design of the proposed design and verification programme, two, three, four chapters for system design.KEY WORDS: Water tower water level, sensors, PLC,CD7448，555目 錄前 言大多直接采用繼電器控制生產(chǎn)設(shè)備，這樣的系統(tǒng)設(shè)計花費的時間不但很多，而且系統(tǒng)的維護和變更都很不方便。而在社會發(fā)展的今天，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復雜，功能越來隨著科學的不斷發(fā)展，社會在不斷進步，人們的生活水平也在不斷提高。從遠古的石器時代到上個世紀的機械時代，經(jīng)歷了無數(shù)的風吹雨打。而在二十一世紀的今天，社會生產(chǎn)也正由標志性的機械化設(shè)備向程控設(shè)備過度。由于程控技術(shù)在處理和傳輸信息方面的各種優(yōu)點，使程控技術(shù)的使用已滲透到人類生活的各個領(lǐng)域。因此，如何對程控系統(tǒng)設(shè)計也便成為自動控制系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域研究的熱點課題。 現(xiàn)代的控制系統(tǒng)設(shè)計越來越趨近于自動化、智能化。所以，用繼電器來研究設(shè)計系統(tǒng)，很難滿足于生產(chǎn)的要求。因此，我們需要找到新的設(shè)計方法來進行控制系統(tǒng)設(shè)計，以提高控制系統(tǒng)的設(shè)計效率。可編程序控制器（Programmable Controller,PC or PLC）的出現(xiàn)滿足了人們對現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計的要求。PLC隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，現(xiàn)代可編程序控制器實際上是以微處理器為基礎(chǔ)的、高度集成化的新型工業(yè)控制裝置，是計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。本文詳細介紹了基于PLC的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。利用基于PLC的系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計者只需對系統(tǒng)功能進行描述，就可在PLC的幫助下完成系統(tǒng)設(shè)計。這樣大幅度度地縮短了設(shè)計和開發(fā)時間，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。在本文的第三章詳細的介紹了基于PLC的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計實利水塔水位自動控制系統(tǒng)。在設(shè)計中我們可以看到，在整個系統(tǒng)的功能設(shè)計中，設(shè)計者只需對相應PLC程序進行設(shè)計，PLC輸出端口所輸出的信號直接送至接觸器或者相應放大、譯碼環(huán)節(jié)進行控制系統(tǒng)的設(shè)備動作。這種設(shè)計方法在很大程度上簡化了設(shè)計工作，大大提高了設(shè)計效率。高速發(fā)展的可編程邏輯器件為自動控制技術(shù)的不斷進步奠定了堅實的物理基礎(chǔ)。以大規(guī)?？删幊绦蚩刂破魑镔|(zhì)基礎(chǔ)的自動控制技術(shù)打破了軟硬件之間的界限，使硬件系統(tǒng)軟件化，這已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展主流。第1章 方案論證與總體設(shè)計11 的設(shè)計思路對本設(shè)計的主要思路如圖1-1所示，水塔裝置傳感器裝置控 制 裝 置控 制 電 機顯示設(shè)備報警設(shè)備圖1-1 基本設(shè)計思想系統(tǒng)基本設(shè)計思想是：由傳感器檢測出水塔系統(tǒng)水位高度h，送入控制裝置中進行信號處理，結(jié)果分別送至電機控制設(shè)備、顯示設(shè)備和報警設(shè)備，并控制其工作。1. 2 基本框圖的設(shè)計方案與論證1、系統(tǒng)檢測裝置的設(shè)計方案：方案一：如圖1-2 所示，該系統(tǒng)是傳統(tǒng)的浮子開關(guān)式水位檢測控制原理示意圖。當Q2輸出使水位h下降時，水面浮子隨水位下降，帶動轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動。同時使連在轉(zhuǎn)軸上的閥門打開Q1向水池中補水。當水位h上升至某一高度時，浮子也隨著上升并推動轉(zhuǎn)軸向逆時針轉(zhuǎn)動使閥門關(guān)閉，Q1停止供水。但是這種浮子式控制系統(tǒng)采用機械結(jié)構(gòu)，維護起來不方便，而且也難于實現(xiàn)顯示和報警的控制。故這里不宜采用這種控制方式來對所給出的任務(wù)進行設(shè)計。方案二：根據(jù)題目要求可以用壓阻式傳感器，也可以用超聲波傳感器來實現(xiàn)對當前水位的檢測。超聲波傳感器是一種正在發(fā)展中的新型技術(shù)，其運用條件還不成熟。超聲波傳感器的入射角、折射角和反射角的參數(shù)難以計算，價格也較為昂貴，所以我們這里不選用其作為系統(tǒng)的檢測裝置。壓阻式傳感器主要是利用水壓來檢測當前水位高度h，它的主要功能是將檢測到的水位信號h轉(zhuǎn)換成電壓信號。在價格與性能上比較適合我們的設(shè)計要求，所以我們在本設(shè)計中采用這種類型的傳感器作為水塔系統(tǒng)的水位檢測裝置。2、系統(tǒng)控制裝置的設(shè)計方案：方案一：使用一般集成電路實現(xiàn)系統(tǒng)的控制過程。利用專用的數(shù)據(jù)比較集成電路實現(xiàn)對傳感器輸出的電壓信號與現(xiàn)行值的比較處理，一部分實現(xiàn)對電機的控制，另一部分將比較結(jié)果按照一定的比例完成對電壓信號到水位高度h的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對當前水位的數(shù)碼監(jiān)視。但這種控制方式的可靠性與靈活性比較低，具體電路實現(xiàn)起來也比較困難。故不能采用這種控制方式來實現(xiàn)本設(shè)計的要求。方案二：基于可編程序控制器PLC的水位自動控制裝置，如圖1-3所示。圖1-3 基于PLC的水塔水位自動控制裝置框圖該系統(tǒng)由傳感器模塊、PLC模塊、數(shù)碼顯示模塊、音頻報警模塊和電機控制模塊五部分組成?？刂蒲b置功能主要在上圖中的PLC模塊中實現(xiàn)。PLC模塊主要由擴展接口和基本單元兩部分組成，由傳感器輸出的電壓信號由擴展接口進行A/D轉(zhuǎn)換后送入基本單元進行數(shù)據(jù)還原和數(shù)據(jù)比較處理，分別輸出控制數(shù)碼顯示模塊、控制電機模塊和報警模塊，使其工作而完成設(shè)計要求。本設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，工作可靠，性價比優(yōu)良。因而，我們采用此方案對水位系統(tǒng)進行設(shè)計。該系統(tǒng)在滿足了水位自動控制的同時，實現(xiàn)了水塔水位的智能化。在后面的章節(jié)中，我們將對以上各個模塊分別在以后章節(jié)進行逐一介紹。第2章 傳感器與測量技術(shù)2.1 傳感器的定義與組成傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。組成框圖見圖2-1。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路圖2-1 傳感器的組成框圖敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入摶換成電路參量。轉(zhuǎn)換電路：一般是指能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換的電路選擇要視傳感元件的類型而定，常用的電路有弱信號放大器、電橋、振蕩器、阻抗變換器等。2.2 壓阻式傳感器固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應。2.2.1 基本工作原理 根據(jù)式 （2-1） 式中，項，對金屬材料，其值很小，可以忽略不計，對半導體材料，項很大，半導體電阻率的變化為 (22)式中為沿某晶向的壓阻系數(shù)，為應力，為半導體材料的彈性模量。如半導體硅材料， , ，則，此例表明，半導體材料的靈敏系數(shù)比金屬應變片靈敏系數(shù) (12)大很多?？山普J為。 當硅膜比較薄時，可以略去沿硅膜厚度方向應力，三維向量就簡化成了一個二維向量，任何一個膜上的電阻在應力作用下的電阻相對變化為：(23)式中縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)縱向應力 橫向應力2.2.2 溫度誤差及其補償 因為半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。壓阻式傳感器的電阻值及靈敏系數(shù)隨溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移。 壓阻式傳感器一般擴散四個電阻，并接入電橋。當四個擴散電阻阻值相等或相差不大，溫度系數(shù)也一樣，則電橋零漂和靈敏度漂移會很小，但工藝上很難實現(xiàn)。電橋的電源回路中串聯(lián)的二極管是補償靈敏度溫漂的。二極管的PN結(jié)壓降為負溫度特性，溫度每升高1，正向壓降減小1.92.4mV。若電源采用恒壓源，電橋電壓隨溫度升高而提高，以補償靈敏度下降。所串聯(lián)二極管數(shù)，依實測結(jié)果而定。2.2.4 MPM426W型投入式液位變送器 如圖2.3所示，MPM426W型投入式液位變送器是麥克公司的物位測量產(chǎn)品。它通過壓阻式壓力傳感器，把與液位深度成正比的液體靜壓力準確測量出來，并經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化成標準電流(或電壓)信號輸出，建立起輸出電信號與液體深度的線性對應關(guān)系，實現(xiàn)對液體深度的測量。 MPM426W為一體化結(jié)構(gòu)，傳感器與放大電路均在不銹鋼全密封殼體內(nèi)，無需外部調(diào)校。傳感器其他性能指標見附錄二。MPM426W用途該產(chǎn)品由高性能擴散硅壓阻式壓力傳感器作為測量元件、精度高、體積小、使用方便，直接投入水中，可以測量出變送器末端到液面的液位高度。在本設(shè)計中，我們選用MPM426W010mO12F22Yi 其中 MPM426W：表示生產(chǎn)的傳感器的系列型號； 010mO：表示傳感器測量水位的量程為010m ； 12 ：表示電纜線的長度； F ：表示輸出電壓為15VDC； 22 ：表示結(jié)構(gòu)材料，其隔離膜片為316L不銹鋼，接口為不銹鋼，殼體為不銹鋼； Y 、i、：表示附加功能的代號：Y表示接線盒，i本安防爆型iaCT6, 表示M201.5外螺紋接口； 通過以上數(shù)據(jù)可以計算出傳感器在各個參考水位時輸出的電壓：當水位為下限水位2m時，傳感器輸出電壓=1.8V；當水位為上限水位6m時，輸出電壓為3.4V；當水位為警告水位1m時，輸出電壓為1.4V；當水位為警告水位7m時，輸出電壓為3.8V。第3章 水塔水位的PLC控制及數(shù)碼顯示部分設(shè)計3.1 PLC可編程序控制器的概述1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品: (1) 施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momen tum等產(chǎn)品;(2) 羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品;(3) 西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品; (4) GE公司的產(chǎn)品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品。 PLC具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因。 3.1.1 PLC的分類PLC在90年代已經(jīng)形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點數(shù)分，可分為: * 微型PLC: 32 I/O* 小型PLC: 256 I/O * 中型PLC: 1024 I/O * 大型PLC: 4096 I/O * 巨型PLC: 8195 I/O 3.1.2 PLC的功能描述為了完成控制策略，為了替代繼電器，使用戶等完成類似繼電器線路的控制系統(tǒng)梯形圖，而編制了一套控制算法功能塊(或子程序)，稱為指令系統(tǒng)，固化在存貯器ROM中，用戶在編制應用程序時可以調(diào)用。指令系統(tǒng)大致可以分為兩類，即基本指令和擴展指令。細分一般PLC的指令系統(tǒng)有:基本指令、定時器/計數(shù)器指令、移位指令、傳送指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、BCD運算指令、二進制運算指令、增量/減量指令、邏輯運算指令、特殊運算指令等，這些指令多是類似匯編語言。另外PLC還提供了充足的計時器、計數(shù)器、內(nèi)部繼電器、寄存器及存貯區(qū)等內(nèi)部資源，為編程帶來極大方便。 3.2 三菱F1系列PLC的型號及可靠性設(shè)計3.2.1 F1系列PLC的型號 F1系列PLC的基本單元和擴展單元的型號，由字母和數(shù)字組成，形式如下：312F1 其中：F1為三菱公司PLC系列型號 表示輸入和輸出的總點數(shù)； 表示本單元的種類：M基本單元，E擴展單元； 表示輸出方式：R繼電器輸出，T晶體管輸出，S可控硅輸出。 例如 F140MR表示是F1系列PLC的基本單元，I/O總點數(shù)為40點，采用繼電器輸出方式。F120ER表示是F1系列的PLC擴展單元，I/O總點數(shù)為20點，采用繼電器輸出方式。F1系列PLC的CPU為8039單片機，F(xiàn)1系列的最大I/O點數(shù)為120點，指令的平均執(zhí)行時間為12us，用戶程序存儲容量為1000步。其主要技術(shù)性能指標有硬件指標和軟件指標，見附錄三各表中列出。3.2.2 可編程控制器的可靠性設(shè)計1、 輸入輸出配線輸入端或輸出端接有感性元件時，應在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管（對于直流電路）或阻容電路（對于交流電路），以抑制電路斷開時產(chǎn)生電弧對PLC的影響。當接近開關(guān)、光電開關(guān)這一類兩線式傳感器的漏電流較大時可能出現(xiàn)錯誤的輸入信號?？梢栽谳斎攵瞬⒙?lián)旁路電阻，以減小輸入電阻。旁路電阻的阻值R由下式確定： R（/）I/R+（/）式中：I為傳感器漏電流，、分別是PLC的額定輸入電壓和額定電流，是PLC輸入電壓低電平上限值。2、系統(tǒng)接地設(shè)計在實際控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾、使系統(tǒng)可靠工作的主要方法。在設(shè)計中如能把接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可以解決大部分干擾問題。接地設(shè)計有兩個基本目的：消除各路電流流經(jīng)公共地線阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓，避免磁場與電位差的影響，使其不形成環(huán)路。如果接地方式不好就會形成環(huán)路，造成噪聲偶合。理想的情況是一個系統(tǒng)的所以接地點與大地之間阻抗為零，但這是難以做到的。在實際接地中總存在在連接阻抗和分散電容，所以如果地線不佳或者接地點不當，都會影響接地質(zhì)量。為保證接地質(zhì)量，在一般接地過程中要求：接地電阻一般小于4；要保證足夠的機械強度；要具有耐腐蝕及防腐處理；在整個工廠中，可編程控制器組成的控制系統(tǒng)要單獨設(shè)計接地。3.2.4 模擬量輸入、輸出功能指令在未具體介紹模擬量輸入、輸出功能之前，先介紹模擬控制單元F26AE的技術(shù)特性及擴展配置方案。1、 模擬控制單元F26AE的技術(shù)特性與擴展連接F26AE模擬量單元是F1、F2系列的外接擴展單元。他有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，并且不占用基本單元的I/O點數(shù)，它的技術(shù)特性見表3-1所示表3-1 模擬控制單元F26AE的技術(shù)特性類別模擬輸入模擬輸出信號類別輸入電壓：DC05V（內(nèi)阻200k）輸入電壓：DC05V輸入電流：DC020mA（內(nèi)阻25）輸入電流：0200mA（內(nèi)阻250）輸出電壓：DC05V DC010V外部回路電阻：5001M輸出電流：DC020mA DC420mA外部回路電阻：0500通道4路通道，各通道可任選輸入類型2路通道，各通道可任選輸出類型數(shù)據(jù)形式8位二進制數(shù)被送到PLC后，即被處理為0255的3位BCD碼通過PLC可以把0255的3位BCD碼固定值轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制值隔離方式光電隔離光電隔離精度電壓輸入：5（5/255）V電流輸入：5（5/255）mA電壓輸出：120mV電流輸出：0.24 mA轉(zhuǎn)換速度電壓輸入：500us/CH電流輸入：500us/CH電壓輸出：300us/CH 電流輸出：300us/CH4通道的模擬量輸入和2通道的模擬量輸出有不同的狀態(tài)方式，可以根據(jù)需要來設(shè)定。在連接各個模擬量輸入、輸出通道時，均可選用I/O電壓狀態(tài)方式和I/O電流狀態(tài)方式。就某一通道而言，可允許許多信號輸入到該點，但是只能采用固定的一種狀態(tài)方式，即I/O電壓狀態(tài)方式或I/O電流狀態(tài)方式。在F26AE模擬量單元中模擬信號和數(shù)字信號之間采用了光電耦合器加以隔離，而在模擬信號的各個通道之間是沒有隔離的。F1系列PLC允許擴展F26AE的連接方式如圖3.1所示。 圖 3.1 模擬量單元的允許配置2、 模擬量輸入模塊的主要技術(shù)性能模擬量轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字量時會發(fā)生量化誤差，存在著分辨率問題。顯然，誤差的大小取決于轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)，所以分辨率通常用二進制數(shù)字量的位數(shù)表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率為8位，表示它可以對滿量程的1/=1/256的增量作出反應，分辨率為12位，表示它對滿量程的1/=1/4096的增量作出反應。所以，又可用二進制數(shù)字量最低位具有的權(quán)值來表示分辨率。如8位、10位、12位等的分辨率又可表示為1/256、1/1024、1/4096。例:本文所測試的水位信號，傳感器測量范圍為110m，經(jīng)壓阻式壓力傳感器將其變換成一個電壓信號，相應變化范圍為15V，連接到三個不同的模擬量輸入模塊的接線端。若這三個模塊采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)分別為8位、10位、12位，它們的溫度、電壓分辨率分別為多少？解：溫度、電壓、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如下表：水位(米)電壓（V DC）數(shù)據(jù)（8位）數(shù)據(jù)（10位）數(shù)據(jù)（12位）1101502550102304095當采用8位的模擬量輸入模塊進行A/D轉(zhuǎn)換時： 水位分辨率=（10-1）/255 =0.035（m） 電壓分辨率=（5-1）/255 =0.0157（V）=15.7（mV）當采用10位模擬量輸入模塊進行A/D轉(zhuǎn)換時： 水位分辨率=（10-1）/1023 =0.009（m） 電壓分辨率=（5-1）/1023 =0.0039（V）=3.9（mV）當采用12位模擬量輸入模塊進行A/D轉(zhuǎn)換時：水位分辨率=（10-1）/4095 =0.002（m） 電壓分辨率=（5-1）/4095 =0.98（mV）可見，以上器件的測量誤差較小。因此，用F1系列的PLC已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)控制的需要。3、 模擬量輸入、輸出功能指令 F670 K85：該指令的功能是從模擬量單元中讀取數(shù)據(jù)，其用法如圖3.2所示。其中F671 K后用于設(shè)定模擬量輸入通道，圖3.2中412分別為：“4”表示接主機400號擴展口，“1”表示A/D轉(zhuǎn)換，“2”表示第2號模入通道；F672 K后用于設(shè)定存A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字的數(shù)據(jù)寄存器號。當該指令執(zhí)行時，連接到基本單元400號擴展口的模擬量單元的第2號通道的模擬量輸入信號在模擬量單元內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成8位二進制數(shù)，而后利用這條指令把它轉(zhuǎn)換成0255的BCD碼數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)寄存器D730中。 當模擬量單元的通道號設(shè)定錯誤，或者數(shù)據(jù)寄存器設(shè)定不正確，該指令則不被執(zhí)行，并且接錯誤標志位M570。 F670 K86：該指令用于數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到模擬量單元，其用法如圖3.3所示。圖3.3中，F(xiàn)671 K后用于設(shè)定數(shù)據(jù)寄存器號，F(xiàn)672 K后用于設(shè)定模擬量輸出通道。圖3.3中400分別表示：“4”為接主機400號擴展口，中間一個“0”表示D/A轉(zhuǎn)換，后一個“0”表示第0號輸出通道；當該指令執(zhí)行時，數(shù)據(jù)執(zhí)行時，數(shù)據(jù)寄存器D700中的內(nèi)容被轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)值傳送到模擬量單元，而后模擬量單元內(nèi)轉(zhuǎn)換成模擬量通過第0號通道輸出。當D700中的數(shù)值超過255時，均當作255處理，并將其轉(zhuǎn)換成模擬量值輸出；如果模擬輸出通道設(shè)定錯誤，則該指令不執(zhí)行。 圖3.2 模擬量輸入梯形圖 圖3.3 模擬量輸出梯形圖程序：程序：LD M200LD M200 OUT F671OUT F671 K 412K 700 OUT F672OUT F672 K 730K 400 OUT F670OUT F670 K 85K 863.3 水塔水位的PLC電氣設(shè)計原理3.3.1 水位自動控制裝置的技術(shù)指標及設(shè)計要求：（1） 水位自動控制在一定范圍內(nèi)（如2 6米），當水位低至2米時使電機M1啟動，帶動水泵上水；當水位升至6米時，使電機M1停轉(zhuǎn)。（2） 因特殊情況水位超限（如高至7米、低至1米）報警器報警，并且當水位高于7m時，電機M3啟動并向水塔外抽水，水位降至6m時M3停轉(zhuǎn)；當水位低于1m時，電機M2啟動并帶動水泵向水塔內(nèi)補水，水位升至6m時，M2停轉(zhuǎn)。 （3） 設(shè)手動按鍵，便于隨機控制。 （4） 由數(shù)碼管直觀顯示當前水位。在上一章中，講述了傳感器的相關(guān)知識。在這里，我們選用傳感器的型號為MPM426W010mO12F22Yi的壓阻式壓力投入液位傳感器。它測量水的深度范圍是010米，輸出電壓為15V。這里，我們就將傳感器輸出的電壓信號傳送至PLC的模擬控制單元F26AE的第2號模入通道進行A/D轉(zhuǎn)換，送入型號為F140MRES的PLC進行數(shù)據(jù)的比較和處理，使其輸出實現(xiàn)對水泵的自動控制和水塔水位的監(jiān)視。3.3.2 水塔水位的PLC系統(tǒng)設(shè)計如圖3.4所示電路，由傳感器檢測到的水位經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號傳送至PLC的模擬控制單元F26AE的第2號模入通道進行A/D轉(zhuǎn)換，送入型號為F140MRES 的PLC的400通道，進入PLC進行數(shù)據(jù)比較、轉(zhuǎn)換由Y430輸出接KM1繼電器后，控制水泵M1抽水工作；Y431輸出接繼電器KM2，控制水泵M2進行補水工作；Y432輸出接繼電器KM3，控制水泵M3出水工作；Y433輸出至繼電器KM4，控制風鳴器報警工作。而同時Y434Y537輸出三個BCD代碼至3個7448譯碼器進行譯碼輸出，譯碼輸出至數(shù)碼管顯示。BCD譯碼顯示部分，后面章節(jié)將介紹。這里我們經(jīng)過計算得到了設(shè)計需要幾個參考點(水位h)到相應BCD值的轉(zhuǎn)換. 其中：1m 71.4； 2m 91.8；6m 173；7m 194。這樣,方便了我們對PLC的軟件編程。 圖 3.4 水塔水位的PLC控制系統(tǒng)下面寫出了PLC控制電路的梯形圖程序：程序一：模擬量的輸入和PLC對電機的控制：程序二：水位顯示部分 另外，PLC控制系統(tǒng)的指令代碼參見附錄一。3.3.3 水位控制的電機控制部分圖3.5即為 PLC輸出后對水泵控制的電氣連接圖。 圖 3.5 電機的電氣連接圖圖中QS為控制總開關(guān)，F(xiàn)U為過流保護；FR為過熱過載保護，保證電機的正常運行。接觸器KM1由PLC輸出口Y430輸出信號控制，通過KM1控制電機M1給水塔上水；接觸器KM2由PLC輸出口Y431輸出信號控制，通過KM2控制電機M2在特殊情況下（水位低于1米）時，給水塔補水；而接觸器KM3由PLC輸出口Y432輸出信號控制，通過KM3控制電機M3在特殊情況下（水位高于7米）時，從水塔內(nèi)往外抽水直到水位低至6米。通過對該電氣系統(tǒng)的控制，而完成對水塔水位的控制。3.4 數(shù)碼顯示部分3.4.1 七段字符顯示器為了能以十進制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七段字符顯示器，或稱做七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。常見的七段字符顯示器有半導體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。圖3.6是半導體數(shù)碼管BS201A的外形圖和等效電路圖。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,簡稱LED），因而也把它叫做LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。發(fā)光二極管使用的材料的普通的硅二極管和鍺二極管不同，有磷砷化鎵、磷化鎵、砷化鎵等幾種，而且半導體中的雜質(zhì)的濃度很高。當外加正向電壓時，大量電子和空穴在擴散過程中復合，其中一部分電子從導帶躍遷到價帶，把多余的能量以光的形式釋放出來，便發(fā)出一定波長的可見光。（a） (b) 圖 3.6 半導體數(shù)碼管BS201A（a）外形圖（b）等效電路琳砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出光線的波長與磷和砷的比例有關(guān)，含磷的比例越大波長越短，同時發(fā)光效率也隨之降低。目前生產(chǎn)的磷砷化鎵發(fā)光二極管（如BS201、BS211等）發(fā)出光線的波長在6500A左右，呈橙紅色。在BS201等一些數(shù)碼管中還在右下角處增設(shè)了一個小數(shù)點，形成了所謂八段數(shù)碼管，如圖3.6（a）所示。此外，由圖3.6（b）的等效電路可見，BS201A的八段發(fā)光二極管的陰極是做在一起的，屬于共陰極類型。為了增加使用的靈活性，同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都具有共陰極和共陽極兩種類型可選用。 半導體數(shù)碼管不僅具有工作電壓低、體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，而且響應時間短（一般不超過0.1us），亮度也比較高。它的缺點是工作電流比較大，每一段的工作電流在10mA左右。3.4.2 LED數(shù)碼管的驅(qū)動由前面圖3.4所示,講述了由可編程序控制器F140MRES處理后Y434Y457輸出端口送出的是BCD代碼，而經(jīng)過顯示譯碼器CD7448譯碼后即可得到顯示數(shù)碼管字符的驅(qū)動信號。最后由數(shù)碼管所顯示的數(shù)據(jù)即為本課程所要求得到的水塔水位值。半導體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用TTL或CMOS集成電路直接驅(qū)動。為此，就需要用顯示譯碼器將BCD代碼譯成數(shù)碼管所需要驅(qū)動的信號，以便使數(shù)碼管用十進制數(shù)字顯示出BCD代碼所表示的數(shù)值。用CD7448可以直接驅(qū)動共陰極的半導體數(shù)碼官。7448的內(nèi)部輸出電路是由NPN型三極管集電極輸出，在其集電極上接有2K的上拉電阻。當輸出管截止、輸出為高電平時，流過發(fā)光二極管的電流是由VCC經(jīng)2K上拉電阻提供的。當VCC=5V時，這個電流只有2mA左右。如果數(shù)碼管需要的電流大于這個數(shù)值時，則應在2K電阻上再并聯(lián)適當?shù)碾娮?。圖3.7給出了用7448驅(qū)動BS201A半導體數(shù)碼管的連接方法。圖中，CD7448的A0、A1、A2、A3為數(shù)據(jù)輸入端，可直接接PLC輸出端口Y434Y457送出的BCD代碼，在7448內(nèi)部進行邏輯處理，由YaYg輸出驅(qū)動半導體數(shù)碼管顯示。為等測試輸入端，當=0的信號輸入時，其輸出YaYg全部為高電平，被驅(qū)動數(shù)碼管的七段同時點亮，以檢查該數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光，平時應置為=1。 圖 3.7 用CD7448驅(qū)動BS201A的連接方法滅零輸入端，設(shè)置滅零輸入信號的目的是為了能把不希望顯示的零熄滅。例如有一個8位顯示的數(shù)碼顯示電路，整數(shù)部分為5位，小數(shù)部分為3位，在顯示13.7這個數(shù)時，將呈現(xiàn)00013.700字樣。如果將前、后多余的零熄滅，則顯示的結(jié)果更加醒目。 顯然，由以上3個（圖3.7）電路便可組成本文所要設(shè)計的水位自動控制裝置的數(shù)碼顯示部分。此電路可直觀清晰地顯示出水塔當前水位情況，以實現(xiàn)水塔水位的實時監(jiān)控而達到設(shè)計目的。第4章 音頻脈沖的形成及報警電路設(shè)計在數(shù)字電路或系統(tǒng)中，常常需要各種脈沖波形，例如時鐘脈沖、音頻脈沖、控制過程的定時信號等。這些脈沖波形的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生；另一種則是通過對已有信號進行變換，使之滿足系統(tǒng)的要求。這里，我們根據(jù)需要主要講述音頻信號的產(chǎn)生及對蜂鳴器的控制。555定時器是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應用。4.1 555構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號源。1. 電路組成及工作原理圖4.1 用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器2. 振蕩頻率的估算（1）電容充電時間T1。電容充電時，時間常數(shù)1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=，終了值vC（）=VCC，轉(zhuǎn)換值vC（T1）=，帶入RC過渡過程計算公式進行計算：（2） 電容放電時間T2電容放電時，時間常數(shù)2=R2C，起始值vC（0+）=，終了值vC（）=0，轉(zhuǎn)換值vC（T2）=，帶入RC過渡過程計算公式進行計算：（3）電路振蕩周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）電路振蕩頻率f （5）輸出波形占空比q定義：q =T1/T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比。 4.2 用555構(gòu)成的成的音頻報警電路圖4.2 是用555構(gòu)成的音頻振蕩電路，其多諧振蕩頻率是設(shè)定值為1020KHz，輸出推動揚聲器發(fā)音。由前面圖3.4中可見，當F140MRES型號的PLC輸出端口Y433輸出信號使接觸開關(guān)KM4得電接通時，開關(guān)閉合，555的復位端（4腳）電位升高至VCC， 多諧振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，由3腳輸出，經(jīng)電容C2耦合至揚聲器發(fā)出聲音報警。在KM4得電接通同時，電流經(jīng)R3至發(fā)光二極管LED發(fā)光報警。當接觸開關(guān)KM4失電開關(guān)斷開時，555多諧振蕩器的復位端（4腳）復位多諧振蕩停止工作，揚聲器停止發(fā)生報警。同時因555的復位端（4腳）復位，發(fā)光二極管LED無電流通過而熄滅。圖4.2 用555構(gòu)成的音頻振蕩器電路到這里，整個水位控制系統(tǒng)的理論設(shè)計工作已經(jīng)基本完成。從開始的傳感器測量水位的高度，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由PLC處理后到控制電機的運行、數(shù)碼管的水位顯示及其這里的報警驅(qū)動裝置。整個系統(tǒng)的設(shè)計流程中，我學會了設(shè)計的一些基本的設(shè)計理念和基本設(shè)計步驟及設(shè)計方法。對所學專業(yè)得到了更進一步的認識，知識面有了更豐富的拓展?？傠娐穲D呢？！結(jié) 束 語通過此次，我對基于PLC的自動控制技術(shù)的基本知識、低壓電氣設(shè)備控制技術(shù)、傳感器以及模擬和數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)知識都有了進一步的了解。尤其第三、四章的實例設(shè)計過程使我受益匪淺，首先掌握了利用PLC對自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，熟悉了程序化的系統(tǒng)功能設(shè)計概念；然后鞏固了脈沖的產(chǎn)生及整形的相關(guān)知識。在其中，我學到了解決問題的方法，鍛煉了我解決問題的能力。現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的功能越來越完善化，對系統(tǒng)性能的要求也越來越高，而傳統(tǒng)的繼電器控制設(shè)計系統(tǒng)特點是速度慢、運作和維護都很不方便，設(shè)計花費的時間較多，因而，此傳統(tǒng)的設(shè)計方案已經(jīng)無法適應現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求了?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)需要一種全新的設(shè)計方法來適應現(xiàn)代控制理念的需求?？删幊炭刂破鱌LC的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計方法發(fā)生了革命性的變革。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計實際上是利用PLC程序，通過PLC處理后從其輸出端口輸出信號經(jīng)接口電路推動生產(chǎn)設(shè)備動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。因此利用PLC設(shè)計大大減輕了繼電器設(shè)計的工作量和難度，從而有效地增強了設(shè)計的靈活性，提高了工作效率。同時基于PLC的系統(tǒng)設(shè)計減少了繼電器的數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的體積，降低能源消耗，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。伴隨著可編程序控制器PLC的發(fā)展，相關(guān)自動控制技術(shù)問題不斷得到解決，PLC技術(shù)在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中起著越來越重要的作用。致 謝在整個的過程中，我得到了陶雪容老師的許多幫助，同時對我設(shè)計的提出了很多關(guān)鍵性的指導。在此，我向她表示衷心的感謝。伴隨著的結(jié)束，我的大學生活也即將結(jié)束。在此，我還要感謝母校四年來的培養(yǎng)，感謝辛勤培育我的老師們，感謝四川理工學院給了我這個學習和鍛煉的平臺，讓我變得更加的成熟和理智。參 考 文 獻（這部分格式錯誤，參見模板）1 實用電子電路設(shè)計制作300例. 劉修文.中國電力出版社,20XX2 電子電路設(shè)計與實踐. 姚福安.山東科技出版社,20XX3 自動控制原理. 晁勤、傅成華、王軍、陳華.重慶大學出版社，20XX4 可編程序控制器 . 黃明琪、馮濟纓、王福平.重慶大學出版社，20XX 5 現(xiàn)代低壓電器及其控制技術(shù). 倪遠平.重慶大學出版社，20XX6 傳感器與檢測技術(shù). 陳杰、黃鴻.高等教育出版社 ，20XX7 電氣控制工程實踐技術(shù). 付家才. 化學工業(yè)出版社教材出版中心，20XX 8 電氣控制與可編程控制器技術(shù). 史國生. 化學工業(yè)出版社教材出版中心 ，20XX9 自動控制基礎(chǔ)與控制儀表. 李學琪、賈峰. 中國計量出版社，20XX10可編程控制器教程. 劉雪雪. 高等教育出版社，20XX11新編555集成電路應用800例. 陳永甫. 電子工業(yè)出版社，2000附錄一：PLC指令代碼1、傳感器輸出電壓輸入PLC、對供水系統(tǒng)的控制部分程序： LD M100OUT T650K 1LDI T650OUT M100 產(chǎn)生采樣頻率LD M100OUT F671K 412 模擬量從主機400號擴展口2號模入通道輸入，OUT F672 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后， K 700 放入數(shù)據(jù)寄存器D700中。OUT F670 K 85 執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換 LD M100OUT F671 對存放在數(shù)據(jù)寄存器K 700 D700中的現(xiàn)行數(shù)據(jù)與OUT F672K 91.8 設(shè)定數(shù)據(jù)下限值A(chǔ)91.8（2米）、OUT F673K 173 上限值B173（6米） OUT F670 進行比較K 43LD M571若現(xiàn)行值大于B（6米），則M571接通，OUT M101輔助繼電器M101接通LD M573若現(xiàn)行值低于下限值A(chǔ)（2米），則M573接通OUT M102輔助繼電器M102接通LD M101OUT F671對存放在數(shù)據(jù)寄存器K 700 D700中的現(xiàn)行數(shù)據(jù)與OUT F672K 71.4 設(shè)定數(shù)據(jù)下限警戒值A(chǔ)71.4（1米）、OUT F673上限警戒值B194（7米）K 194OUT F670進行比較K 43LD M571 若現(xiàn)行值大于上限警戒值B（7米），則M571接通，OUT M103輔助繼電器M103接通LD M573若現(xiàn)行值小于下限警戒值A(chǔ)（1米），則M573接通OUT M104輔助繼電器M104接通LD M102 水位低于下限值（2米）時，Y430得電輸出（水泵1開始抽水）OR X400 X400為手動開啟按扭 OR Y430ANI M101 水位高于上限值（6米）時，Y430失電（水泵1停止抽水）ANI X401 X401接手動關(guān)閉按扭OUT Y430 LD M103 水位高于上限警告值（7米）或OR M104 低于下限警戒值（1米）時，OUT Y433 Y433輸出報警LD M103 水塔水位高于上限值（6米）且OR Y432 AND M101 高于上限警戒值（7米）時，OUT Y432 Y432輸出（水泵3開啟），且從水塔內(nèi)向外抽水LD M104 水塔水位低于下限警戒值（1米）時，OR Y431ANI M101 Y431輸出（水泵2開啟），給水塔補水直到OUT Y431 水塔水位高于上限值（6米）時，水泵2停止抽水。2、數(shù)據(jù)還原，提供顯示部分程序： LD M100 OUT F671 K 700將外部輸入存放在數(shù)據(jù)寄存器D700中的數(shù)據(jù) OUT F672 K 200傳送到輔助寄存器M200中去 OUT F670 K 37 執(zhí)行傳送指令 LD M100 OUT F671 K 200將輔助寄存器M200中存放的數(shù)據(jù) OUT F672 K 730傳送到數(shù)據(jù)寄存器D730中去 OUT F670 K 36執(zhí)行傳送指令 LD M100 OUT F671 K 730 將數(shù)據(jù)寄存器D730中的數(shù)據(jù) OUT F672 K 255除以255， OUT F673 K 731商存入D731中，余數(shù)放入D732， OUT F670 K 81執(zhí)行除法運算 OUT F671 K 731 將數(shù)據(jù)寄存器D731中的數(shù)據(jù) OUT F672 K 5 乘以5， OUT F673 K 733 存入D733中 OUT F670 K 77執(zhí)行乘法運算 OUT F671 K 732將數(shù)據(jù)寄存器D732中的余數(shù) OUT F672 K 5乘以5