基于PLC水塔水位控制的畢業(yè)設計

1、唐山工業(yè)職業(yè)技術學院 韓碩目 錄摘要.一 概論11.1 水塔水位控制系統(tǒng)11.2 PLC的特點1二 水塔水位控制系統(tǒng)PLC硬件設計22.1 水塔水位控制系統(tǒng)設計要求22.2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路32.3 I/O接口分配5三 水塔水位控制系統(tǒng)PLC軟件設計63.1 程序流程圖63.2 梯形圖程序設計及工作過程分析10四 水塔水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設計114.1 組態(tài)軟件概述114.2 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展114.3 組態(tài)軟件的功能特點發(fā)展方向124.4 建立WINCC組態(tài)畫面18五 總結(jié)19參考文獻20基于PLC水塔水位控制系統(tǒng)姓名：韓碩 班級：12機電14摘 要 隨著科技的發(fā)展，無論在日常生活中

2、，還是在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中，PLC具有廣泛的應用。PLC的一般特點：抗干擾能力強，可靠性極高、編程簡單方便、使用方便、維護方便、設計、施工、調(diào)試周期短、易于實現(xiàn)機電一體化。PLC總的發(fā)展趨勢是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強。本水塔水位控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，具備開啟和全部停止功能，這是一種PLC控制的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。應用此控制系統(tǒng)能顯著提高勞動效率，減少勞動強度。關鍵詞：高集成度 通信組網(wǎng) 水塔水位 PLC唐山工業(yè)職業(yè)技術學院 韓碩一 概述1.1 水塔水位控制系統(tǒng) 在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，經(jīng)常需要對水位進行控制，水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應用的供水系

3、統(tǒng),傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點,并且很不穩(wěn)定，而運用PLC自動控制原理利用水的導電性連續(xù)地全天候地測量水位的變化，把測量到的水位變化參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應的電信號，完成相應的水位顯示、故障報警信息顯示、實時曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適當?shù)奈恢?，保持水壓恒定從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。而且成本低，安裝方便，靈敏性好，從而達到了滿足企業(yè)或居民得到安全。水在人們正常生活和生產(chǎn)中始終如一的起著至關重要、無可取代的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產(chǎn)事故及損失，從而滿足及時、準確、安全、充足的供水成為人們對供水系統(tǒng)提出的新要求。如果仍然使用傳統(tǒng)的方式，不但

4、勞動強度大，工作效率低，并且安全性難以保障，由此運用PLC自動控制原理進行自動化控制系統(tǒng)的改造，從而實現(xiàn)安全、充足、自動化的供水，具有很高的實際應用價值，對人們的生產(chǎn)生活具有重大意義 本設計用S7-200（CPU 224）實現(xiàn) PLC對水塔水位的控制。通過PLC與外圍電路的配合，實現(xiàn)液位的分段指示，同時系統(tǒng)具有手動/自動兩種控制方式，在自動方式下控制系統(tǒng)可以根據(jù)需要將水位分為多段來設定，當水位為最低限時自動啟動水泵加水，當水位達到設定水位時，自動停止加水，此外系統(tǒng)還設有試驗功能。在水位沒有達到水位開關實際動作位置的情況下，可以通過試驗功能驗證系統(tǒng)投入自動后的工作狀態(tài)。1.2 PLC的特點PLC

5、具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣

6、，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。.二 水塔水位控制系統(tǒng)PLC硬件設計2.1 水塔水位控制系統(tǒng)設計要求水塔水位控制裝置如圖2-1所示： 圖2-1 水塔水位控制裝置圖水塔水位的工作方式當水池液位低于下限液位開關S1，S1此時為ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當4S以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關時，則系統(tǒng)發(fā)出報警，若系統(tǒng)正常，此時水池下限液位開關S4為OFF,表示水位高于下限水位。當水位液面高于上限水位，則S2為ON，電磁閥關閉。當水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開關S3為ON，水泵開始工作，向水塔供水，當S3為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水塔液面高于水塔上限水位時

7、，則水塔上限水位開關S4為OFF，水泵停止。當水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能啟動。2.2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路水塔水位控制系統(tǒng)主電路如圖2-2所示：圖2-2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路圖2.3 I/O接口分配 水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表。表2-1 水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表輸入輸出名稱地址描述名稱地址描述SHHI0.0水位高位DS1Q0.0水位高位指示燈SHI0.1水位較高位DS2Q0.1水位較高位指示燈SLI0.2水位較低位DS3Q0.2水位較低位指示燈SLLI0.3水位低位DS4Q0.3水位低位指示燈SETHHI0.4設定水位

8、高位DS5Q0.4自動指示燈SETHI0.5設定水位較高位DS6Q0.5手動指示燈SETLI0.6設定水位較低位KMQ0.6水泵控制MAI1.0手動/自動狀態(tài)MSI1.1手動啟泵MCI1.2手動停泵 水塔水位控制系統(tǒng)的I/O設備這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有6個開關量，開關量輸出觸點數(shù)有8個，輸入、輸出觸點數(shù)共有14個，只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此，可以對輸入、輸出點作出地址分配。 S7-200簡介S7200可編程控制器是德國西門子公司研制的一種新型可編程控制器。它工作可靠，功能強，存儲容量大，編程方便，輸出端可直接驅(qū)動2A的繼電器或接觸器的線圈，抗干擾能力強，成為當代

9、各種小型控制工程的理想控制器，本設計的PLC采用 S7-200。S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1）極高的可靠性 2）極豐富的指令集 3）易于掌握 4）便捷的操作 5）豐富的內(nèi)置集成功能 6）實時特性 7）強勁的通訊能力 8）豐富的擴展模塊 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測

10、，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。西門子S7系列可編程控制器分為S7-400、S7-300、S7-200三個系列，分別為S7系列的大、中、小型可編程控制器系統(tǒng)。S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號。 1）集成的24V電源 可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU 221和CPU222具有180mA 輸出。CPU224輸出280mA，CPU 226、CPU 226XM輸出400mA

11、 可用作負載電源2）高速脈沖輸出 具有2 路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHz，用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務。3）通信口 CPU 221、CPU222和CPU224具有1個RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2個RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。4）模擬電位器 CPU221/222有1個模擬電位器，CPU224/226/226XM有2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運行時的參數(shù)。如定時器、計數(shù)器的預置值，過程量的控制參數(shù)。5）中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升

12、沿作出響應。 6）EEPROM 存儲器模塊可作為修改與拷貝程序的快速工具，無需編程器并可進行輔助軟件歸檔工作。7）電池模塊 用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時器、計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存儲大約5 天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。8）不同的設備類型 CPU 221226 各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。9）數(shù)字量輸入/輸出點CPU 221具有6個輸入點和4個輸出點；CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點；CPU 224 具有14個輸入點和10個輸出點；CPU226/226XM 具有24個輸入點和16個輸出點。CP

13、U22X主機的輸入點為24V直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流（MOS型）兩種類型。 水塔水位控制系統(tǒng)PLC控制的電氣接線圖圖2-3系統(tǒng)的電氣連接圖 三 水塔水位控制系統(tǒng)PLC軟件設計3.1 程序流程圖水塔水位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖，根據(jù)設計要求，控制流程圖，如圖3-1所示： 圖3-1 水塔水位控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而

14、復始。3.2 梯形圖程序設計及工作過程分析梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯(lián)等術語和圖形符號，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程，絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖編程。梯形圖編程的一般規(guī)則有：（1）梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍

15、內(nèi)。（2）梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流;層次的改變也只能自上而下。（3）梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器為“1態(tài)”，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“O態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。（4）梯形圖中信息流程從

16、左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。（5）繼電器線圈在一個程序中不能重復使用:而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數(shù)不受限制。（6）PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設計梯形圖時，可以減少許多有約束關系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設計大大簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分

17、時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。 工作過程設水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4個液位指示燈全滅。當執(zhí)行程序時，掃描到水池為液位低于水池下限液位時，水閥打開，開始往水池里進水；如果進水超過4秒，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警，水池報警燈A2亮。若4秒之后水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈A1亮，此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵開始工作，向水塔供水；如果進水超過4秒，而水塔液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警，水塔報警燈A5亮。當水池的液位超過水池上

18、限液位時，水池上限指示燈A3亮，水閥就關閉。但是水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈A4亮，水泵繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限，水塔上限指示燈A6亮。但剛剛給水塔供水的時候，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，此時水塔液位已經(jīng)低于水池上限，水池上限指示燈A3滅。此次給水塔供水完成。 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖，如圖3-2所示：圖3-2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖（1）啟停程序：圖3-3 啟停程序梯形圖（2）水閥控制程序：圖3-4 水閥控制程序梯形圖（3）水池下限水位指示程序：圖3-5 水池下限水位指示程序梯形圖（4）水池

19、水位報警程序：圖3-6 水池水位報警程序梯形圖（5）水池水位上限指示程序：圖3-7 水池水位上限指示程序梯形圖（6）水泵啟?？刂瞥绦颍簣D3-8 水泵啟?？刂瞥绦蛱菪螆D（7）水塔水位下限指示程序：圖3-9 水塔水位下限指示程序梯形圖（8）水塔水位報警程序：圖3-10 水塔水位報警程序梯形圖（9）水塔水位上限指示程序：圖3-11 水塔水位上限指示程序梯形圖四 水塔水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設計4.1 組態(tài)軟件概述“組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系（簡稱DCS）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動化技術人員所熟知的。在工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢日趨明顯。這

20、些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：PC技術保持了較快的發(fā)展速度，各種相關技術已臻成熟；由PC構建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資豐富，軟件之間的互操作性強；基于PC的控制系統(tǒng)易于學習和使用，可以容易地得到技術方面的支持。在PC技術向工業(yè)控制領域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。對應于原有的HMI（人機

21、接口軟件，）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應用，開發(fā)時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I/O設備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內(nèi)容。4.2 組

22、態(tài)軟件在我國的發(fā)展組態(tài)軟件產(chǎn)品于80年代初出現(xiàn)，并在80年代末期進入我國。但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國的應用并不普及。究其原因，大致有以下幾點：（1）國內(nèi)用戶還缺乏對組態(tài)軟件的認識，項目中沒有組態(tài)軟件的預算，或?qū)幵竿度肴肆ξ锪︶槍唧w項目做長周期的繁冗的上位機的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟件； （2）在很長時間里，國內(nèi)用戶的軟件意識還不強，面對價格不菲的進口軟件（早期的組態(tài)軟件多為國外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購買正版。 （3）當時國內(nèi)的工業(yè)自動化和信息技術應用的水平還不高，組態(tài)軟件提供了對大規(guī)模應用、大量數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結(jié)果生成管理所需的數(shù)據(jù)，這些需求并未完全形成

23、。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應用的深入，在面臨規(guī)模更大、控制更復雜的控制系統(tǒng)時，人們逐漸意識到原有的上位機編程的開發(fā)方式。對項目來說是費時費力、得不償失的，同時，MIS（管理信息系統(tǒng)）和CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的大量應用，要求工業(yè)現(xiàn)場為企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、決策提供更詳細和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的各個環(huán)節(jié)。因此，在1995年以后，組態(tài)軟件在國內(nèi)的應用逐漸得到了普及。4.3 組態(tài)軟件的功能特點發(fā)展方向目前看到的所有組態(tài)軟件都能完成類似的功能：比如，幾乎所有運行于32位Windows平臺的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構，并且對工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設備、標簽量、畫面等）進行配置和編

24、輯；都提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動程序；都使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能，等等。但是，從技術上說，各種組態(tài)軟件提供實現(xiàn)這些功能的方法卻各不相同。從這些不同之處，以及PC技術發(fā)展的趨勢，可以看出組態(tài)軟件未來發(fā)展的方向。4.4 建立WINCC組態(tài)畫面 WINCC組態(tài)畫面打開WINCC組態(tài)軟件，新建單用戶項目，然后進入圖形編輯管理器，建立WINCC組態(tài)畫面，如圖4-1所示。圖4-1 WINCC組態(tài)畫面 畫面演示啟動仿真，運行WINCC組態(tài)畫面。點擊“啟動按鈕”，“水閥”動作，如圖4-2所示和圖4-3所示：圖4-2 啟動初始WINCC畫面圖4-3 啟動初始仿真畫面4秒后，若“水池低水位指示”信號未輸入，則“水池低

25、水位”報警燈報警，如圖4-4和4-5所示：圖4-4 水池報警WINCC畫面圖4-5 水池報警仿真畫面若“水池低水位”信號輸入，則報警不啟動，啟動“水泵”， 如圖4-6和4-7所示：圖4-6 水泵啟動WINCC畫面圖4-7 水泵啟動仿真畫面4秒后，若“水塔低水位指示”信號未輸入，則“水塔低水位”報警燈報警，如圖4-7和4-8所示：圖4-7 水塔報警WINCC畫面圖4-8 水塔報警仿真畫面若“水塔低水位”信號輸入，則報警不啟動，如圖4-9和4-10所示：圖4-9 水塔低水位WINCC畫面圖4-10 水塔報警仿真畫面若“水塔高水位指示”信號輸入，則關閉水泵，如圖4-11和4-12所示：圖4-11 水塔高水位WINCC畫面圖4-12 水塔高水位仿真畫面一段時間后，若“水池高水位指示”信號輸入，則關閉水閥，如圖4-13和4-14所示：圖4-13 水池高水位WINCC畫面圖4-14 水池高水位仿真畫至此，這次基于PLC控制系統(tǒng)的水塔水位控制任務圓滿完成。 五 結(jié)論大學三年，在畢業(yè)之際，要用我這三年所學的知識做出一個設計，來給予我這三年所學知識的一個肯定。我做的這個題目是有關PLC與組態(tài)軟