PLC水塔水位控制系統(tǒng)設計

1、緒 論一、課題的背景及研究的目的和意義現(xiàn)代傳感技術、電子技術、計算機技術、自動控制技術、信息處理技術的發(fā)展為自動控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來了日新月異的變化。在工業(yè)、國防、科研等諸多應用領域里，自動控制系統(tǒng)正發(fā)揮著越來越大的作用。一般住宅或大樓頂樓通常設置水塔儲存有一定的水量以提供充足的水壓供用戶使用，另外配備有地下水槽儲存自來水公司提供的水源，地下水槽中的水作為頂樓水塔的供水源頭。由于自動控制技術的發(fā)展，控制理論在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了顯著的應用。由于當前可編程控制器PLC和變頻技術已日趨成熟，因而利用PLC和變頻器進行水塔水位的控制，它可以避免人工操作或者機械裝置進行水塔水位控制出現(xiàn)的各種問題。PL

2、C和變頻器相結合的水塔水位控制方式與過去的人工或機械裝置水塔水位控制方式相比，其運行方式的經(jīng)濟性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無與倫比的優(yōu)勢，而且還具有顯著的節(jié)能高效的特點。通過PLC和變頻器結合的水塔水位控制系統(tǒng)具有不可替代的應用價值。構成自動控制系統(tǒng)核心的可編程控制器是在繼電器控制的基礎上逐漸發(fā)展起來的以微處理器為核心，集微電子技術、自動化技術、計算機技術、通信技術為一體，以工業(yè)自動化控制為目標的新型控制裝置，它具有功能強、可靠性高、操作靈活、編程簡單適合于工業(yè)環(huán)境等一系列優(yōu)點，目前可編程控制器已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通運輸?shù)阮I域得到廣泛應用，成為各行業(yè)通用的控制核心產(chǎn)品，

3、在工業(yè)控制領域中PLC控制技術將成為世界潮流。變頻調速是以變頻器向交流電動機供電，構成電機的調速系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓，固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率的交流電的變換器，是異步電動機變頻調速的控制裝置。在感應電機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，效率高。采用變頻器構成變頻電源進行電動機調速己得到廣泛應用，所以本文采用變頻器調節(jié)水泵轉速。PLC和變頻器都是以計算機技術為基礎的現(xiàn)代工業(yè)控制產(chǎn)品，將二者有機地結合起來，用PLC來控制變頻器，是當代工業(yè)控制中經(jīng)常使用的裝置，本設計用PLC的模擬量輸出模塊來控制變頻器。它具有高效、節(jié)能和高品質等供水優(yōu)點。本設計介紹

4、了PLC和變頻器在水位控制系統(tǒng)中的應用。在水塔水位控制系統(tǒng)中利用變頻器和PLC相結合使用的方式，在節(jié)能、恒水位控制等方面均有顯著的效果。二、畢業(yè)設計的主要工作本課題是以大樓頂樓的水箱為控制對象，采用PLC和變頻器相結合的控制方式，主要通過研究PLC來控制變頻器實現(xiàn)水塔水位的控制。PLC控制變頻器實現(xiàn)恒水位供水系統(tǒng)主要有可編程控制器、變頻器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，PLC根據(jù)壓力檢測值和給定值之間的偏差進行PID運算，運算結果輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節(jié)水泵轉速從而保持水塔水位的恒定。根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。全部工作為：硬件設備選型，估算所需

5、I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖，I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，使用相關軟件，設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改，最后用西門子WinCC flexible設計人機界面。第一章 可編程控制器及其變頻器可編程控制器（PLC）是計算機技術與繼電器邏輯控制相結合的一種新型控制器，它以微處理器為核心，是用做數(shù)字控制的專用計算機。近幾年來，在國內已得到迅速推廣普及。PLC正改變著工廠自動控制的面貌，對傳統(tǒng)的技術改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實際意義。美國國際電工委員會對PLC的定義如下：簡稱PLC (Programmable logic Controller)是指以

6、計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置，。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。1.1 PLC的發(fā)展歷程與趨勢1.1.1 PLC的發(fā)展歷程1.1.2 PLC的發(fā)展方向1.2 PLC的特點與基本結構及類型1.2.1 PLC的特點PLC采用電氣操作人員習慣的梯形圖編程，直觀明了。在程序開發(fā)方面速度快，修改和調試都很方便。PLC編程的重點是控制思想而非設計程序。已經(jīng)編好的PLC程序直觀清晰，有一定PLC基礎知識的人員可以很好的讀懂，在操作方面相當簡單。另外PLC的自診斷功能可使運行維護人員及時準確的了解故障原因以便于及時的維修。PLC具有較高的可靠性

7、，主要原因是在硬件和軟件方面都采取了嚴格的措施。在硬件方面選用優(yōu)質的原材料和器件，采取嚴格的制造工藝。在軟件方面，為了避免程序出錯導致的重大事故，在運行中的每次掃描都對程序進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)程序運行有錯則立即中止運行并發(fā)出報警信號。PLC是直接應用于工業(yè)環(huán)境的控制產(chǎn)品，在特殊的工業(yè)環(huán)境下（如溫度高，濕度大，強烈震蕩中）不需要采取其他措施就可以保證正常的工作。PLC基本功能包含邏輯運算、定時、計數(shù)、數(shù)值計算、數(shù)制轉換等，擴展功能具有A/D轉換、D/A轉換、PID控制、高速計數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制等。完善的功能使它的控制水平大大提高。隨著計算機網(wǎng)絡通信技術的高速發(fā)展，近年來工控網(wǎng)絡通信使得PLC網(wǎng)

8、絡通信技術得到了飛速的發(fā)展，目前基本的網(wǎng)絡形式為設備層網(wǎng)絡、控制層網(wǎng)絡和信息層網(wǎng)絡的三層網(wǎng)絡結構。1.2.2 PLC的基本結構PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但其結構則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展器接口和外部設備接口等幾個主要部分組成（如圖1-1）。1.主機主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU一般是由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路集成在一塊芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器單元、輸入/輸出接口電路連接。系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，由PLC制造廠家用CPU的指令系統(tǒng)編寫固

9、化在ROM中。用戶程序存儲器用來存放編程設備輸入的用戶程序。2輸入/輸出接口（I/O）I/O接口是PLC與被控設備連接的部件?，F(xiàn)場設備輸入給PLC各種控制信號通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接受和處理的信號，輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換為現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動被控設備執(zhí)行機構。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。3電源 電源部件將交流電源轉換為提供給CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所需要的直流電源，它的好壞直接關系到PLC功能的可靠性。目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電，用鋰電池作停電時的備用電源。圖1-1 可編程控

10、制器的基本結構4編程器編程器是PLC的一種主要的外部設備編程器。PLC的編程方式分為兩種，一種是手持編程器，用戶可用以輸入、檢查、修改、調試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。另一種是利用上位計算機中的專業(yè)編程軟件，它主要用于編寫較大型的程序。5輸入/輸出擴展單元I/O擴展接口用于連接擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）。6外部設備接口此接口可將編程器、打印機、等外部設備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。1.2.3 PLC的類型PLC的種類很多，其實現(xiàn)的功能、內存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC的分類沒有一個嚴格的統(tǒng)一標準，而是按照結構形式、I/O點數(shù)、實現(xiàn)的功能

11、進行大致的分類。1）按結構形式分類PLC按照硬件的結構形式可以分為整體式結構和模塊式結構。整體式結構：整體式結構的PLC把CPU、存儲器、輸入/輸出、外部設備接口和電源等集中安裝在同一機體內，這種結構的特點是：結構簡單、重量輕、體積小、價格低等優(yōu)點；輸入輸出路數(shù)固定，實現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，靈活性較低，適用于單體設備的開關量自動控制和機電一體化產(chǎn)品開發(fā)應用場合。模塊式結構：模塊式結構的PLC把CPU和I/O模塊等做成各自相對獨立的模塊，然后組裝在一個帶有電源單元的母板上，或者采用無母板的相互插接方式連接。模塊式PLC的特點是I/O點數(shù)多、模塊組合靈活、便于擴展，可構成具有不同控制規(guī)模和功能的

12、PLC，適用于復雜過程控制系統(tǒng)的應用場合。2）按I/O點數(shù)分類 超小型PLC：I/O點數(shù)一般小于64點，開關量I/O信號為主，功能以邏輯運算為主，并有定時和計數(shù)功能。結構緊湊，為整體式結構。用戶程序容量在2561K字。小型PLC：I/O點數(shù)一般為65128點，開關量I/O信號為主，控制功能簡單，用戶程序儲存器容量一般為1K4K，結構形式為整體式。中型PLC：I/O點數(shù)一般為129512點，兼有開關量和模擬量的I/O信號，控制功能較豐富，用戶程序儲存器容量為3.6K13K，多數(shù)采用模塊式結構。大型PLC：I/O點數(shù)一般為1000點以上，控制功能完善，用戶程序儲存器容量一般為13K以上，采用模塊式

13、結構。超大型PLC：I/O點數(shù)一般為896點以上，用戶程序儲存器容量一般為13K以上，采用模塊式結構，支持CPU單元。3）按實現(xiàn)的功能分類低檔機：具有邏輯運算、計時、計數(shù)、移位自診斷監(jiān)控等功能，還具有一定的算術、數(shù)據(jù)傳送和比較、通訊、遠程和模擬量處理功能。中檔機：除具有低檔機的功能外，還具有較強的算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉換、遠程、通訊、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機：除具有中檔機的功能外，還具有帶符號數(shù)的算術運算、矩陣運算。函數(shù)、表格、CRT顯示、打印機打印等功能。1.3 PLC的基本工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按

14、控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC工作時將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對應的位上，將運算的結果存放到輸出映像區(qū)對應的位上。PLC在執(zhí)行用戶程序時所需輸入繼電器和輸出繼電器的數(shù)據(jù)取自I/O映像區(qū)，而不是直接與外部設備發(fā)生關系。當處于停止工作模式時，PLC只進行內部處理和通信服務等內容。當處于運行工作模式時，PLC要進行內部處理、通信服務、輸入處理、程序處理、

15、輸出處理，然后按上述過程循環(huán)掃描工作，PLC工作流程如圖1-2所示。圖1-2 可編程控制器的工作流程PLC在工作中不僅執(zhí)行用戶程序，而且在每次的循環(huán)過程中，PLC還要完成內部的處理、通信服務等工作。PLC運行時，一次循環(huán)可分為5個階段：內部處理、通信服務、輸入處理、程序處理和輸出處理。PLC的這種周期性的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。1）內部處理階段在內部處理階段，PLC檢測CPU內部的硬件是否正常，將檢測定時器復位，以及其他內部工作。2）通信服務階段PLC同其他設備間通信，響應編程器輸入的命令。更新編程器顯示的內容。如果此時的PLC處于工作狀態(tài)則還要完成以下的三個階段的操作內容。3）輸入處理

16、階段輸入處理又被稱作為采樣，在PLC的存儲器中，專門設置了一片區(qū)間用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)。在此階段，PLC順序讀入所有端子的通斷狀態(tài)，并且把讀入的信息存在輸入映像區(qū)，輸入映像區(qū)的狀態(tài)被刷新。然后進入是程序處理階段，處理程序時輸入映像區(qū)隔離，在下一個掃描周期的輸入處理階段輸入信號才能被讀入。4）程序處理階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描先左后右、先上后下的原則，逐句掃描和執(zhí)行。如果遇到跳轉指令則根據(jù)跳轉條件在執(zhí)行程序跳轉位置。當程序涉及到輸入/輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器中讀取上一階段輸入處理時對應的輸入繼電器狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀取對應輸出繼電器狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算

17、結果存入有關元件寄存器中。5）輸出處理階段CPU將輸出映像區(qū)中的每位狀態(tài)傳送到輸出鎖存器，梯形圖中輸出繼電器線圈接通時，對應的輸出映像區(qū)中位的狀態(tài)為ON。信號經(jīng)輸出單元隔離和功率放大后，繼電器型輸出單元中對應的硬件繼電器線圈通電，其常開觸點閉合，外部負載開始工作。如果梯形圖中輸出繼電器線圈斷開，對的輸出映像區(qū)中的位為OFF狀態(tài)，在輸出處理階段之后，繼電器輸出單元中對應的硬件繼電器線圈斷電，常開觸點斷開，外部負載斷開。可編程序控制器對用戶程序進行串行循環(huán)掃描的工作分為三個階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖1-3所示。圖1-3 循環(huán)掃描工作原理1.4 PLC的應用系統(tǒng)設計1.4.

18、1 PLC的應用系統(tǒng)設計原則隨著PLC的控制功能不斷提高和完善，它在工業(yè)控制領域中的控制作用越來越大。PLC對工業(yè)環(huán)境的要求不高，特別是在較差和復雜的工業(yè)環(huán)境下還可以高效可靠的運行，PLC幾乎可以完成所有的工業(yè)控制。在設計PLC系統(tǒng)時一般要遵循一定的原則。1）滿足控制要求。最大限度地滿足被控對象的工藝要求是設計控制系統(tǒng)首要前提。2）安全可靠?？刂葡到y(tǒng)長期運行中是否安全、可靠、穩(wěn)定的運行是設計控制系統(tǒng)的重要原則。3）經(jīng)濟實用。在滿足控制要求的前提下，要注意降低系統(tǒng)成本，使得PLC控制系統(tǒng)達到簡單、經(jīng)濟、合理。4）適應發(fā)展。要考慮到功能的擴充，適當留有冗余量。1.4.2 PLC的應用系統(tǒng)設計步驟P

19、LC系統(tǒng)設計與調試流程圖如圖1-4所示。圖1-4 PLC系統(tǒng)的設計與調試流程圖1）熟悉被控對象的工藝過程，分析控制要求。2）確定I/O設備。3）PLC的硬件系統(tǒng)配置。4）分配I/O點。5）設計應用系統(tǒng)梯形圖程序。6）初步調試程序。7）聯(lián)機調試。8）編寫技術文件。1.5 變頻器變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。 異步電動機旋轉原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流互相作用產(chǎn)生的力矩。如果磁場以轉速順時針旋轉，轉子繞組產(chǎn)生切割磁力線，產(chǎn)生了轉子電流，通

20、電的轉子繞組相對磁場運動，產(chǎn)生電磁力。電磁力使轉子繞組以轉速旋轉，方向與磁場旋轉方向相同。產(chǎn)生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉子的轉速低于定子磁場的轉速，轉子轉速和磁場轉速之差稱為轉差：轉差與定子磁場轉速之比稱為轉差率：同步轉速由決定，式中為輸入電流的頻率；為旋轉磁場的極對數(shù)。因此可以得到轉子的轉速為 異步電動機調速由于異步電動機轉速為，所以它的調速方法有以下三種：1）改變磁極對數(shù)，稱為變極調速變極調速的主要優(yōu)點是設備簡單、操作方便、機械特性較硬、效率高、既適用于恒轉矩調速又適用于恒功率調速。缺點是次調速方法為有極調速，并且極數(shù)有限，只用于不需要平滑調速的場合。2）改

21、變轉差率,稱為變轉差率調速以改變轉差率為目的的調速方法有：定子調壓調速、轉子變電阻調速、電磁轉差離合器調速。調壓調速的優(yōu)點是調速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)時機械特性較硬，調速范圍較寬，缺點是低速時，轉差功率損耗較大，功率因數(shù)低，電流大，效率低。調壓調速既非恒功率調速也非恒轉矩調速，比較適合用于風機、泵類特性負載。轉子變電阻調速的優(yōu)點是設備和線路簡單，投資不高，但其機械特性較軟，調速范圍受到一定限制，低速時轉差功率損耗較大，效率低，經(jīng)濟效益差。電磁轉差離合器調速的優(yōu)點是控制簡單，運行可靠，能平滑調速，采用閉環(huán)控制后可擴大調速范圍，常常用在通風類或恒轉矩類負載，其缺點是低速時損耗大效率低。3）改變頻率，稱

22、為變頻調速當極對數(shù)和轉差率不變時，電動機轉子轉速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)的改變供電頻率，就可以連續(xù)平滑的調節(jié)電動機的轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍廣、調速平滑性能好、機械特性較硬的優(yōu)點，可以方便地實現(xiàn)恒轉矩或者是恒功率調速。1.5.3 變頻器的分類變頻調速是以變頻器向交流電動機供電，并且構成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換成為可以調節(jié)的電壓和可調頻率的交流電的變換器。是異步電動機變頻調速的控制裝置。1）按變頻器主電路結構形式分類按變頻器主電路的結構形式可分為交直交變頻器和交交變頻器。交直交變頻器首先通過整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電。再由逆變電路將直流電

23、逆變?yōu)轭l率和幅值均可變的交流電。交交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)。2）按變頻電源的性質分類按變頻電源的性質可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。對于交直交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。電壓型變頻器在電路中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，故而施加在負載上的電壓值基本不受負載的影響而保持恒定，類似電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。電流型變頻器與電壓型變頻器的不同之處在于電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，使施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負載的影響，其特性類似于

24、電流源，所以稱之為電流型變頻器。3）按VVVF調制技術分類變壓：Variable Voltage，簡稱為VV。變頻：Variable Frequency，簡稱為VF。交直交變頻器按VVVF調制技術可分為PAW和PWM兩種方式。PAW是把VV和VF分開完成的，稱為脈沖幅值調制方式，簡稱為PAW方式。PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調制方式，簡稱為PWM方式。1.5.4 變壓變頻協(xié)調控制進行電動機調速時，為保持電動機的磁通恒定，需要對電動機的電壓和頻率進行協(xié)調控制。異步電動機變壓變頻調速時，通常在基頻以下采用恒轉矩調速，基頻以上采用恒功率調速。1）基頻以下調速在一定調速范

25、圍內維持磁通恒定，在相同的轉矩相位角的條件下，如果能夠控制電機的電流恒定，就可以控制電機的轉矩為恒定，這就是恒轉矩控制，電機在速度變化的動態(tài)過程中，具有輸出恒定轉矩的能力。由于恒定控制能在一定調速范圍內近似維持磁通恒定，因此恒定控制屬于恒轉矩控制。恒定控制是異步電動機變頻調速的最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器輸出電壓，并使之二者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。恒定控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，突出優(yōu)點是可以進行電動機的開環(huán)速度控制。2）基頻以上調速當電動機的電壓隨著頻率的增加而升高時，若電動機的電壓已

26、經(jīng)達到電動機的額定電壓時，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動機的絕緣。為此，在電動機達到額定電壓后，即使頻率增加扔維持電動機電壓不變。這樣，電動機所能輸出的功率由電動機的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。在基頻以上調速時，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時的電動機調速屬于恒功率調速。1.5.5 變頻器的作用變頻調速能夠應用在大部分的電機拖動場合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的提升、下降和變速運動。變頻應用還可以大大地提高工藝的高效性，同時可以比原來的定速運行電動機更加地節(jié)能。變頻器主要有以下作用：1） 控制電動機的啟動電

27、流。2） 降低電力線路的電壓波動。3） 啟動時需要的功率更低。4） 可控的加速功能。5） 可調的運行速度。6） 可調的轉矩極限。7） 受控的停止方式。8） 節(jié)能。9） 可逆運行控制。10）減少機械傳動部件。第二章 基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)設計2.1 項目控制要求本系統(tǒng)一般應用在住宅或大樓頂樓設置的水塔或水箱。用戶用水量不穩(wěn)定，有時用水量多有時用水量少，但是水塔必須提供充足的水壓供用戶使用。水塔的進水可由水泵泵入，另備有地下水槽儲存自來水公司提供的水源并給頂樓水塔供水使用。本系統(tǒng)設計的目的是對水塔中水位進行恒液位控制。本系統(tǒng)可用一個模型來模擬水塔水位的恒液位控制。水箱的高度為200cm，水箱

28、中的液位高度可在0200cm范圍內進行調節(jié)。如設定水箱水位值為100cm，則不論水箱的出水量如何，調節(jié)進水量，都要求水箱水位都能保持在100cm的位置，如出水量少，則要控制進水量少，相反如果出水量大則要求控制進水量也大，水箱示意圖如圖2-1所示。水塔水位控制系統(tǒng)主要由可編程控制器、變頻器、壓力變送器及水泵等組成。圖2-1 水箱水位控制示意圖2.2 控制系統(tǒng)設計思路系統(tǒng)基本工作原理:因為液位高度與水箱底部的水壓成正比，所以可以用一個壓力傳感器來檢測水箱底部的壓力，從而可以確定水箱液位的高度。要控制水位恒定，需要用PID算法對水位進行自動調節(jié)。把壓力傳感器檢測到的水位信號420mA送入至PLC中，

29、在PLC中對設定值與檢測值的偏差進行PID運算，運算的結果輸出至變頻器，變頻器去調節(jié)水泵的轉速，從而調節(jié)進水量的多少來保持水箱水位的恒定。本系統(tǒng)設計還應遵循以下的原則： 蓄水池容量應大于最大用水量； 水泵揚程應大于水箱最高點的高度；這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；通用性強，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和變頻器的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變PLC存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大

30、大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒液位控制場合。2.3 控制系統(tǒng)的元件選型2.3.1 PLC及其模塊選型S7-200 PLC是小型模塊式的PLC，整機I/O點數(shù)從1040點，在小型自動化設備中得到了廣泛的應用。S7-200 PLC在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了充分的應用，它可以用于開關量控制，如邏輯、定時、計數(shù)、順序等功能?？捎糜谀M量控制，具有PID控制功能，可實現(xiàn)過程控制，也可以用于運動控制，具有發(fā)送高速脈沖功能。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224，其開關量輸出為10點，輸出形式為DC24V輸出；開關量輸入C

31、PU224為14點，輸入形式為DC24V輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。表2-1 控制系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出I0.0啟動SB1Q0.0控制水泵運行I0.1停止SB2M0、V0、I0PLC控制變頻信號

32、RA、A+、A-壓力變送器信號本系統(tǒng)中PLC選用S7-200 CPU224，為了能接受壓力傳感器的模擬量信號和調節(jié)水泵電機轉速，特選擇一塊EM235的模擬量輸入輸出模塊。 變頻器選型為了能調節(jié)水泵電機轉速從而調節(jié)進水量，選擇西門子G110的變頻器。用于基本驅動系統(tǒng)的高性價比變頻器西門子G110變頻器是一種使用靈活、結構小巧、價位適中的變頻調速裝置，可用于各種速率的驅動系統(tǒng)，功率范圍可從120W-3kW不等。西門子G110 系列變頻調速裝置操作簡便，加之西門子G110 變頻器與價位適中的標準電動機相組合的系統(tǒng)所具有的良好性價比，使之成為大多數(shù)應用對象驅動裝置的首選。G110變頻器總共有10個控制

33、端子，端子編號分別為110。1、2號端子為一數(shù)字輸出信號，可用來輸出某開關信號；35號端子為數(shù)字量輸入信號，各端子都可往變頻器輸入一開關信號；6號端子為輸出24V電源正極；7號端子為輸出0V（電源負極）；810號端子的功能按控制方式來確定，在模擬控制方式下，8號端子為輸出+10V，9號端子為模擬量輸入信號，變頻器按此信號大小決定輸出頻率；10號端子為0V。 觸摸屏選型為了能對水位值進行設定并對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，特選擇用西門子人機界面TP170B觸摸屏。人機界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，很多的工業(yè)被控對象要求控制系統(tǒng)具有人機界面功能，用來實現(xiàn)操作人員與計算機控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交

34、換。人機界面裝置用來顯示PLC的I/O狀態(tài)和各種系統(tǒng)信息，接收操作人員發(fā)出的各種命令和設置參數(shù)，并將它傳送到PLC中。觸摸面板TP170B采用5.7in、藍色或16色STN-LCD，有2個RS-232接口、1個RS-422/485接口和1個CF卡插槽，支持位圖、圖標、背景圖畫和矢量圖形對象，動態(tài)對象有圖表、柱形圖和隱藏按鈕，有配方功能。使用Microsoft Windows CE3.0操作系統(tǒng)，用組態(tài)軟件WinCC flexible來組態(tài)。 壓力變送器選型一般意義上的壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理

35、壓力參數(shù)轉變成標準的電信號（如420mA DC等）， 以供給指示報警儀、記錄儀、調節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調節(jié)。將水壓這種壓力的力學信號轉變成420mA這樣的電子信號，壓力和電壓或電流的大小成線性關系，一般是正比關系。所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大，由此得出一個壓力和電壓或電流的關系。CYYB-120系列壓力變送器為兩線制420mA電流信號輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進行放大、溫度補償及非線性修正、V/I變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有420mA標準信號輸出。一對導線同時用于電源供電及信號傳輸，輸出

36、信號與環(huán)路導線電阻無關，抗干擾性強、便于電纜鋪設及遠距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、A/D轉換器及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。 水泵選型水泵選用凌波1ZDB-65自吸旋渦清水泵。泵體材料為鑄鐵，該泵采用優(yōu)質機械材料密封。產(chǎn)品具有運行平穩(wěn)、性能可靠、全揚程運行、經(jīng)久耐用的優(yōu)點；該泵的特點是小流量、高揚程、體積小、容易安裝。適用范圍：1、輸送清水，液體溫度45。2、家庭主管增壓供水、高層建筑增壓。3、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水。工作條件：1、輸送介質溫度：常溫型 +5+45。2、最高環(huán)境溫度：+50。3、最大吸程：8米。4、三相 380V/50Hz。表2-2 1ZDB-65自吸旋渦清水泵參數(shù)表型號最大流量(L/

37、min)最大流量最大揚程(m)最大吸程(m)功率(KW)口徑(mm)重量(KG)1ZDB-65583.56580.7525122.4 EM235 模塊 EM235的端子與接線SIEMENS S7-200模擬量擴展模塊EM235含有4路輸入和1路輸出，為12位數(shù)據(jù)格式，它的端子及其接線圖如圖2-2所示。圖2-2 EM235端子接線圖其中RA、A+、A-為第一路模擬量輸入通道的端子，RB、B+、B-為第二路模擬量輸入通道的端子，RC、C+、C-為第三路模擬量輸入通道的端子，RD、D+、D-為第四路模擬量輸入通道的端子。M0、V0、I0為模擬量輸出端子，電壓輸出大小為-10+10V，電流輸出大小為0

38、20mA。L+、M接EM235的工作電流。 EM235的技術規(guī)范表2-3 EM235技術規(guī)范表模擬量輸入特性模擬量輸入點4輸入范圍電壓（單極性）信號類型：010V、05V、01V、0500mV、 0100 mV、050 mV電壓（雙極性）信號類型：±10V、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、 ±250mV、±100mV、±50mV、±25mV電流信號類型：020mA數(shù)據(jù)字格式雙極性全量程范圍-32000+32000單極性全量程范圍032000分辨率12位A/D轉換器模擬量輸出特性模擬量輸出點數(shù)1信

39、號范圍電壓輸出±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+32000電流032000分辨率電流電壓12 位電流11 位 DIP設定開關EM235有6個DIP設定開關。通過設定開關，可選擇輸入信號的滿量程和分辨率，所有的輸入信號設置成相同的模擬量輸入范圍和格式，如下表2-4所示。表2-4 DIP開關設定表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON05012.5OFFONOFFONOFFON010025ONOFFOFFOFFONON0500125OFFONOFFOFFONON01250ONOFFOFFOFFOFFON051.25ON

40、OFFOFFOFFOFFON0205OFFONOFFOFFOFFON0102.5雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF±2512.5OFFONOFFONOFFOFF±5025OFFOFFONONOFFOFF±10050ONOFFOFFOFFONOFF±250125OFFONOFFOFFONOFF±500250OFFOFFONOFFONOFF±1500ONOFFOFFOFFOFFOFF±2.51.25OFFONOFFOFFOFFOFF±52.5OFFOFFONOFF

41、OFFOFF±105如本系統(tǒng)中壓力傳感器輸出420mA的信號至EM235，該信號為單極性信號，DIP開關應該設置為：ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。第三章 基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 PLC的I/O分配及其硬件連接圖3.1.1 PLC的I/O分配PLC的I/O分配如下：啟動按鈕為I0.0；停止按鈕為I0.1；Q0.0為控制水泵電機運行。 硬件連接圖PLC與壓力傳感器、變頻器的硬件連接電路如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件連接圖3.2 變頻器參數(shù)設置西門子G110變頻器參數(shù)設置如表3-1所示。表3-1 G110變頻器參數(shù)設參數(shù)號參數(shù)名稱設定值說明P0304電機

42、額定電壓380VP0305電機額定電流1.99單位：AP0306電機額定功率0.75單位：kWP0310電機額定頻率50單位：HzP0311電機額定轉速3000單位：r/minP0700選擇命令信號源2由端子排輸入P1000選擇頻率設定值2模擬設定值P1080最小頻率5單位：Hz3.3 PID控制3.3.1 PID算法在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，模擬量PID（由比例、積分、微分構成的閉合回路）調節(jié)是常用到的一種控制方法。運行PID控制命令，S7-200將根據(jù)參數(shù)表中的輸入測量值、控制設定值及PID參數(shù)，進行PID運算，求得輸出控制值。參數(shù)表中有9個參數(shù)，全部為32位的實數(shù)，共占用36個字節(jié)。PID控

43、制回路的參數(shù)表如表3-2所示。表3-2 PID控制回路的參數(shù)表地址偏移量參數(shù)數(shù)據(jù)格式參數(shù)類型說明0過程變量當前值雙字，實數(shù)輸入必須在0.01.0范圍4給定值雙字，實數(shù)輸入必須在0.01.0范圍8輸出值雙字，實數(shù)輸出在0.01.0范圍12增益雙字，實數(shù)輸入比例常量，可為正數(shù)或者負數(shù)16采樣時間雙字，實數(shù)輸入以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時間雙字，實數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)24微分時間雙字，實數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)28上一次的積分值雙字，實數(shù)輸出0.0和1.0之間，根據(jù)PID運算結果更新32上一次過程變量雙字，實數(shù)輸出最近一次PID運算值 比例項：能及時地產(chǎn)生與偏差成正比的調節(jié)作用，

44、比例系數(shù)越大，比例調節(jié)作用越強，系統(tǒng)的調節(jié)速度越快，但過大會使系統(tǒng)的輸出量震蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。積分項：與偏差有關，只要偏差不為0的情況下，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除系統(tǒng)誤差，提高控制精度，但積分的動作緩慢，給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定帶來不良影響，很少單獨使用積分環(huán)節(jié)。從式子中可以看出：積分時間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節(jié)，具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)增大時，超調量減少，動態(tài)性能得到改善，如果過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢。3.3.2 PID控制

45、回路選項在很多控制系統(tǒng)中，有時不是三種控制回路都選擇使用而是只采用其中的一種或兩種控制回路。通過設置常量參數(shù)值選擇所需的控制回路。（1）如果不需要積分回路，則應將積分時間設為無限大。由于積分項的初始值，雖然沒有積分運算，積分項的數(shù)值也可能不為零。（2）如果不需要微分運算，則應將微分時間設定為0.0。（3）如果不需要比例運算，但需要I或者ID控制，則應將增益值指定為0.0。因為是計算積分和微分項公式中的系數(shù)，將循環(huán)增益設為0.0會導致在積分和微分項計算中使用的循環(huán)增益值為1.0。 水塔水位PID控制回路參數(shù)表在PID參數(shù)整定方法中，最基本和最簡單的方法為湊試法。對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的

46、整定步驟。首先只整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到得到反應快，超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)已滿意系統(tǒng)性能指標要求，那么只需用比例調節(jié)器即可，比例系數(shù)也由此確定。如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時先置積分時間常數(shù)為一較大值，并將經(jīng)上一步整定得到的比例系數(shù)縮小為原值的0.8倍，然后減少積分時間常數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。經(jīng)過反復改變比例系數(shù)與積分時間常數(shù)，以期得到滿意的控制過程。上述方法如果還不能保證有滿意的系統(tǒng)動態(tài)過程，則加入微分環(huán)節(jié)，構成比例積分微分調節(jié)器。在整定時，可先置微分時間為零。在第二步的基礎上增

47、大微分時間，同時相應的改變比例系數(shù)和積分時間常數(shù)，逐步湊試，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數(shù)。依據(jù)PID控制器參數(shù)的工程整定方法，各種調節(jié)系統(tǒng)中PID參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)可參照下表3-3所示。表3-3 PID控制器參數(shù)工程整定表控制系統(tǒng)參數(shù)范圍溫度=2060%=180600s=3180s壓力=3070%=24180s液位=2080%=60300s流量=40100%=660s供水箱的控制要求見2.1系統(tǒng)控制任務。PID回路參數(shù)表設定根據(jù)PID控制器參數(shù)工程整定方法及表3-3的數(shù)據(jù)估算本系統(tǒng)的PID參數(shù)如表3-4所示。表3-4 PID控制回路的參數(shù)表地址參數(shù)數(shù)值VB200過程變量當前值水位檢測計提供的模擬量

48、經(jīng)A/D轉換后的標準化數(shù)值VB204給定值0.5VB208輸出值PID回路的輸出值（標準化數(shù)值）VB212增益2.0VB216采樣時間0.2VB220積分時間3VB224微分時間0（關閉微分環(huán)節(jié)）VB228上一次的積分值根據(jù)PID運算結果更新VB232上一次過程變量最近一次PID的變量值 水塔水位PID控制框圖和系統(tǒng)流程圖圖3-2 系統(tǒng)PID控制框圖圖3-3 水位控制系統(tǒng)流程圖 水塔水位控制回路程序編寫分析PID調節(jié)及I/O分配。模擬量輸入：AIW0：模擬量輸出：AQW0。表3-5 編寫符號表序號符號地址說明1設定值VD204范圍為01實數(shù)2回路增益VD2123采樣時間VD2164積分時間VD

49、2205微分時間VD2246控制輸出VD208范圍為01實數(shù)7檢測值VD200范圍為01實數(shù)8啟動I0.09停止I0.110觸摸屏液位設定VD100范圍為0200實數(shù)11觸摸屏顯示液位值VD110范圍為0200實數(shù)第四章 基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)的軟件設計4.1 STEP7-Micro/Win軟件的使用 STEP7-Micro/Win軟件是S7-200的編程軟件，可以在全漢化的界面下進行操作。 軟件界面介紹雙擊PC桌面上的STEP7-Micro/Win軟件，即可打開軟件界面。圖4-1 打開編程軟件軟件窗口畫面如上圖4-1所示，包括標題欄、菜單欄、瀏覽條、指令樹、輸出窗口、狀態(tài)條、局部變量表

50、和程序編輯區(qū)等。（1）瀏覽條。提供按鈕控制的快速窗口切換功能?？捎谩皺z視”菜單的“瀏覽欄”項選擇是否打開。引導條包括程序塊（Program Block）、符號表（Symbol Table）、狀態(tài)圖表（Status Chart）、數(shù)據(jù)塊（Data Block）、系統(tǒng)塊（System Block）、交叉索引（Cross Reference）和通信（Communications）七個組件，一個完整的項目文件通常包括前六個組件。（2）指令樹。提供編程時用到的所有快捷操作命令和PLC指令，可用“檢視”菜單的“指令樹”項決定是否將其打開。（3）輸出窗口。顯示程序編譯的結果信息。（4）狀態(tài)條。顯示軟件執(zhí)行狀

51、態(tài)，編譯程序時，顯示當前網(wǎng)絡號、行號、列號；運行時，顯示運行狀態(tài)、通信波特率、遠程地址等。（5）程序編輯器。梯形圖、語句表或功能圖表編輯器編寫用戶程序，或在聯(lián)機狀態(tài)下從PLC上裝用戶程序進行程序的編輯或修改。（6）局部變量表。每個程序塊都對應一個局部變量表，在帶參數(shù)的子程序調用中，參數(shù)的傳遞就是通過局部變量進行的。對于CN的S7-200PLC，編寫PLC程序時編程軟件必須設置為中文界面，才可以下載PLC程序。下面介紹如何把英文的操作界面轉換成中文的操作界面。打開STEP7-Micro/Win軟件，在菜單欄中選中“ToolsOptionsGeneral”，在語言選擇欄中選擇“Chinese”，單

52、擊“確定”按鈕并關閉軟件，然后重新打開后系統(tǒng)即為中文界面。圖4-2 打開編程軟件的中文界面 通信設置 PC與S7-200PLC的連接可以采用PC/PPI電纜連接，也可以采用CP5611卡等進行通信，在本系統(tǒng)中采用USB接口的PC/PPI電纜進行連接通信。連接好PLC下載線，設置編程軟件通過USB接口的下載線與PLC進行通信。雙擊圖4-2中左側“查看”下的“系統(tǒng)塊”，出現(xiàn)如圖4-3所示的畫面。在該畫面中把波特率設為9.6kb/s，此波特率為端口與外部設備工作通信速率，其它參數(shù)按缺省設置即可，然后單擊“確認”按鈕。圖4-3 通道通信設置畫面 圖4-4 接口設置畫面單擊圖4-2中左側“查看”下的“設

53、置PG/PC接口”，出現(xiàn)如圖4-4所示畫面。在“已使用的接口參數(shù)分配”中選擇“PC/PPI cable(PPI)”，然后單擊“屬性”按鈕，進入如圖4-5所示畫面。在“Transmission”中設置為9.6kb/s。然后在圖4-5中單擊選項“本地連接”，出現(xiàn)如圖4-6所示畫面，把“連接到”設為USB，然后單擊OK按鈕，回到4-2初始畫面。 圖4-5 屬性PC/PPI畫面 圖4-6 通信口設置4.2 觸摸屏 人機界面概述人機界面又稱為人機接口，簡稱為HMI。廣義上講HMI指計算機與操作人員交換信息的設備。在控制領域，HMI一般特指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的專用設備。人機界面是

54、按工業(yè)現(xiàn)象環(huán)境應用來設計的，正面的防護等級為IP65，背面的防護等級為IP20，堅固耐用，其穩(wěn)定性和可靠性與PLC相當，能再惡劣的工業(yè)環(huán)境中長時間連續(xù)運行，因此人機界面是PLC的最佳搭檔。在使用人機界面時，需要解決畫面設計和通信的問題。人機界面生產(chǎn)廠家用組態(tài)軟件很好的解決了以上的兩個問題，組態(tài)軟件使用方便、易學易用。使用組態(tài)軟件可以很容易地生成人機界面畫面，還可以實現(xiàn)某些動畫功能。人機界面用文字或圖形動態(tài)地顯示PLC中開關量的狀態(tài)和數(shù)字量的數(shù)值，通過各種輸入方式，將操作人員的開關量命令和數(shù)字量設定值傳送到PLC中。人機界面最基本的功能是顯示現(xiàn)場設備（通常是PLC）中開關量的狀態(tài)和寄存器中數(shù)字變

55、量的值，用監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出開關量命令，并修改PLC寄存器中的參數(shù)。 觸摸屏西門子的觸摸屏面板（Touch Panel，TP），一般俗稱為觸摸屏。觸摸屏是人機界面的發(fā)展方向，可以由用戶在觸摸屏的畫面上設置具有明確意義和提示信息的觸摸式按鍵，觸摸屏的面積小，使用直觀方便，以其易于使用、堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間等優(yōu)點得到越來越廣泛的使用。觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分：檢測裝置和控制器。觸摸屏檢測裝置安裝在顯示器的顯示表面，用于檢測用戶的觸摸位置，再將該處的信息傳送給觸摸屏控制器。控制器的主要作用是接收來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，判斷出觸摸的意義后送給PLC。它同時能接收PLC發(fā)出的命令并加以執(zhí)行，例如動態(tài)地顯示開關量和模擬量等。 水位控制系統(tǒng)WinCC flexible界面設計西門子人機界面以前使用Protool組態(tài)，SIMATIC WinCC flexible是在被廣泛認可的Protool組態(tài)軟件上發(fā)展起來的