PLC課程設計水位采集系統(tǒng)報告

1、西安郵電大學PLC課程設計報告題目：水位采集控制系統(tǒng)學院：自動化班級：自動1104姓名： 劉佩 06111122 彭張杰06111127侯龍騰 06111133 賀彥博06111117蔡瑞妮 06111112 蔡星星 06111107日期：2014/06/04一、 課程設計題目及要求（老師給） 名稱：水位采集控制系統(tǒng) 描述：S7-300為核心控制器，設計一個水位采集控制系統(tǒng)。 具體要求：1、可實時測量水位的變化，并在組態(tài)軟件中顯示，測量精度cm；2、當水位發(fā)生變化時，自動進行出水與進水，使水位保持在設定值；3、PLC程序、組態(tài)軟件設計；4、系統(tǒng)搭建及調試。二、 設計所課程需器件 主要元器件：A

2、I模塊1個、DO模塊1個、電磁閥2個、壓力傳感器1個、開關等、導線若干。三、 器件介紹1. PLC組成及工作原理（1）CPU運算和控制中心起“心臟”作用?？v：當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后CPU根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成PLC內部所認可的用戶編譯程序。橫：輸入狀態(tài)和輸入信息從輸入接口輸進，CPU將之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入映象寄存器。然后由CPU把數(shù)據(jù)和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出映象寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。組成：CPU由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。CPU通過

3、地址總線、數(shù)據(jù)總線與I/O接口電路相連接。（2）存儲器具有記憶功能的半導體電路，分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、ROM組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（RAM）組成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為35年。（3）輸入/輸出接口 1）輸入接口：光電耦合器由兩個發(fā)光二極度管和光電三極管組成。發(fā)光二級管：在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發(fā)光二極管就產生與輸入信號變化規(guī)律相同的光信

4、號。光電三級管：在光信號的照射下導通，導通程度與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區(qū)內，輸出信號與輸入信號有線性關系。輸入接口電路工作過程：當開關合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號。當開關斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導通。向內部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成PLC內部所能接受的數(shù)字信號。 2）輸出接口PLC的繼電器輸出接口電路工作過程：當內部電路輸出數(shù)字信號1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓。當內部電路輸出數(shù)字信號0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負載的電流或電

5、壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數(shù)字電路化成一種信號使負載動作或不動作。 3）還有特別用來輸入/輸出模擬電流信號和高速脈沖信號的特殊結構，例如：模數(shù)/數(shù)模轉換模塊、高速計數(shù)模塊等。（4）編程器編程器分為兩種，一種是手持編程器，方便，我們實驗室使用的就是手持編程器。二種是通過PLC的RS232口，與計算機相連，然后敲擊鍵盤，通過NSTP-GR軟件（或WINDOWS下軟件）向PLC內部輸入程序。2.WinccWinCC簡介西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是HMISCADA軟件中的后起之秀，1996年進入世界工控組態(tài)軟件市場，當年就被美國

6、Control Engnieering雜志評為最佳HMI軟件，以最短的時間發(fā)展成第三個在世界范圍內成功的SCADA系統(tǒng)；而在歐洲，它無可爭議地成為第一。在設計思想上，SIMATIC WinCC秉承西門子公司博大精深的企業(yè)文化理念，性能最全面、技術最先進、系統(tǒng)最開放的HMI/SCADA軟是WinCC開發(fā)者的追求。Wincc是按世界范圍內使用的系統(tǒng)進行設計的，因此從一開始就適合于世界上各主要制造商生產的控制系統(tǒng)，如AB，Modicon，GE等，并且通訊驅動程序的種類還在不斷地增加。通過OPE的方式，WinCC還可以與更多的第三方控制器進行通訊。WinCC V6O采用標準Microsoft SQL

7、Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)數(shù)據(jù)庫進行生產數(shù)據(jù)的歸檔，同時具有web瀏覽器功能，可使經理、廠長在辦公室內看到生產流程的動態(tài)畫面，從而更好地調度指揮生產，是工業(yè)企業(yè)中MES和ERP系統(tǒng)首選的生產實時數(shù)據(jù)平臺軟件。作為SIMATIC全集成自動化系統(tǒng)的重要組成都分，WinCC確保與SIMATIC S5，S7和505系列的PLC連接的方便和通訊的高效；WinCC與STEP7編程軟件的緊密結合縮短了項目開發(fā)的周期。此外，WinCC還有對SIMATIC PLC進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件維護提供了方便。WinCC具有以下性能特點：1）創(chuàng)新軟件技術的使用。WinCC是

8、基于最新發(fā)展的軟件技術。西門子公司與Microsoft公司的密切合作保證了用戶獲得不斷創(chuàng)新的技術。2） 包括所有SCADA功能在內的客戶機服務器系統(tǒng)。即使最基本的WinCC系統(tǒng)仍能提供生成復雜可視化任務的組件和函數(shù)，生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的wincc系統(tǒng)組件建立。3）可靈活裁剪，由簡單任務擴展到復雜任務。WinCC是一個模塊化的自動化組件，既可以靈活地進行擴展，從簡單的工程到復雜的多用戶應用，又可以應用到工業(yè)和機械制造工藝的多服務器分布式系統(tǒng)中。4）眾多的選件和附加件擴展了基本功能。已開發(fā)的、應用范圍廣泛的、不同的WinCC選件和附加件，均基于開放式編程接口，覆蓋了不

9、同工業(yè)分支的需求。5）使用MtcrosoftSQLServer2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫可以使用ODBC，DAO，OLEDB，WinCC OLEDB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù)。6）強大的標準接口(如OLE，ActiveX和OPC)。WinCC提供了OLE，DDEActiveX服務器和客戶機等接口或控件，可以很方便地與其他應用程序交換數(shù)據(jù)。7）使用方便的腳本語言。WinCC可編寫ANSIC和Vi sualBasic腳本程序。8）API編程接口可以訪問WinCC的模塊winCC模塊都有一個開放的C編程接口(CAPL)。這意味著可以在用戶程序中集成WinCC的部分功能。9）具有向導

10、的簡易(在線)組態(tài)。WinCC提供了大量的向導來簡化組態(tài)工作。在調試階段還可進行在線改。10）可選擇語言的組態(tài)軟件和在線語言切換。WinCC軟件是基于多語言設計的。這意味著可以在英語、德語、法語以及其他眾多的亞洲語言之間進行選擇，也可以在系統(tǒng)運行時選擇所需要的話言。11）提供所有主要PLC系統(tǒng)的通訊通道。作為標準，WinCC支持所有連接SIMATC S5/S7、/505控制器的通訊通道，還包括PROFIBUS DP，DDE和OPC等非特定控制器的通訊通道。此外，更廣泛的通訊通道可以由選件和附加件提供，12）與基于PC的控制器SIMATIcwinAc緊密接口，軟/插槽式PLC和操作、監(jiān)控系統(tǒng)在一

11、臺PC機上相結合無疑是一個面向未來的概念。在此前提下，WinCC和WinAC實現(xiàn)了西門子公司基于PC的、強大的自動化解決方案。13）全集成自動化TIA(Totally Integrated Automation)的部件。TIA集成了西門子公司的各種產品包括WinCC。WinCC是工程控制的窗口，是TIA的中心部件。TIA意味著在組態(tài)、編程、數(shù)據(jù)存儲和通訊等方面的一致性。14）SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)中的SCADA部件，如SIMATIC PCS7是TIA中的過程控制系統(tǒng)；PCS7是結合了于控制器的制造業(yè)自動化優(yōu)點和基于PC的過程工業(yè)自動化優(yōu)點的過程處理系統(tǒng)(PC5)?；诳刂破鞯腜C

12、S7對過程可視化使用標準的SIMATIC部件。WinCC作為PC57的操作員站。15）符合FDA 21 CFR Pant 11的要求。16）集成到MES和遼RP中。標準接口使SIMATICWinCC成為在全公司范圍IT環(huán)境下的一個完整部件。這超越了自動控制過程，將范圍擴展到工廠監(jiān)控級，為公司管理MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))和ERP(企業(yè)資源管理提供管理數(shù)據(jù)。3.液位傳感器工作原理420mA、05v、010mA等標準信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。利用流體靜力學原理測量液位，壓力傳感器的一項重要應用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相

13、通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性，是針對化工工業(yè)中強腐蝕性的酸性液體而特制，殼體采用聚四氟乙烯材料制成，采用特種氟膠電纜及專門的密封技術進行電氣連接，既保證了傳感器的水密性、耐腐蝕性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性。用靜壓測量原理：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為：=g.H + Po式中：P：變送器迎液面所受壓力：被測液體密度g：當?shù)刂亓铀俣萈o：液面上大氣壓H：變送器投入液體的深度同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，使傳感器測得壓力

14、為：.g.H，顯然,通過測取壓力P，可以得到液位深度。4.繼電器工作原理：電磁繼電器一般由 電磁鐵、銜鐵、彈簧片、觸點等組成的，其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構成。電磁繼電器還可以實現(xiàn)遠距離控制和自動化控制。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，

15、可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。5.空氣開關工作原理：脫扣方式有熱動、電磁和復式脫扣3種。當線路發(fā)生一般性過載時，過載電流雖不能使電磁脫扣器動作， 但能使熱元件產生一定熱量，促使雙金屬片受熱向上彎曲，推動杠桿使搭鉤與鎖扣脫開，將主觸頭分斷，切斷電源。當線路發(fā)生短路或嚴重過載電流時，短路電流超過瞬時脫扣整定電流值，電磁脫扣器產生足夠大的吸力，將銜鐵吸合并撞擊杠桿，使搭鉤繞轉軸座向上轉動與鎖扣脫開，鎖扣在反力彈簧的作用下將三副主觸頭分斷，切斷電源。開關的脫扣機構是一套連桿裝置。當主觸點通過操作機構閉合后，就被鎖鉤鎖在合

16、閘的位置。如果電路中發(fā)生故障，則有關的脫扣器將產生作用使脫扣機構中的鎖鉤脫開，于是主觸點在釋放彈簧的作用下迅速分斷。按照保護作用的不同，脫扣器可以分為過電流脫扣器及失壓脫扣器等類型。6.開關電源工作原理：開關電源的工作原理：開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸

17、入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。 脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。開關電源大致由主電路、 控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。1、主電路沖擊電流限幅控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。3、檢測電路提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4、輔助電源實現(xiàn)電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（P

18、WM等芯片）工作供電。：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分。輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2、控制電路一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去調整。7.DI模塊、DO模塊：數(shù)字量輸出輸入、模塊8.AI模塊模塊概要： · 模擬量輸入· 用于連接電壓和電流傳感器、熱電耦、電阻和熱電阻模擬量輸入模板用來實現(xiàn)PLC與模擬量過程信號的連接。用于連接電壓和電流傳感器、熱電耦、

19、電阻和熱電阻模擬量輸入模塊將來自過程的的模擬量信號轉換為可在控制器中進行內部處理的數(shù)字量信號。該模塊具有如下特點：· 分辨率為 9-15 位 + 符號位（具有不同的轉換時間），可以設置。· 各種量程；電流/電壓的默認設置是使用量程模塊以機械方式設置的，可通過編程器和 STEP 7 的“Hardware configuration”進行細調。· 中斷能力；該模塊將診斷和限值中斷發(fā)送到控制器的 CPU。· 診斷；該模塊將綜合診斷信息發(fā)送到 CPU。西門子S7-300，模擬量輸入SM 3319.電磁閥四方案設計（1) 本課題設計的目的和意義可編程控制器PLC）

20、因為抗干擾能力強，可靠性好，控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強，編程方便，易于使用，設計、施工、調試、的周期短，體積小，維護操作方便，易于實現(xiàn)網絡化，可實現(xiàn)三電一體化等優(yōu)勢已經成為應用面最廣，最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。通過PLC對程序設計，提高液位系統(tǒng)的控制水平。因此PLC在液位控制系統(tǒng)中應用非常廣泛，具有很高的應用價值。 (2)采用PLC控制液位的優(yōu)點 從控制方式上比較：用繼電接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進行安裝調試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結構，且已

21、商品化，故僅需按性能、控制要求設計控制程序，而且在以后的修改中只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。2·從工作方式上比較：電器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制約，I/O系統(tǒng)設計有完善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。3·從控制速度上比較：電器控制速度慢，觸點易抖動；而PLC通過通過半導體來控制，速度很快，無觸點，故無抖動一說。4·從定時，計數(shù)上比較：電器控制定時精度不高，易受環(huán)境溫度變化的影響，且無計數(shù)功能；而PLC時鐘脈沖由晶振產生，精度高，定時范圍寬；有計數(shù)功能。5·從可靠性，可維護性上比較：電器

22、控制接觸點多，會產生機械磨損和電弧燒傷，接線較多，可靠性，維護性差；而PLC無觸點，采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，能適應工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，使用壽命長，且有自我診斷功能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調試和維護方便。(3)原理框圖液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法，由于測量狀況及條件復雜多樣，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉化為其它相關信號進行測量，如壓力法、浮力法、電學法、熱學法等。壓力法依據(jù)液體重量所產生的壓力進行測量。由于液體對容器底面產生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關系:P=

23、gh 式中, 是被測液體的密度()。如圖所示：設計一個閉環(huán)系統(tǒng)，被測對象是水箱中水的液位，通過閥門手動調節(jié)液位，在顯示器中可以與水箱刻度對比校準。下面是裝置設計圖：水箱儲水池溢出管管道水泵穩(wěn)壓包液位傳感器放水閥打開水泵和進水閥，水箱上水；若超過500mm，則通過溢出管返流到儲水箱。液位傳感器/變送器進過運算之后在顯示器上。關閉水泵和進水閥，打開出水閥；手動調節(jié)液位，對比刻度和顯示器。結構圖如下：液位控制對象液位傳感變送器數(shù)字顯示PLC水泵給定值SV 儀表測控系統(tǒng)結構圖五程序六調試過程中遇到的問題及解決方法(1) PLC的AI模塊兩線制電流的選擇兩線制是指；電源24V正接到儀表的正端，然后由負端

24、的信號進入模塊的正端，模塊負端出來的線接到COM端也就是24V負端！從而采集信號。四線制儀表是儀表需要獨立的供電電源，如24V直流和220V交流。給儀表供電。然后由儀表的信號輸出端輸出信號直接接入模塊的信號輸入端子即可。模擬量輸入是采集外部模擬信號進行轉換就可以了如溫度0-100攝氏度如果是電流4-20MA在西門子200里的工程量就是6400-32000了！這樣你就換算得出實時的當前溫度對于用戶來說，對于四線制變送器，模擬量輸入模塊量程必須設定為4線制，此時直接將變送器的+接m+,變送器的-接m-.對于兩線制變送器，模擬量輸入模塊量程可以設定為4線制或者2線制，模塊量程以設定為4線制時要外接D

25、C24v,此時,DC24V+接變送器的+，變送器的-接模擬量輸入模塊的+，模擬量輸入模塊的-接DC24V的-。直接將模擬量輸入模塊量程設為2線制時，則變送器的+接m+,變送器的-接m-.將D對著模塊上的箭頭。(2) 液位傳感器接法 接傳感器兩個線 紅線和黑線，分別接入AI，作為輸入。(3) Wincc變量定義wincc內各種變量類型有什么區(qū)別？1.有符號8位整數(shù), 允許負數(shù),0符號位可以是0或1 范圍-128-127 無符號32位與32位浮點數(shù)的區(qū)別：1.數(shù)據(jù)類型不同。無符號數(shù)是整型的不可以表示帶有小數(shù)部分的數(shù)，浮點數(shù)是浮點型的可以表示小數(shù) 2.表數(shù)精度不同。無符號數(shù)是精確的表數(shù)法，浮點數(shù)表示

26、的數(shù)是不精確的 3.表數(shù)范圍：無符號數(shù)是0-232-1；浮點數(shù)要比這個大很多，而且有正負的。七個人分工及心得體會彭張杰： 我們學會了許多關于PLC的知識。對單片機，有了充分的感性認識。這對于我們以后從事相關工作，有很大的好處。在課程設計中，我們遇到了很多的問題，很多的挫折，但是我們沒有退縮，最終在規(guī)定期限內完成了設計，這本身就是對我們自身能力的一種肯定，一種承認。有了這次經歷，我想我們以后遇到類似的問題，也能很好的處置，度過難關，完成既定的目標。在設計過程中，我們發(fā)現(xiàn)原來理論和實際有著很大的差別。我們在課堂上學到的東西，距離實際應用還有一定的距離，譬如模擬電路的相關部分和PLC的相關理論，我們

27、學得很好，卻在實際操作中遇到了很大問題，而找不到其中原因。這種種，都堅定的告訴我們，我們要學以致用，我們的知識不是用來忘記的，而是要用到實際生活中的。有了這種思想，我想我們在以后的學習中會更加注重理論于實際的聯(lián)系，使我們所學的知識能夠盡可能的用到實處，而不僅僅是為了應付考試。我覺得我們組這次課設成功的關鍵在與我們組員之間的團結和不放棄的精神，從電路設計到仿真，再到連接電路，在這一過程中，我們遇到了很多困難，但是我們沒有放棄，也沒有互相抱怨，而是一直呆在一起，在網上和圖書館查找資料，研究并討論出現(xiàn)的問題，最終我們取得了成功。劉佩：時間過的很快，兩周的實習很快就結束了，在這些天中通過不斷的學習，不

28、斷對新知識的追求和索取，感覺到自己的知識結構水平有了很大提升。在本次課程設計過程當中，我們做的是水位的測量，使用的主要工具有PLCS7-300、液壓傳感器、調節(jié)閥水箱 。首先對實驗整個過程的認識，了解到許多在控制生產過程當中需要注意的事項和研究方法。我們首先熟悉了PLCS7-300的整體架構，了解到相關的儀器設備，例如傳感器、執(zhí)行器，AI、AO、DI、DO模塊，調節(jié)閥等。然后熟悉了程序制作過程當中所需要的軟件，例如WINCC，STEP7。首先我們用STEP7寫了要使用的軟件，接著連接了硬件，在STEP7上仿真成功后，設計了WINCC上的仿真圖。通過本次實驗，我們受益匪淺。一方面，將課堂上的理論知識應用到了實際，加強鞏固了理論知識，也提高了實際動手能力。通過實踐反饋，了解到我們自身知識面的不足。另一方面，在實驗過程中，遇到問題時候，我們一一進行排查，找出問題的所在，隊員之間分工明確，團結合作，本次實驗正是通過隊員之間的合作實現(xiàn)的。實驗前，接收到方案時我們完全不知道自己究竟要干什么。然后我們上網查了很多資料，在第一個方案的討論中，我們發(fā)現(xiàn)網上下載下來的程序達不到控制水位的要求，所以我們小組便親力親為，自己編寫程序，把電路圖畫出來再進行仿真分析，