基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目：基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)中心： 內(nèi)蒙古學(xué)習(xí)中心 學(xué) 號(hào)： 090F27143005 姓 名： 郭嘉 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 曹雪林 2016 年 08 月 15 日 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)教師指導(dǎo)意見表 學(xué)生姓名： 郭嘉 學(xué)號(hào)： 090F27143005 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師意見：（請(qǐng)對(duì)論文的學(xué)術(shù)水平做出簡(jiǎn)要評(píng)述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 論文選題符合本專業(yè)方向，內(nèi)容敘述條理清晰、層次分明、邏輯性較強(qiáng)。語言表達(dá)流暢。文獻(xiàn)、圖的引入恰當(dāng)、準(zhǔn)確。對(duì)文章闡述起到支撐作用。 文章對(duì)液位控制作了全面的分析說明，因缺乏具體液位控制實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)說明，其針對(duì)性和實(shí)用性不足。 指導(dǎo)教師結(jié)論： 合格 指導(dǎo)教師 姓名 曹雪林 所在單位 呼和浩特職業(yè)學(xué)院 指導(dǎo)時(shí)間 2016.7.13——10.4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱意見表 學(xué)生姓名： 郭嘉 學(xué)號(hào)： 090F27143005 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 評(píng)閱意見：（請(qǐng)對(duì)論文的學(xué)術(shù)水平做出簡(jiǎn)要評(píng)述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 本文以“基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”為設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了一種通過PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)頁面控制的設(shè)計(jì)，立意獨(dú)特，內(nèi)容豐富。所用資料及計(jì)算數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠。論文結(jié)構(gòu)完整，層析較為清楚，語言較為流暢，格式較為規(guī)范。 修改意見：（針對(duì)上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評(píng)閱成績(jī)合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。） 1、稍微調(diào)整下內(nèi)容格式。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱成績(jī) （百分制）： 75 評(píng)閱結(jié)論： 同意答辯 （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯） 評(píng)閱人姓名 胡琦 所在單位 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 評(píng)閱時(shí)間 2015-10-14 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文《基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻(xiàn)、資料均已明確注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨(dú)立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對(duì)論文的完成提供過幫助的有關(guān)人員已在文中說明并致以謝意。 本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學(xué)術(shù)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范，沒有侵權(quán)行為，并愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果。 論文作者（簽字）： 郭嘉 日期： 2016 年 8 月15日 24 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 在很多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，常常需要對(duì)水箱、貯罐、水池等容器中的液位進(jìn)行監(jiān)控，針對(duì)人工控制液位的準(zhǔn)度低、速度慢、靈敏度低等一系列問題。本文提出基于PLC的液位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過將液位傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)送入PLC中，經(jīng)過A/D變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成變頻器相對(duì)應(yīng)的電信來控制水泵轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到控制液位的目的。通過仿真和分析結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，能夠準(zhǔn)確、快速地控制液位，克服了傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的很多弊端。 關(guān)鍵詞： 1、PLC 2、變頻器 3、PID  目 錄 一、緒論 7 二、系統(tǒng)控制方案 9 （一）系統(tǒng)控制原理 9 （二）系統(tǒng)硬件組成 10 三、系統(tǒng)調(diào)試 14 四、PLC程序設(shè)計(jì) 15 （一）梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析 15 （二）PLC程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn) 16 （三）程序設(shè)計(jì)編程基本原則與注意問題 19 （四）程序設(shè)計(jì)舉例 20 五、結(jié)論 22 致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 目錄中正文內(nèi)容從第一頁開始 一、緒論 在工作生產(chǎn)過程中，液位控制技術(shù)有著十分廣泛的應(yīng)用。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類流體的液位高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。比如：礦產(chǎn)浮選工藝、以及工業(yè)鍋爐等的大量的應(yīng)用環(huán)境中都需要使用到液位控制技術(shù)。比如在污水處理應(yīng)用系統(tǒng)中，通過對(duì)液面的控制能夠有效的調(diào)節(jié)污水處理， 調(diào)整各種中和藥劑的比例和污水處理的速度， 確保在單位時(shí)間內(nèi)能夠有效的對(duì)污水進(jìn)行處理，與之類似的在礦物浮選、工業(yè)鍋爐等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中都需要對(duì)液面位置進(jìn)行精確控制，以保證工業(yè)生產(chǎn)過程的正常有序開展。 然而，隨著工業(yè)控制越來越多的朝著大型化、復(fù)雜化和精確化的發(fā)展，傳統(tǒng)的液面控制技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的需求同隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)與提高，人們要求液面控制技術(shù)能夠快速、自動(dòng)、精確的實(shí)施控制，并且能夠?qū)σ何豢刂七^程中出現(xiàn)的各種異常情況、以及液位控制的結(jié)果自動(dòng)的對(duì)液位控制過程進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)液面位置低于控制的預(yù)期時(shí)，能夠快速的調(diào)整液面位置，使其達(dá)到預(yù)期設(shè)定的液面位置。而且在液位控制過程中，能夠有效的處理各種突發(fā)和意外事件。當(dāng)液面位置出現(xiàn)突發(fā)性的事件時(shí)，能夠快速的進(jìn)行響應(yīng)，并迅速將液面位置調(diào)整至目標(biāo)液面位置。為了進(jìn)一步提高液位控制的有效性和精確性，除了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)外，近年來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的微處理器液位控制系統(tǒng)。 對(duì)于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下： 1、簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式 其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。 2、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式 這種控制方式是通過安裝在水箱下方的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到PLC，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由D/A變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。 PLC，是Programmable Logic Controller的縮寫，意為可編程控制器。可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)、微電子、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置。其本質(zhì)是以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC) 在1987 年對(duì)可編程序控制器作出如下定義: 可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。定義還強(qiáng)調(diào)了PLC 是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，它也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。 本文要求系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)的需要對(duì)液位進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)液位低于設(shè)定限位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行加液，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)停泵；操作人員可以通過觸摸屏進(jìn)行液位的上限和下限的設(shè)定、控制監(jiān)控等操作。 二、系統(tǒng)控制方案 （一）系統(tǒng)控制原理 系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理如圖2—1所示，系統(tǒng)主要是由PLC、變頻器、AD/DA模塊、水泵、液位傳感器（液位計(jì)）、觸摸顯示屏等組成。 使用PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的主要核心部分，液位的高低通過液位傳感器采集后，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的數(shù)據(jù)，PLC在將輸入的數(shù)據(jù)與程序內(nèi)設(shè)定的值進(jìn)行比較，并按PID運(yùn)算進(jìn)行誤差對(duì)比，最后由變頻器驅(qū)動(dòng)水泵，并且向PLC反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)。 圖2-1 系統(tǒng)控制圖 多余空行 此外，系統(tǒng)帶有觸摸屏顯示裝置，可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、當(dāng)前壓力、貯水池水位、設(shè)定壓力、壓力曲線、變頻器頻率、等各種控制參數(shù)等。系統(tǒng)工作壓力可以由觸摸屏設(shè)置。變頻器的作用是為三相水泵的電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而使水管的水壓連續(xù)變化。液位計(jì)的作用是檢測(cè)當(dāng)前液位壓力。在PLC內(nèi)部設(shè)定液壓期望值，壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制運(yùn)算輸出給變頻器一個(gè)控制信號(hào)。 控制結(jié)構(gòu)方面：現(xiàn)場(chǎng)使用一臺(tái)交流電機(jī)，可以使用單臺(tái)PLC進(jìn)行一對(duì)一的控制，并采用傳感器、變頻器等有關(guān)的各類對(duì)象的信息、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容方面：1. 、能夠遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)和停止； 2. 、具有水位過高和過低的報(bào)警和提示功能； 3. .、變頻器等其他設(shè)備的故障能夠及時(shí)的反映到PLC上下方多余空行，下面還有很多這種問題 。 （二）系統(tǒng)硬件組成 本系統(tǒng)主要是由兩個(gè)模塊構(gòu)成（如圖2—2）：分別是主控制模塊和變頻器調(diào)節(jié)模塊刪除下方空行 。 圖2—2 系統(tǒng)組成圖刪除下方空行 1. 、 主控制模塊 本系統(tǒng)選擇采用SIMENSE S7-200PLC作為主控制器， PLC 的CPU 上有一標(biāo)準(zhǔn)化MPI 接口，稱多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)，該接口既是編程接口又是數(shù)據(jù)通訊接口，使用S7 協(xié)議，通過此接口與上位計(jì)算機(jī)之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成MPI 網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備稱為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的MPI 地址，該地址在S7－200硬件組態(tài)中設(shè)置。 PLC 帶有A/D 接口模塊SM331和D/A接口模塊SM332，能將接收到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的信號(hào); 將處理完的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)提供給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制輸出。PLC通過液位傳感器接收來自水箱的狀態(tài)信息，根據(jù)控制目標(biāo)（由觸摸顯示屏輸入設(shè)置），并按照一定的程序進(jìn)行分析處理，控制信號(hào)通過輸出接口送往變頻器，從而控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。 選擇CPU226作為S7-200D的主機(jī)模塊，其具有40路數(shù)字量的I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可以擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。通信方面，CPU226具有2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。各項(xiàng)性能均可滿足液位控制系統(tǒng)的要求。 選擇EM232作為S7-200的模擬量輸出模塊。S7-200輸出的數(shù)字量經(jīng)過光電耦合器，在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器后驅(qū)動(dòng)變頻器。光電耦合器和EM231模塊中的功能一樣，是將內(nèi)外電路隔開，防止外部電磁干擾信號(hào)對(duì)S7-200內(nèi)部電路造成干擾。EM232模塊提供電流輸出（4~20）mA和電壓輸出（1~5）V兩種模式，由于MITSUBISHI S500變頻器只能接受電流信號(hào)，所以選擇電流輸出模式。EM232模塊上部有七個(gè)端子，左邊起每三個(gè)位為一組，為一路模擬量輸出。每組中包含有電壓負(fù)載端子、電流負(fù)載端子盒公共端，控制系統(tǒng)只需要一路模擬量輸出下方多余空行 。 2. 、變頻器調(diào)節(jié)模塊 變頻器( Variable－frequency Drive，VFD) 是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流( 交流變直流) 、濾波、逆變(直流變交流) 、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT 的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。 本系統(tǒng)中，變頻器接收S7-200PLC發(fā)出的控制信號(hào)并向水泵電機(jī)供電，構(gòu)成開環(huán)或者閉環(huán)系統(tǒng)、變頻器室利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。本系統(tǒng)采用的MITSUBISHI S500變頻器，它所采用的矢量控制變頻可以把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓都可以控制的交流電源以供給水泵發(fā)動(dòng)機(jī)。MITSUBISHI S500變頻器電路由整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)三個(gè)部分組成。整流環(huán)節(jié)為三相橋式不可控整流器；逆變環(huán)節(jié)為IGBT三相橋式逆變器；直流環(huán)節(jié)能夠起到濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率的作用。 多余空行 傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國(guó)SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定 (O0～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。 在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到A／D轉(zhuǎn)換器。 壓力變送器的工作原理見圖42-3。大氣壓力為PA，選定的零液位處壓力為PB，零液位至液面高度為H，其產(chǎn)生的壓差ΔP為 ΔP = PB - PA = Hρg公式中 ρ為水的密度g為重力加速度。 根據(jù)公式利用壓力變送器將PB轉(zhuǎn)換成DC4~20mA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC中便 圖2-3 壓力傳送器工作原理示意 得知被測(cè)的液位。 圖2-3 壓力傳送器工作原理示意下面刪除空行 3. 、 觸摸顯示屏： 為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標(biāo)或鍵盤。工作時(shí)，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成; ； 觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器; ；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它同時(shí)能接收CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，分別為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。 圖2-4 控制系統(tǒng)硬件圖下方多余空行 基于PLC和變頻器的液位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2-4所示?？刂葡到y(tǒng)的主控器S7-200PLC的EM231模擬量輸入模塊接受壓力傳感器送來的DA 4~20mA的水位信號(hào)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)后送至CPU226中，CPU226對(duì)檢測(cè)值和設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)EM232模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為94~20mA信號(hào)，輸出給變頻器，由變頻器來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量，最終控制水箱內(nèi)的液位穩(wěn)定在設(shè)定值。 三、系統(tǒng)調(diào)試第三章內(nèi)容太少 設(shè)定PID的參數(shù)，然后啟動(dòng)系統(tǒng)，開始采集當(dāng)前也為高低和PID運(yùn)算。當(dāng)液位達(dá)到當(dāng)前設(shè)置定值得上限值，水泵電機(jī)停止工作，當(dāng)液位達(dá)到當(dāng)前設(shè)置定值得上限值，需要時(shí)釋壓閥會(huì)自動(dòng)打開釋放液體；當(dāng)液位低于當(dāng)前設(shè)定值下限是，水泵電機(jī)開始工作 圖3-1 PLC水位控制流程圖 四、PLC程序設(shè)計(jì) 除了硬件選擇以外，軟件編程也是該設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在PLC 編程中，其常用的編程語言有以下三種指令: ：基本指令、步進(jìn)指令、跳轉(zhuǎn)指令?；局噶钍亲畛Ｓ玫囊环N指令，簡(jiǎn)單易懂; 步進(jìn)指令方法簡(jiǎn)單，順序性較強(qiáng)，主要是對(duì)順序控制進(jìn)行編程; 跳轉(zhuǎn)指令主要用于跳過順序程序的某一部分，正確地使用跳轉(zhuǎn)指令可以大大縮短程序的掃描執(zhí)行時(shí)間。 （一）梯形圖程序設(shè)計(jì)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(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號(hào)，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(qiáng)而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對(duì)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(jiǎn)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。 指令是用英文名稱的縮寫字母來表達(dá)PLC的各種功能的助記符號(hào)，類似于計(jì)算機(jī)匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號(hào)組成，比較抽象，通常都先用其它方式表達(dá)，然后改寫成相應(yīng)的語句表，編程設(shè)備簡(jiǎn)單價(jià)廉。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計(jì)算機(jī)常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過程比較詳細(xì)具體，包括每一框前的輸入信號(hào)，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達(dá)方式。 高級(jí)語言類似于BACIC語言、C語言等，它們?cè)谀承S家的PLC中應(yīng)用。通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有： 1 1、梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號(hào)地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。 2 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(shí)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(dòng)作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認(rèn)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(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“l(fā)態(tài)”，表示該繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開，反之為“o0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(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。 4 、梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。 5 、繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用：而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。 6 、PLC在解算用戶邏輯時(shí)，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)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(shí)動(dòng)作，這在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。所以，由梯形圖編寫指令程序時(shí)，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于一條指令，一條指令為一個(gè)步序。 當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。這種分時(shí)操作的過程稱為CPU對(duì)程序的掃描。掃描從0000號(hào)存儲(chǔ)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 （二）PLC程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn) 在液位控制系統(tǒng)中，最主要的程序設(shè)計(jì)是PID控制器的設(shè)計(jì)與模擬量信號(hào)的處理。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，只需每隔一定時(shí)間間隔采集一次傳感器的輸出液位信號(hào)刷新到PLC。若選用的液位傳感器的測(cè)量范圍為0～100m，對(duì)該傳感器采集到的0～10V輸出信號(hào)，PLC模擬量模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸入到PLC，S7－200D PLC對(duì)模擬量進(jìn)行規(guī)范化處理的程序如圖5所示。由于西門子S7－200D系列的PLC不允許將整形數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，因此需要將模擬量通道AIW0 的數(shù)據(jù)通過I_DI 指令轉(zhuǎn)換為DINT數(shù)據(jù)類型，并存放入AC0中，再將AC0中的數(shù)據(jù)使用DI_R轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，這樣提升了計(jì)算精度。對(duì)于0～10V的輸入信號(hào)來說，PLC 采集到的數(shù)據(jù)范圍在0～32000，最后通過MUL_R 指令換算出液位傳感器測(cè)量到的實(shí)際液位值存儲(chǔ)在VD200。 PID控制器是根據(jù)液位設(shè)定值與實(shí)際值的差值，按照PID算法計(jì)算控制器的輸出量，控制電磁閥的開度去改變液位的。PID控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定變化?？紤]液位控制系統(tǒng)屬于大滯后系統(tǒng)，控制器采用PI類型即可。S7-224XP PLC 能夠進(jìn)行PID控制，S7－200CPU最多可以支持8 個(gè)PID 控制回路( 8 個(gè)PID 指令功能塊) 。計(jì)算機(jī)化的PID 控制算法有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)Kc( 增益)、Ti( 積分時(shí)間常數(shù))、Td( 微分時(shí)間常數(shù))、Ts( 采樣時(shí)間)。S7－200的編程軟件Micro/WIN 提供了PID 指令向?qū)?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)PID 控制，按照采樣時(shí)間Ti 執(zhí)行PID 功能塊。利用PID 指令向?qū)нM(jìn)行編程，由于傳感器輸出信號(hào)為0～10V 的電壓信號(hào)，需要指定PID回路輸入類型為單極性。此外，PID指令向?qū)峁┝巳齻€(gè)輸出來反映過程值的低值報(bào)警、高值報(bào)警和過程值模擬量模塊錯(cuò)誤狀態(tài)以及PID 控制的手動(dòng)和自動(dòng)之間的無擾切換的能力。完成后，會(huì)在項(xiàng)目中生成PID子程序、中斷程序和符號(hào)表等等。PID指令使用了一個(gè)120字節(jié)的V 區(qū)參數(shù)表來進(jìn)行控制回路的運(yùn)算工作，向?qū)⒆詣?dòng)為該參數(shù)表分配符號(hào)名;除此之外，PID向?qū)傻妮斎?輸出量的標(biāo)準(zhǔn)化程序也需要運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 配置向?qū)е噶钔瓿珊螅柙谥鞒绦蛑姓{(diào)用生成的子程序，如圖4-2 所示是一個(gè)最簡(jiǎn)單的PID 子程序調(diào)用程序段。用SM0.0來使能子程序，PV_ I 是過程值的模擬量輸入地址AIW0( 上述模擬量輸入信號(hào)的規(guī)范化處理)，Setpoint_R 是設(shè)定值變量地址，本系統(tǒng)中直接輸入設(shè)定值常數(shù)50，根據(jù)向?qū)е性O(shè)定回路設(shè)定值的范圍( Low Rang～High Rang) 0．0～100．0，若此處輸入常數(shù)50 表示過程值的50%，而過程值的量程圍為0～100m 即設(shè)定值為50m，Output是控制量的輸出地址AQW0。為了使項(xiàng)目可以運(yùn)行，還需要調(diào)試PID 參數(shù)，編程軟件 STEP 7－Micro /WIN V4.0內(nèi)置了一個(gè)PID調(diào)試控制面板工具，具有圖形化的給定、反饋、調(diào)節(jié)器輸出波形顯示，新的S7－200CPU支持PID參數(shù)自整定，老版本的(不支持PID自整定)CPU的PID控制回路也可以用手動(dòng)調(diào)試PID參數(shù)，需要進(jìn)行調(diào)試的參數(shù)有: 一是采樣時(shí)間。計(jì)算機(jī)必須按照一定的時(shí)間間隔對(duì)反饋進(jìn)行采樣，才能進(jìn)行PID 控制的計(jì)算; 二是增益。增益與設(shè)定值和反饋的差值的乘積作為控制器輸出中的比例部分; 三是積分時(shí)間。偏差值恒定時(shí)，積分時(shí)間決定了控制器輸出的變化速率; 四是將微分時(shí)間設(shè)置為0 就不起作用，控制器將作為PI 控制器工作。參數(shù)整定完成后，點(diǎn)擊“Update PLC”將PID參數(shù)應(yīng)用到當(dāng)前PLC中去，PID控制器輸出去控制電磁閥的開度，輸出模擬量的規(guī)范化處理與輸入模擬量類似，PLC循環(huán)掃描執(zhí)行程序，刷新輸出。 圖4-1 模擬量得規(guī)范化處理程序 圖4-2 PID子程序調(diào)用程序段 （三）程序設(shè)計(jì)編程基本原則與注意問題 1. 、程序設(shè)計(jì)（梯形圖）編程基本原則 （1）梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列。每個(gè)繼電器線圈為以邏輯行，又稱為一個(gè)梯級(jí)。每個(gè)梯形圖由多層邏輯行組成。每一邏輯行起于左母線，經(jīng)觸電、線圈終止于右母線。 （2）觸電不能放在線圈的右邊，即線圈與右母線之間不能有任何觸電。 （3）線圈不能直接與左母線相接，如果需要，可通過一個(gè)沒有使用的常閉觸電或特殊繼電器R9010相連接。 （4）觸電可以任意串聯(lián)、并聯(lián)，而且同一觸點(diǎn)可以無限次使用。 （5）輸出線圈可以并聯(lián)不能串聯(lián)，同一輸出線圈在同一程序中避免重復(fù)使用下面空行 2 2、程序設(shè)計(jì)注意問題 （1）PLC和觸摸屏組成監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，在畫面上很多時(shí)候需要有"“手動(dòng)"“，"”自動(dòng)"“等控制模式(一般都是多個(gè)只能一個(gè)時(shí))。在程序里面可以用"“MOV"”指令。如:：當(dāng)選擇"手動(dòng)" 就將常數(shù)1存儲(chǔ)到一個(gè)寄存器里面， 當(dāng)選擇“"自動(dòng)" ： 就將2存儲(chǔ)到同一寄存器。只要判斷寄存器的數(shù)據(jù)是多少，就知道系統(tǒng)是那種控制方式。 這樣的思路好處是容易理解，不需要互鎖之類的麻煩程序。 （2）程序有模擬量控制時(shí)，如果讀取的模擬量基本上沒誤差，可以采取時(shí)間濾波的方式，延時(shí)一段時(shí)間(我做過一個(gè)系統(tǒng)，基本上能正常反映實(shí)際情況，但是偶爾會(huì)出現(xiàn)一次很大跳動(dòng)，由于沒有加濾波，引起了系統(tǒng)停機(jī)，其實(shí)不算故障)。如果讀取的數(shù)據(jù)誤差很大，就需要采取其它的濾波方式。如算平均值等?？梢圆殚喯嚓P(guān)的資料。 （3）在程序調(diào)試過程中(特別是設(shè)備改造時(shí)，你的程序是加入到原來設(shè)備的程序中時(shí))， 當(dāng)程序語句中出現(xiàn)條件滿足，而輸出線圈不接通時(shí)，可以檢查你的這段程序是否是在這樣的語句之間，還有一種可能就是在中斷程序之后。條件滿足而沒輸出不接通，一般都是這段的程序不被掃描。 （4）在設(shè)計(jì)程序的時(shí)候，當(dāng)出現(xiàn)工藝上的故障 (非控制系統(tǒng)控制)，，最好將故障現(xiàn)象保持，并有燈光聲音報(bào)警。 （5）當(dāng)檢查所設(shè)計(jì)的程序無誤后，對(duì)所輸入的程序進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。 （四）程序設(shè)計(jì)舉例 假設(shè)情況如下：液位機(jī)量程0—3米，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)0—10V，通過電位機(jī)進(jìn)行模擬介入PLC模塊的模擬量輸入?？凇Ｒ驪LC正確讀取液位機(jī)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成水池的液位；水泵控制具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種模擬；自動(dòng)模擬下，PLC內(nèi)部根據(jù)液位至控制水泵的啟動(dòng)和停止，水泵在液位上升至2米時(shí)停止，降到1米時(shí)啟動(dòng)；手動(dòng)模擬下水泵通過按鈕手動(dòng)啟動(dòng)/停止；水位上升到2.5米時(shí)，觸發(fā)液位超上限報(bào)警，故障指示燈常亮；對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水泵運(yùn)行信號(hào)輸出后，檢測(cè)水泵運(yùn)行反饋信號(hào)。如水泵運(yùn)行信號(hào)，輸出1秒后未收到水泵運(yùn)行反饋信號(hào)，則故障指示燈閃亮，同時(shí)復(fù)位水泵運(yùn)行信號(hào)。ALW0 輸入信號(hào)0—10V，對(duì)應(yīng)PLC寄存器數(shù)量0—3200D，輸入信號(hào)五路、輸出信號(hào)四路，見表4-1. 表4-1 I/O分配表 輸入/輸出 功能 I0.0 自動(dòng)手動(dòng)模擬裝換開關(guān)SA0，當(dāng)I0.0接通時(shí)為自動(dòng)模擬，I0.0斷開時(shí)為手動(dòng)模擬狀態(tài)。 I0.1 水泵手動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB1，常開點(diǎn)。 I0.2 水泵停止按鈕SB2，常閉點(diǎn)。 I0.3 故障復(fù)位按鈕SB3，常開點(diǎn) I0.4 水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋，正常狀態(tài)下，水泵運(yùn)行信號(hào)輸出后接通，水泵運(yùn)行信號(hào)斷開后斷開。 Q0.0 自動(dòng)模擬指示燈HL0. Q0.1 水泵運(yùn)行狀態(tài)指示燈HL1. Q0.2 故障指示燈HL2，超液位報(bào)警時(shí)常亮，水泵反饋信號(hào)異常報(bào)警時(shí)閃亮。 Q0.3 水泵運(yùn)行輸出KA3。 根據(jù)“液位機(jī)量程0—3米，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)0—10V”可得出：1米對(duì)應(yīng)3.33V，2米對(duì)應(yīng)6.67V，2.5米對(duì)應(yīng)8.33V，再由“ALW0 輸入信號(hào)0—10V，對(duì)應(yīng)PLC寄存器數(shù)量0—3200D”可得出：1米對(duì)應(yīng)數(shù)字量10667，2米對(duì)應(yīng)數(shù)字量21333，2.5米對(duì)應(yīng)數(shù)字量26667。 圖4-3 參考程序梯形圖 I0.0自動(dòng) / 手動(dòng)，模擬開關(guān)，當(dāng)改變它的狀態(tài)時(shí)，其前后沿都使Q0.3=0，目的是確保進(jìn)入自動(dòng)模擬或手動(dòng)模擬狀態(tài)時(shí)，水泵都處于停止?fàn)顟B(tài)。 I0.0=0（手動(dòng)模擬狀態(tài)）：按一下啟動(dòng)開關(guān)I0.1，使Q0.3=1，水泵運(yùn)行，按一下啟動(dòng)開關(guān)I0.2，使Q0.3=0，水泵停止。 I0.0=1（自動(dòng)模擬狀態(tài)）：當(dāng)液面上升2米高時(shí)，模擬塊輸出的數(shù)字量ALWO=21333，圖中2M支路的比較器動(dòng)作，使Q0.3=0，水泵停止運(yùn)行。同時(shí)T100得電開始延時(shí)，延時(shí)1秒時(shí)，如I0.4=1即水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋正常狀態(tài)下，其常閉點(diǎn)斷開，不會(huì)觸發(fā)M2.0，即不報(bào)警，但如I0.4=0（即水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋異常狀態(tài)），其常閉點(diǎn)閉合，將觸發(fā)M2.0，使M2.0=1，Q0.2閃動(dòng)輸出，即發(fā)出反饋異常報(bào)警。當(dāng)液面高度低于1米時(shí)，ALWO<10667，第二個(gè)比較器動(dòng)作，使Q0.3=1,水泵運(yùn)行。當(dāng)液面高度高于2.5米時(shí)，ALWO>26667，第三個(gè)比較器動(dòng)作，使Q0.3=0,水泵停。又使M2.1=1，Q0.2=1，發(fā)出故障報(bào)警。處理完故障后，按一下I0.3，其M2.0與M2.1=0，復(fù)位。 五、結(jié)論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。液位控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中有十分重要的作用和應(yīng)用價(jià)值。研究液位控制理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，既能夠提高工業(yè)控制中的液位控制能力，同時(shí)又也助于提升工業(yè)控制中的控制自動(dòng)化水平。而且由于液位控制的應(yīng)用面十分廣泛，因此研究和設(shè)計(jì)面向工業(yè)控制領(lǐng)域中的液位控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的統(tǒng)用和推廣應(yīng)用價(jià)值。液位控制系統(tǒng)是PLC 在工業(yè)控制中的重要應(yīng)用。本文采用PLC為主控制器、變頻器為執(zhí)行器，設(shè)計(jì)了一套液位控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點(diǎn)，能滿足一般化工生產(chǎn)過程中對(duì)液位的控制要求。 致謝 本論文是在曹雪林老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。曹老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向曹老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后，再次對(duì) 關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]. 吳智敏、陽勝峰，西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程，中國(guó)電力出版社，2009年05月第1版 [2]. 吳建強(qiáng)，姜三勇， 可編程控制器原理及應(yīng)用， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000年 [3]. 鄭萍主編，現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，重慶大學(xué)出版社，2003年03月第二版 [4]. 祁鴻芳等，PID 算法在西門子 PLC模擬量閉環(huán)控制中的實(shí)現(xiàn)，機(jī)床電器，2005年1月 [5]. 廖常初.PLC編程及應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社.2002年9月第1版 [6]. 薛美盛等，工業(yè)過程的先進(jìn)控制，化工自動(dòng)化及儀表，2002年29卷第2期 [7]. 王樹青等，先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用，化工自動(dòng)化及儀表，1999年26卷第2期 [8]. 李 平等，預(yù)測(cè)控制研究的概況，化工自動(dòng)化及儀表，1995年22卷第6期 [9]. 蔡子玉，基于西門子S7-200PLC的某反應(yīng)釜壓力安全監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，安全技術(shù), 2010年第3期 [10]. 楊達(dá)飛、歐艷華，基于PLC 的液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015年第15卷第2期文中并沒有標(biāo)出參考文獻(xiàn)序號(hào)