【正文】 分 ................................................................................ 38 PLC 軟件部分 ........................................................................................... 47 第 6 章 結(jié)束語 ..................................................................................................................56 致謝 ....................................................................................................................................57 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................58 附錄 1：初始化配置 .........................................................................................................59 附錄 2： PLC 程序 ............................................................................................................60 1 第 1 章 引 言 液位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀 近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在發(fā)展和研究上也趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周圍的事物。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如差壓式液位測量、超聲波液位計、雷達(dá)液位計、光電液位開關(guān)、浮體式液位測量等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。這些先進(jìn)的控制器不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運(yùn)用先進(jìn)的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機(jī)技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣泛。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。 本設(shè)計研究的目的及意義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中， 液位 變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一 。在自動化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個很重要的控制參數(shù)就是液位。 在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動控制。 本設(shè)計研究內(nèi)容 本 設(shè)計 的系統(tǒng) 是 基于組態(tài)王監(jiān)控和 PLC 控制的 變頻水泵 液位 跟蹤 控制系統(tǒng)。水箱 的進(jìn)水處 與水泵的出水口相連接， 同時還有底部的出水口，而 水泵的進(jìn)水口與儲水池相連接， 變頻器、水泵由 PLC 控制。4 第 2 章 PLC 可編程控制器 可編程序控制器（ Programmable Controller,英文縮寫為 PC,后又稱為 PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。 1968 年，美國最大的汽車制造商 —— 通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮。 5 PLC 的定義 國際工委員會（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985 年 1 月又發(fā)表了第二稿， 1987 年 2 月頒布了第三稿。 定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，是一種計算機(jī)。 定義還強(qiáng)調(diào)了 PLC 能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和適 應(yīng)范圍。 PLC 的特點(diǎn) 可靠性高、抗干擾性強(qiáng) 通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全 編程簡單、使用方便 模塊化結(jié)構(gòu) 安裝簡便、調(diào)試方便 網(wǎng)絡(luò)通信 體積小、能耗低、便于機(jī)電一體化 6 PLC 的發(fā)展概況及趨勢 PLC 的發(fā)展概況 PLC 的發(fā)展速度十分驚人，目前用可編程序控制器設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 第 二階段：從 1973 年到 1978 年，是 PLC 的成熟階段。 第三階段：從 1978 年到 1984 年，是 PLC 的大發(fā)展階段。 它的編程語言除了梯形圖、流程圖、語句外表外，還能用高級語言，如 BASIC、 PASCAL、 C 語言、數(shù)控語言等。 一 、 大型化 大型 PLC 向著大存儲容量、高速度、高性能、增加 I/O 點(diǎn)數(shù)的方向發(fā)展。 PLC 的主要功能 PLC 在不斷發(fā)展，其性能也在不斷的完善、功能也在不斷的增強(qiáng)。配置 PID 控制單元或模塊，對控制過程中的某一變量進(jìn)行 PID 控制。 順序控制：在工業(yè)控制中， PLC 實(shí)現(xiàn)順序控制可以采用 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言 —— 順序功能圖（ Sequential Function Chart SFC）進(jìn)行設(shè)計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。 圖 21 PLC 的基本組成 微處理器 存儲器 電源 輸 入 單 元 輸 出 單 元 編程器 SB SQ SA KM YV HL 9 各組成部分的作用 一、 CPU： 將各種輸入信號取入存儲器。 二、 存儲器： RAM：存儲 各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、用戶正調(diào) 試的程序。 可控硅 高速大功率 。 PLC 的工作原理 PLC 采用循環(huán)掃描工作方式，這個工作過程一般包括 5 個 階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸入掃描、執(zhí)行用戶程序、輸出處理，其工作過程如圖 22所示： 10 圖 22 PLC的工作原理圖 當(dāng) PLC 方式開關(guān)置于 RUN 時，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于 STOP 時，不執(zhí)行后三個階段；此時可進(jìn)行通信處理，如對 PLC 聯(lián)機(jī)或離線編程。 S7200 可編程控制器簡介 PLC 中的 S7200 是德國西門子公司 1996 年推出的產(chǎn)品，它屬于小型 PLC，在1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2021 年升級為第三代產(chǎn)品。 S7200 的基本構(gòu)成 S7200 系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分構(gòu)成，其組成圖如圖 23 所示： 圖 23 S7200 PLC 系統(tǒng)組成 計算機(jī) CPU 主機(jī) TD200 文本 顯示 器 TP 系列 觸摸屏 通信及 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 EM1 擴(kuò)展 模塊 其他 設(shè)備 工業(yè)軟件 EM2 擴(kuò)展 模塊 EMn 擴(kuò)展 模塊 12 一 、 硬件 基本單元 擴(kuò)展單元 特殊功能模塊 相關(guān)設(shè)備 二 、 工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為更好的管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序、文檔及其規(guī)則的總和，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、過程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類構(gòu)成。 表 22 I/O 特性 型號 主機(jī)輸出類型 主機(jī)輸入點(diǎn)數(shù) 主機(jī)輸出點(diǎn)數(shù) 可擴(kuò)展模塊數(shù) CPU221 DC/繼電器 6 4 無 CPU222 DC/繼電器 8 6 2 CPU224 DC/繼電器 14 10 7 CPU226 DC/繼電器 24 16 7 五、存儲容量 ，如表 23。 組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器 （ Projmanager） 、工程瀏覽器 (TouchExplorer)及 畫面 運(yùn)行系統(tǒng) (Touchvew)三部分構(gòu)成。 組態(tài)王（ Kingview）是目前國內(nèi)比較流行的一種工業(yè)自動化通用組態(tài)軟件。其中監(jiān)控層對下連接 15 控制層，對上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以 動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實(shí)時趨勢 曲線 等，可便利的生成各種報表。 組態(tài)王主要用來組成監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。組態(tài)王擁有豐富的工具箱、圖庫和操作導(dǎo)向，在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要 考慮以下三個方面 ： 圖形是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺為目標(biāo)，集成了對亞控科技自主研發(fā)的工業(yè) 實(shí)時數(shù)據(jù)庫（ KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效的獲取信息，及時的做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。 組態(tài)王 集成了對 KingHistorian 的支持，極大的提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲能 17 力，能夠更好的滿足大點(diǎn)數(shù)用戶對存儲容量和存儲速度的要求。 連接與采集 ： 組態(tài)王 已能連接 PLC、智能儀表、板卡、模塊、變頻器等上千種工業(yè)自動化設(shè)備。 強(qiáng)大無比的通訊能力 ： 組態(tài)王 為第三方軟件提供了多種訪問組態(tài)王工程數(shù)據(jù)的接口，可以方便的對采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行 二次計算，應(yīng)用各種先進(jìn)的算法，以滿足工程上的特殊需要。 新增數(shù)據(jù)詞典變量的導(dǎo)入導(dǎo)出功能和變量名替換功能 ： －可以針對某一個或某些的變量進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出及變量名替換 ； －對于同類工程，或者在同一個工程中有多個相似功能塊的工程，變量導(dǎo)入導(dǎo)出功能可以方便的建點(diǎn) ； －變量在導(dǎo)入時，可以自定義前綴或后綴 、 新增配方管理功能 ： －可以同時管理多個配方文件，在運(yùn)行時方便的調(diào)用 ； －可以對當(dāng)前配方、待裝配方和實(shí)時值分別進(jìn)行保存，以便以后分析，查看 ； 新增組態(tài)王工程打包工具 ： 可以將制定的組態(tài)王工程進(jìn)行打包，在目標(biāo)計算機(jī)上之間安裝該打包文件，不需要再安裝組態(tài)王。用戶可以根據(jù)工程的需 要任意改變報表的外觀。20 第 4 章 變頻器 變頻器概述 隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)，自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，而異步電動機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電，改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段，它以其優(yōu)越的調(diào)速和起制動性能、高效率、 高功率因數(shù)和顯著的節(jié)電效果而廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等的大、中型籠型感應(yīng)電動機(jī)，它被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 西門子 Micromaster 4 系列變頻器 西門子的 Micromaster 4 系列變頻器是用于三 相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品， 由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。 21 西門子 MicroMaster420 變頻器 MicroMaster420 是全新一代模塊化設(shè)計的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。 10%，單相 /三相，交流， ； 380V480V177。 對于隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降反而要求電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增加的恒功率負(fù)載，雖然容易滿足無級調(diào)速的要求，但卻不能滿足低轉(zhuǎn)速時輸出大轉(zhuǎn)矩的要求。當(dāng)使用變頻器作為電動機(jī)的電源時時，有些變頻器具有控制電機(jī)正反 23 轉(zhuǎn)的功能。其次，變頻器的保護(hù)和抗干擾措施也是我們應(yīng)用變頻器時應(yīng)注意的問題?；谥悄芸刂频哪：刂?，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)及各種自優(yōu)化，自診斷技術(shù)等。所謂清潔電能變流器指變流器的功率因數(shù)為 1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波分量盡可能低，以減小對電網(wǎng)的公害和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。 5．高壓大容量變頻器的廣泛應(yīng)用。 25 第 5 章 基于組態(tài)王 與 PLC 液位控制系統(tǒng) 的設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計方案的提出 結(jié)合實(shí)際情況模擬一種與實(shí)際 應(yīng)用環(huán)境十分相當(dāng)場景 ， 提出 設(shè)計 一個 由 PLC、變頻器、水泵、水箱、水池以及相應(yīng)的傳感器組成液位控制系統(tǒng) 方案 。 再加上用組態(tài)王搭建的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng) 把各個部分的工作情況展現(xiàn) 反饋回控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。 本設(shè)計是液位的控制，所以 液位的高低是人工給定的，且液位是一個控制范圍。結(jié)合本設(shè)計情況，采用西門子公司的 S7— 200 系列，CPU 224XP CN 的 PLC 邏輯控制器。 液位檢測傳感器 液位檢測傳感器是用于檢測液位的高低，將液位的情況返回給控制中心 .在本 系 27 統(tǒng)中就用 CBM2100/CBM2700 投入式靜壓液位計 ，具體原理見硬件系統(tǒng) 。 儲水池 儲水池是一個無限大的水源地，在這里只是起一個水的無限量供給。 PLC 編程軟件是設(shè)計系統(tǒng)控制的一個平臺，可以為設(shè)計者帶來便利，是實(shí)現(xiàn)算法的 。硬件系統(tǒng)的質(zhì)量直接反應(yīng)出系統(tǒng)性能的高低，是關(guān)系到 實(shí)現(xiàn)控制的重要設(shè)備。控制變頻器的工作情況為：若液位在 A 之上，停止供水，關(guān)閉變頻器輸出；若液位在 A 之下 ， PLC