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1、基于PLC的水塔水位控制系统设计摘 要目前，在国内的供水系统中，包括水厂、高层建筑生活小区的供水系统中，仍然采用比较传统的供水方式，给值班员带来了不宜调节准确率较低等这些问题。传统供水方式存在许多缺陷，特别是多台多台水泵供水系统尤为严重。本文通过对PLC液位控制的设计思想和水塔自动供水系统，有效的解决了传统供水系统维护费用大，工作量大，寿命短，能耗大等诸多问题，PLC控制系统具有自动化程度高，节能，安全等特点。关键词: 水塔水位 PLC 液位控制Based on PLC control system to control the water tower water levelAbstractA
2、t present,In the domestic water supply system,Including waterworks water supply system of high-rise residential district,Still adopts the traditional way of water supply,Brought unfavorable to attendant regulating accuracy lower these problems. There are many defects. Traditional ways of water suppl
3、y,Especially many sets of more than one pump is particularly acute in the water system.Level control based on PLC of design idea and the water tower automatic water supply system.PLC control system has a high degree of automation, energy saving, safety, etcKey Words: water level of water tower PLC l
4、iquid level control1. 绪 论1.1 课题研究的背景和意义在工业生产中，电压、电流、温度、压力、流量，水位和开关量等都是我们常用的主要被控参数。其中，水位控制已经变得越来越重要了。在现代社会，经济飞速发展，水在人们正常生活和正常生产中起着及其重要的作用。我们设想一下，一旦没有了水，会给人们的生活带来极大的不变，圣旨可能造成严重的生产事故及损失。因此，给排水工程成为了高层建筑和工矿业企业中重要的基础设施之一。任何时候都能提供平稳的水压、足够的水量、合格的水质是给给水系统提出的最基本的要求。就目前而言，多数企业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本的储水设备，有一二级水泵
5、从地下市政水管补给。传统的控制方法存在控制能耗大、精度低、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需求发展起来的，是专门为工业环境条件设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制方式已经被PLC控制缩取代。 在工业农业生产一级日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。例如自动控制水池、水槽、水塔、锅炉、等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动电热水器、自动补水控制、饮水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制系统的基本技术要求都是不同的，精度要求也是不同的，但是其原理都大同小异。特别在实际操作系统中，可靠、安全、稳定是控制系统的基本要求。因此如何设计一个可
6、靠的、安全的、精度高的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能很好的解决以上这些问题，使水位控制在要求的位置。1.2 水塔水位系统研究的现状近年来，随着工业的快速发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用的研究。水塔水位的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。 目前，水位测量技术已经广泛的运用在日常检测部门和工业部门和中。例如，水位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。对测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在特别复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或者真空；有的需要防腐蚀性，防辐射；有的从安装上提出苛刻的限制要求；有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大
7、的提高了对水塔水位的要求。1.3 课题研究的主要内容本课题主要利用的是三菱公司的，构建一个水塔水位控制系统。本系统是有PLC、PC机和组态王软件构成。通过自由协议实现了PC机与S7-200PLC的串行通信。把组态王软件安装在PC机上建立水塔水位控制模型编程控制程序、建立动态连接。就可以实现水塔水位控制系统在组态王软件中实现，其系统主要实现功能为：（1）实现水塔水位的恒定控制 ；（2）利用组态王实现对系统的监控作用；实时报警（3）实现组态软件与PLC之间的通讯连接。2. 水塔水位控制系统控制方案2.1水塔水位控制系统的概括2.1.1水塔水位控制系统的工作原理可编程控制器,也称可编程逻辑控制器，它
8、是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，也是计算机家族的一名成员，简称PC，为了避免与个人电脑（也简称为PC）相混淆，所以把可编程控制器命名为PLC。可编程控制器的产生与继电器一接触器控制系统有非常大的关系。继电器接触器控制已有百年历史，它是一种采用弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有电路直观、结构简单、价格低廉、易于维修、容易操作等优点。此种控制系统布局固定，按预先规定的条件、时间、顺序工作。对于工作模式固定、要求简单的场合非常适用，至今仍有广泛的用途。然而当工作模式改变时，就应该改变控制系统的硬件接线，控制柜内的物件和接线都要作相应的改动，改造工期长，费用高，用户改造时宁愿丢掉旧控制柜，
9、另作一个新控制柜使用，阻碍了产品的更新换代。随着工业生产的迅速发展，市场竞争十分激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产需要从大批量、少品种向小批量、多品种转换，而继电器接触器控制难以满足市场需要，此类问题首先被美国通用汽车公司提了出来。通用汽车公司为了适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品的多样性需求，公开对外招标，要求制造出一种新的工业控制装置，取代传统的继电器接触器控制。其对新型装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即可靠性高于继电器控制柜维护方便，最好是插件式。编程简单，可在现场修改程序。可靠性高于继电器控制柜。可将数据直接送入管理计算机。在成本上可与继电器控制柜竞争。输入可以是交
10、流115V。输出可以是交流115V、2A以上，可直接驱动电磁阀。体积小于继电器控制柜。在扩展时，原有系统只要很小变更。用户程序存储器容量至少能扩展4KB。这十项指标就是现代PLC的基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通PC，它与有关外部设备，按照“便于扩充功能”和“易于与工业控制系统连成一体”的原则来设计的。用可编程控制器代替了继电器接触器控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉
11、计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在编程上发费大量的精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，是控制系统可方便地在需要的地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。1969年，第一台可编程控制器PDP-14由美国数字设备公司制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得很好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性的革命。PLC问世时间不长，但是随着微处理器的快速发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断地进步，PLC迅速发展。PLC进入90年代以后，工业控制领域几全部被PLC占领。有国外专家预言，PLC技术将在工
12、业自动化三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）中跃居首位。我国在80年代后才开始使用PLC，目前从国外引进的PLC大多使用的有日本OMRON公司C系列、三菱公司的F系列、美国GE公司的GE系列和德国西门子公司的S系列等。1.2 可编程控制器使用前景可编程控制器是在20世纪70年代发展起来的控制设备，是存储器、输入/输出接口、集微处理器与中断于一体的器件，已被广泛应用于机械制造、化工、冶金、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、通行能力、应用软件上的飞速发展，大大增强了可编程控制器的通信能力，丰富了可编程控制器编程技巧和编程软件，增强了PLC过程控制能力。所以，无论是单机还是多机控制、是过
13、程控制还是流水线控制，都可以采用可编程控制器。 1.3 PLC的发展虽然PLC问世时间不长，但是微处理器出现后，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展的过程大致可分为三各阶段：早期的PLC一般称作可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上是以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作出了改进以适应工业控制现场要求。装置中的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员
14、所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻
15、辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。1.4 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成，中央处理单元（CPU），如图1-1所示：一、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU
16、)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将编程器输出电路输入电路中央处理单元（CPU）电源系统程序存储器系统程序存储器图1-1 PLC控制系统示意图如此循环运行，直到停止运行。为了可以进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型
17、PLC还采用双CPU构成冗余的系统，或者采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。二、电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。PLC中的电源一般有三类：1、+5V和15V直流电源：供PLC中的TTL芯片和集成运放使用。2、供输出接口使用的高压大电流功率电源。3、锂电池及其充电电源。plc控制系统，它的cpu模块工作电压一般是5V，而plc的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V等。 PLC一般使用
18、220V交流电源或24v直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V，正负12V,24V等直流电源. 小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源, 但是驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。每种PLC都有不同的接法,具体要看何种品牌的PLC说明书.现有一种国产的PLC,他们的网站上有有关信号外部接线图, 厦门海为科技公司是一家从事设计、开发、生产PLC的专业厂家，对PLC的硬件、软件拥有100%自主产权，PLC的牌子叫Haiwell PLC，很不错的。PLCI/O接口输入部分有的直接丛COM口接出的这主要取决于各种可编程序控制器的基本接线特点，可以从其供货商产品样本资料
19、上得到，再就是取决于外部传感器等接线要求和个人工作习惯，只要能保证信号正常输入我认为是可以的。I/O点比较少的PLC，且不超过PLC本身电源的带载能力（查资料），可以用其自身的24V输出供电；I/O点比较多的大中型PLC，超过PLC本身电源的带载能力，应采用外部另引24V供电；要避免同时既用内部电源又用外部电源！三、输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器和工业生产设备或者工业生产过程中连接的接口。现场的输入信号，如行程开关、按钮开关、限位开关以及传感输出的模拟量或开关量，例如压力、流量、温度、电压、电流等，都要通过PLC的输入模块送到PLC。由于这些信号电平形式都不同，而可编程控制器的CP
20、U处理的信息只能是标准电平，所以PLC的输入模块还需将这些信号转换成PLC可以接受和处理的数字信号。输出模块的作用就是是接收中央处理器以及处理的数字信号，并把它转换成现场执行部件可以接受的控制信号，用驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块，它的类型有模拟量输入/输出模块和数字量输入/输出模块和。这些模块又分交流和直流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块，部件上也都设有输入接线端子排，为了去除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电祸合电
21、路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗千扰能力。数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电祸合器和输入锁存缓冲器与PLC的1/0总线挂接。模拟量输出模块D/A转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0一5伏和O一10伏两种，模拟电流主要是0一Zo
22、mA和4一ZomA两种。另外还有。一somV，o一IV、一5一+SV、一10一+10V，o一10mA等。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。四、编程器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型:便携式编程器(也叫简易编程器);图形编程器;用于IBM一PC及其兼容机的编程器。
23、便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。用于IBM一PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器
24、，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情
25、况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入/输出点数也不同，有的大型机输入/输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过
26、总线连接器与CPU相连。主要有数字输入/输出模板，模拟输入/输出模板，热电阻、电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。用扩展模板来扩展系统，具有以下的优点用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。当己运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。五、扩展模块当一个PLC中心单元的1/
27、0点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能1/0接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能1/0模块等。1.5 PLC的控制原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状
28、态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。6由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的
29、状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化
30、，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间
31、的总和。如图1-3所示图1-3 PLC扫描周期示意图1.6 PLC的特点1.使用灵活、通用性强PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同2.可靠性高、抗干扰能力强微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器接触器控制系统抗干扰能力强，但由于
32、存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达45万小时。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为060，无需强迫风冷。3.接口简单、维护方便PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修
33、更换。有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。4.体积小、功耗小、性价比高以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216127110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的1020。PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。5.编程简单、容易
34、掌握PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。6.设计、施工、调试周期短用继电器接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、
35、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。第2章 水塔水位控制系统PLC硬件设计2.1 水塔水位控制系统设计要求水塔水位控制装置如图2-1所示： 图2-1 水塔水位控制装置图水塔水位的工作方式1）保持水池的水位在S3S4之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为O
36、N，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S3时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S3为OFF，表示水位高于下限水位。当页面高于上限水位S4时，则S4为ON，电磁阀关闭。2）保持水塔的水位在S1S2之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S2时，则水塔下限液位开关S2为ON，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。当S2为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位开关S1时，则S1为ON，电机M停止抽水。当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。2.2 水塔水位控制系统主电路水塔水位控制系统主
37、电路如图2-2所示：图2-2 水塔水位控制系统主电路图2.3 I/O接口分配2.3.1 列出水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表。水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表输入继电器输入变量名输出继电器输出变量名X0控制开关Y0电磁阀X1水塔上限液位开关Y1电机MX2水塔下限液位开关Y2水池下限指示灯a1X3水池下限液位开关Y3水池上限指示灯a2X4水池上限液位开关Y4水塔下限指示灯a3Y5水塔上限指示灯a4Y6报警指示灯a52.3.2 水塔水位控制系统的I/O设备这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有5个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有13个，只需选用一般
38、中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配。第3章 水塔水位控制系统PLC软件设计3.1 程序流程图水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图，如图3-1所示： 图3-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。根据控制要求，设计的梯形图程序如图3-2所示。3.2 梯形图程序设计及工作过程分析梯形图编程语
39、言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。梯形图编程的一般规则有：（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。（2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母
40、线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有
41、触点，而左边必须有触点。（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。3.2.1 工作过程设
42、水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀打开，开始往水池里进水；如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水池报警灯A2亮。若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1亮，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水塔报警灯A5亮。当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A3亮，水阀就关闭。
43、但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A4亮，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A6亮。但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A3灭。此次给水塔供水完成。3.2.2 水塔水位控制系统梯形图水塔水位控制系统梯形图，如图3-2所示：图3-11 水塔水位上限指示程序梯形图第4章 水塔水位控制系统的组态设计4.1 组态软件概述是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动
44、控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。“组态”的概念是伴随着集散型控制系（简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控
45、制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态
46、软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。4.2 组态软件在我国的发展组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：待添加的隐藏文字内容3（1）国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；
47、（2）在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。 （3）当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，ManagementInformationSystem）和CIMS（计算机集成制造系统，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。4.3 组态软件发展方向前景展望监控组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，用户的需求对其发展起着最为关键的推动作用。 需求是推动其发展的源动力，触摸屏人机界面的
