水塔水位控制PLC系统设计_精品文档.doc

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水塔水位控制PLC系统设计

摘要

在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。

水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。

而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。

本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。

利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。

关键词：

水塔水位控制、PLC、程序设计

一、可编程控制器的产生

可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。

计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。

可编程控制器（ProgrammableController）也可称逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。

为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。

可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。

继电器—接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。

对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。

但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。

通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。

其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即:

1.编程方便，现场可修改程序；

2.维修方便，采用模块化结构；

3.可靠性高于继电器控制装置；

4.体积小于继电器控制装置；

5.数据可直接送入管理计算机；

6.成本可与继电器控制装置竞争；

7.输入可以是交流115V；

8.输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

9.在扩展时，原系统只要很小变更；

10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。

用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，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，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。

这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。

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（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。

PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。

国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

二、PLC的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，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，其发展过程大致可分为三各阶段：

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，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。

它在硬件上以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。

装置种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。

三、PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，有输入电路、输出电路、电源、中央处理单元（CPU）、存储器、编程器、I/O扩展接口、通信接口，如图1-1所示。

图1-1PLC基本结构

1、中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC控制中枢。

它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，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，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。

这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2、存储器

存放系统软件存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件存储器称为用户程序存储器。

（1）、PLC常用存储器类型

1>.RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

2>.EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除只读存储器。

断电情况下，存储器内所有内容保持不变。

紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

3>.EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除只读存储器。

使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。

（2）、PLC存储空间分配

各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

1>.系统程序存储区

2>.系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）

3>.用户程序存储区

系统程序存储区：

系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC性能。

系统RAM存储区：

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：

逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

3、输入/输出模块

输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。

现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。

由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。

输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。

这些模块分直流和交流、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，部件上都设有接线端子排，为了滤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广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。

数字两输出有继电器输出、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与数字量之间的转换，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，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。

现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。

另外还有：

0—somV、0—IV、—5—+SV、—10—+10V，0—10mA等。

模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，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。

4、I/O扩展模块

当一个PLC中心单元的I/O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，使可编程控制器的功能更加强大和完善。

只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、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、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。

5、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