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.可編程技術(shù)課程設計（20152016學年第二學期）基于PLC的液位控制系統(tǒng)姓 名：張某某 學 號： 專 業(yè)： 指導老師： 趙運基 成績評定： 2016年 5 月 3 日目錄1 緒論11.1 引言11.2 課題研究的目的和意義11.3 課題液位控制系統(tǒng)的介紹21.3.1 課題的設計思路21.3.2 課題主要完成的工作32 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的總體方案設計42.1 液位控制系統(tǒng)的流程42.2 液位控制系統(tǒng)的主要功能53 液位控制系統(tǒng)的硬件方案與設計63.1 上位機硬件與電氣控制系統(tǒng)的設計63.2 PLC的選型及模塊配置63.3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖73.4 下位機PLC的選型及附件的選取84 液位控制系統(tǒng)的軟件設計114.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計114.1.1 組態(tài)軟件組態(tài)王的簡介114.1.2監(jiān)控程序的設計步驟124.1.3監(jiān)控系統(tǒng)的組成124.2 下位機程序設計154.2.1 PLC的程序設計154.2.2 PLC控制編程174.3 本章小結(jié)185 樣機試制及實驗分析195.1 樣機試制195.2 調(diào)試分析195.3 本章小結(jié)20致謝21參考文獻22附錄23附錄1：實物拍攝圖23附錄2：PLC串口通訊程序24附錄3：組態(tài)王組態(tài)畫面25摘要液位控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它是在固定的容器中通過保持溶液位置在某一特定的范圍內(nèi)上下波動的閉環(huán)系統(tǒng)，有了人工設置液位的特定的范圍，能夠保證后續(xù)的生產(chǎn)、生活處在低風險的環(huán)境下。液位自動控制系統(tǒng)經(jīng)歷了久遠的發(fā)展歷史，隨著工廠企業(yè)規(guī)模的不斷擴大和發(fā)展，人們生活質(zhì)量的不斷提高的需求，信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，相比于以前的人工看守、機械報警觀察等方法，新一代的液位控制系統(tǒng)必將朝著信息化和智能化的方向快速發(fā)展。本文主要研究了一種通過可編程控制器Programmable Logic Controller（以下簡稱PLC）和系統(tǒng)組態(tài)軟件組態(tài)王相結(jié)合的自動液位控制系統(tǒng)的設計首先對自動液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，應用前景進行了論述，在傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體設計方案和基本組成結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的相關(guān)設備，如液體流量計的計算和控制原理，技術(shù)參數(shù)等進行了介紹。 然后，論文給出了液位控制系統(tǒng)電氣控制部分的主要組成及采用PLC實現(xiàn)與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，并將在上位機界面實時的顯示液位，并且控制液位的流程。 最后，論文闡述了系統(tǒng)如何采用工控組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時記錄和監(jiān)控，設計了配比系統(tǒng)的工藝流程、報表管理、設備監(jiān)控、狀態(tài)顯示、故障顯示及報警等功能界面，并詳細介紹了每個界面的功能和使用方法，使現(xiàn)場的運行狀況、運行數(shù)據(jù)都可以在中央控制室中掌握，并且可以通過人機界面來實現(xiàn)參數(shù)設置、狀態(tài)控制的下達等功能。關(guān)鍵字：組態(tài)王；PLC；自動液位控制Abstract(這部分內(nèi)容可以不要)Level control system is in industrial production and daily life in the essential key. It is in a fixed position of the vessel by maintaining the solution in a closed-loop system fluctuate within a certain range, with manually set a specific range of liquid level, to ensure that the next follow-up of production and living in a low-risk environment. Liquid level control system has experienced a long history of development, with the constant expansion of factories and enterprises and development, and constantly develop and continuously improve the quality of life needs of people, information technology and automation technology, compared to the previous manual guards, mechanical alarm observation method, a new generation of liquid level control system will towards information technology and the rapid development of intelligent direction.This paper studies the design of a Programmable Logic Controller (PLC) and system configuration software configuration Xiang combination of automatic level control systemFirst, the status of the development of automatic level control system, applications were discussed, based on the traditional level control system based on the proposed design of the overall system and the basic structures, systems and related equipment, such as liquid flowmeter calculation and control principle, technical parameters were introduced.Then, the paper gives a level control system electrical control of major components and the use of PLC and PC to achieve data communications, and real-time display of the level in the PC interface, and control the level of flow.Finally, the paper describes how the system uses control configuration software for field data in real-time recording and monitoring, the process was designed matching system, report management, equipment monitoring, status display, fault display and alarm function interface, and details function and use of each interface to make the health field, operating data can be controlled by the central control room, and the man-machine interface can be implemented by parameter settings, state-controlled release and other functions.Keywords: Kingview PLC automatic level control1 緒論1.1 引言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)，這其中，液位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，液位在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。例如小區(qū)單元樓的供水系統(tǒng)，如果液位控制比較低，則會出現(xiàn)經(jīng)常斷水的問題，給日常生活的我們帶來不便；而如果液位控制比較高，則有儲水箱或者供水水管爆裂的重大事故出現(xiàn)。因此液位工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎設施之一。任何時候都能提供足夠的用量、平穩(wěn)的液壓、實時的數(shù)據(jù)觀察、未來的液位走勢趨勢是對液位控制系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活液位控制系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設備，并且需要留有專業(yè)的壓力表或者液位觀察窗。對于傳統(tǒng)的液位儲箱來說，由于所儲備液體的酸堿度不同，會導致控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點。可編程控制器Programmable Logic Controller（以下簡稱PLC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前液位控制的大多數(shù)方式被PLC控制取代。在科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，國外先進技術(shù)的影響，工業(yè)自動化水平的不斷提高的背景下，如何建立一個基于PLC控制的且可靠安全、又易于維護的液位控制系統(tǒng)是值得我們研究的課題。1.2 課題研究的目的和意義近年來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對液位控制系統(tǒng)進行技術(shù)方面改進已經(jīng)成為必然的趨勢，提出了通過數(shù)據(jù)采集、自動控制、遠程監(jiān)視、報警、運行管理、變頻調(diào)速等多方面的技術(shù)改進方法。在生產(chǎn)任務繁重的時候，要求系統(tǒng)能夠加快生產(chǎn)速度，集中控制電機的啟動、瀏覽生產(chǎn)工業(yè)流程圖、作出事故報警響應、調(diào)節(jié)電機運行速度等功能，實現(xiàn)所需功能的集中控制，這就要求系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制功能，并且實時對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控。組態(tài)軟件技術(shù)作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，在PC（Personal Computer以下簡稱PC）機上可開發(fā)出友好的人機界面，恰恰能滿足這一要求。 通過多方面的研究，結(jié)合現(xiàn)代先進的控制技術(shù)，可采用 PLC 控制技術(shù)、調(diào)速技術(shù)、組態(tài)軟件監(jiān)控技術(shù)，等來對液位控制系統(tǒng)進行設計，形成自動液位控制系統(tǒng)，應用液位控制系統(tǒng)不僅能夠提高控制的精度，相較于以往的人工控制，節(jié)省了人力物力，大大提高了人力的利用效率；相較于古老的液位機械式傳感器，在一定程度上，提高控制精度，降低了事故發(fā)生的風險。1.3 課題液位控制系統(tǒng)的介紹液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對容器內(nèi)介質(zhì)進行液位控制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。液位控制一般指對某一液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。液體液位的自動控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù)，是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。1.3.1 課題的設計思路本文選擇一水箱的液位控制系統(tǒng)為設計對象，涉及到對液位的動態(tài)控制，實時處理液位高度，液位流量計的計量、通訊及處理，液位高度的直觀表達，液位報警，水泵的工作情況等，對水箱液位控制系統(tǒng)的分析如下：上位機液位監(jiān)測系統(tǒng)232IF串口通訊三菱FX2nPLC 水泵將系統(tǒng)分為三部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，分為上位機，下位機，串口通訊。圖1-1 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖上位機作為遠程PC的監(jiān)控系統(tǒng)，需要滿足能夠?qū)崟r的顯示出水泵的工作狀態(tài)、液位的實時高度、能夠隨時控制下位機的啟動與停止、直觀的顯示出液位的實時趨勢、直觀的顯示出液位的歷史趨勢、保存歷史數(shù)據(jù)并打印、液位過低或過高及時報警并保存報警記錄。下位機在沒有上位機信號干擾的時候作為一個一階閉環(huán)慣性系統(tǒng)，由可編程控制器自動處理液位高度，并將液位流量記錄與數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部，方便與上位機進行數(shù)據(jù)通訊。串口通訊需要滿足上位機對下位機數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)處理后的意見實時發(fā)送給下位機，從而控制下位機的工作情況。1.3.2 課題主要完成的工作首先，對自動液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，應用前景進行了論述，在對傳統(tǒng)的配料系統(tǒng)進行研究的基礎上，提出了自動液位控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計方案和基本組成，并對系統(tǒng)硬件、性能、控制原理，技術(shù)參數(shù)等以及系統(tǒng)的其它相關(guān)設備進行了介紹。其次，給出了自動液位控制系統(tǒng)電氣控制部分的主要組成及采用PLC 實現(xiàn)液位閉環(huán)系統(tǒng)的自動控制的方法，在此基礎上，根據(jù)自動液位控制系統(tǒng)的要求對PLC 系統(tǒng)進行選型，硬件配置、軟件設計等，從而使該配料系統(tǒng)可以按要求自動完成注入溶液、溶液保持、排出溶液全過程，并給出了液位控制系統(tǒng)各部分的控制流程。再次，通過組態(tài)王組態(tài)軟件的應用，開發(fā)了配料過程監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)如何采用組態(tài)王實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時記錄和監(jiān)控，設計了系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝界面、報表、設備狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置、故障顯示及報警等功能界面，使用戶在控制室就可以通過人機界面來設置系統(tǒng)參數(shù)、啟動和停止電機，參數(shù)顯示等，完成了系統(tǒng)的遠程控制。最后，通過對液位控制系統(tǒng)的分析，總共實現(xiàn)以下兩種工作狀態(tài)：第一，通過上位機的手動遠程控制，可以實現(xiàn)遠程實時人工控制下位機的運行與停止；第二，在沒有上位機信號干擾的時候，把下位機本身作為一個閉環(huán)系統(tǒng)對待，即通過預設液位的高度，下位機能自主的控制水泵的工作狀態(tài)，并且將液位控制在預設范圍內(nèi)。2 基于PLC的液位控制系統(tǒng)的總體方案設計2.1 液位控制系統(tǒng)的流程開始自動或手動控制？預設液位高度向PLC傳輸指令PLC運行指令數(shù)據(jù)通訊傳輸脈沖數(shù)和水泵工作情況是否停止結(jié)束自動手動是否開始運行達到預設高度圖2-1 液位控制系統(tǒng)流程圖2.2 液位控制系統(tǒng)的主要功能論文所介紹的自動液位控制系統(tǒng)要求下位機單獨為一個閉合回路系統(tǒng)，其主要任務是通過系統(tǒng)設定的液位浮動范圍來自動的控制水泵的工作狀態(tài)，而對于整個液位控制系統(tǒng)而言，是一個半閉合的回路系統(tǒng)，即在上位機不干涉的情況下，下位機能穩(wěn)定的運行；在上位機有特殊需求或者改變設定的液位范圍的時候，下位機能隨時相應并保持這種運行狀態(tài)到下一次改變。液體配料控制系統(tǒng)設計與開發(fā)，主要包括以下功能：(1)液位系統(tǒng)的自動控制，手動控制功能自動控制方式由操作人員在鍵盤輸入需要設定的液位浮動范圍，系統(tǒng)自動完成液位控制。手動控制方式由操作人員直接在上位機或下位機上控制左右水泵的流量，操作者自己控制液位。 (2)設備運行故障狀態(tài)報警和報警記錄查詢監(jiān)控軟件監(jiān)測各執(zhí)行機構(gòu)運行狀態(tài)， 能夠?qū)Ω鞣N故障進行應急處理并報警提示，從而快速排除故障。同時系統(tǒng)靈活多變的控制方式也給故障處理提供了方便。各種電機故障等信息進行應急處理并提示(3)全過程系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控顯示功能由顯示器動態(tài)顯示各執(zhí)行機構(gòu)運行狀態(tài)。主要對左、右水泵和排出水泵的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，并顯示其功能，可及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。(4)生產(chǎn)管理以及報表打印該功能用于對生產(chǎn)進行管理(如配方管理等)，以及報表打印功能。系統(tǒng)可以存儲配比，并根據(jù)配方進行全自動配料。系統(tǒng)支持報表生成。在查詢出相應數(shù)據(jù)后，可生成Excel報表。如需要打印，可在Excel中調(diào)出相應文件進行打印。3 液位控制系統(tǒng)的硬件方案與設計3.1 上位機硬件與電氣控制系統(tǒng)的設計上位機選擇的是工業(yè)控制機，因其具有可靠性高，實時性好，擴充性好，軟硬件兼容性好，系統(tǒng)監(jiān)測和自復位的特點。工業(yè)控制機具有在粉塵、煙霧、高低溫，潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性，其MTR (Mean Tune to Repair)一般為5min，連續(xù)工作10萬小時以上，而普通PC的連續(xù)工作僅為1000015000小時。工業(yè)控制機對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速響應，及時進行采集和輸出調(diào)節(jié)，(看門狗功能是普通PC所不具有的)遇險自復位，保證系統(tǒng)的正常運行。工控機由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強的輸入輸出功能。最多可擴充20個板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設、板卡如車道控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車輛檢測儀等相連，以完成各種任務。能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種編程語言，多任務操作系統(tǒng)，充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。如今，看門狗電路已成為工業(yè)PC設計不可缺少的一部分。它能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時迅速報警，并在無人干預的情況下，使系統(tǒng)自動恢復運行。模擬系統(tǒng)的工業(yè)控制機選擇的是：ACER-4572G系列的PC機器，內(nèi)存為4G，硬盤為500G，選擇的顯示器是19寸彩色顯示器，可清晰地顯示各種圖形和文字，可對系統(tǒng)的操作和監(jiān)控等進行顯示。操作系統(tǒng)為WINDOWS7。工業(yè)控制機由外接電源供電，保證報表數(shù)據(jù)的完整記錄。工業(yè)控制機外接打印機，可供打印報表使用。3.2 PLC的選型及模塊配置可編程控制器隨著科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，可編程控制器的功能不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了原有的邏輯控制，順序控制的范圍，還具備了進行模擬量控制，過程控制以及遠程通訊等強大的功能。PLC 技術(shù)發(fā)展到今天，在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡等方面的能力都已經(jīng)有了大幅度的提高，漸漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。其主要特點有： 高可靠性，抗干擾能力強 、配套齊全，功能完善，適用性強 、易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 、系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 、體積小，重量輕，能耗低等特點。在現(xiàn)代集成電路技術(shù)的支持下，PLC 體積越來越小，重量也越來越輕，功耗也越來越低。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。由于以上PLC的工作原理以及特點，并且考慮到模擬系統(tǒng)的成本問題，這次的PLC選擇三菱公司的FX2N系列的PLC，并且外接的通訊擴展模塊為232IF。三菱公司的PLC可以由上位機組態(tài)王直接從寄存器中讀取數(shù)據(jù)，擴展模塊的安裝是為了驗證通訊的可靠性。3.3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的硬件部分分為兩塊：一是對整個下位機系統(tǒng)能否合理運行進行的檢測部分，這一部分通過運用三菱FX2N型號的PLC的擴展串口通訊模塊232IF來實現(xiàn)，通過D8120對PLC通訊格式的預設確定波特率、校驗位、停止位和通訊字長，然后上位機串口接收助手檢測是否有數(shù)據(jù)傳入，并顯示數(shù)據(jù)；二是在確認整個通訊系統(tǒng)能夠正常通訊，PLC能按照要求進行，直接通過數(shù)據(jù)線將上位機與下位機組態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。先來說檢測部分裝置的硬件電路。這部分由上位機、檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，對結(jié)構(gòu)圖的描述如下：系統(tǒng)使用三菱FX2N系列的PLC作為控制器，采用GX Developer作為PLC的編程軟件,運用組態(tài)王組態(tài)軟件建立人機交互界面，上位機與PLC之間的通訊采用RS232通訊協(xié)議。圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖PLC控制系統(tǒng)通過串口通訊擴展模塊接收來自流量計的檢測信號，對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析處理，控制整個系統(tǒng)的自動運行。在出現(xiàn)事故時，系統(tǒng)具有報警功能。除PLC控制系統(tǒng)外，系統(tǒng)還有電源電路、RS232接口電路等。第二部分就是組態(tài)王與PLC的硬件連接部分，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示圖3-2組態(tài)王與PLC硬件連接原理圖組態(tài)王讀取的數(shù)據(jù)通過COM組件讀取，COM組件與下位機PLC通過數(shù)據(jù)RS422總線連接進行數(shù)據(jù)交換。3.4 下位機PLC的選型及附件的選取（1）流量計的選取水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應來測量磁性物理量的傳感器。水流量傳感器主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾傳感器組成，霍爾元件的正極串入負載電阻，同時通上5V的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當水通過渦輪開關(guān)殼推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，由控制器判斷水流量的大小，進行調(diào)控。其電氣說明：1）本產(chǎn)品外觀輕巧靈便,體積小,便于安裝。2）葉輪內(nèi)部鑲有不銹鋼軸,永遠耐磨。3）密封圈采用上,下受力的結(jié)構(gòu)永不漏水。4）霍爾元件采用德國進口,靈敏度高，用灌封膠封裝,防止進水,永不老化。5）環(huán)保型設計，食品級POM材質(zhì)，小巧實用，可任意角調(diào)節(jié)。6）入水口為插管式，出水口為插管式式，連接更方便。7）流量范圍：0.1-3L/min，工作電壓：DC3-18V，額定電壓DC5V。8）輸出電壓(額定DC5V）：高電平4.5V以上，低電平0.5V以下；脈沖輸出占空比5010%。水流開關(guān)在使用的技術(shù)參數(shù)見表3-1和注意的事項：1）水流開關(guān)的安裝環(huán)境要避開有較強震動、帶磁環(huán)境和搖晃的地方，以免水流開關(guān)產(chǎn)生誤動作，為了避免顆粒、雜物進入水流開關(guān)，在進水口安裝過濾網(wǎng)。2）當磁性材料靠近水流開關(guān)時，其特征可能有所變化。3）水流開關(guān)須配合繼電器使用，因為光耦管的功率較小（通常為10W和70W）容易燒毀。繼電器的最大功率為3W，功率大于3W會出現(xiàn)常開和常閉的現(xiàn)象。4）流量范圍：0.1-6L/min。表3-1 流量計基本參數(shù)基本參數(shù)最大工作電流 15mA（DC 5V）工作電壓范圍 DC4.5 5V-24V負載能力 DC518 V使用溫度范圍 10 mA（DC 5V）允許耐壓 35%90%RH（無結(jié)霜狀態(tài)）保存溫度 -25+ 80保存濕度 25%95%RH水壓 1.75Mpa以下（2）水泵的選取水泵是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。衡量水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量；葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有離心泵、軸流泵和混流泵等類型。本文所選取的水泵為自吸式離心泵，自吸泵是靠泵自身的特殊結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生自吸作用的單級單吸離心泵，稱為自吸離心泵。和普通離心泵相比，在泵體結(jié)構(gòu)上有顯著差別：一是泵進口位置提高，有時還裝上吸入閥；二是在出水側(cè)設置了一個氣水分離室。自吸泵與普通離心泵相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用操作簡單，不但省去了起動前灌大量引水的麻煩，也省去了進水管低閥，減少了進水阻力，增加泵的出水量。自吸泵較多的是應用在輕小型噴灌機組和管道灌機組上。其具體工作參數(shù)如表3-2所示：表3-2 水泵工作參數(shù)基本參數(shù)水泵尺寸： 90毫米*40毫米*35毫米出水口直徑： 內(nèi)徑6毫米，外徑8.5毫米工作電壓： DC12V，工作電流：0.5-0.7A（功率必須達到6W以上）流量： 1.5-2L/Min（左右），最大吸程：2米揚程： 垂直最大為3米壽命： 最大可達2500H，水溫：可達80274 液位控制系統(tǒng)的軟件設計液位控制系統(tǒng)的軟件設計主要是指上位工控機的監(jiān)控部分和下位機PLC的控制程序部分。上位監(jiān)控部分的設計采用了組態(tài)軟件組態(tài)王作為開發(fā)工具。組態(tài)王能完成不同領(lǐng)域的自動化生產(chǎn)中畫面顯示和過程控制任務，它提供圖形顯示、信息生成及生產(chǎn)數(shù)據(jù)存檔和記錄等多種功能模塊。它強大的接口驅(qū)動軟件、快速的圖形更新特性及可靠的數(shù)據(jù)存儲功能保證了其高度的適用性。PLC控制程序的編程采用了GX Developer 8.83編程軟件作為開發(fā)工具，結(jié)構(gòu)化的程序設計使PLC按工藝要求實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的控制。4.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計在設計本系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)時我們必須選擇合適的工具，此工具必須能與PLC通信而且能提供友好的界面。PLC與上位計算機的通信可以利用高級語言編程寫程序?qū)崿F(xiàn)，但用戶必須熟悉互連的PLC及PLC網(wǎng)絡采用的通信協(xié)議，嚴格按照通信協(xié)議規(guī)定為計算機編寫通信程序，所以對用戶的要求比較高。如果選用專業(yè)工業(yè)控制組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC與上位計算機的通信則相對比較簡單，因為工控組態(tài)軟件一般都提供不同設備的通信驅(qū)動程序，用戶可以不必熟悉PLC網(wǎng)絡的通信協(xié)議，另外工控組態(tài)軟件提供的強大工具使用戶開發(fā)應用程序也變得非常簡單。本次設計中我們選用了北京亞控公司的工控組態(tài)軟件組態(tài)王來進行監(jiān)控系統(tǒng)的設計。4.1.1 組態(tài)軟件組態(tài)王的簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。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備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。4.1.2監(jiān)控程序的設計步驟組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。1) 工程管理器工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工 程進行搜索、添加、備份、恢復以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導入和導出等功能。2) 工程瀏覽器工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。 3) 運行系統(tǒng)工程運行界面，從采集設備中獲得通訊數(shù)據(jù)并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設計顯示動態(tài)畫面實現(xiàn)人與控制設備的交互操作。通常情況下建立一個應用工程大致可分為以下幾個步驟：第一步創(chuàng)建新工程為工程創(chuàng)建一個目錄用來存放與工程相關(guān)的文件。第二步定義硬件設備并添加工程變量添加工程中需要的硬件設備和工程中使用的變量包括內(nèi)存變量和I/O變量。 第三步制作圖形畫面并定義動畫連接按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。 第四步編寫命令語言通過腳本程序的編寫以完成較復雜的操作上位控制。 第五步進行運行系統(tǒng)的配置對運行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡、用戶等進行設置是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場前的必備工作。 第六步保存工程并運行。4.1.3監(jiān)控系統(tǒng)的組成本項目的監(jiān)控系統(tǒng)使用了一系列的監(jiān)控界面，這些界面之間存在著一些相互調(diào)用的關(guān)系，這些調(diào)用關(guān)系構(gòu)成了一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的監(jiān)控程序，以下將分監(jiān)控系統(tǒng)界面、參數(shù)設置界面、報警信息、故障統(tǒng)計、報表設計等幾個部分來闡述監(jiān)控系統(tǒng)的設計。(1)監(jiān)控系統(tǒng)界面在監(jiān)控系統(tǒng)主界面中顯示了整條生產(chǎn)線的示意圖。當監(jiān)控系統(tǒng)處在運行模式并且生產(chǎn)線運行正常時，主界面中的各個圖形對象正常顯示。當生產(chǎn)線出現(xiàn)故障或者報警時，與故障或報警的實際發(fā)生部位相對應的主界面中的圖形對象會改變顏色或者閃爍，同時在監(jiān)控界面中彈出窗口顯示故障或報警信息，以提醒操作人員對其進行相應的處理。通過主界面中相應的按鈕可以自由切換到主監(jiān)控界面，還可以切換到系統(tǒng)參數(shù)設置等其他界面。在主監(jiān)控界面中分別詳細地表示了本部分的運行狀況，通過各自的主界面可以清楚地對其每個部件的工作情況進行實時監(jiān)控，對于某些特殊的部分還可以另外添加獨立的監(jiān)控界面。下圖4-1就是本文設計的上位機界面。其中有系統(tǒng)運行的模擬畫面，其中兩個水泵分別為水泵1號和水泵2號，后面的啟動停止按鈕分別控制相應的水泵的停止與運行。綠顏色線條為管道，管道上方有流量計，用于計數(shù)流過的液體流量，其中當前液位顯示水箱中液位的高度，并且在畫面左側(cè)有水箱顯示液位高度。左下角的退出系統(tǒng)為退出整個監(jiān)控系統(tǒng)，左上角的畫面選擇用作切換畫面。圖4-1 本文上位機界面示例(2)參數(shù)設置界面監(jiān)控系統(tǒng)中的參數(shù)設置通常分兩類：一類是監(jiān)控系統(tǒng)本身的參數(shù)，另一類就是控制系統(tǒng)中的一些控制參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)本身的參數(shù)有系統(tǒng)日期、系統(tǒng)時間、機臺名稱、機臺號和與網(wǎng)絡配置有關(guān)的一些參數(shù)，另外監(jiān)控系統(tǒng)中集成的用戶權(quán)限管理也在本參數(shù)設置中實現(xiàn)。在HMI(human machine interface，人機接口)應用內(nèi)的安全體系必須允許每個操作人員完成自己的任務，同時確保過程監(jiān)控的完整性。本項目我們采用了在WIN7操作系統(tǒng)下運行監(jiān)控系統(tǒng)，我們利用了組態(tài)王自身的用戶管理實現(xiàn)了對操作系統(tǒng)的安全性設置。在組態(tài)模式下我們在用戶管理器中添加了不同權(quán)限的用戶，每個用戶根據(jù)其權(quán)限設置可以使用或更改監(jiān)控系統(tǒng)中的某些參數(shù)或功能， 這些功能有：更改用戶權(quán)限、手動設置變量標簽的輸入值、自動，手動過程控制的切換、編輯監(jiān)控畫面、在不同畫面中切換、確認，鎖住，釋放報警、修改存檔數(shù)據(jù)等等。通過合理地設置用戶權(quán)限可以防止用戶對某些重要功能的訪問和對重要參數(shù)的修改。在運行模式下，使用具備用戶管理權(quán)限的用戶名和密碼登陸監(jiān)控系統(tǒng)后可以在用戶管理界面中對各個用戶進行管理，包括用戶的添加刪除、密碼設置、訪問權(quán)限的添加修改等等。通過參數(shù)設置界面用戶可以對與生產(chǎn)線運行相關(guān)的一些控制參數(shù)、常量等進行設置，及時根據(jù)具體情況調(diào)整機器的運行參數(shù)， (3)報警信息用組態(tài)王組態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)表示位報警和模擬量報警功能。位報警是根據(jù)標簽指定位的狀態(tài)產(chǎn)生相應的報警信息，可用于對開關(guān)量的判斷。模擬量報警是對標簽的極限值進行監(jiān)測：如果標簽值高于指定的上限值(可以是一個常數(shù)或者是另一標簽的當前值)，則產(chǎn)生上限報警：如果標簽值低于指定的下限值(常數(shù)或者另一標簽的當前值)，則產(chǎn)生下限報警。產(chǎn)生的報警信息通常采用彈出窗口的形式顯示與監(jiān)控畫面的頂端，直到相應的報警被確認或者報警被消除時才消失，操作人員可根據(jù)報警信息快速找到故障原因并進行相應處理；報警信息出現(xiàn)的同時將監(jiān)控系統(tǒng)自動切換到發(fā)生報警的監(jiān)控畫面，并將出現(xiàn)報警的部位以閃爍的形式顯示于監(jiān)控畫面中，這樣更直觀地為操作人員提供了報警信息。當有多個報警同時發(fā)生時將優(yōu)先顯示優(yōu)先級較高的那個報警?；赑ROFIBUS現(xiàn)場總線的PROTOS控制系統(tǒng)的設計報警過程中用到的報警信息是預先組態(tài)好的，組態(tài)報警信息時需要定義信息行格式，信息等級，信息窗口和應答方式等等。報警信息的生成是響應過程值輸入預先定義的位變量或模擬值的極限制。除了完成對控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常狀況進行報警外，監(jiān)控系統(tǒng)還可以對自身一些異常情況進行報警，如存檔數(shù)據(jù)庫空間不足、打印機連接等等。報警信息將存放于硬盤的報警檔案中，檔案庫可以存儲所有的報警信息，也可以根據(jù)報警等級、序號、時間和日前，信息文字，或其他參數(shù)進行篩選后存儲。有兩種信息檔案庫的類型：1)短期檔案庫是一種循環(huán)的數(shù)據(jù)庫，用于存放預先定義好數(shù)目的報警信息，當該檔案庫滿了，新的信息將覆蓋最老的信息，總是保持檔案庫的大小尺寸恒定。2)順序檔案庫保存所有生成的信息，必須具有備份策略，即定期地移走檔案庫的內(nèi)容并把它們存到個外部媒體上。報警信息可以用表格的形式顯示于監(jiān)控畫面上或由打印機輸出。(4)故障統(tǒng)計本項目中的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)需要定期地進行維護，監(jiān)控系統(tǒng)中提供的故障統(tǒng)計功能可以為維護帶來方便。故障統(tǒng)計中以表格的形式對各個故障，報警信息進行了統(tǒng)計，對各類報警，故障發(fā)生的時間、數(shù)量、頻率、以及在總故障中占的比重等分別進行了統(tǒng)計，故障統(tǒng)計中對生產(chǎn)線的由于故障發(fā)生的停機情況也進行了統(tǒng)計，通過分析停機原因我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中容易發(fā)生故障的地方，通過采取相應的措施降低系統(tǒng)的故障率，從而提高使生產(chǎn)率。生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)均可以在監(jiān)控系統(tǒng)中以報表的形式加以輸出，通過組態(tài)王中的報表設計器可以快速組態(tài)所監(jiān)視過程的報表，報表設計器與圖形設計器界面類似，報表可以是圖形格式也可以是文本格式或兩種均有。每個報表都包括報表布局和打印作業(yè)，報表布局決定了報表的樣式和所包含的數(shù)據(jù)是什么，打印作業(yè)決定了該報表什么時間按什么時間表進行打印，以及打印的數(shù)據(jù)范圍、使用的打印機等。報表除了直接打印外還可以打印到監(jiān)控系統(tǒng)中的一個文件中去。4.2 下位機程序設計液位控制系統(tǒng)的下位機為閉合回路控制系統(tǒng)。其主要原理是通過PLC本身的自動循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)來保證下位機穩(wěn)定的運行，通過FX2N-232IF模塊與上位機的數(shù)據(jù)通訊，實時的在上位機中顯示出當前的工作狀態(tài)，并由上位機傳輸控制信號來改變下位機下次執(zhí)行PLC程序中控制液位的高度。4.2.1 PLC的程序設計PLC的程序設計由以下幾個方面組成（如圖4-2）：(1)主程序主程序完成對整個系統(tǒng)的控制。編程時，把功能相對獨立的部分編制成一個子程序，主程序一次調(diào)用各個子程序來完成其控制功能，主程序通過調(diào)用不同的函數(shù)實現(xiàn)總體的功能。主程序要執(zhí)行的功能有：運行前的檢測，故障排查，左水泵程序控制，右水泵程序控制，排出泵程序控制。其中左右流量計等機構(gòu)動作控制式在給容器的控制程序塊。 (2)初始化予程序初始化子程序在上位機發(fā)出復位命令且不是順序啟動和同時啟動條件下調(diào)用，該子程序主要完成對各控制清零的功能。以便于上位機實施控制。(3)上電控制子程序上電控制子程序的功能和初始化子程序基本相同，其作為一個獨立的模塊，完成在系統(tǒng)開始上電時，將各控制位清零，以便系統(tǒng)重新開始各種操作，防止誤動作。(4)電機運行控制 電機運行方式分為自動控制和手動控制。實際生產(chǎn)過程中，整個系統(tǒng)的電機均處于聯(lián)鎖運行方式。在聯(lián)鎖方式下運行時，電機可以順序啟動、順序停止、同時啟動、同時停止以及單機啟動和單機停止。所謂的單機運行就是指手動控制時各臺電機的單獨啟動和停止，不需要嚴格的啟停順序，該操作(手動)通常只是用于安裝設備、系統(tǒng)調(diào)試及檢修設備時。聯(lián)鎖命令和單機運行命令都是由上位機下達再由下位機不同模塊來執(zhí)行。圖4-2PLC串程序指令圖4.2.2 PLC控制編程本論文中下位機與上位機的串口通訊采用16位數(shù)據(jù)通訊。在通訊過程中，下位機需要向上位機發(fā)送水泵的工作狀態(tài)，流量計的脈沖數(shù)目。水泵的工作狀態(tài)我同過下位機向上位機發(fā)送不同的ASCII碼來判斷是否在工作，流量計的脈沖數(shù)通過PLC內(nèi)部的16計數(shù)器來計數(shù)并存儲于PLC內(nèi)部寄存器內(nèi)（D200-D500），然后通過串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C中，實時顯示液位高度。(一) 系統(tǒng)配置如圖4-3所示圖4-3 液位系統(tǒng)配置圖示(二) 設置通訊格式如表4-1所示表4-1組態(tài)王、PLC、PC機通訊參數(shù)設置設置項缺省值波特率9600數(shù)據(jù)位長度7停止位長度1奇偶校驗位偶校驗(三) 控制程序設計圖4-4 控制程序部分示例如圖4-4所示，Y3和Y4為兩個水泵工作線圈，X3和X4為水泵按鈕開關(guān)。PLC上電時M8002與M8000觸點動作，C0和C1計數(shù)器復位，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至D1和D2數(shù)據(jù)寄存器中，由組態(tài)王直接讀取。4.3 本章小結(jié)本章首先解釋了設計監(jiān)控系統(tǒng)的意義以及組態(tài)的含義：（1）對該監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進行了介紹；（2）對PLC的串口通訊進行了詳細敘述，首先設置PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑缓笤O置傳輸?shù)钠鹗嘉缓徒Y(jié)束位，然后設定水泵的工作狀態(tài)，當一種狀態(tài)實現(xiàn)，則向上位機發(fā)送對應的工作情況；（3）對組態(tài)王組態(tài)軟件與PLC 的通訊進行介紹，通過介紹組態(tài)系統(tǒng)的設計步驟，并結(jié)合項目介紹了組態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，較詳細地說明了監(jiān)控系統(tǒng)的設計過程。設計好的監(jiān)控系統(tǒng)將于PLC控制系統(tǒng)同步工作，為控制系統(tǒng)提供了友好的人機界面，為操作和維護等工作提供了極大的方便。下位機PLC設計包含PLC及其相關(guān)模塊的硬件選型和連接結(jié)構(gòu)，繪制了控制程序流程圖。5 樣機試制及實驗分析5.1 樣機試制依照系統(tǒng)思路，制作如圖5-1樣機。圖5-1 樣機圖樣 圖中可以明顯看出兩個水泵，分別是輸入和輸出水泵。中間沒有封口的瓶子為模擬水箱；旁邊白色盒子為PLC。5.2 調(diào)試分析調(diào)試是在生產(chǎn)線上各單元設備能正確動作的開始。調(diào)試的基本步驟：硬件的接線完全正確通電正常網(wǎng)絡的組態(tài)I/O強制檢修運行方式手動運行方式自動方式。調(diào)試的關(guān)鍵在于通訊的正確,并且可以在上位機上進行操作管理。首先進行組態(tài)網(wǎng)絡的調(diào)試,將所有PLC控制柜的電源和通訊線連接完成，并按照設計的組態(tài)網(wǎng)絡地址進行地址分配。計算機通過網(wǎng)絡對PLC系統(tǒng)進行組態(tài)，上位機組態(tài)軟件與主PLC的通訊調(diào)試。網(wǎng)絡調(diào)通之后，對所有的I/O點進行強制，再次驗證PLC接線和地址分配的正確性，在強制調(diào)制時可以通過上位機觀察各個點的狀態(tài)。當PLC組態(tài)完成強制正確之后，可以開始連接PLC并且觀察它的通訊狀態(tài)。調(diào)制PLC分為兩部分進行：先采用測試信號模擬現(xiàn)場設備狀態(tài)，輸入給單片機和可編程邏輯控制器，進行調(diào)試。這部分我用通訊串口助手作為上位機，在設置完格式之后，PLC向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，并發(fā)送接觸器觸點工作情況。調(diào)試正確后，去掉測試信號，直接使用現(xiàn)場信號，先進行軟件手動調(diào)試，同時可以檢測控制與現(xiàn)場的連線是否暢通：在軟件和手動正常后，再進行自動控制調(diào)試。調(diào)試過程中，首先檢查了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設備、通信轉(zhuǎn)換模塊硬件的電氣標準與現(xiàn)場兩者的匹配。所以根據(jù)實際情況，改變布線結(jié)構(gòu)，電源線和信號線實行隔離措施，消除干擾。接著，調(diào)試計算機程序，依次向單片機、可編程邏輯控