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基于PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)TOC\o"1-3"\h\u24029摘要 摘要本文以西門子S7-300中型可編程控制器為核心,以MCGS組態(tài)軟件為上位機(jī),然后設(shè)計(jì)一個(gè)PLC的水箱液位控制系統(tǒng)。采用液位傳感器檢測(cè)儲(chǔ)水箱和水箱液位,使用流量傳感器檢測(cè)入水流量,通過(guò)水泵供水,使用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)入水流量。該系統(tǒng)使用液位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱液位,由PLC進(jìn)行處理,進(jìn)行PID調(diào)節(jié),PID輸出,用于PID控制環(huán)路的設(shè)置,并對(duì)流量進(jìn)行PID調(diào)整,流量PID調(diào)節(jié)輸出控制電調(diào)節(jié)閥開度,實(shí)現(xiàn)液位控制。分析了系統(tǒng)的控制要求、總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、組態(tài)設(shè)計(jì)和最終測(cè)試結(jié)果,以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞:水箱;液位控制;水箱液位一、緒論(一)課題背景在工業(yè)自動(dòng)化控制的生產(chǎn)流程中,一項(xiàng)很關(guān)鍵的管理技術(shù)參數(shù)便是液位。一個(gè)系統(tǒng)的液體水平的穩(wěn)定性影響著幾個(gè)問(wèn)題,如生產(chǎn)的效率及其質(zhì)量還有安全性?,F(xiàn)在對(duì)工業(yè)生產(chǎn)控制要求愈來(lái)愈高,而普通自動(dòng)控制設(shè)備已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的需要,于是我們又推出了可編程邏輯控制器(也稱為PLC)。可編程控制器是一個(gè)使用廣泛的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制設(shè)備,它融合了傳統(tǒng)的中繼控制、計(jì)算機(jī)和通訊等技術(shù)。它同時(shí)具備了可操控性、使用靈活性、高可靠性,以及持久的長(zhǎng)時(shí)間工作能力等特點(diǎn)。并且完全符合現(xiàn)代液位控制要求[1]。而PLC的推出也使控制方式變得更加集中、有效和及時(shí)。液位控制為人們的生活和生產(chǎn)提供了難以想象的改變,也讓控制變得更為安全可靠,節(jié)省了更多的勞工和工作時(shí)間。在中國(guó),由于工業(yè)社會(huì)的發(fā)達(dá),人們很早就建立了自動(dòng)控制。同時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)的液位高程控制器也獲得了相當(dāng)普遍的使用,尤其是鍋爐液位高程控制器,以及水庫(kù)液位高程控制器等。也用于黃河水管理,通過(guò)水平液面控制器監(jiān)測(cè)黃河水位,以防止黃河水位過(guò)高。在常用的可編程控制器中,西門子S7-300通過(guò)STEP7編程軟件的易用性和通信網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能得到了行業(yè)的大量應(yīng)用。(二)液位控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r液位控制系統(tǒng)在最近幾年有了長(zhǎng)足的發(fā)展,許多新的液位傳感器不斷涌現(xiàn),例如超聲波液位計(jì),雷達(dá)液位計(jì)和光電液位開關(guān)。本文介紹了幾種新型的液位控制裝置——光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、光電液位等。這些控制器的存在極大地提升了控制系統(tǒng)的精度。美國(guó)、德國(guó)和日本等世界主要科技大國(guó)研制了一批高效實(shí)用的液位高度控制器等等。這種高級(jí)控制器,能適應(yīng)復(fù)雜的工作條件和環(huán)境,同時(shí)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)擴(kuò)展液位控制器高度范圍[2]。由于工業(yè)化的作業(yè)以及工業(yè)化本身的發(fā)展,其生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)液位高度控制器的需求也愈來(lái)愈高,特別是高精度智能人性化液位高度控制器是目前國(guó)內(nèi)外液位高度控制器發(fā)展的主要趨勢(shì)。(三)主要研究?jī)?nèi)容以PLC為核心,以組態(tài)王為控制核心,設(shè)計(jì)了液位控制系統(tǒng),其主要組成部分由組態(tài)王配置監(jiān)控控制軟件,西門子PLCS7-200,水箱,儲(chǔ)水箱,電磁閥,液位變送器,水泵幾部分構(gòu)成。本文基于單片機(jī)和PID算法的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。設(shè)定值偏離了傳感器所檢測(cè)的真實(shí)數(shù)值,利用PID算法,能夠獲得準(zhǔn)確的水箱液位調(diào)節(jié)控制閥開度控制值,使我們能夠有效地對(duì)水箱及儲(chǔ)水箱水位進(jìn)行單獨(dú)控制。二、總體設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的液位控制系統(tǒng)如圖1.1所示,水泵電機(jī)M1和調(diào)節(jié)閥V1為水箱供水。LT1液面?zhèn)鞲衅靼惭b在儲(chǔ)水罐底部,LT2液面?zhèn)鞲衅靼惭b在水箱底部,檢測(cè)水箱液面和儲(chǔ)水罐液面。調(diào)節(jié)閥管路上設(shè)置有FT1流量計(jì)對(duì)水泵進(jìn)行流量檢測(cè)。在儲(chǔ)水罐內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)水時(shí),打開電路上的手動(dòng)閥門。關(guān)閉水管上的調(diào)壓閥和電磁閥門,F1流量計(jì)顯示出管道內(nèi)壓力值;當(dāng)水壓達(dá)到設(shè)定值后,開始工作。當(dāng)測(cè)得的水壓值過(guò)低時(shí),報(bào)警燈閃爍。關(guān)閉開關(guān)。啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)M1水泵電機(jī)對(duì)水箱水位進(jìn)行PID控制及PID流量控制,調(diào)水閥自動(dòng)開啟并對(duì)LT2水箱水位進(jìn)行調(diào)控[3]。圖1控制系統(tǒng)示意圖在調(diào)速過(guò)程中,水箱水位的調(diào)節(jié)是通過(guò)串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)的,以確??刂频钠交?。串級(jí)控制是指兩個(gè)調(diào)整器同時(shí)工作,一個(gè)調(diào)整器的輸出與另一個(gè)調(diào)整器的指定數(shù)值的系統(tǒng)。原理見圖2。主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器給定值副調(diào)節(jié)器二次干擾調(diào)節(jié)閥管道流量變送器流量傳感器水箱液位變送器液位傳感器一次干擾圖2串級(jí)控制原理圖該系統(tǒng)以LT2水箱的水位為控制目標(biāo),LT2液面控制電路為其主要控制電路。給定的數(shù)值是要求的保持水平,反饋值為實(shí)際液位。本系統(tǒng)采用了以AT89C51單片機(jī)為主控制器的智能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由硬件部分及軟件兩大部分組成。通過(guò)控制系統(tǒng)中采用的液位傳感器及液位變送器LT2將液位變換成0~10V的電壓信號(hào),PLC的模擬量輸入變換成數(shù)字量信號(hào),然后PLC計(jì)算液位的實(shí)際測(cè)量值,液位PID控制電路輸出值用作流量的設(shè)定值[4]。二次控制回路是一個(gè)流量控制電路,它的流量控制電路是PID控制電路的PID輸出,而流量PID控制環(huán)路是控制閥的實(shí)際流量測(cè)量。流量傳感器和流量發(fā)射機(jī)把流量變換成0-10V的電流信號(hào),然后通過(guò)PLC對(duì)其進(jìn)行處理,得到實(shí)際的流量測(cè)量結(jié)果。流量PID控制控制閥V1的開啟,該控制閥V1是由PLC模塊輸出模塊輸出的0-10V電壓信號(hào)進(jìn)行的。通過(guò)對(duì)閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié),使儲(chǔ)罐的液位穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)。三、硬件設(shè)計(jì)(一)PLC選擇PLC是整個(gè)液位控制器的基礎(chǔ),用來(lái)讀出、識(shí)別、運(yùn)算所有檢測(cè)信息、確定邏輯連接要求、運(yùn)算程序,并把命令傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外,還應(yīng)不斷地與上位機(jī)通訊,讀出其他有關(guān)變量參數(shù),并顯示液位控制器的工作情況、錯(cuò)誤告警、字體通知等。因此,液位控制PLC系統(tǒng)應(yīng)該具備高速響應(yīng)時(shí)間、掃描周期短、可靠性高、各種功能齊備等優(yōu)點(diǎn)[5]。PLC控制器通常由服務(wù)器硬件操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件二部門組成。PLC設(shè)備分為中央處理器、內(nèi)存、進(jìn)口輸出模組、輸入輸出模組、通訊模組、連接模組,以及供電部門;PLC軟件系統(tǒng)組成部分一般由操作系統(tǒng)程式和使用者程式所組合成。其中,操作系統(tǒng)程式由存放于PROM或EPROM操作系統(tǒng)中的PLC制造商所撰寫,CPU—提交給使用者,包含了操作系統(tǒng)的管理過(guò)程、應(yīng)用命令解釋程序,以及用于操作系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)編程塊;而應(yīng)用過(guò)程為用戶設(shè)計(jì)的應(yīng)用過(guò)程,即使是根據(jù)生產(chǎn)流程控制的要求也是如此[6]。經(jīng)分析,該系統(tǒng)具有4個(gè)數(shù)字輸入端口,5個(gè)數(shù)字輸出端口,3個(gè)模擬輸出端口,1個(gè)模擬輸出端口。西門子S7-300PLC是一款采用CPU315-2DP接口的高性能中大型PLC,通信方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于編程,可供選擇的模塊較多,易于使用,因此選擇S7-315-2DPPLC。S7-300PLC是模組化PLC,因此S7-315主體不包含任何輸入/輸出模組。水箱液位控制PLC控制系統(tǒng)主要的電氣元件如表1所示:表1PLC控制系統(tǒng)的電氣元件元件名稱型號(hào)數(shù)量中央CPU6ES7314-5AE03-0AB02個(gè)24V電源6ES73G7-OEAOO-OAAO2個(gè)24V繼電器3RHU22-1BB4010個(gè)RS485中繼器6ES7-972-0AA01-0XA02個(gè)延時(shí)繼電器3TK2828-1BB412個(gè)電源6EP1961-2BA002個(gè)存儲(chǔ)卡6ES7942-3AB02-0AB02個(gè)組合開關(guān)3TK05-1BE084個(gè)(二)調(diào)節(jié)閥的選擇控制閥是控制系統(tǒng)的執(zhí)行器,它接收到指令,完成控制任務(wù)??刂崎y的選用好壞,直接影響到控制效果的好壞。所以,我們應(yīng)該適當(dāng)?shù)刂匾曀?.控制閥的選擇原則1.1選擇閥門的開、關(guān)形式根據(jù)具體的生產(chǎn)工藝,選用不同的供電方式。通常,以下是選擇的準(zhǔn)則:A.滿足安全生產(chǎn)要求。也就是說(shuō),當(dāng)電源切斷、控制器無(wú)輸出故障或控制閥運(yùn)行不正常,當(dāng)閥芯回到初始無(wú)能源狀態(tài)時(shí),應(yīng)確保工藝設(shè)備的安全和防止出現(xiàn)故障。B.保證產(chǎn)品的品質(zhì).當(dāng)控制閥被關(guān)閉并回到原來(lái)的位置時(shí),產(chǎn)品的品質(zhì)不能下降。C.減少原材料、成品和能源損耗。在不能使用的情況下,當(dāng)控制閥恢復(fù)到原來(lái)的位置時(shí),原材料、成品和功率都不應(yīng)該浪費(fèi)。D.考慮到環(huán)境特點(diǎn)。例如,蒸餾塔鍋爐蒸汽控制閥通常選擇氣開模式,以確??刂崎y停電時(shí)能保持完全關(guān)閉,避免蒸汽浪費(fèi)。如果鍋爐液體是容易冷凝、結(jié)晶和聚合的材料,控制閥必須選擇氣關(guān)類型,這樣可以防止當(dāng)控制閥關(guān)掉電源時(shí),當(dāng)蒸汽進(jìn)入停止的時(shí)候,它就會(huì)使流體結(jié)晶并凝結(jié)在鍋爐里。按照上面的原理,我們?cè)诖诉x擇氣開閥。所以,即便是在控制閥關(guān)閉的情況下,它仍保持關(guān)閉狀態(tài)。1.2口徑選擇控制閥的管徑大小,直接影響到介質(zhì)通過(guò)控制閥的能力。從管理的觀點(diǎn)來(lái)看,若控制閥直徑太大,超出了最大支持流量的控制要求,則控制閥門經(jīng)常會(huì)在不大的開口下正常工作,閥流量特性也會(huì)變形,閥門特性會(huì)差。相反,如果控制閥門口徑太小,則工作條件正常,但開口過(guò)大,則閥門特性會(huì)差。另外,由于控制器口徑太小,不能適應(yīng)產(chǎn)品發(fā)展要求,而一旦生產(chǎn)裝置要求擴(kuò)大負(fù)荷,則控制器的初始孔徑也太小不足。所以,從生產(chǎn)管理角度考慮,控制器的孔徑選擇上應(yīng)當(dāng)保持足夠的開放性,以滿足生產(chǎn)規(guī)模的需要。在通常情況下,閥門的開啟范圍介于兩者之間[7]。1.3流量特性的選擇控制閥具有線性、對(duì)數(shù)(即等百分比特性)和快開三種特性,其中線性、對(duì)數(shù)形式的控制閥使用最多,圖3所示為各種閥門的特征曲線。圖3控制閥流量特性1.4結(jié)構(gòu)形式的選擇控制閥有多種結(jié)構(gòu)形式,如單板、雙軸、角、高壓、三通道、蝶閥和隔膜閥,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同需要和控制系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇。1.5閥門定位器的選用閥座定位器是用于控制閥的輔助設(shè)備。該裝置將控制器的信號(hào)作為輸入信號(hào),通過(guò)輸出信號(hào)對(duì)控制閥進(jìn)行控制,并將控制閥桿的運(yùn)動(dòng)信號(hào)送到閥門定位器的輸入,從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng):(1)減少控制器頭部與彈簧的不穩(wěn)定性和各種運(yùn)動(dòng)元件的干磨擦,增加控制器的準(zhǔn)確度與安全性,實(shí)現(xiàn)精確定位。(2)提高了部門的輸出功率,降低系統(tǒng)的延時(shí),加速閥桿的運(yùn)行。(3)修改控制閥的流量特性(4)通過(guò)閥門定位器向分割控制器所傳遞的信息,可以完成行程管理。由第一點(diǎn)和第二點(diǎn)都可發(fā)現(xiàn),當(dāng)控制器裝到閥門定位器上后,由于輸出功率的增加,反應(yīng)速度增強(qiáng),并且由于在控制器和控制閥之間建立了一個(gè)跟蹤控制系統(tǒng),因此可以根據(jù)控制器的信息進(jìn)行準(zhǔn)確的位置,從而速度大大提高了因此,當(dāng)獨(dú)立閥門前后的壓力差很大時(shí),或工作氣壓差很大時(shí),由于充填壓強(qiáng)差很大,所以摩擦很大;在工作現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離控制室時(shí),由于控制器的信息傳遞管線拉得更長(zhǎng),因此信息傳遞的延時(shí)也更大;而在控制門膜頭很大且位移很大的情形下,則可以給控制器裝備閥門式定位儀,以克服這些不利因素的影響,以便于改善控制器的動(dòng)靜態(tài)特性[8]。與該任務(wù)的主要內(nèi)容有關(guān),可綜合考慮如下三個(gè)方面:在該系統(tǒng)中,無(wú)需在控制器上設(shè)置閥門定位器:本課題涉及到本課題的研究?jī)?nèi)容,應(yīng)該從三個(gè)方面來(lái)考慮:(1)對(duì)系統(tǒng)的控制精度不高;(2)延遲并不十分嚴(yán)重;(3)更高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)費(fèi)用。1.6系統(tǒng)相關(guān)性分析由于系統(tǒng)只存在一個(gè)儲(chǔ)罐,沒(méi)有前后多個(gè)儲(chǔ)罐出口與入口相串聯(lián)的情況,而且,這臺(tái)油罐上的液面控制系統(tǒng),是唯一的控制參數(shù),所以通過(guò)分析,可以肯定的是:這套系統(tǒng)并沒(méi)有任何問(wèn)題。有鑒于此,并根據(jù)經(jīng)濟(jì)應(yīng)用原則,在此選用如圖所示的小型單座電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,具體型號(hào)選用型號(hào)和產(chǎn)品編號(hào)代表的含義均見圖4。圖4ZAJP精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥銘牌信息2.ZAJP精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥性能和技術(shù)參數(shù)介紹ZAJP單座小調(diào)整閥由DDZ型直線電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)和一對(duì)精密的單座小電動(dòng)閥所構(gòu)成。與伺服放大器的配合接受均勻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為四負(fù)二十mA或零負(fù)十mA時(shí),通過(guò)對(duì)開關(guān)的開度進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力、流量、水溫、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。適用于氣體泄漏情況苛刻、閥前、后壓差較小、粘稠度低、纖維介質(zhì)含量少的環(huán)境中工作。圖5ZAJP精小型電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)見表2表2執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)DKZ-410/410C輸出推力,N6400行程L,mm40全行程時(shí)間,s30主要技術(shù)參數(shù)電源電壓:220V/50Hz輸入電阻:Ⅲ250Ω、Ⅱ200Ω輸入通道:3個(gè)輸入信號(hào):4-20mA或0-10mA.DC輸出信號(hào):4-20mA或0-10mA.DC手操功能:手輪環(huán)境溫度:-25~+70℃環(huán)境濕度:≤95%調(diào)節(jié)閥性能指標(biāo)見表3表3性能指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)基本誤差%±5.0回差%≤3.0死區(qū)%≤3.0始終點(diǎn)偏差%氣開始點(diǎn)±2.5終點(diǎn)±5.0氣關(guān)始點(diǎn)±5.0終點(diǎn)±2.5額定行程偏差%≤2.5泄露量l/h0.01%×閥額定容量可調(diào)范圍R30:1(3)調(diào)節(jié)閥機(jī)械結(jié)構(gòu)和外形尺寸參見圖3.4和表3.4圖6機(jī)械結(jié)構(gòu)圖表4外形尺寸單位:mm公稱通徑DN40LPN16/40222A460B230H1PN16/40152H2490H3PN16/4073(三)液位測(cè)量變送儀表的選擇1.液位儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)液位在工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。目前,我國(guó)的高端、新型的現(xiàn)代化儀器大多依靠進(jìn)口,而高端液位檢測(cè)器的研制與制造依然是我國(guó)儀表工業(yè)發(fā)展的核心。在化工生產(chǎn)中,各種塔、水壺和貯液槽仍以差壓變送器為主。除了具有成本效益外,這類變送器的設(shè)計(jì)和實(shí)施比較簡(jiǎn)單。其次,磁浮、浮力和電容計(jì)也有相當(dāng)大的應(yīng)用量。隨著技術(shù)的發(fā)展,超聲波等液位傳感器使用迅速增加,壓力(差壓)磁強(qiáng)計(jì)的比例將降低[9]。在此系統(tǒng)中,要綜合考慮技術(shù)指標(biāo)和性能的優(yōu)劣,合理選用差壓變送器。2.差壓變送器的測(cè)量原理如圖所示,在密閉的容器內(nèi),除了液體的高度之外,還要考慮到空間上的壓力。在這個(gè)時(shí)候,液面測(cè)量應(yīng)該采用兩個(gè)凸緣將液體引導(dǎo)至差壓傳感器。用兩端的壓力差反映了液面。圖7差壓式液位計(jì)將集裝箱頂部空間的壓力設(shè)為,那么(3.1)(3.2)所以(3.3)即被測(cè)液位與差壓成正比3.差壓式液位變送器的選型原則(1)有腐蝕性的液體,粘稠的,熔融的,沉淀的液體等,可選擇差壓變換器,采取絕緣液注入、吹、噴液等措施。(2)對(duì)于腐蝕性液體、粘性液體、易氣化液體(包括懸浮液體),應(yīng)選擇壓力變送器,而不是平面壓力變送器。(3)至于易結(jié)晶的液體、粘稠液體、粘稠液體、沉淀液體等,應(yīng)選擇插入的法蘭壓力差變送器。(4)當(dāng)測(cè)量的物體有大量凝析油或沉淀時(shí),應(yīng)選用雙法蘭差動(dòng)水位變換器。(5)測(cè)量液面的差分液位轉(zhuǎn)換裝置必須具備正、負(fù)遷移機(jī)制,并在選定量程時(shí)確定其遷移量。(6)在通常情況下液體密度明顯改變的媒介,不得選擇差動(dòng)液位變送器。市場(chǎng)上有各種液位測(cè)量?jī)x器。在此背景下,本文從研究工作和實(shí)用兩個(gè)角度出發(fā),最終選定廣州森納士?jī)x表有限公司DPLT系列液位傳感器。4.DP系列LT型智能液位變送器產(chǎn)品介紹在圖8中可以看到,DP系列智能液位變換器型選用了國(guó)內(nèi)Dylix企業(yè)制造的傳感器核心,采用先進(jìn)數(shù)字設(shè)計(jì)制造的新型智能自動(dòng)變換器,通過(guò)直接數(shù)字電容電路,但沒(méi)有輸出的信號(hào)放大電路和變換電路。并通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償功能補(bǔ)償了靜態(tài)的電流壓力,有效提升了檢測(cè)準(zhǔn)確度,并降低了溫度漂移,本機(jī)體積小,安全性高,長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,檢測(cè)范圍廣,安裝簡(jiǎn)單,維修方便。本發(fā)明是一款具有HART現(xiàn)場(chǎng)總線、內(nèi)建數(shù)字顯示器的智能微分壓變送器,具有較強(qiáng)的抗干擾性、零穩(wěn)定性等特點(diǎn)。這種商品的價(jià)格比率非常高,目前普遍用于發(fā)電、冶金、石化、醫(yī)療和造紙行業(yè),并滿足了國(guó)家提出的IBC規(guī)范的規(guī)定[10]。圖8DP系列LT型智能液位變送器(四)主電路設(shè)計(jì)主電路如圖9所示,外部交流電源380V連接L1、L2、L3、n給設(shè)備供電。QF1是切斷設(shè)備電源的總斷路器。M1為泵電機(jī)、驅(qū)動(dòng)泵的供水,QF2為泵電機(jī)的啟動(dòng)接觸器,F(xiàn)R1為泵電機(jī)的過(guò)載保護(hù),防止電機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間超載而燒毀。圖9主電路圖(五)控制電路設(shè)計(jì)控制電路如圖10所示,220V交流電連接到l,n向控制電路供電。F3是控制電路的斷路器,F(xiàn)U1是控制電路的熔斷器。F3電路主要由三個(gè)部分組成:主控芯片(MCU),控制繼電器和輔助元件的驅(qū)動(dòng)器件。其中主控芯片負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理并完成邏輯運(yùn)算后發(fā)出指令至相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作。A1可完成220V50HZ至24VDC轉(zhuǎn)換,并對(duì)PLC的輸入、模擬輸入、輸出、傳感器等進(jìn)行24VDC供電[11]。KM1是泵啟動(dòng)觸頭,KA1是泵啟動(dòng)繼電器,PLC控制KA1線圈供電,KA1的常開觸頭斷開,KM1的接觸器被充電,KM1的常開主觸頭被切斷,泵馬達(dá)啟動(dòng)。圖10控制電路圖(六)PLC輸入和輸出分配在表5,6,7,8中,表5是輸入的數(shù)據(jù),表6是輸出的數(shù)字,表7是輸入分布表,表8是輸出的分布表。表5數(shù)字量輸入分配表名稱PLC地址外部編號(hào)啟動(dòng)按鈕I0.0SB1停止按鈕I0.1SB2急停開關(guān)I0.2SB3泵故障反饋I0.3FR1表6數(shù)字量輸出分配表名稱PLC地址外部編號(hào)泵電機(jī)啟動(dòng)Q0.0KA1自動(dòng)運(yùn)行指示燈Q0.1HL1故障指示燈Q0.2HL2液位高報(bào)警指示燈Q0.3HL3液位低報(bào)警指示燈Q0.4HL4表7模擬量輸入分配表名稱PLC地址外部編號(hào)儲(chǔ)藏罐液位PIW288LT1水箱液位PIW290LT2流量PIW292FT1表8模擬量輸出分配表名稱PLC地址外部編號(hào)調(diào)節(jié)閥控制PQW288Hz1(七)PLC輸入和輸出接線圖下面是PLC的輸入/輸出端子。通信拓?fù)淙鐖D11所示,上位機(jī)通過(guò)DP與PLC通信。圖11通訊拓?fù)鋱D以下是數(shù)字量輸入線路:圖12數(shù)字量輸入接線圖下面是具體的數(shù)字輸出線路圖:圖13數(shù)字量輸出接線圖下面是具體的模擬輸入線路圖:圖14模擬量輸入接線圖下面是具體的模擬量輸出接線圖:圖15模擬量輸出接線圖四、軟件設(shè)計(jì)(一)PLC內(nèi)部使用地址表9,10,11列出了PLC的一些內(nèi)部應(yīng)用,以便于編程和便于讀者查閱。表9PLC內(nèi)部字量輸入分配表名稱PLC地址啟動(dòng)按鈕HMIM0.0停止按鈕HMIM0.1急停開關(guān)HMIM0.2自動(dòng)使能條件M1.0邏輯0M100.0邏輯1M100.1開機(jī)初始化M100.2液位高報(bào)警定時(shí)T1液位低報(bào)警定時(shí)T2表10PLC內(nèi)部字量輸入分配表功能PLC地址儲(chǔ)藏罐液位讀取DB1.DBD0水箱液位讀取DB1.DBD4流量讀取DB1.DBD8臨時(shí)數(shù)據(jù)DB1.DBW12閥門開度DB1.DBD14表11DB1數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)功能PLC地址預(yù)設(shè)值液位設(shè)定DB2.DBD08.00E+01液位測(cè)量范圍上限設(shè)定DB2.DBD41.00E+02液位測(cè)量范圍下限設(shè)定DB2.DBD80.00E+00流量測(cè)量范圍上限設(shè)定DB2.DBD123.00E+02流量測(cè)量范圍下限設(shè)定DB2.DBD160.00E+00液位高報(bào)警設(shè)定DB2.DBD209.50E+01液位低報(bào)警設(shè)定DB2.DBD243.00E+01(二)控制程序流程圖控制程序流程圖見圖16所示。否否否是液位低?否水箱液位PID控制是模擬量輸出PQW288控制調(diào)節(jié)閥否開始液位高?啟動(dòng)否是等待自動(dòng)運(yùn)行PQW288輸出0,液位高報(bào)警PQW288輸出最大,液位低報(bào)警流量PID控制過(guò)載保護(hù)?故障報(bào)警,停止系統(tǒng)否是急停開關(guān)?故障報(bào)警/停止系統(tǒng)是否停止按鈕?結(jié)束 圖16程序流程圖啟動(dòng)系統(tǒng),開始設(shè)定參數(shù),讀取液面,以及開啟后的流量。按下啟動(dòng)鍵,啟動(dòng)系統(tǒng),工作燈亮,水泵電機(jī)開始工作。檢測(cè)到水泵發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷過(guò)大,或報(bào)告需要停止運(yùn)行的緊急情況。(三)硬件組態(tài)新建項(xiàng)目,SIMATICManager里點(diǎn)插入,點(diǎn)站點(diǎn),點(diǎn)2SIMATIC300站點(diǎn),插入300站點(diǎn)。雙擊插入的硬件,打開硬件配置,進(jìn)行硬件配置選擇。圖17插入300站點(diǎn)打開硬件配置,找到硬件配置樹,找到SIMATIC300,找到RACK-300,插入300機(jī)架。圖18插入300機(jī)架插入處理器并選擇CPU315-2p128KB;MPI+DP連接(DP主站或DP從站);最多32個(gè)多行可配置模塊:發(fā)送和接收功能,用于直接數(shù)據(jù)交換、恒定總線周期、路由、S7通信(FB/FC負(fù)載)、V2.0固結(jié)程序;同時(shí)可用作SIPLUS模塊。圖19插入CPU插入數(shù)字量輸入模塊,選擇DI16xDC24V,數(shù)字量輸入模塊DI1624V,分為16組,不能配置主站總線子模塊組態(tài)。圖20插入數(shù)字量輸入DI16xDC24V將模塊插入到數(shù)字量塊的輸入端,選用DO16xDC24V/0.5A,DO16x24VDC/0.5A數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行診斷,可以進(jìn)行在線再配置、雙擊改變地址、以Q0.0的地址為起點(diǎn)改變地址。圖21插入數(shù)字量輸出DO16xDC24V插入模擬輸入模塊,選擇DO16xDC24V/0.5A,DO16x24VDC/0.5A模擬輸入模塊,不能用主站總線子模塊進(jìn)行配置,地址以PIW288缺省參數(shù)開頭。圖22插入模擬量輸入模塊插入模擬輸出模塊,選擇2x12位,2/12位模擬輸出模塊,不能配置主站總線子模塊,雙擊地址啟動(dòng),選擇PQW288。圖23插入模擬量輸出模塊完成后總的硬件配置如下圖24總硬件配置(四)PLC梯形圖程序各部分子程序如下ORGANIZATION_BLOCKOB1BEGINNETWORK1TITLE="自動(dòng)使能條件"圖25自動(dòng)使能條件如圖25所示,NETWORK1是系統(tǒng)自動(dòng)使能條件,當(dāng)上位機(jī)急停開關(guān)、停止按鈕沒(méi)有按下,水泵沒(méi)有發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)使能條件被滿足。圖26系統(tǒng)泵電機(jī)啟動(dòng)條件如圖26所示,NETWORK2是系統(tǒng)泵電機(jī)啟動(dòng)條件,當(dāng)上位機(jī)啟動(dòng)按鈕,急停開關(guān)沒(méi)有按下,停止按鈕沒(méi)有按下,泵電機(jī)啟動(dòng)。圖27故障反饋如圖27所示,NETWORK3是當(dāng)上位機(jī)急停開關(guān)按下,系統(tǒng)故障得到反饋,故障指示燈閃爍。圖28參數(shù)設(shè)置如圖28所示,NETWORK4是系統(tǒng)開機(jī)時(shí),系統(tǒng)對(duì)參數(shù)和液位的設(shè)定。圖29液位測(cè)量范圍設(shè)置如圖29所示,NETWORK5設(shè)定液位測(cè)量范圍上限和下限。圖30流量測(cè)量范圍設(shè)置如圖31所示,NETWORK6是系統(tǒng)開機(jī)時(shí)對(duì)流量測(cè)量范圍上限下限的設(shè)定。圖31系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置如圖31所示,NETWORK7是設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)液位過(guò)高或過(guò)低是發(fā)出警報(bào)。圖32液位讀取如圖32所示,NETWORK8是系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)藏罐中液位的讀取。圖33水箱液位設(shè)置如圖33所示,NETWORK9是系統(tǒng)對(duì)水箱中水的液位上下限的設(shè)定并讀取。圖34流量讀取如圖34所示,NETWORK10是系統(tǒng)對(duì)流量的讀取。圖35液位上限位報(bào)警如圖35所示,NETWORK11是系統(tǒng)液位超過(guò)液位上限時(shí)警示燈發(fā)出警報(bào)。圖36液位下限位報(bào)警如圖36所示,NETWORK12是系統(tǒng)液位超過(guò)液位下限是警示燈發(fā)出警報(bào)。圖37復(fù)位如圖37所示,NETWORK12是復(fù)位開機(jī)初始化標(biāo)志五、HMI設(shè)計(jì)(一)通訊設(shè)定在MCGS組態(tài)軟體中,開啟“設(shè)備管理器”視窗,見圖38。在設(shè)備工具包中,將父級(jí)設(shè)備S7-300/400MPI添加到其母級(jí),再將西門子S7-300/400MPI加到其下。圖38添加MPI設(shè)備雙擊父機(jī),開啟設(shè)備屬性設(shè)定窗口,點(diǎn)選基本屬性,使用預(yù)先設(shè)定,最少收集時(shí)間為1000毫秒,初始工作狀態(tài)選擇1-啟動(dòng)。圖39設(shè)定MPI父設(shè)備屬性雙擊“MPI設(shè)備”子部件,打開“設(shè)備特性設(shè)置-設(shè)備1”、“基本點(diǎn)特性”、“初始工作狀態(tài)選擇1-啟動(dòng)”、“最小獲取時(shí)間1000毫秒”、“PLC站地址2”、“PLC段id0”、“PLC插槽號(hào)2”和“PLC機(jī)架號(hào)0”。圖40設(shè)定MPI子設(shè)備參數(shù)(二)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)MPI裝置1的基礎(chǔ)屬性中,點(diǎn)設(shè)定了裝備的屬性,開啟了頻道的屬性,提升了頻道的頻道,進(jìn)行通道增加。圖41打開通道設(shè)置因?yàn)闆](méi)有使用很多輸入,可以刪除I0.4到I0.7的預(yù)設(shè)通道圖42刪除部分輸入通道因?yàn)楸仨氂肕CGS來(lái)控制,增加點(diǎn),打開增加通道窗口,選擇m通道類型中間寄存器,通道地址為0,數(shù)據(jù)位數(shù)選擇通道位置0,連續(xù)通道數(shù)為3,操作模式選擇讀寫,點(diǎn)決定,增加。圖43增加M寄存器同樣,增加輸出通道,點(diǎn)增加通道,選擇通道類型的q輸出寄存器,通道地址為0,數(shù)據(jù)位數(shù)選擇通道位置0,連續(xù)通道數(shù)為5,操作模式選擇讀寫,點(diǎn)確定,增加q輸出寄存器通道。圖44增加Q輸出寄存器同樣,數(shù)據(jù)讀取通道,如液位、點(diǎn)增大通道、選擇v型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通道地址為0、數(shù)據(jù)塊號(hào)為1、選擇數(shù)據(jù)位數(shù)、浮點(diǎn)位數(shù)、連續(xù)通道數(shù)為3、工作模式選擇只讀。圖45增加讀取DB數(shù)據(jù)同樣,數(shù)據(jù)讀寫通道,如設(shè)置參數(shù),點(diǎn)增大通道,選擇v型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,通道地址為0,數(shù)據(jù)塊號(hào)為2,選擇數(shù)據(jù)位數(shù),浮點(diǎn)位數(shù)為32位,連續(xù)通道數(shù)操作模式選擇讀寫,確定點(diǎn),增加設(shè)置讀取和寫入數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的參數(shù)。圖46增加讀寫DB參數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定,完成的通道如下圖47增加通道完成了信道的添加、點(diǎn)信道的鏈接、信道變量與地址的鏈接,如下所示圖48通道連接當(dāng)通道建立完畢,確定節(jié)點(diǎn),向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中添加變量,完成后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)如下。圖49建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(三)組態(tài)畫面配置監(jiān)控屏幕,配置水箱控制模型,水箱插入,控制閥插入,手動(dòng)閥插入,液位傳感器插入,流量傳感器插入,管道連接等。設(shè)有啟動(dòng)按鈕,關(guān)閉按鈕,緊急關(guān)閉開關(guān),自動(dòng)運(yùn)行指示燈,故障指示燈,高水位警告燈,低水位警告燈。建立一個(gè)高水位和一個(gè)低水位的設(shè)定。設(shè)置實(shí)時(shí)警告和曲線控制.創(chuàng)建一個(gè)屏幕切換按鈕以在圖片間進(jìn)行切換。圖50監(jiān)控畫面設(shè)置參數(shù)設(shè)置屏幕,設(shè)置用于參數(shù)的輸入框。圖51參數(shù)設(shè)定畫面實(shí)時(shí)繪制曲線圖象、插圖控制、調(diào)節(jié)尺寸、液位、流速等實(shí)時(shí)曲線的顯示。圖52實(shí)時(shí)曲線畫面建立一個(gè)歷史曲線畫面,插入一個(gè)歷史曲線控制項(xiàng),調(diào)節(jié)尺寸,點(diǎn)擊,選取顯示資料來(lái)源,選取顯示變量,以顯示曲線儲(chǔ)存的歷史資料。圖53歷史曲線畫面建立報(bào)警畫面,插入報(bào)警控件,調(diào)整報(bào)警控件大小,雙擊選擇報(bào)警組,頂部建立報(bào)警測(cè)試按鈕,用于報(bào)警測(cè)試。圖54報(bào)警畫面(四)命令語(yǔ)言對(duì)于動(dòng)畫,必須將更新圖像的時(shí)間更改為100毫秒,方法是在點(diǎn)監(jiān)控屏幕的空白區(qū)域單擊鼠標(biāo)右鍵,然后顯示關(guān)聯(lián)菜單、點(diǎn)屏幕特性和點(diǎn)循環(huán)腳本。在編輯窗口中創(chuàng)建循環(huán)命令的步驟。詳細(xì)的命令見下。圖55循環(huán)腳本(五)調(diào)試如果沒(méi)有PLC,可以使用模擬自動(dòng)化系統(tǒng)和WINCC來(lái)執(zhí)行聯(lián)合模擬測(cè)試。在SIMATICManagerStep7編程軟件中啟動(dòng)仿真自動(dòng)化系統(tǒng),參見圖5.19。插入要監(jiān)視的變量。例如,IB0是位顯示,QB0是位顯示。db0顯示為L(zhǎng)T1的實(shí)數(shù),db1.dbd24顯示為L(zhǎng)T2的實(shí)數(shù),db1.dbd88顯示為FT1的實(shí)數(shù)。其他PIW288、PIW290、PIW292、PQW288等。下載的PLC程序,運(yùn)行點(diǎn)-P,啟動(dòng)PLC。圖56S7-300仿真PLC畫面編程軟件梯形圖編輯畫面,工具圖標(biāo)上點(diǎn)擊監(jiān)控,監(jiān)控PLC程序。監(jiān)控程序看是否符合設(shè)計(jì)要求,不符合,隨時(shí)更改,直到滿足要求。圖57S7-300PLC程序監(jiān)控畫面MCGS配置軟件主要包括:開啟主窗口,點(diǎn)系統(tǒng)屬性,開啟主窗口屬性配置窗口,點(diǎn)啟動(dòng)屬性頁(yè)面,向自動(dòng)操作窗口添加水位控制,水位控制為初始操作界面。圖58選擇開機(jī)運(yùn)行初始畫面打開MCGS的屏幕,點(diǎn)擊文件菜單,點(diǎn)擊Run,開始MCGS的運(yùn)行環(huán)境。圖59啟動(dòng)MCGS運(yùn)行MCGS啟動(dòng)后,初始畫面如下,預(yù)設(shè)為選擇仿真。圖60MCGS啟動(dòng)初始畫面按啟動(dòng)鍵、啟動(dòng)系統(tǒng),自動(dòng)操作指示燈點(diǎn)亮,水泵起動(dòng)、閥門調(diào)整,水位自動(dòng)改變。圖61啟動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視參數(shù)設(shè)置屏幕,設(shè)置參數(shù)圖62參數(shù)設(shè)定畫面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線的變化。圖63實(shí)時(shí)曲線畫面對(duì)歷史曲線進(jìn)行監(jiān)測(cè),并觀測(cè)歷史曲線的改變。圖64歷史曲線畫面切換至報(bào)警屏幕,點(diǎn)擊上方的報(bào)警測(cè)試按鍵,進(jìn)行報(bào)警試驗(yàn),紅色顯示報(bào)警,藍(lán)色顯示報(bào)警結(jié)束。圖65報(bào)警畫面六、總結(jié)本課題是液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中水箱液位為主要控制參數(shù),流量為二級(jí)控制參數(shù),調(diào)節(jié)閥開度為控制參數(shù),MCGS
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