基于plc的水位控制系统毕业设计与实现

基于plc的水位控制系统毕业设计与实现内容摘要：

用户不能访问和修改。 用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。 为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 CMOS 静态RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。 为了防止干扰对RAM 中程序的破坏，当 用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器 EPROM 中。 现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器。 工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。 存放在 RAM中，以适应随机存取的要求。 在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况确定的。 根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。 由于系统程序及工作数据与用户无直接 联系，所以在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。 当 PLC 提供的用户存储器容量不够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。 输入 /输出单元输入 /输出单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连接部件 PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部CPU 的处理的信息只能是标准电平，所以 I/O 接口要实现这种转换。 I/O 接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力。 另外， I/O 接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。 PLC 提供了多种操作电平和驱动能力的 I/O 接口，有各种各样功能的 I/O 接口供用户选用。 I/O 接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。 常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。 继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出 接口的响应速度快，动作频率高但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。 PLC 的 I/O 接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为 PLC 输入 /输出（ I/O）点数。 I/O 点数是选择 PLC 的重要依据之一。 当系统的 I/O 点数不够时，可通过 PLC 的 I/O 扩展接口对系统进行扩展。 PLC 配有开关电源，以供内部电路使用。 与普通电源相比， PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。 对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值177。 15%的范围内波动。 许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感器供电。 通信 接口 PLC 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。 PLC 通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它 PLC、计算机等设备实现通信。 PLC 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它 PLC 连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。 远程 I/O 系统也必须配备相应的通信接口模块。 智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的 CPU、系统程序、存储器以及与 PLC 系统总线相连的接口。 它作为 PLC 系统的一个模块通过总线与 PLC相连，进行数据交换并在 PLC 的协调管理下独立地进行工作。 PLC 的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。 人机接口装置人 /机接口装置是用来实现操作人员与 PLC 控制系统的对话。 最简单、最普遍的人 /机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、 LED 显示器、声光报警器等器件构成。 对于 PLC 系统，还可采用半智能型 CRT 人 /机接口装置和智能型终端人 /机接口装置。 半智能型 CRT 人 /机接口装置可长期安装在控制台上， 通过通信接口接收来自 PLC 的信息并在 CRT 上显示出来；而智能型终端人 /机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与 PLC 相连，也可作为独立的节点接入 PLC网络。 EPROM 写入器是用来将用户程序固化到 EPROM 存储器中的一种 PLC 外部设备。 为了使调试好用户程序不易丢失，经常用 EPROM 写入器将 PLC 内 RAM 保存到EPROM 中。 图 PLC 逻辑结构图 PLC 的工作原理 PLC 实质上是一类工业控制专用的计算机，它的结构原理与微型计算机相似，皆由软件系统和硬件系统两 部分组成，所以它的工作原理也是建立在计算机的工作原理基础上。 也就是说 PLC 的控制功能也是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。 用户程序是通过编程器预先写入存储器中，由 CPU 采用循环扫描的工作方式来执行。 （ 1）扫描工作原理 当 PLC 运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但 CPU 不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。 由于 CPU 的运算处理速度很快，所以从宏观上来看， PLC 外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。 这 种串行工作过程称为 PLC 的扫描工作方式。 用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。 然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。 PLC 的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。 电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而 PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点 不会立即动作，必须等扫描到该时才会动作。 但由于 PLC 的扫描速度快，通常 PLC 与电器控制装置在 I/O 的处理结果上并没有什么差别。 PLC 的扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。 如图所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。 整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。 扫描周期与 CPU 运行速度、 PLC 硬件配置及用户程序长短有关，典型值为 1～ 100ms。 在内部处理阶段，进行 PLC 自检，检查内部硬件是否正常，监视定时器（ WDT）是 否复位以及完成其它一些内部处理工作。 在通信服务阶段， PLC 与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。 当 PLC 处于停止（ STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。 当 PLC处于运行（ RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。 PLC 的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。 当 PLC 扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过 CPU 内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于 CPU 内部故障使程序执行进入死循环。 PLC 执行程序的过程及特点 PLC 执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段输入采样阶段在输入采样阶段， PLC 以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。 接着进入程序处理 阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。 2）程序执行阶段 在程序执行阶段， PLC 对程序按顺序进行扫描执行。 若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。 当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。 当指令中涉及到输入、输出状态时， PLC 从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中对于元件映象寄存器来说其内容会随程序执行的 过程而变化。 3 输出刷新阶段当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。 在这一阶段里，PLC 将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。 因此 PLC 在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。 当PLC 进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。 这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。 在用户程序中如果对输出结果多次赋值则最后一次有效。 在一个扫描周期内，只在输出 刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。 在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。 这种方式称为集中输出。 对于小型 PLC，其 I/O 点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使 PLC 工作时大多数时间与外部输入 /输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 而对于大中型 PLC，其 I/O 点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能 I/O 接口等多种方式。 从上述分析可知，当 PLC 的输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为 PLC 输入／输出响应滞后。 对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。 应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC 扫描工作方式造成，更主要是 PLC 输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。 滞后时间是设计 PLC 应用系统时应注意把握的一个参数。 图 PLC 控制系统一般设计步骤 小结 本章主要介绍了 PLC 的来源及定义 、分类及应用、特点及组成、 PLC 的逻辑结构及其工作原理、以及一般设计步骤。 PLC 的控制功能是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。 用户程序是通过编程器预先写入存储器中，由 CPU 采用循环扫描的工作方式来执行。 PLC 及其有关的外围设备易于与工业控制系统形成一个整体，内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令 PLC 和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。 本文在此介绍采用可编程控制器（ PLC）来完成对数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务利用对 PLC 软件 的设计 ,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止 /自动两种控制方式，并设有试验功能。 PLC 选型 目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列 PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种 PLC，故 PLC 系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。 在此情况下， PLC 的选择应着重考虑 PLC 的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的 PLC。 本文介绍以四段液位控制对象为例，据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用日本立石（ OMRON）公司 C20P 型 PLC。 PLC 水位控制系统整体结构如图 所示。 图 系统整体结构框图 系统硬件配置 为实现液位的手动 /自动控制，需要输入口 12 点，输出口 8 点，选用 C20P20点 I/O 单元的 PLC，输入光电隔离，输出继电器隔离，负载能力强；液位检测采用干簧管传感器，手动 /自动转换、运行 /试验转换和液位设定采用双位旋钮，手动启泵、停泵和确认、试验采用常开按钮；输出选用电子音响报警器和 24V 直流指示灯、继电器。 参见图。