基于plc的水位控制系统设计与实现

基于plc的水位控制系统设计与实现内容摘要：

造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 （ 1） 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现 逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及 自动化 流水线。 如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （ 2） 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。 为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（ Analog）和数字量（ Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。 PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （ 3） 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。 从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置 传感器 和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 世界上各主要 PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、 机器人 、电梯等场合。 （ 4） 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 作为工业控制计算机，第 12 页 共 47 页 PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。 大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。 过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 （ 5） 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、 函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （ 6） 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。 随着计算机控制的发展，工厂 自动化 网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。 新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 [12]。 PLC 的分类 及 组成 PLC 的分类 PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。 对 PLC 的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类。 （ 1） 按 结构形式分类 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和 模块 式两类。 整体式 PLC 是将电源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。 小型 PLC 一般采用这种整体式结构。 整体式 PLC由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。 基本单元内有 CPU、 I/O接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口 ， 以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。 扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU。 基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。 整体式 PLC 一般还可配备特殊 功能 单元，如模拟量单元、位置控制单元等 ，使其 功能 得以扩展。 模块 式 PLC 是将 PLC 各组成部分，分别作成若干个单独的 模块 ，如 CPU 模块 、第 13 页 共 47 页 I/O 模块 、电源 模块 （有 的含在 CPU 模块 中）以及各种 功能模块。 模块 式 PLC 由框架或基板和各种 模块 组成。 模块 装在框架或基板的插座上。 这种 模块 式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。 大、中型 PLC 一般采用 模块 式结构。 还有一些 PLC 将整体式和 模块 式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。 叠装式 PLC 其 CPU、电源、 I/O 接口等也是各自独立的 模块 ，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各 模块 可以一层层地叠装。 这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧 [13]。 （ 2） 按 功能 分类 根据 PLC 所具有的 功能 不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档三类。 低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本 功能 ，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等 功能。 主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 中档 PLC 除具有低档 PLC 的 功能 外，还具有较强的模拟量输入 /输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子 程序 、通信联网等 功能。 有些还可增设中断控制、 PID 控制等 功能 ，适用于复杂控制系统。 高档 PLC 除具有中档机的 功能 外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊 功能 函数的运算、制表及表格传送 功能 等。 高档PLC 机具有更强的通信联网 功能 ，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化 [14]。 （ 3） 按 I/O 点数分类 根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。 小型 PLC—— I/O 点数 256 点；单 CPU、 8位或 16 位处理器、用户存储器容量4K字以下。 中型 PLC—— I/O 点数 256～ 2048 点；双 CPU，用户存储器容量 2～ 8K。 大型 PLC—— I/O 点数 2048 点；多 CPU， 16 位、 32 位处理器 ，用户存储器容量 8～ 16K。 PLC 的 组成 PLC 的基本结构主要由 3 部分组成：中央处理器 CPU、 存储器系统的 ROM 和第 14 页 共 47 页 RAM 等 、 系统的输入 /输出模块。 系统内部采用总线结构进行数据和指令的传输。 其中， CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入 /输出设备与 CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。 对于整体式 PLC，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式 PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。 无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进 行配置与组合。 （ 1） 中央处理单元（ CPU） 同一般的微机一样， CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢作用。 PLC 中所配置的 CPU随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如 Z80、 808 80286 等）、单片微处理器（如 803 8096 等）和位片式微处理器 (如 AMD29W 等 )。 每套 PLC 至少有一个 CPU，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的张台和数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态编程过程中的语法错误等。 进入运行后，从 用户程序存储器中逐条读出指令，经分析后 再 按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。 内存主要用存储程序和数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。 但工作节奏由震荡信号控制。 运算器用于进行数字或逻辑运算， 再 控制 行指令。 但工作节奏由震荡信号控制。 运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并存 储运算中的结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， I/O 数量，因此限制着控制规模。 （ 2） 存储器 存储器主要有两种：一种是可读 /写操作的随机存储器 RAM，另一种是只读存储器 ROM、 PROM、 EPROM 和 EEPROM。 在 PLC 中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 系统程序是由 PLC 的制造厂家编写的，和 PLC 的硬件组成有关，完成系统诊断、第 15 页 共 47 页 命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC 运行的平台。 系统程序关 系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM、 PROM 或 EPROM 中，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。 （ 3） 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 [15]。 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。 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分第 16 页 共 47 页 （ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 输入模块将电信号变成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。 开关量是指只有开和关（或 0 和 1）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。 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。 模拟量按信号类型分，有电源型（ 420mA， 020mA）、电压型（ 010V， 05V， 1010V）等； 按精度分，有12bit,14bit,16bit 等。 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。 除了上述通用 的 I/O 外，还有特殊的I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块 [16]。 PLC 的其它组成部分 （ 1） 电源 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。 （ 2） 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。 （ 3） 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、存储器以第 17 页 共 47 页 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。