毕业设计（论文）工控机对水塔水位的组态控制（PLC） 1.doc

河南工业职业技术学院毕业设计任务书类别：三年制高职 专 业：电子工程系 班 级: 计算机控制0802班 姓 名： 毕业设计题目： 工控机对水塔水位的组态控制（PLC） 指导教师姓名： 负责人签字： _年_月_日目录中文摘要2英文摘要3第一章 绪论41.1 PLC的产生51.2 PLC的发展61.3 PLC的基本结构81.4 PLC的特点91.5 PLC的工作原理10第二章 水塔水位控制系统PLC硬件设计112.1 水塔水位控制系统设计要求112.2 水塔水位控制系统主电路122.3 水塔水位控制系统PLC I/O接口分配表122.4 水塔水位控制系统的I/O设备13第三章 水塔水位控制系统PLC软件设计143.1 程序流程图143.2 水塔水位控制系统的梯形图、语句表173.3工作过程18第四章 组态软件设计194.1 组态软件概述194.2 组态软件的功能特点214.3 紫金桥软件26第五章 设计总结27谢辞28参考文献29摘要 本文从液位传感器、PLC控制、计算机监控等的角度出发，重点研究了PLC和计算机组态在水塔水位控制中的应用技术，文章应用小型PLC主机集成的模拟量端口进行液体采样，编写了模拟量信息处理的PLC应用程序，并用PLC与计算机组态通讯技术将水位实时动态显示，组态界面主要包括了水位实时显示和水泵电动机的控制等功能。关键词：液体采样；模拟量处理；组态；AbstractThis text proceeds from control in the location sensing, PLC of the liquid, the angle which the computer controls etc. Key research PLC and application technology in the water level is automatically control of computer configuration. The article employs the analog quantity port of small-scale PLC host computer integration to carry on the location of liquid and sample. Have written PLC application program of information technology, the configuration interface mainly includes functions such as revealing and control of the water pump motor, etc. in real time of water level.Key Words: Sample in the location of liquid; for draining water; Analog quantity is dealt with; Configuration第一章 绪论1.1 PLC的产生20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈。为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间和成本，1968年美国通用汽车公司GM公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。其具体要求是：(1)程序编制、修改简单，采用工程技术语言；(2)系统组成简单，维护方便；(3)可靠性高于继电接触器控制系统；(4)与继电接触器控制系统相比，体积小，能耗小；(5)购买、安装成本可与继电器控制柜竞争；(6)能与中央数据收集处理系统进行数据交换，以便监视系统运行状态及运行情况；(7)采用市电输入，可接受现场的按钮、行程开关信号；(8)采用市电输出，具有驱动电磁阀、交流接触器、小功率电动机的能力；(9)能以最小的变动及在最短的停机时间内，从系统的最小配置扩展到系统的最大配置；(10)程序可存储，存储器容量至少能扩展到4KB。根据上述要求，1969年美国数字设备公司DEC首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。由于这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新的工业控制装置为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。1.2 PLC的发展从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本如下。第一代PLC（19691972）：大多用1位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。第二代PLC（19731975）：采用8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。第三代PLC（19761983）：随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通讯方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数运算、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。第四代PLC（1983年至今）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通讯功能的真正名符其实的多功能控制器。1.3 PLC的基本结构 PLC是以微处理器为核心的计算机控制系统。如图1-1所示。1、中央处理单元（CPU）PLC的中央处理器与一般的计算机系统一样，是PLC的控制中枢，其性能决定了PLC的性能。它按PLC中程序赋予的功能有条不紊地进行工作。2、 存储器（RM/ROM）存储器是具有记忆功能的半导体电路，主要用来存放系统程序、用户程序和工作数据等。PLC中使用的存储器由只读存储器(ROM)、只读存储器(ROM)及可擦除只读存储器（EPROM）组成。存储器是衡量PLC性能的一个重要指标。3、I/O接口输入接口一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，负责微处理器及外部设备交换信息。它接受来自现场检测不见（如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关）以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进入机内）等各种状态控制信号，并存入输入映像寄存器。输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。输入接口电路通常有两类：一类为直流输入型，另一类是交流输入型。输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象。其作用是将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号并输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。4、I/O扩展接口小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的。为了满足被控设备输入输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A转换模块等。I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。5、通讯接口通讯接口用于PLC与编程器、计算机、变频器、触摸屏以及其他PLC等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。6、编程器编程器主要有两种。一种是PLC专用编程器，有手持式和台式等。另一种是基于个人计算机系统的PLC编程器。7、电源 电源部件将交流电源转换成供PLC内部需要的直流电源。它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC均采用开关式稳压电源供电，同时还向各种扩展模块提供24V直流电源。1.4、PLC的特点1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电器控制设备的关键性能。由于PLC运行现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，与同等规模的继电接触器系统相比，PLC的构成控制系统的电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。2、 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。3、 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于被工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4、 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。5、 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，因而是实现机电一体化的理想控制设备。1.5、PLC的工作原理PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式。当PLC投入运行后，有以下五个阶段。1、 输入采样阶段PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中相应的单元内。输入采样结束后，顺序转入下面几个阶段的执行。在这几个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入映像寄存器中相应单元的状态和数据也不会改变。2、 执行用户程序阶段PLC放入用户程序由若干条指令组成，在执行用户程序阶段，PLC总是从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序。3、 处理通讯请求在处理通讯请求阶段，CPU处理从通讯接口和智能模块接收到的信息，如由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通讯请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。4、 CPU自诊断阶段自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位等。5、 输出刷新阶段扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照输出过程映像寄存器内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经过输出电路驱动相应的外设。第二章 水塔水位控制系统PLC硬件设计2.1、水塔水位控制系统设计要求水塔水位控制装置如图21所示 图21 水塔水位控制装置水塔水位的工作方式：当水池液体位于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统发出报警，若系统正常，此时水池下限位开关S4为OFF，表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，则水塔上限水位S4为OFF，水泵停止。当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。2.2 水塔水位控制系统主电路图22 水塔水位控制系统主电路2.3水塔水位控制系统PLC的I/O接口分配表，见表2-1。输入信号输入变量名输出信号输出变量名I0.1水塔上限位Q0.1电磁阀I0.2水塔下限位Q0.2水泵I0.3水池上限位Q0.3水池下限指示灯a1I0.4水池下限位Q0.4水池上限指示灯a2I0.0控制开关Q0.5水塔下限指示灯a3Q0.6水塔上限指示灯a4Q0.7报警指示灯a5表2-1 水塔水位控制系统PLC的I/O接口分配表2.4 水塔水位控制系统的I/0设备这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有5个开关量，开关量输出触电数有8个，输入、输出触点数共有13个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点做出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线接线图如图2-3所示。图2-3 水塔水位控制系统的I与O接线图第三章 水塔水位控制系统PLC软件设计3.1 程序流程图水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图如图3-1所示。图3-1 水塔水位控制系统的流程图3.2 水塔水位控制系统的梯形图、语句表 1、根据控制要求，设计的梯形图程序如图3-2所示。图3-2 水塔水位控制系统的梯形图2、根据控制要求，设计的语句表如下所示： Network 1 LD I0.0 O Q0.1 A I0.3 = Q0.1 Network 2 LD Q0.1 TON T37, 40 Network 3 LD I0.4 = Q0.3 Network 4 LD T37 A I0.4 LPS AN T38 = Q0.7 LPP AN T39 TON T38, 10Network 5 LD T38 TON T39, 10 Network 6 LD I0.4 = Q0.4 Network 7 LD I0.2O Q0.2 A I0.1 AN I0.4 = Q0.2 Network 8 LD I0.2 A Q0.6 = Q0.5 Network 9 LD I0.1 = Q0.63.3 工作过程设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1灭，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A2灭，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A3灭，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A4灭，但刚刚给水塔供水的时候，水泵应经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A2亮。此次给水塔供水完成。第四章 组态软件设计4.1 组态软件概述 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统DCS的出现，才被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟：由于PC构建的工控系统具有相对较低的拥有成本：PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的相互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过收购或委托第三方编写HNI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最合适自己的应用程序。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。4.2 组态软件的功能特点1、组态软件主要特点：(1)延续性和可扩展性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级。(2)封装性。通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。(3)通用性。每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备的Driver、开放式的数据库和界面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。(4)实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。2、组态软件的功能(1)强大的界面显示组态功能。目前，组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows图形功能完善界面美观的特点，可视化的IE风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进入开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工控图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。(2)良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与底层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。(3)丰富的功能模块。提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块完成实时监控、产生功能报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作。系统既可适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程通信能力的远程测控系统。(4)强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。(5)可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。(6)周密的系统安全防范。对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。(7)仿真功能。提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。4. 3 紫金桥软件一个典型的应用系统包括人机界面、实时数据库、IO驱动。下面演示水塔水位的监控（1）在开始菜单中启动工程管理器，选择新建工程：（2）进入到组态环境后，选择“数据库、设备驱/仿真仪表/瑞尔/仪表仿真驱动”，如下：选中后双击，即进入设备组态：（3）设备组态数据库点组态在导航树上，选择“数据库点组态”，进入到数据库点组态。根据我们的需要建立六个点，两个模拟点，四个数字IO点。在导航树选择“数据库”，选择菜单“编辑新建点”，进入点类型和区域选择：区域为0，点类型选择模拟IO点，及进入到以下界面：这样确定后就建立了一个数据库模拟IO点level。同样的，新建的两个数据库数字IO点In，Out。选择“工程保存”，保存当前的设置。（4）设备组态数据库点组态前面我们已经介绍了点组态，在实际的应用中除了点组态外，还要和实际的物理设备进行通讯。当然，要连接实际的物理设备，首先要进行设备定义，然后把数据库的点与实际物理设备的通道连接起来，这个过程就是数据连接，通过数据库组态完成。在点表中选择点level，在下方的属性页中选择数据连接页，选择参数PV，增加连接项，就可以进行数据连接：（5）动画连接首先建立一个画面：在组态系统中，选择导航树的“画面窗口”，双击建一个新窗口：综合上述画出的动画为第五章 设计总结 作为计算机控制技术专业的一名学生，PLC、组态是我的专业课，在毕业之际我设计了“基于PLC的工控机对水塔水位的组态控制”是对我所学专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对学生的学习能力和独立思考及工作能力也是一个培养。这次我为设计主要做了下面几点突出工作：一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了水塔水位的工作原理及基于PLC的软、硬件设计，明确了设计方向。二、详细了解了紫金桥组态软件，学会了紫金桥组态软件的应用，对工控机进行动态监控。三、熟练掌握了WORD软件的使用。这次让我更熟悉的掌握PLC的编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。组态软件的掌握，使很多东西可视化，对我们今后的工作、学习有不小的帮助。现在我的毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，我们只有在学习中才能进步，要保持清醒的头脑，不断接受新事物，遇到不明白的要及时请教，从中获益，让自己的思想也不断得到修正和提高。其时我们可以把毕业设计看做是一个工作内容，在完成毕业设计的时候，所用到的知识，以及所具备的专注力和责任心，同样在工作中是必不可少的。由于社会生活的变革和科技进步对社会及个人的影响，认为学校能满足人生所有教育需要的理性主义幻想已经破灭。社会的发展要求劳动者不断更新知识，俗话说“活到老，学到老”，社会的发展需要有志之士的共同努力。谢辞经过几个月的查资料、整理材料、写论文，今天终于可以顺利的完成设计的最后的谢辞了。想了很久，要写下这一段谢词，表示可以进行毕业答辩了，自己想想求学期间的点点滴滴历历涌上心头。三年的大学时光，随着论文的完成，也该画上句号。论文得以完成，要感谢很多人，首先要感谢张珂老师，因为毕业设计是在张老师悉心指导下完成的。张老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深远。本设计从选题到完成每一步都是在张老师的指导下完成的，倾注了张老师大量的心血。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们孜孜不倦的教导使我有了良好的专业知识，这也是论文得以完成的基础。通过此次的论文，我学到了很多知识，通过查资料培养了我自学能力和动手能力，原先的我们只会被动学习，这次有了很大的转变，只是个开始，今后对我的人生会有很大的帮助。在论文的写作中也学到了做任何事情都要有耐心，遇到困难要迎刃而上，自己解决或寻求帮助都好，只要不放弃，相信一定能解决的。总之，此次论文的设计的过程，我收获了很多，既为大学三年画上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，感谢你们。参考文献【1】 王芹. 可编程控制器技术与应用. 天津：天津大学出版社，2008【2】 海心、马银忠、刘树青. 西门子PLC开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009【3】 孙平. 电气控制与PLC. 北京：高等教育出版社，2004【4】 孙平. 可编程控制器原理及应用. 北京：高等教育出版社，2004【5】 张万忠. 小型可编程控制器实用技术. 北京：机械工业出版社，2003【6】 常晓玲. 电气控制系统与可编程控制器. 北京：机械工业出版社，2004【7】 郁汉琪. 电气控制与可编程控制器. 南京：东南大学出版社，2003【8】 周美兰. PLC电气控制与组态设计. 北京：科学出版社，2003谢辞 感谢导师的悉心指导、谆谆教诲！感谢在我论文写作过程中给予我很大帮助的各位领导、老师和朋友们！感谢在我论文写作过程中所参考过的所有资料的作者和提供者！ 最后，再次向各位关心和帮助我的人致以诚挚的谢意！