畢業(yè)設(shè)計(jì)論文--基于s7-300的單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)</p><p>  Tianjin University of Technology and Education</p><p><b>  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>  專 業(yè): 自動化 </p><p>  班級學(xué)號: 自0x0

2、x班—xx號 </p><p>  學(xué)生姓名: x x x </p><p>  指導(dǎo)教師: x x x 副教授 </p><p>  二〇一〇 年 六 月</p><p>  天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p>  基于S7-300的單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p

3、><p>  Design of Liquid-Level Control System Based on S7-300</p><p>  專業(yè)班級: 自動化0x0x班</p><p>  學(xué)生姓名: x x x</p><p>  指導(dǎo)教師: x x x 副教授</p><p>  學(xué) 院: 自動化與電

4、氣工程學(xué)院</p><p><b>  2010年 6月</b></p><p><b>  摘 要</b></p><p>  可編程邏輯控制器(PLC)作為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一,以其可靠性、靈活性在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。PLC是微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,并受到計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的影響

5、。我國近年來工業(yè)自動化水平逐漸提高,PLC在許多行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。西門子公司的S7-300系列PLC以結(jié)構(gòu)緊湊,擴(kuò)展能力強(qiáng),高性價(jià)比的特點(diǎn)在許多行業(yè)受到青睞。</p><p>  在本次設(shè)計(jì)中,就以S7-300作為控制器,設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠又經(jīng)濟(jì)的液位控制系統(tǒng)??刂坪诵囊許7-300系列的CPU313C-2DP為主,以電磁閥、壓力變送器、水泵、上位機(jī)、分隔式水槽等為輔構(gòu)成了單容水箱液位控制系統(tǒng),

6、對整個(gè)液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。</p><p>  在設(shè)計(jì)過程中,首先,進(jìn)行硬件的選擇、設(shè)計(jì)。其次,針對S7-300PLC的進(jìn)行模塊化編程,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化等功能。最后,利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)人機(jī)對話界面,通過上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)液位的自動控制,上下限參數(shù)的在線設(shè)置,及液位測量值的在線監(jiān)控;達(dá)到液位控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。</p><p>  關(guān)鍵詞:S7-300;組態(tài)王;液位控制<

7、/p><p><b>  ABSTRACT</b></p><p>  Programmable Logic Controller (PLC), one of the three pillars of modern industry automation, has gained rapidly development at the industry control fie

8、ld for its high reliability and flexibility. PLC is the product of the combination of microelectronic technology and automatic control technology, and it can be influenced by computer technology and communication technol

9、ogy. Recent years, as the level of the industry automation increased in our country, PLC has been widely used in more and more fi</p><p>  This design is going to fulfill a liquid level control system, which

10、 is stable, safe, and affordable, using s7-300 as the controller. The core is CPU313C-2DP of S7-300 series and the auxiliary parts contain a solenoid valve, a pressure transmitter, a motor, PC, a separated-type tank and

11、so on. In the design, software system and hardware system can be designed completely.</p><p>  During the designing process, first of all, hardwires are chosen and designed. Second, module programming can be

12、 done to get normalized data and Position Control. Third, HMI can be finished using King software, which is used to control the liquid level, adjust the top and bottom limitation parameters on-line, monitor measured valu

13、e of the liquid level, and meet the technical needs of controlling liquid level.</p><p>  Key Word: S7-300;Kingview;Liquid level</p><p><b>  目 錄</b></p><p><b>

14、  1 引言1</b></p><p>  1.1課題的提出1</p><p>  1.2 PLC及過程控制技術(shù)的概述及發(fā)展1</p><p>  1.3 本課題研究的內(nèi)容與目的4</p><p>  2 液位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5</p><p>  2.1 液位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)5</p&

15、gt;<p>  2.2 PLC的選型5</p><p>  2.2.1 CPU型號的選擇6</p><p>  2.2.2 模擬量模塊(SM)的確定6</p><p>  2.2.3 電源模塊的選用8</p><p>  2.3變頻器的選型8</p><p>  2.4變送器的確定9<

16、/p><p>  2.5水位檢測開關(guān)的選定9</p><p>  3 液位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)11</p><p>  3.1液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>  3.1.1液位控制系統(tǒng)的控制方案11</p><p>  3.2 PLC程序設(shè)計(jì)12</p><p>  3.2.1 固

17、定頻率的設(shè)定12</p><p>  3.2.2 PLC控制要求和策略12</p><p>  3.2.3 PLC程序控制流程12</p><p>  3.2.4 STEP 7編程過程13</p><p>  3.3上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)16</p><p>  3.3.1 “組態(tài)王”軟件界面17</p&

18、gt;<p>  3.3.2 上位機(jī)組態(tài)畫面的創(chuàng)建17</p><p>  3.3.3 上位機(jī)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)詞典的創(chuàng)建18</p><p>  3.3.4 設(shè)置上位機(jī)通訊連接設(shè)備19</p><p><b>  4 系統(tǒng)調(diào)試21</b></p><p><b>  結(jié)論22</b&g

19、t;</p><p><b>  參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>  附錄24</b></p><p><b>  致謝32</b></p><p><b>  1 引言</b></p><p><b>

20、;  1.1課題的提出</b></p><p>  過程控制通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制,是自動化技術(shù)最重要的組成部分之一。其應(yīng)用范圍覆蓋石油、化工、制藥、生物、醫(yī)療、水利、電力、冶金、輕工、紡織、建材、核能、環(huán)境等許多領(lǐng)域,在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。</p><p>  近幾十年來,自動控制系統(tǒng)已被廣泛使用,在其研究與發(fā)展上也已趨于完備,而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活

21、周圍的事物。在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題,液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少,例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過濾, 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿溢出造成浪費(fèi), 也不能過少而無法滿足需求。假若我們能使用此系統(tǒng)來自動維持液位的高度,那么工作人員便可輕易的在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的儲水狀況,因此,液面高度是工業(yè)控制過程

22、中一個(gè)重要的參數(shù),特別是在動態(tài)的狀態(tài)下,采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制,不僅能收到很好的效果,而且提升了工作效率。</p><p>  隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,社會高度信息化,新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)方面中,使得智能化已成為一種發(fā)展的必然趨勢。智能化也往往是從設(shè)備自動控制系統(tǒng)開始。可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)

23、技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。因此,基于PLC的液位控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中具有重要的意義。</p><p>  1.2 PLC及過程控制技術(shù)的概述及發(fā)展</p><p>  可編程控制器是計(jì)算機(jī)家族中的一員,是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品,是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的以微處理器為核心,把自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體的新型工

24、業(yè)自動控制裝置。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC,它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍,還可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和模擬量控制等,因此,美國電器制造協(xié)會(NEMA)于1980年正式將這種裝置命名為可編程控制器(Programmable Controller),簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal

25、 Computer)的簡稱混淆,所以將可編程控制器簡稱PLC。</p><p>  PLC實(shí)質(zhì)是一種專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī),所以其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同,主要由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入輸出器件(I/O接口)、電源及編程設(shè)備幾大部分組成。PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。</p><p>  圖1-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><

26、p>  PLC作為一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn):</p><p><b>  1、高可靠性</b></p><p>  2、豐富的I/O接口模塊</p><p><b>  3、采用模塊化結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>  4、編程簡單易學(xué)</b><

27、/p><p>  5、安裝簡單,維修方便</p><p>  20世紀(jì)末期,可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說,這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來說,誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合;從產(chǎn)品的配套能力來說,生產(chǎn)了各種人機(jī)接口單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備配套更加容易。目前PLC在國內(nèi)外已廣

28、泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。</p><p>  而對于過程控制技術(shù),在20世紀(jì)40年代以前,工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平相對落后,生產(chǎn)過程大多處于手工操作狀態(tài),操作工通過目測判斷生產(chǎn)過程的狀態(tài),手動調(diào)整生產(chǎn)過程,生產(chǎn)效率很低。40年代以后,工業(yè)生產(chǎn)過程自動化技術(shù)發(fā)展很快,尤其是近些年來,在IT技術(shù)的帶動下,過程控制技術(shù)發(fā)展十分迅猛。過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展

29、大致分為以下幾個(gè)階段:</p><p>  局部自動化階段(20世紀(jì)50—60年代)</p><p>  這個(gè)階段的過程控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是單輸入-單輸出系統(tǒng);被控參數(shù)主要有溫度、壓力、流量和物位四種參數(shù);控制的目的是保持這些工藝參數(shù)的穩(wěn)定,確保安全生產(chǎn)。生產(chǎn)的規(guī)模比較小,多用氣動儀表進(jìn)行測量與控制,采用0.02~0.MPA的氣動信號作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號,壓縮空氣為動力的氣動儀表實(shí)現(xiàn)就地的簡單控

30、制。到20世紀(jì)50年代后期至60年代,先后出現(xiàn)了氣動和電動單元組合儀表,采用了集中監(jiān)控與集中操作的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動化。</p><p>  集中控制階段(20世紀(jì)60—70年代)</p><p>  在20世紀(jì)的60年代,隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高,對過程控制技術(shù)提出了新的要求,迫切需要生產(chǎn)過程集中控制與管理。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,

31、半導(dǎo)體產(chǎn)品取代了電子真空管,之后,集成電路取代了分立元件,電子儀表的可靠性大為提高,逐步替代了氣動儀表。這時(shí)的過程控制系統(tǒng)大量采用單元組合儀表和組裝式儀表,生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了車間范圍和大型系統(tǒng)的集中監(jiān)控。為了提高控制質(zhì)量和滿足特殊工藝的控制要求,開發(fā)使用了多種復(fù)雜控制系統(tǒng)方案,例如串級控制、前饋控制、比值控制、均勻控制等。特別式前饋控制、選擇控制的實(shí)現(xiàn),使過程控制品質(zhì)、安全性大為提高。前饋控制使控制質(zhì)量顯著提高;選擇控制自動實(shí)現(xiàn)保護(hù)性自動控

32、制,以免強(qiáng)制性連鎖停車,改變了過去不得不切向手動或被迫連鎖停車的狀況,從而擴(kuò)大了自動化的范圍。</p><p>  集散控制階段(20世紀(jì)70年代中期至今)</p><p>  20世紀(jì)70年代,隨著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)及微處理器的問世,計(jì)算機(jī)的性價(jià)比和可靠性大為提高,采用了冗余技術(shù)和自診斷措施的工業(yè)計(jì)算機(jī)完全滿足工業(yè)控制對可靠性的要求,為新的過程控制儀表、裝置與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的

33、支持。此時(shí)的大型生產(chǎn)過程一般都是分散系統(tǒng),這樣可以使生產(chǎn)過程控制分散進(jìn)行,將發(fā)生故障和危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)分散?;凇凹泄芾恚稚⒖刂啤崩砟?,在數(shù)字儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的集散型控制系統(tǒng)(DCS, Distributed Control System)在大型生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用。過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也由單變量控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量系統(tǒng),由生產(chǎn)過程的定值控制發(fā)展到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。</p><p>  到

34、20世紀(jì)90年代以后,隨著測量儀表數(shù)字化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和集散型控制技術(shù)日益成熟、現(xiàn)場總線技術(shù)以及基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)逐步推廣、使用,使過程控制系統(tǒng)的開放性、兼容性和現(xiàn)場儀表與裝置的智能化水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。工廠自動化(FA)、計(jì)算機(jī)集成過程控制(CIPS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)和企業(yè)資源綜合規(guī)劃(ERP)等方案的規(guī)劃和實(shí)施,正在成為提高工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵手段。</p><p>

35、;  1.3 本課題研究的內(nèi)容與目的</p><p>  液位自動控制系統(tǒng)中,主要是針對單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,涉及到液位的動態(tài)控制、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、PLC控制、位式控制算法、壓力變送器和電磁閥等一系列的知識。設(shè)計(jì)單容液位控制系統(tǒng)中,控制方式采用了位式控制算法,控制核心為S7-300系列的CPU313C-2DP以及PLC內(nèi)部A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊,檢測元件為壓力傳感器,執(zhí)行器為電動調(diào)節(jié)閥。通過以上的器

36、件設(shè)備、位式控制算法和上位機(jī)的組態(tài)等,實(shí)現(xiàn)液位自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>  本課題研究內(nèi)容:</b></p><p><b>  (1)控制器的算法</b></p><p> ?。?)通過PLC實(shí)現(xiàn)液位自動控制</p><p>  (3)對輸入變量的轉(zhuǎn)換與歸一化</p>

37、;<p> ?。?)組態(tài)軟件的使用</p><p> ?。?)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控</p><p>  2 液位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>  2.1 液位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>  硬件設(shè)計(jì)是在對課題進(jìn)行深入分析,對相關(guān)信息進(jìn)行調(diào)查之后所進(jìn)行的基礎(chǔ)性工作,是軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的前提。硬件的合理選用,對于整個(gè)課

38、題的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,既要合理、適合,也要經(jīng)濟(jì)適用。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)用S7-300 PLC作為控制器,通過變頻器控制電機(jī)速度,同時(shí)由變送器和四個(gè)液位檢測開關(guān)收集液位信號反饋給PLC來進(jìn)行進(jìn)一步控制,從而實(shí)現(xiàn)使液位保持在設(shè)定值附近的自動控制系統(tǒng)。 </p><p>  單容水箱的液位控制系統(tǒng)如下圖2-1所示。</p><p>  圖2-1 液位控制系統(tǒng)</p><p>  2

39、.2 PLC的選型</p><p>  S7-300是模塊化的通用型PLC,適用于中等性能的控制要求。SIMATIC S7-300編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。其CPU集成了過程控制功能,用于執(zhí)行用戶程序。不需附加任何硬件、軟件、編程,就可建立一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)。若有PROFIBUS-DP接口,就可建立一個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)。S7-300可大范圍擴(kuò)展各種功能模塊,很好的滿足自動控制任

40、務(wù)。簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力,使其應(yīng)用十分靈活。且指令集成功能強(qiáng)大,可用于復(fù)雜控制。其功能較S7-200要強(qiáng)大很多。而且,就其價(jià)格而言,又較S7-400要經(jīng)濟(jì)得多。所以,S7-300是本次設(shè)計(jì)中控制器的首選。</p><p>  2.2.1 CPU型號的選擇</p><p>  S7-300有20種不同等級的CPU,分別使用于不同等級的控制要求。CPU 313C-2 DP帶集成

41、數(shù)字量輸入/輸出和PROFIBUS DP主站/從站接口的緊湊型CPU,帶有與過程相關(guān)的功能,可以完成具有特殊功能的任務(wù),可以連接單獨(dú)的I/O設(shè)備。該控制器配置為:16DI/16DODC24V、Flash EPROM微存儲器卡(MMC)、一個(gè)MPI接口和一個(gè)DP總線接口。</p><p>  相比之下,CPU 312C適用于對處理能力有較高要求的小型應(yīng)用;CPU 313C滿足對處理能力和響應(yīng)時(shí)間要求較高的場合,但不

42、帶主站/從站接口;CPU 312適用于全集成自動化的基本型CPU及中等處理速度的小規(guī)模應(yīng)用;CPU 314適用于中等處理量的應(yīng)用;而CPU 315-2 DP、CPU 315-2 PN/DP、CPU 317-2DP、CPU 317-2 PN/DP及CPU 319-3 PN/DP,固然有較高的性能,可用于要求較高的應(yīng)用,但對于本設(shè)計(jì)來說是不經(jīng)濟(jì)的,也是不必要的。</p><p>  CPU 313C-2DP實(shí)物如圖2

43、-2所示。</p><p>  圖2-2 CPU 313C-2DP 圖2-3 SM334 模擬量輸入/輸出模塊</p><p>  2.2.2 模擬量模塊(SM)的確定</p><p>  S7-300的模擬量I/O模塊包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入輸出模塊SM334和SM335,通常選用SM33

44、4系列的模塊。它既有模擬量輸入通道,又有模擬量輸出通道,用于連接模擬量傳感器和執(zhí)行器。這種模塊目前有SM334 AI4/AO28/8位和SM334 A4/AO212位兩個(gè)型號。這里選用的是SM334 AI4/AO28/8位的模塊,它具有4個(gè)輸入、2個(gè)輸出,精度是8位。它是不可編程的,通過硬件連線來定義測量和輸出類型。實(shí)物如圖2-3所示。</p><p>  模擬量輸入模塊用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字

45、信號,其主要部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓、電流信號。各模擬量通道轉(zhuǎn)換是順序執(zhí)行的,每個(gè)模擬量通道的輸入信號是被依次輪流轉(zhuǎn)換的。由圖2-4知,模擬量輸入模塊由多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、光隔離元件、內(nèi)部電源和邏輯電路組成。</p><p>  圖2-4 SM334模擬量輸入模塊原理圖</p><p>  SM334模擬量輸入模塊的接線如圖2-5

46、所示。</p><p>  圖2-5 SM334模擬量輸入端子接線圖</p><p>  模擬量輸出模塊用于將CPU送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號或電壓信號,對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制,其主要轉(zhuǎn)換部分是D/A轉(zhuǎn)換器。如圖2-6所示。</p><p>  圖2-6 SM334模擬量輸出模塊原理圖</p><p>  2.2.3 電源模塊的

47、選用 </p><p>  電源模塊選用的是PS307 2A,電源效率是83%。模塊輸入電壓為單相交流120/230V,50/60Hz;輸出電壓為DC24V,具有短路和斷路保護(hù)。正常狀態(tài)時(shí),綠色LED亮;當(dāng)輸出電路過載時(shí),LED指示燈會閃爍;如果輸出端斷路,則輸出電壓為0,此時(shí)LED變暗。輸入電壓過高,可能損壞模塊;輸入欠壓,模塊關(guān)閉,停止工作。如圖2-7所示。</p><p><b

48、>  圖2-7 電源模塊</b></p><p><b>  2.3變頻器的選型</b></p><p>  變頻器選用的是MICROMASTER 420系列,MM 420是用于控制三相交流電機(jī)速度的變頻器系列。本變頻器由微處理器控制,并采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件,具有很高的運(yùn)行可靠性和功能多樣性。具有易于安裝、調(diào)試,快速相應(yīng),正常狀態(tài)下

49、無跳閘運(yùn)行,更好的動態(tài)特性,過/欠電壓保護(hù),短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>  本變頻器必須可靠接地,斷開電源后可進(jìn)行電源及電機(jī)端子的接線,接線方法如圖2-8所示。</p><p>  圖2-8 電動機(jī)和電源接線方法</p><p><b>  2.4變送器的確定</b></p><p>  可采用擴(kuò)散硅液位變送器,用

50、于收集液位信號,產(chǎn)生4~20mA模擬信號,作為模擬量輸入信號傳遞給PLC,進(jìn)行進(jìn)一步控制。液位變送器包括一個(gè)表頭,兩邊都有蓋子,打開蓋子,一邊的表內(nèi)部可以調(diào)節(jié)零點(diǎn)或滿量程,另一邊內(nèi)部用于接線。如圖2-9所示。</p><p>  圖2-9 變送器接線和調(diào)節(jié)圖</p><p>  2.5水位檢測開關(guān)的選定</p><p>  水位開關(guān)分為:電容式水位開關(guān)、電子式水位開

51、關(guān)、電極式水位開關(guān)、光電式水位開關(guān)、音叉式水位開關(guān)、浮球式水位開關(guān)等。這里選用的是電子式水位開關(guān)BZ2401,檢測方式為有水時(shí)閉合。它可以直接與PLC搭配工作,判斷有水時(shí)輸出24V,無水時(shí)0V,電流容量2A 。高低電平的信號可通過PLC來讀取,并驅(qū)動水泵等用電器工作??梢匀我夥较虬惭b,當(dāng)橫向安裝時(shí),水位到達(dá)藍(lán)線就動作,且精度較高。產(chǎn)品豎向安裝時(shí),水位到達(dá)紅線就動作,有一定的防波浪功能。而且具有耐污、耐顛簸、抗摔性強(qiáng)、耐酸堿,不怕磁場影響

52、、不怕金屬體影響、不怕水壓變化影響、不怕光線影響,沒有盲區(qū),不怕固體漂浮物的影響的優(yōu)點(diǎn)。下圖2-10為BZ2401普通型電子式水位開關(guān)豎向安裝時(shí)的工作情況,適用常溫水體環(huán)境。 </p><p>  圖2-10 電子式水位開關(guān)BZ2401</p><p>  3 液位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>  3.1液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p&

53、gt;<p>  單容水箱液位控制系統(tǒng)控制框圖如下圖3-1所示。</p><p>  圖3-1 液位控制系統(tǒng)框圖</p><p>  其中A/D轉(zhuǎn)換、PLC調(diào)節(jié)、D/A轉(zhuǎn)換等運(yùn)算都是在PLC內(nèi)部執(zhí)行,同時(shí)為上位機(jī)提供可用的數(shù)據(jù),用以顯示。上位機(jī)也可對相應(yīng)的地址進(jìn)行賦值,來設(shè)定相關(guān)參數(shù)。</p><p>  3.1.1液位控制系統(tǒng)的控制方案</p&

54、gt;<p>  如圖3-2所示,以S7-300 作為控制器,西門子公司的變頻器MM 420作為執(zhí)行器,并利用它的順序控制功能,輸出7個(gè)可設(shè)定的固定頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制進(jìn)水流量達(dá)到控制水位的目的。其中,液位信號由液位變送器LT和水位檢測開關(guān)傳送給PLC,作為控制依據(jù),并由PLC向變頻器輸出3個(gè)開關(guān)量信號。</p><p>  圖3-2 水位控制系統(tǒng)</p><p>

55、  3.2 PLC程序設(shè)計(jì)</p><p>  3.2.1 固定頻率的設(shè)定</p><p>  PLC輸出的3個(gè)開關(guān)量地址為Q0.0、Q0.1、Q0.2,它們與變頻器輸出頻率之間的關(guān)系如表3-1所示。</p><p>  表3-1 變頻器輸出頻率與PLC輸出的關(guān)系</p><p>  3.2.2 PLC控制要求和策略</p>&

56、lt;p>  水位檢測信號的安置如圖3-3所示,一共設(shè)置4個(gè)水位檢測開關(guān),檢測方式為有水時(shí)閉合。除了上、下限位之外,開關(guān)1、2的作用是將水位劃分為3個(gè)狀態(tài),狀態(tài)Ⅰ為水位偏高,Ⅱ?yàn)檫m中,Ⅲ為偏低。</p><p><b>  控制要求和策略:</b></p><p>  上限位:點(diǎn)亮上限位報(bào)警指示燈,開關(guān)輸出組合為001(0Hz)。</p><

57、p>  下限位:點(diǎn)亮下限位報(bào)警指示燈,開關(guān)輸出組合為111(50Hz)。</p><p>  狀態(tài)Ⅰ:延時(shí)若干時(shí)間后若依然為狀態(tài)Ⅰ,則開關(guān)輸出組合減1,使MM420的輸出頻率下調(diào)一個(gè)級別,直至水位進(jìn)入狀態(tài)Ⅱ,或者開關(guān)輸出組合為001(0Hz)。</p><p><b>  狀態(tài)Ⅱ:輸出不變。</b></p><p>  狀態(tài)Ⅲ:延時(shí)若干時(shí)

58、間后若依然為狀態(tài)Ⅲ,則開關(guān)輸出組合加1,使MM420的輸出頻率上調(diào)一個(gè)級別,直至水位進(jìn)入狀態(tài)Ⅱ,或者開關(guān)輸出組合為111(50Hz)。</p><p>  最終目的是使得水位穩(wěn)定在狀態(tài)Ⅱ。</p><p>  3.2.3 PLC程序控制流程</p><p>  PLC程序控制流程圖如圖3-4所示。</p><p>  圖3-3 水位檢測示意圖

59、 圖3-4 控制流程圖</p><p>  3.2.4 STEP 7編程過程 </p><p><b>  創(chuàng)建項(xiàng)目和硬件組態(tài)</b></p><p>  激活SIMATIC管理器(SIMATIC Manager),在新建項(xiàng)目窗口輸入“液位控制”,建立新項(xiàng)目。單擊SIMANTIC 300 Station和H

60、ardware圖標(biāo),在HW Config窗口中進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)置。如圖3-5所示。</p><p>  圖3-5 STEP7硬件組態(tài)</p><p><b>  符號編輯</b></p><p>  單擊Symbols圖標(biāo),進(jìn)入符號編輯器,對全局變量命名,這樣可以增加程序的可讀性,而且有利于程序的輸入及變量的變更。如圖3-6所示,對各個(gè)開關(guān)、水位

61、狀態(tài)、報(bào)警指示燈等等都進(jìn)行了變量命名。</p><p><b>  編輯用戶程序</b></p><p>  1)主程序OB1的編程</p><p>  單擊Blocks圖標(biāo),再單擊OB1進(jìn)入對用戶主程序的編程。在OB1中首相對上、下限位的狀態(tài)進(jìn)行處理,然后通過對水位狀態(tài)1、3的判斷結(jié)果,調(diào)用相應(yīng)的減速、升速功能F1、F2。OB1的程序片段如圖

62、3-7所示。</p><p>  圖3-6 編輯符號表</p><p>  圖3-7 OB1中主程序片段</p><p><b>  2)編制功能FC</b></p><p>  在SIMATIC管理器中用Inset下拉菜單生成功能FC1和FC2.</p><p>  當(dāng)水位為狀態(tài)1時(shí),F(xiàn)C1用于

63、向下調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率;而FC2用于當(dāng)水位為狀態(tài)3時(shí)的頻率上調(diào)。單擊FC1和FC2的圖標(biāo),可分別對它們進(jìn)行編程,圖3-8是功能FC1的部分程序。</p><p>  圖3-8 FC1程序片段</p><p><b>  程序下載與調(diào)試</b></p><p>  OB1、FC1、FC2編制完成后,通過硬件接口將計(jì)算機(jī)和PLC連接起來,就可以將

64、程序下載給CPU進(jìn)行在線調(diào)試。下載之前應(yīng)將CPU存儲器復(fù)位,將其切換到STOP模式,下載完成后在切換到運(yùn)行模式運(yùn)行用戶程序。為了便于調(diào)試可以建立變量表,用于顯示各個(gè)變量的實(shí)時(shí)狀態(tài)。</p><p>  OB1、FC1、FC2的完整程序見附錄。</p><p>  3.3上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)</p><p>  組態(tài)王(KINGVIEW)軟件是國內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟

65、件開發(fā)公司產(chǎn)品。組態(tài)王軟件提供了資源管理器式的操作界面,并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持,也提供了多種硬件驅(qū)動程序。它是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件,它融過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體,將一個(gè)企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系統(tǒng),用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個(gè)位置上都可以及時(shí)獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)

66、監(jiān)控工程,可以極大地增強(qiáng)用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)營管理和故障診斷,到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式大型集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)。</p><p>  在本設(shè)計(jì)中,上位機(jī)組態(tài)實(shí)現(xiàn)了自動液位控制過程中工作人員可直接通過電腦監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),及在線改變參數(shù)的設(shè)置。</p><p>  組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)主要包括組態(tài)新建工程、畫面創(chuàng)建、

67、定義I/O設(shè)備、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動畫連接、運(yùn)行和調(diào)試這幾個(gè)步驟。</p><p>  3.3.1 “組態(tài)王”軟件界面</p><p>  雙擊打開組態(tài)王6.5軟件,上位機(jī)組態(tài)軟件界面如圖3-9。通過雙擊窗口左側(cè)的“畫面”,“數(shù)據(jù)詞典”,“設(shè)備——COM1”可以創(chuàng)建相應(yīng)的組態(tài)畫面,組態(tài)數(shù)據(jù)詞典,設(shè)置設(shè)備通信參數(shù)。</p><p>  圖3-9 上位機(jī)組態(tài)軟件界面&l

68、t;/p><p>  3.3.2 上位機(jī)組態(tài)畫面的創(chuàng)建</p><p>  雙擊圖3-9上位機(jī)組態(tài)軟件界面的左側(cè)“畫面”進(jìn)入畫面創(chuàng)建界面,通過各種繪圖工具,和應(yīng)用圖庫中的各種元件創(chuàng)建如圖3-10所示的組態(tài)畫面。</p><p>  圖3-10 系統(tǒng)組態(tài)畫面</p><p>  3.3.3 上位機(jī)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)詞典的創(chuàng)建</p>&l

69、t;p>  創(chuàng)建了組態(tài)畫面之后,畫面指示畫面并不能起到監(jiān)控作用。通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)詞典并將圖3-10系統(tǒng)組態(tài)畫面中的各種元件和數(shù)據(jù)詞典連接起來,組態(tài)畫面則和系統(tǒng)的輸入輸出及各種狀態(tài)相對應(yīng),組態(tài)軟件通過與PLC通訊實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。</p><p>  雙擊圖3-9上位機(jī)組態(tài)軟件界面左側(cè)的數(shù)據(jù)詞典,進(jìn)入數(shù)據(jù)詞典的創(chuàng)建界面。數(shù)據(jù)詞典創(chuàng)建界面如圖3-11。雙擊界面下端新建出現(xiàn)如圖3-12所示定義變量對話框,變量名可以輸

70、入便于記憶的用戶名,變量類型有I/O離散、I/O整數(shù)、內(nèi)存整數(shù)、內(nèi)存離散等類型。同法創(chuàng)建組態(tài)畫面中各個(gè)元件的數(shù)據(jù)詞典,畫面就和PLC的數(shù)據(jù)聯(lián)系了起來,通過組態(tài)軟件與PLC通訊,實(shí)現(xiàn)組態(tài)畫面對系統(tǒng)監(jiān)控。</p><p>  圖3-11 數(shù)據(jù)詞典創(chuàng)建界面</p><p>  圖3-12 定義變量對話框</p><p>  3.3.4 設(shè)置上位機(jī)通訊連接設(shè)備</p

71、><p>  雙擊圖3-9上位機(jī)組態(tài)軟件界面的左側(cè)“設(shè)備——COM1”進(jìn)入如圖3-13所示“設(shè)置串口- COM1”界面,如圖設(shè)置波特率為9600,偶校驗(yàn),數(shù)據(jù)位為7,停止位為1,同學(xué)超時(shí)為3000毫秒,通信方式為RS422,點(diǎn)擊確定。然后雙擊“新I/O設(shè)備”,在如圖3-14所示“設(shè)備配置向?qū)А睂υ捒蛑羞x擇FX2-編程口,設(shè)置相應(yīng)的名字和串口號,本設(shè)計(jì)設(shè)置為“新I/O設(shè)備”、“COM1”,最后確定,完成上位機(jī)通訊連接設(shè)

72、備設(shè)置。</p><p>  圖3-13 設(shè)置串口- COM1對話框</p><p>  圖3-14 設(shè)備配置向?qū)υ捒?lt;/p><p><b>  4 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>  系統(tǒng)調(diào)試包括兩個(gè)部分,分別是軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試的順利完成是建立于硬件調(diào)試之上的,所以在軟件調(diào)試之前首先要進(jìn)行硬件的調(diào)

73、試工作,在PLC處于編程狀態(tài)下,檢測變頻器、傳感器等,以確認(rèn)這些信號能夠正確地輸入PLC的輸入端口;確認(rèn)過程控制系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)水泵上水、放水、啟動、停止及變頻器控制器下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能。</p><p>  在硬件的調(diào)試過程中出現(xiàn)了不少的問題,首先是PLC和外圍電路的連接,遇到了一連串的低壓電器連接的問題,在指導(dǎo)老師的正確指導(dǎo)下我很快就掌握了連接方法。通過反復(fù)的連接操作訓(xùn)練后,這些問題得到了妥善的解決。&

74、lt;/p><p>  硬件調(diào)試的問題解決了,下面進(jìn)行的就是軟件的調(diào)試工作。軟件調(diào)試較硬件調(diào)試來說要復(fù)雜的多。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求編寫程序流程圖,然后通過實(shí)物的實(shí)際情況反復(fù)的編程練習(xí),一一解決了編程時(shí)遇到的困難。系統(tǒng)有很多功能,要本著先單一,后多種,先簡單,后復(fù)雜的順序來編寫和調(diào)試程序,直到完全符合設(shè)計(jì)要求,完成最終的調(diào)試工作。在建立PLC和組態(tài)通信連接時(shí)也遇到了不少的困難,變量的類型的選擇、變量域的使用等等各個(gè)方面的匹

75、配。通過不斷的調(diào)試,最終建立比較完整的組態(tài)畫面,實(shí)現(xiàn)單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控要求。在組態(tài)畫面的建立中我又了解了組態(tài)軟件對現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控的便利性和重要性。</p><p><b>  結(jié)論</b></p><p>  經(jīng)過三個(gè)多月的艱苦努力,本設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。通過上位機(jī)來分別設(shè)定一個(gè)液位高限值和一個(gè)液位低限值給定值以及檢測開關(guān)1和檢測開關(guān)2,經(jīng)過系統(tǒng)比較,根據(jù)

76、輸出值與模擬負(fù)載量的大小,系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)變頻器,使液位保持在一定范圍內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)了對液位的自動控制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,成功地解決了組態(tài)王與PLC的連接通信,組態(tài)動畫的設(shè)置與連接。在軟件的開發(fā)開發(fā)過程中,主要針對PLC的模塊化編程、數(shù)據(jù)的歸一化與設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控畫面,通過上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)液位的自動控制,基本達(dá)到了對液位控制系統(tǒng)的要求。由于液位控制過程中存在大滯后、時(shí)變、非線性等特點(diǎn),使系統(tǒng)的靈敏度和跟隨性不理想。</p>

77、<p>  通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì),使我的知識領(lǐng)域得到了進(jìn)一步擴(kuò)展,專業(yè)技能得到進(jìn)一步提高,同時(shí)增強(qiáng)了分析和解決工程實(shí)際的綜合能力。另外,也培養(yǎng)了自己嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)。特別是對于S7-300的應(yīng)用,從陌生到了解到漸漸熟悉到基本掌握,這個(gè)過程雖然比較困難,但卻是收獲頗豐。</p><p>  但由于時(shí)間的原因,在設(shè)計(jì)中還有存在很多不足之處,請各位專家和老師指正。</p>

78、<p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  王曙光,楊春杰等.S7-300/400 PLC入門與開發(fā)實(shí)例.北京:人民郵電出版社,2009.</p><p>  廖常初.大中型PLC應(yīng)用教程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.</p><p>  高強(qiáng),馬丁等.西門子PLC200/300/400應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出

79、版社,2009.</p><p>  西門子公司.SIMATIC S7-300可編程控制器系統(tǒng)手冊,2002</p><p>  胡學(xué)林.可編程控制器教程(基礎(chǔ)篇).北京:電子工業(yè)出版社,2004</p><p>  胡學(xué)林.可編程控制器的原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2007</p><p>  可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例.北京:中國電

80、力出版社,2005</p><p>  汪志鋒.可編程序控制器原理與應(yīng)用.西安:電子科技大學(xué)出版社,2004</p><p>  王亞民等.組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā).第一版,西安電子科技大學(xué)出版社,2003</p><p>  宋德玉.可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).北京:冶金工業(yè)出版社,2002</p><p>  吳中俊,黃永紅等.可編程

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82、李蜀瑜.電氣監(jiān)控組態(tài)軟件的研究與開發(fā).陜西,西北工業(yè)大學(xué),2001</p><p>  組態(tài)王7.0產(chǎn)品介紹.北京亞控科技發(fā)展有限公司,2004</p><p>  汪志鋒.工控組態(tài)軟件.北京:電子工業(yè)出版社,2007</p><p>  袁秀英. 組態(tài)控制技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2003</p><p>  A3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基

83、本部分和測試實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)指導(dǎo).清華大學(xué)深圳研究院工程教育中心,2006.</p><p>  萬方資源系統(tǒng) http://library.tute.edu.cn[OL]</p><p>  維普資訊中文期刊數(shù)據(jù)庫 http://library.tute.edu.cn[OL]</p><p><b>  附錄</b></p><p

84、><b>  主程序:</b></p><p><b>  FC1:</b></p><p><b>  FC2:</b></p><p><b>  致謝</b></p><p>  本文是在李會艷老師的悉心指導(dǎo)下完成的。李會艷老師知識淵博,給學(xué)生

85、在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)給予了極大的幫助和細(xì)心的指導(dǎo)。從畢業(yè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備到結(jié)束,李老師給予了我極大的支持、鼓勵(lì)和幫助。李老師對我們一貫都是那么和藹可親,平易近人,這一點(diǎn)真的很難能可貴,也是我們需要學(xué)習(xí)的地方。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠圓滿完成,這與李老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),對我們嚴(yán)格要求是分不開的。從設(shè)計(jì)的開始到結(jié)束,李老師都嚴(yán)格要求和認(rèn)真檢查,讓我們受益非淺。在設(shè)計(jì)過程中,李老師對我提出的問題不厭其煩,并在百忙之中抽出時(shí)間給我解答,設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題,李老

86、師都及時(shí)給予我們明確的方向,鼓勵(lì)我自己進(jìn)行獨(dú)立思考并給予啟發(fā)性的建議,從而使我在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到了鍛煉,提高了我自主學(xué)習(xí)和動手的能力,使我對所學(xué)的專業(yè)理論知識有了進(jìn)一步的了解和提高,為今后走向工作崗位奠定了良好的基礎(chǔ)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,科學(xué)的研究方法,勤勉的工作作風(fēng)和事事力求完美的工作態(tài)度是學(xué)生工作、學(xué)習(xí)和為人的榜樣。在此向李老師表示最誠摯的感謝!</p><p>  這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我真正體會到理論聯(lián)系實(shí)際,

87、學(xué)以致用的重要性。我還要感謝自動化與電氣工程學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)和胡山老師給予的指導(dǎo)和幫助。在此,我致以衷心的感謝!同時(shí)還要感謝大學(xué)期間教我知識和學(xué)問的所有老師,這是我以后人生道路上一筆寶貴的財(cái)富。今后,我將一如既往的努力,以回報(bào)你們的關(guān)心和支持!</p><p>  同時(shí)要感謝我的同組同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我的幫助!感謝所有給過我支持與幫助的老師和同學(xué)!</p><p>  真心的感謝我的父母

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