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PLC 的液位控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中具有重要作用，本人在設(shè)計(jì)中，利用了西門子公司S7-300 作為控制器，設(shè)計(jì)一套運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠又經(jīng)濟(jì)的單容水箱液位控制系統(tǒng)。通過對一些主要器件設(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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的前提，硬件的合理選用，既要合理、適合，也要經(jīng)濟(jì)適用。本設(shè)計(jì)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(hào)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(dòng)控制系統(tǒng)。（如圖1）
1.1 PLC 的選型
西門子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(dòng)控制任務(wù)。
1.2 CPU 型號(hào)的選擇
S7-300 有20 種不同等級(jí)的CPU，分別使用于不同等級(jí)的控制要求。CPU 313C-2 DP 帶集成數(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。配置為：16DI/16DODC24V、Flash EPROM 微存儲(chǔ)器卡（MMC）、一個(gè)MPI 接口和一個(gè)DP總線接口。
1.3 模擬量模塊（SM）的確定
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SM334 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。這里選用的是SM334 AI4/AO2 8/8 位的模塊，有4 輸入、2 輸出，精度8 位。是不可編程，通過硬件連線來定義測量和輸出類型。
模擬量輸入模塊用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要部分是A/D 轉(zhuǎn)換器。輸入信號(hào)一般是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓電流信號(hào)。各模擬量通道轉(zhuǎn)換順序執(zhí)行的，每個(gè)模擬量通道輸入信號(hào)被依次輪流轉(zhuǎn)換。此模塊由多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、光隔離元件、內(nèi)部電源和邏輯電路組成。模擬量輸出模塊用于將CPU 送給它的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，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。
電源模塊選用PS307 2A，效率83%。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)。正常態(tài)時(shí)，綠色LED 亮；當(dāng)輸出電路過載時(shí)，LED 指示燈會(huì)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。
1.4 變頻器的選型
變頻器選用的是MICROMASTER420 系列，MM 420 是用于控制三相交流電機(jī)速度的變頻器系列。微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高運(yùn)行可靠性和功能多樣性。易安裝、調(diào)試，快速響應(yīng)，正常狀態(tài)下無跳閘運(yùn)行，更好的動(dòng)態(tài)特性，過/欠電壓保護(hù)，短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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。
1.5 變送器的確定
可采用投入式液位變送器，用于收集液位信號(hào)，產(chǎn)生4~20mA模擬信號(hào)，作為模擬量輸入信號(hào)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。
1.6 水位檢測開關(guān)的選定
選用電子式水位開關(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(hào)可通過PLC 來讀取，并驅(qū)動(dòng)水泵等用電器工作。可任意方向安裝，當(dāng)橫裝時(shí)，水位到達(dá)藍(lán)線就動(dòng)作，且精度較高。產(chǎn)品豎向安裝時(shí)，水位到達(dá)紅線就動(dòng)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、金屬體影響、水壓變化影響、光線影響，沒有盲區(qū)，不怕固體漂浮物的影響的優(yōu)點(diǎn)。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2 所示）
2.2 系統(tǒng)的上位機(jī)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)組態(tài)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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。設(shè)計(jì)主要包括組態(tài)新建工程、畫面創(chuàng)建、定義I/O 設(shè)備、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動(dòng)畫連接、運(yùn)行和調(diào)試這幾個(gè)步驟。
3 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試分軟件和硬件的調(diào)試。在軟件調(diào)試之前首先要進(jìn)行硬件的調(diào)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(hào)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(dòng)、停止及變頻器控制器下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能。硬件調(diào)試中問題，首先，PLC 和外圍電路的連接，遇到低壓電器連接問題，通過反復(fù)連接操作訓(xùn)練后，這些問題得到解決。硬件調(diào)試問題解決了，再解決軟件調(diào)試工作。軟件調(diào)試較硬件調(diào)試要復(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)物實(shí)際情況反復(fù)編程練習(xí)，一一解決了編程遇到的問題。系統(tǒng)有很多功能，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)畫面的建立中本人也了解了組態(tài)軟件對現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控的便利性和重要性。
4 結(jié)束語
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(dòng)畫的設(shè)置與連接。在軟件中針對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(dòng)控制，基本達(dá)到了對液位控制系統(tǒng)的要求。這個(gè)設(shè)計(jì)使本人的知識(shí)領(lǐng)域?qū)I(yè)技能得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)增強(qiáng)了分析和解決工程實(shí)際的綜合能力。