基于plc的水位控制系統設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （ 1） 開關量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現 邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及 自動化 流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。 （ 2） 模擬量控制 在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（ Analog）和數字量（ Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換 。 PLC 廠家都生產配套的 A/D 和 D/A轉換模 塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （ 3） 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 I/O 模塊連接位置 傳感器 和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、 機器人 、電梯等場合。 （ 4） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，第 12 頁 共 47 頁 PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。 PID 調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 （ 5） 數據處理 現代 PLC 具有數學運算（含矩陣運算、 函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。 （ 6） 通信及聯網 PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠 自動化 網絡發展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 [12]。 PLC 的分類 及 組成 PLC 的分類 PLC 產品種類繁多，其規格和性能也各不相同。對 PLC 的分類，通常根據其結構形式的不同、功能的差異和 I/O 點數的多少等進行大致分類。 （ 1） 按 結構形式分類 根據 PLC 的結構形式，可將 PLC 分為整體式和 模塊 式兩類。 整體式 PLC 是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個機箱內， 具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC 一般采用這種整體式結構。整體式 PLC由不同 I/O 點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內有 CPU、 I/O接口、與 I/O 擴展單元相連的擴展口 ， 以及與編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。擴展單元內只有 I/O 和電源等，沒有 CPU。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 PLC 一般還可配備特殊 功能 單元，如模擬量單元、位置控制單元等 ，使其 功能 得以擴展。 模塊 式 PLC 是將 PLC 各組成部分，分別作成若干個單獨的 模塊 ，如 CPU 模塊 、第 13 頁 共 47 頁 I/O 模塊 、電源 模塊 （有 的含在 CPU 模塊 中）以及各種 功能模塊 。 模塊 式 PLC 由框架或基板和各種 模塊 組成。 模塊 裝在框架或基板的插座上。這種 模塊 式 PLC 的特點是配置靈活，可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型 PLC 一般采用 模塊 式結構。 還有一些 PLC 將整體式和 模塊 式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。疊裝式 PLC 其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨立的 模塊 ，但它們之間是靠電纜進行聯接，并且各 模塊 可以一層層地疊裝。這樣，不但系統可以靈活配置，還可做得體積小巧 [13]。 （ 2） 按 功能 分類 根據 PLC 所具有的 功能 不同，可將 PLC 分為低檔、中檔、高檔三類。 低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本 功能 ，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術運算、數據傳送和比較、通信等 功能 。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。 中檔 PLC 除具有低檔 PLC 的 功能 外，還具有較強的模擬量輸入 /輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程 I/O、子 程序 、通信聯網等 功能 。有些還可增設中斷控制、 PID 控制等 功能 ，適用于復雜控制系統。 高檔 PLC 除具有中檔機的 功能 外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊 功能 函數的運算、制表及表格傳送 功能 等。高檔PLC 機具有更強的通信聯網 功能 ，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化 [14]。 （ 3） 按 I/O 點數分類 根據 PLC 的 I/O 點數的多少，可將 PLC 分為小型、中型和大型三類。 小型 PLC—— I/O 點數 256 點；單 CPU、 8位或 16 位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。 中型 PLC—— I/O 點數 256～ 2048 點；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～ 8K。 大型 PLC—— I/O 點數 2048 點；多 CPU， 16 位、 32 位處理器 ，用戶存儲器容量 8～ 16K。 PLC 的 組成 PLC 的基本結構主要由 3 部分組成：中央處理器 CPU、 存儲器系統的 ROM 和第 14 頁 共 47 頁 RAM 等 、 系統的輸入 /輸出模塊 。 系統內部采用總線結構進行數據和指令的傳輸。其中， CPU 是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連接現場輸入 /輸出設備與 CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。 對于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機殼內；對于模塊式 PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上。無論是哪種結構類型的PLC，都可根據用戶需要進 行配置與組合。 （ 1） 中央處理單元（ CPU） 同一般的微機一樣， CPU 是 PLC 的核心，起神經中樞作用 。 PLC 中所配置的 CPU隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器（如 803 8096 等）和位片式微處理器 (如 AMD29W 等 )。 每套 PLC 至少有一個 CPU，它按照 PLC 系統程序賦予的功能接受并存儲用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的張臺和數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內部電路的工作狀態編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從 用戶程序存儲器中逐條讀出指令，經分析后 再 按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現他們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用存儲程序和數據，是 PLC 不可缺少的組成單元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算， 再 控制 行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存 儲運算中的結果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內存容量是 PLC 的重要參數，它們決定著 PLC 的工作速度， I/O 數量，因此限制著控制規模。 （ 2） 存儲器 存儲器主要有兩種：一種是可讀 /寫操作的隨機存儲器 RAM，另一種是只讀存儲器 ROM、 PROM、 EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序及工作數據。 系統程序是由 PLC 的制造廠家編寫的，和 PLC 的硬件組成有關，完成系統診斷、第 15 頁 共 47 頁 命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數設定等功能，提供PLC 運行的平臺。系統程序關 系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器 ROM、 PROM 或 EPROM 中，用戶不能訪問和修改。 用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態 RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對 RAM 中程序的破壞，當用戶程序經過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM 中。現在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。 工作數據是 PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據。存放在 RAM 中，以適應隨機存取的要求。在 PLC 的工作數據存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器等邏輯器件的存儲區，這些器件的狀態都是由用戶程序的初始設置和運行情況確定的。根據需要，部分數據在掉電時用后備電池維持其現有的狀態，這部分在掉電時可保存數據的存儲區域稱為保持數據區。 由于系統程序及工作數據與用戶無直接聯系，所以在 PLC 產品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當 PLC 提供的用戶存儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲 器擴展功能。 （ 3） 輸入 /輸出單元 輸入 /輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業生產現場之間的連接部件 。 PLC 通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為 PLC對被控制對象進行控制的依據 ； 同時 PLC 又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的 [15]。 由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 內部 CPU的處理的信息只能是標準電平，所以 I/O 接口要實現這種轉換。 I/O 接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。另外， I/O 接口上通常還有 狀態指示，工作狀況直觀，便于維護。 PLC 提供了多種操作電平和驅動能力的 I/O 接口，有各種各樣功能的 I/O 接口供用戶選用。 I/O 接口的主要類型有：數字量（開關量）輸入、數字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分第 16 頁 共 47 頁 （ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變成數字信號進入 PLC 系統，輸出模塊相反。 開關量是指只有開和關（或 0 和 1）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。 常用的開關量 輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出接口可驅動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，動作頻率高 。 但前者只能用于驅動直流負載，后者只能用于交流負載。 模擬量按信號類型分，有電源型（ 420mA， 020mA）、電壓型（ 010V， 05V， 1010V）等； 按精度分，有12bit,14bit,16bit 等。 PLC 的 I/O 接口所能接受的輸入信號個數和輸出信號個數稱為 PLC 輸入 /輸出（ I/O）點數。 I/O 點數 是選擇 PLC 的重要依據之一。當系統的 I/O 點數不夠時，可通過 PLC 的 I/O 擴展接口對系統進行擴展。 除了上述通用 的 I/O 外，還有特殊的I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊 [16]。 PLC 的其它組成部分 （ 1） 電源 PLC 配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比， PLC 電源的穩定性好、抗干擾能力強。對電網提供的電源穩定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值 177。15% 的范圍內波動。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩壓電源，用于對外部傳感器供電。 （ 2） 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口 一般都帶有通信處理器。 PLC 通過這些通信接口可與監視器、打印機、其它 PLC、計算機等設備實現通信。 PLC 與打印機連接，可將過程信息、系統參數等輸出打印；與監視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它 PLC 連接，可組成多機系統或連成網絡，實現更大規模控制。與計算機連接，可組成多級分布式控制系統，實現控制與管理相結合。遠程 I/O 系統也必須配備相應的通信接口模塊。 （ 3） 智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統，它有自己的 CPU、系統程序、存儲器以第 17 頁 共 47 頁 及與 PLC 系統總線相連的接口。它作為 PLC 系統的一個模塊 ， 通 過總線與 PLC 相連，進行數據交換 ， 并在 PLC 的協調管理下獨立地進行工