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    地質(zhì)工程中智能控制單容水箱液位的系統(tǒng)設(shè)計

    【本文版權(quán)歸屬”河南省地質(zhì)工程技術(shù)學(xué)校“的”梁芳“】

     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)計中,利用了西門子公司S7-300 作為控制器,設(shè)計一套運(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,實現(xiàn)液位自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。

       硬件設(shè)計是軟件設(shè)計實現(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)計用S7-300 PLC 作為控制器,通過變頻器控制電機(jī)速度,同時由變送器和四個液位檢測開關(guān)收集液位信號反饋給PLC 來進(jìn)行進(jìn)一步控制,從而實現(xiàn)使液位保持在設(shè)定值附近的自動控制系統(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。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MPI 網(wǎng)絡(luò)。若有PROFIBUS-DP 接口,就可建立一個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務(wù)。

    1.2 CPU 型號的選擇

        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 微存儲器卡(MMC)、一個MPI 接口和一個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轉(zhuǎn)換為CPU 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號,其主要部分是A/D 轉(zhuǎn)換器。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)換順序執(zhí)行的,每個模擬量通道輸入信號被依次輪流轉(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。

        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,綠色LED 亮;當(dāng)輸出電路過載時,LED 指示燈會閃爍;如果輸出端斷路,則輸出電壓為0,此時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,更好的動態(tài)特性,過/欠電壓保護(hù),短路保護(hù)等優(yōu)點。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,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,檢測方式為有水時閉合。它可以直接與PLC 搭配工作,判斷有水時輸出24V,無水時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。可任意方向安裝,當(dāng)橫裝時,水位到達(dá)藍(lán)線就動作,且精度較高。產(chǎn)品豎向安裝時,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、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。

    2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

    2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(如圖2 所示)

     

    2.2 系統(tǒng)的上位機(jī)組態(tài)軟件的設(shè)計

        在本設(shè)計中,上位機(jī)組態(tài)實現(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。設(shè)計主要包括組態(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、建立動畫連接、運(yùn)行和調(diào)試這幾個步驟。

    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。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)計要求編寫程序流程圖,然后通過實物實際情況反復(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。在軟件中針對PLC 的模塊化編程、數(shù)據(jù)的歸一化與設(shè)計液位控制系統(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。這個設(shè)計使本人的知識領(lǐng)域?qū)I(yè)技能得到了進(jìn)一步擴(kuò)展,同時增強(qiáng)了分析和解決工程實際的綜合能力。

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