基于PLC的水塔水位模擬控制系統研究

摘 要：模擬實際應用環境利用PLC實現對水塔水位控制，該系統可對水塔水位進行遠距離控制，并實時顯示系統的當前狀態及故障信息，便于操作人員掌握系統信息，及時處理故障，提高控制程序和人機交換的靈活性。

關鍵詞：PLC；水塔；水位控制

引言

可編程序控制器，英文稱Programmable Logic Controller，簡稱PLC，是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，專為在工業現場應用而設計，它采用執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等各類操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。實際工業環境中的水塔水位人工控制困難，難以遠距離控制，通過PLC的水塔水位模擬控制系統克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優點，又照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產實踐。

1 水塔水位模擬控制要求

1.1 水塔水位控制模擬電路板

利用PLC實現對模擬電路板上水塔水位進行控制，模擬電路板如下圖1，其中各限位開關定義如下：S1定義為水塔水位上部傳感器（ON：液面已到水塔上限位、OFF：液面未到水塔上限位）、S2定義為水塔水位下部傳感器（ON：液面已到水塔下限位、OFF：液面未到水塔下限位）、S3定義為水池水位上部傳感器（ON：液面已到水池上限位、OFF：液面未到水池上限位）、S4定義為水池水位下部傳感器（ON：液面已到水池下限位、OFF：液面未到水池下限位）。M為攪拌電機，Y為水池注水閥。

1.2 控制要求

當水位低于S4時，閥Y開啟，系統開始向水池中注水，5S后如果水池中的水位還未達到S4，則Y指示燈閃亮，系統報警，表示閥Y沒有進水，出現故障。S3為ON后，閥Y關閉（Y為OFF）；當水池中的水位高于S4、水塔中的水位低于S2，則電機M開始運轉，水泵開始由水池向水塔中抽水；當水塔中的水位高于S1時，電機M停止運轉，水泵停止向水塔抽水。

2 控制系統的設計

2.1 PLC控制系統硬件

2.1.1 上位機：上位機采用機型為品牌聯想機，主要參數為CPU：E6700/G41主板/2GDDR3 /500G 7200轉 SATA2 /DVD光驅/集成高性能顯卡/集成千兆網卡/集成聲卡/抗菌防水鍵盤/光電鼠標/20寸寬屏液晶顯示器。

2.1.2 PLC：采用西門子S7-200PLC，主要參數為CPU224 PLC（AC/DC/RELAY）主機，集成數字量I/O（14路數字量輸入/10路數字量輸出）、RS-485通信口、6路高速計數器； EM235模擬量模塊，集成模擬量I/O（4路模擬量輸入/1路模擬量輸出）；EM277 PROFIBUS-DP通信模塊；配套PC/PPI編程電纜。

2.1.3 輸入/輸出（I/O）接口：I/O接口是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經處理后的結果通過功放電路去驅動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。外部設備接口可將打印機、條碼掃描儀，變頻器等外部設備與主機相聯，以完成相應的操作。

2.1.4 編程裝置：編程裝置是PLC利用外部設備，用戶用來輸入、檢查、修改、調試程序或監示PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦連接，并利用專用的S7編程軟件進行電腦編程和監控。

2.1.5 電源：圖中電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所配置的直流開關穩壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。

2.2 控制系統軟件

系統采用西門子Step7編程軟件編制程序。程序編制就是用戶根據控制對象的要求，利用PLC廠家提供的程序編制語言，將一個控制要求描述出來的過程。編程時要使用到各種編程元件，編程元件是指輸入映像寄存器、輸出映像寄存器、位存儲器、定時器、計數器、通用寄存器、數據寄存器及特殊功能存儲器等。PLC可提供無數個動合和動斷觸點，最常用的編程語言是梯形圖語言和指令語句表語言。梯形圖是一種從繼電接觸控制電路圖演變而來的圖形語言。它是借助類似于繼電器的動合、動斷觸點、線圈以及串、并聯等術語和符號，根據控制要求聯接而成的表示PLC輸入和輸出之間邏輯關系的圖形，直觀易懂。指令語句表是一種用指令助記符來編制PLC程序的語言，它類似于計算機的匯編語言，但比匯編語言易懂易學，若干條指令組成的程序就是指令語句表。一條指令語句是由步序、指令語和作用器件編號三部分組成。

2.3 通信設置

通過PC＼PPI通信電纜通信，通過PC＼PPI通信電纜通信時，硬件只需用通信電纜的接口連接PC的COM口和PLC的PPI口即可。使用PC/PPI連接時，可以接受安裝STEP 7-Micro/WIN時在“設置PG/PC接口”對話框中提供的默認通訊協議。否則，從“設置PG/PC接口”對話框為個人計算機選擇另一個通訊協議，并核實參數（站址、波特率等）。如果成功地在網絡上的個人計算機與設備之間建立了通訊，會顯示一個設備列表（及其模型類型和站址）。

3 水塔水位模擬控制控制系統的實現

3.1 根據控制要求進行端口分配及接線

3.1.1 I/O端口分配功能表（表1）

3.1.2 根據控制接線圖3斷電接線（圖3）

3.2 編程

根據控制要求編程并畫出梯形圖（見圖4）

3.3 調試運行，觀察現象

將編譯無誤的控制程序下載至PLC中，并將模式選擇開關撥至RUN狀態。將各限位開關撥至以下狀態：S1=0、S2=0、S3=0、S4=0，觀察閥門Y的狀態是Y 有輸出，表示閥門打開向水池注水；5S后如果S4仍然未撥至ON狀態，則Y狀態為報警閃爍，表示5S后水池水位沒有達到下限位，閥門Y沒有打開進水，出現故障；將S4撥至ON，S2為OFF時觀察抽水機M的狀態是抽水機M動作，表示水池水位超過下限位S4，并且水塔水位低于下限位S2時，抽水機M抽水；繼而將S1撥至ON，觀察抽水電機M停止，表示抽水后水塔水位達到上限位，抽水機停止抽水。

4 結束語

通過PLC對水塔水位模擬控制系統與實際工業環境中水塔水位控制系統功能一致，整個系統性能穩定、可靠性高、自動化程度高，具有較強的抗干擾能力，并且可利用PLC與組態軟件相結合的監控方式，監控功能完善，操作方便靈活，可實時顯示系統的當前狀態及故障信息，便于操作人員掌握系統信息，及時處理故障，并進行遠距離控制。

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