基于PLC和工控機的監控系統設計

劉建軍

摘 要：在工農業生產過程中，最常見、最廣泛的就是對液位的測量和控制。它主要應用于水塔、鍋爐、高層水箱、工業化工槽、水電站等情況下的液位監控。液位控制的精確與否直接影響產品質量，甚至會對設備造成重要影響，所以液位的監控具有廣泛的應用前景。我們知道水位的監測有很多種實現方法，如機械控制、機電控制、邏輯電路控制等。但通常情況下，需要測量的水塔或水箱和控制室距離相當長，常需要設置上百或上千米的輸電和控制電路，且多為人工控制。顯然，這種測量方法控制精確低，危險性高，能耗大，給監控帶來一定的麻煩和不便。該設計系統中涉及兩個方面的內容：（1）通過PLC實現水位的控制作用。（2）以工控機為控制平臺，使用MCGS組態軟件對該系統進行控制監測及故障報警等。實驗采用新型的PLC控制供水方式進行主控制，在水箱上安裝一個自動測液位裝置，用一般水的導電性連續對液位進行檢測，把測量到的液位變化轉化成相應電信號，主控臺對接收到的電信號應用MCGS組態軟件進行處理，完成相應的液位監測控制及故障報警等功能。這種設計既不需要架設電纜，節省人力物力，又能穩定可靠地的實現對水位的監控，且因為PLC強大的擴展性可以滿足今后日常生活供水建設的發展需要。

關鍵詞：液位監控；PLC；工控機；組態軟件

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

供水系統是人們日常生活中不可或缺的重要一環，尤其隨著自動化技術在過程控制中的應用，穩定的水源供應更是其中重要的組成部分。過程控制從應用于工農業生產至今經歷了由簡單到復雜、從低級到高級的過程。在過程控制中，通常需要進行控制的參數有液位、溫度、壓力等。其中，液位是典型的被控參數，液位監控的精確與否直接影響產品的質量和產量，所以液位監控具有重要的實際應用價值。液位監控系統是一個開放式平臺，它主要開發和設計液位控制策略，具有測量容易、觀察直觀、組態靈活，以指導生產實踐和驗證重要理論成果。由于傳統設計存在著精確度低，危險性高和能耗大等不足，所以，設計一個精度高、穩定性好的液位監控系統就顯得尤為重要。

1.某工程監控系統方案概述

整個系統原理上由水箱液位傳感器，PLC（可編程控制器），泵以及其他必備組件組成。安裝在水箱中的傳感器將水位轉化成電信號（1V～5V），電信號到達PLC會控制水泵的開關。在檢測系統的操作運行中，水位低于最低值，啟動泵抽水到水箱；當水箱中的水達到最高值時，泵停止。等到水箱中的水位再次達到最低，重復上述過程。

2.監控系統設計

當水池里的水位低于下限水位開關S1，S1在這種情況下，為ON狀態，電磁閥被打開，開始往水池里面加水，定時器啟動計時，4s以后，如果水池液面不超過下限液位開關，發出警報。如果系統是正常的，則該水池液位開關S1關斷時，這意味著該水位高于規定的低水位。當水位在規定的上限水位以上，S2接通時，電磁閥關閉，不再工作。當低于規定水箱中的下限水位時，水箱下限水位開關S3為ON時，泵開始工作，當S3為OFF，則表明水高出規定的水箱下限水位。當水箱液面高于上限水位時，該箱上限水位開關S4接通，泵停止。當水池水箱中水位同時低于水位的下限，水泵不能啟動。

2.1 硬件設計

2.1.1 PLC的選擇

本系統為選用三菱公司生產的FX2N-48MR-001型PLC，FX2N-48MR-001型PLC適用于小型控制系統，結構緊湊，價格低廉，性價比高。繼電器輸出型PLC有多余的端子作為備用。

2.1.2 水泵的選擇

選擇泵的一般原則：

（1）以滿足現場流量的需要；

（2）從長遠來看，要求泵的工作點效率要高；

（3）根據所選泵的類型和數量設計水泵站，需要的設備和土建的最低投資；

（4）操作維修方便，管理成本更低。

2.2 軟件設計

2.2.1 I/O接口分配（表1）

2.2.2 水箱水位控制系統系統指令（表2）

當按下啟動開關X0，M0接通。啟動水塔水位控制系統。若水池液面低于下限位，水池下限X2不動作，水閥Y0打開，開始往水池里注水。開始注水同時接通定時器T0，在進水過程中，如果液面高于水池上限X3，Y0失電，停止進水。如果4s之后，水池液位低于水池下限X2，系統自動報警，接通Y3水池報警燈A2亮。若4秒水池液位高于水池下限X2，X2得電，接通Y2水池下限指示燈A1。

此時水池液位高于下限液位X2，水池下限指示燈Y2亮，可以為水塔供水。由于水塔液位低于水塔下限X4，Y5水塔下限指示燈A4不亮，水泵開始工作，向水塔工作。如果水塔液位高于水塔上限X5，接通Y7水塔上限指示燈A6，水泵停止工作。如果進水超過4s后，水塔液位沒有超過水塔下限X4，系統出現故障，水塔下限X4沒有接通，水塔下限指示燈A4不亮，Y6水塔水位報警指示燈A5亮。若水塔水位高于水塔上限X5。Y7水塔上限指示燈A6亮，Y1水閥M2不接通，停止供水。

2.3 通信實現

MCGS組態軟件設置為快速構建和生成計算機監控系統，廣泛應用于自動化領域。MCGS有一個簡單而靈活的可視化界面；有豐富生動的多媒體圖像；開放式架構，系統可以交換數據，以及與各種數據源的功能強大的數據處理能力；使用數據庫管理數據存儲，高可靠性的系統；健全的安全機制，強大的網絡功能，以及各種報警功能；為用戶配置文件配置實時數據庫提供了極大的方便，并具有良好的可維護性，可擴展性；建立一個對象庫，配置工作簡單方便，可實現分布式控制和管理的工業體系。MCGS負責調用適當的設備驅動程序在運行環境中，將數據傳送到該項目的各個部分。

上面的PLC控制系統的設計完全可以解決系統級的監測問題。然而，在系統上的數據的順序的量，以便于監測和控制，其中使用MCGS與PLC進行通信，用于監測和控制對系統的整體效果。

PLC和MCGS組態軟件之間的控制與監視數據傳輸的功能是通過數字網絡通信的方式連接并實現的，連接的方式有很多種，比如可以通過網線接口、RS232、RS485等以COM串口、總線、以太網、USB形式等實現。組態軟件是控制軟件，PLC是控制手段，集成的配置軟件可以控制設備的啟動與停止、顯示以及調整設置，及許多其他的“軟按鈕”與PLC。變更控制要求接收后發送給PLC，PLC控制命令命令，根據在PLC中的程序，通過循環掃描運行進行控制的要求；然后輸出一個切換信號，如中繼模擬信號或脈沖信號、電磁閥、伺服電機等執行設備，最后控制對象的行動；在這個過程中，通過PLC將其轉換到各種組態軟件運行的設備上，如電機起動停止顯示、報警顯示、速度顯示和溫度狀態配置軟件監視器的各種寄存器的實時通信和壓力顯示等。

3.調試與仿真（圖1）

結語

本次課程設計題目是基于PLC和工控機的監控系統設計，該設計主要從兩個大方面來考慮。首先包括通過PLC實現的水位控制作用；另一方面則是使用MCGS組態軟件對該系統進行實時的操作與監控。

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