觸摸屏和PLC的液位自動控制在實踐教學中的應用

宋云清

(伊犁職業技術學院，新疆伊寧，835000）

0 引言

液位自動控制廣泛應用于生產、生活的各個領域，如鐵路交通、石油化工、智能建筑、污水處理等等。適用于各類水箱、水塔、水井、水罐等容器的自動補水功能，并實現液位的自動顯示、控制。按技術要求、操作規范、工藝要求完成用觸摸屏、PLC液位高度自動控制系統的設計、安裝、調試任務，是提高高職電氣自動化技術、機電一體化技術等專業綜合實訓能力的必要手段。

1 觸摸屏、PLC和變頻器的液位自動控制的技術要求和工藝要求

1.1 技術要求

(1)水箱的液位高度系統采用PLC控制，觸摸屏作為操作和監控界面；

(2)水箱下部有一手動閥門，出水大小由手動閥門調節；

(3)觸摸屏作為操作和監控界面，能夠手動和自動控制系統的啟動和停止，并能設置液位高度及實時顯示水箱液位高度；

(4)變頻器拖動電機的水泵為水箱供水，起始頻率為工頻,當液位到達設定值70%、80%、90%時，變頻器頻率逐漸減小，當液位到達觸摸屏液位高度設定值時，水泵關閉。

1.2 任務要求

(1)繪制PLC的I/O接線圖；

(2)按技術要求正確編制、錄入PLC及觸摸屏界面程序；

(3)正確完成觸摸屏與PLC間的通信；

(4)正確設置變頻器的運行參數；

(5)按技術要求、操作規范、工藝要求完成用觸摸屏、PLC控制液位高度控制系統的設計、安裝、調試；

(6)試運行良好，符合技術要求。

2 觸摸屏、PLC和變頻器的液位自動控制的設計過程

2.1 系統的硬件組成

液位自動控制系統由觸摸屏、PLC、變頻器、液位傳感器、閥門電動機組成，觸摸屏選用TPC7062Ti觸摸屏，PLC選用三菱FX2N-48MR的基本單元，變頻器選用三菱FR-D700，采用L300 通用型投入式液位變送器，液位高度由液位傳感器測出，經液位變送器送給三菱PLC的FX0N-3A的A/D擴展模塊，通過變頻器控制閥門電動機的轉速。

2.2 觸摸屏的連接及人機界面的組態

人機界面TPC7062Ti是在實時多任務嵌入式操作系統WindowsCE環境中運行，MCGS嵌入式組態軟件組態。采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率 800×480)，四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096)，色彩達64K彩色。CPU主板：ARM結構嵌入式低功耗CPU為核心，主頻600MHz，128M存儲空間，使用24V直流電源供電。

連接之前個人計算機應先安裝MCGS組態軟件，工程項目下觸摸屏是通過USB2口與個人計算機連接的。觸摸屏通過COM1口直接與PLC的編程口連接。所使用的通訊線帶有RS232/RS422轉換器。為了實現正常通訊，除了正確進行硬件連接，尚須對觸摸屏的串行口0屬性進行設置，這將在設備窗口組態中實現。通過MCGS組態軟件，實現創建工程→創建用戶窗口→定義數據對象→設備連接→設置動畫部件等步驟，進行人機界面的組態。

由于觸摸屏與PLC連接后可以省略按鈕、指示燈等硬件，因此在PLC控制程序中，要使用內部按鈕（中間位輔助繼電器M），觸摸屏上組態的觸摸按鈕與該中間位M對應就可以了，觸摸屏控制M動作，M的觸點去控制輸出繼電器Y的線圈，讓Y動作。觸摸屏設置中，啟動、停止按鈕為按1松0，手動開關為取反，液位設定值為 D2，實時顯示為 D10, 電動機狀態指示燈為Y0，啟動按鈕為M0，停止按鈕為M1，手動按鈕為M11。工作畫面如圖1所示。

圖1 工作畫面

2.3 變頻器參數的設定

由于隨著液位的升高，變頻器的頻率要不斷降低，以減小閥門的開度，控制流量。因此，要實現電動機的四段速控制。變頻器參數設置之前，首先要恢復出廠設置，即清零，然后按照下表1進行參數設置。

表1 變頻器參數設置表

2.4 PLC的輸入/輸出接線圖

（1）PLC的輸入/輸出資源配置

根據液位控制要求，共有三個輸入量和五個輸出，均為開關量。如表2所示。

表2 I/O地址分配表

（2）PLC的輸入/輸出接線圖

根據控制系統的功能要求及表2的輸入/輸出地址分配情況，設計出液位自動控制系統的硬件接線圖，如圖2所示。

圖2 硬件接線圖

變送器如果采用電流輸入，電源+12V 接變送器的紅線，黑線應接 FX0N-3A 模塊的 IIN1 和 VIN1， FX0N-3A 模塊的com1 接電源負極。

2.5 變送器的控制算法

現場采用L300通用型投入式液位變送器，輸入電壓10V ～30V，兩線式，輸出電流 4mA ～20mA，檢測范圍0cm ～500cm。經實驗表明，該傳感器在現場水桶中0cm ～100cm檢測范圍的電流變化值約為25mA ～45mA范圍。液位刻度 0cm ～100cm，對應變化率 0mA ～20mA 數字量。采集值應該乘以5，對應實際水位檢測值。其起始初值為25，也進行歸零處理。

2.6 系統的軟件設計

根據控制要求，設置的梯形圖如圖3所示。

圖3 梯形圖程序

其中的[RD3AK0K2D0]指令執行的是模擬量采集，之后的算法控制程序可以根據具體的控制要求進行液位高低的隨時改變。如果將程序0段落中M10去掉程序變為自動補水。

2.7 調試

系統的調試包括以下步驟：

（1）按照硬件接線圖進行觸摸屏、PLC、變頻器及液位傳感器的連接；

（2）實現PLC與觸摸屏的通信，并下載工作畫面；

（3）實現PLC程序的下載，并使程序處于監視組態；

（4）通電狀態下，設置變頻器的參數值；

（5）試車。

通電試車前，一定要檢查各接線點的連接是否牢靠，是否存在錯接或漏接等現象。特別是變頻器的接線一定要準確，避免變頻器燒毀。

3 結論

基于PLC、變頻器及觸摸屏的液位自動控制具有實訓室內的可操作性、實用性。通過實訓任務的完成，學生將進一步掌握PLC程序的編寫和調試、變頻器參數的設置、觸摸屏工作畫面的組態，進一步了解PLC、變頻器、傳感器和觸摸屏間工作協同與配合，綜合了不同課程的知識要點，增強了實際動手能力，提高了崗位技能水平，具備了利用PLC完成中等程度電氣控制系統的設計改造能力。