毕业设计(论文)-PLC液位控制系统的设计.doc
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1、河北师范大学职技学院学士学位论文摘要本文介绍了采用PLC控制器和变频器调速的液位控制系统,控制系统的核心部件为PLC和变频器,并且通过基于CC4069B构成的液位测量装置对水箱水位取样,反馈到PLC的输入模块。系统由PLC进行逻辑控制,由变频器进行水泵的转速调节。变频器、可编程控制器作为系统的控制核心,对频率进行调节,通过PLC控制变频器,进而控制水泵的转速,从而实现了闭环自动调节的液位控制系统。解决水塔水位随着用水高峰期和楼层的高低而不同的问题,也解决了工业领域中有关液位技术的各个问题,使液位高精度地保持在给定的数值范围。关键词:PLC;MM440变频器;液位测量;液位控制;CC4069B2
2、5Abstract This paper introduces the use of PLC controllers and liquid level inverter speed control system, control system components for the core of PLC and inverter, and CC4069B-based liquid level measurement device consisting of water sampling for water tanks, fed back to the PLC input module . Sy
3、stem carried out by the PLC logic control, by the frequency converter to adjust pump speed. Converter, programmable controller as the core control system for frequency regulation. Inverter through the PLC control, and speed control of pumps in order to achieve a closed-loop automatic adjustment of t
4、he liquid level control system. With the water cooling towers to resolve the peak water level and the level of floors and different problems to solve in the field of industrial technology in all of the liquid level, so that high-precision liquid level to maintain the value in a given range.Keywords:
5、PLC; MM440 Inverter; liquid level measurement; liquid level control; CC4069B目录目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2研究的意义和目的11.3 本文的主要研究内容1第2章 水箱液位控制系统32.1水箱液位控制系统简介32.2 水箱液位控制系统的工作原理42.3 系统运行方式52.4 故障处理5第3章 液位测量装置63.1 CC4069B简介63.2测量水位电路的组成6第4章 PLC控制原理84.1 PLC简介84.1.1可编程控制器的产生与发展84.1.2 PLC的用途94.1.3 PLC的特
6、点94.1.4 PLC的硬件组成94.2 PLC的选型94.2.1西门子S7-200PLC的系统配置9第5章 变频器控制原理125.1 变频器简介125.2 变频器的一般分类、额定数据及特点125.2.1按变换的环节分类125.2.2按直流电源的性质分类125.2.3根据电压的调制方式分类125.2.4根据输入电源的相数分类135.2.5变频器的额定数据135.3 变频器的选型135.3.1MM440通用型变频器的特点14第六章 总体设计166.1电动机的参数166.2变频器的参数166.3电动机控制要求166.4 MM440和S7-200的输入输出变量约定176.4.1 MM440变频器数字
7、输入变量约定176.4.2 S7-200PLC数字输入输出变量约定176.5操作步骤19结论23参考文献24致谢25第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言可编程控制器(英文全称Programmable Logic Controlle)简称PLC1,是现代工业控制的基础部件,是工厂自动化(FA Factory Automation)的支柱之一。它是自动控制技术与通讯技术三者有机结合的产品,即工业专用计算机。它既有计算机控制系统的可编程特点(控制功能由软件实现),又具有继电器控制系统的优良的抗电噪能力(适应工业控制的各种恶劣的工作环境)。可编程序控制器还具有很强的连网能力和很高的可靠性,不仅可以单机
8、使用,而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。PLC在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统,它在工业中的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中,有很多地方需要对控制对象的液位进行控制调节。使液位高精度地保持在给定的范围。如在建材行业中,玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。在城市供水系统中,水塔的水位直接影响住户的用水问题。在本文中,以液位控制系统的水箱为研究对象,水箱的液位为被控量,PLC和变频器起调节器的功能,通过由集成块CC4069B2构成的水箱水位测量系统,而得知水位的状态,并且反馈到PLC的数字输入
9、模块,通过执行程序直接控制变频器3,变频器控制电机转速,从而达到控制水位的目的。1.2研究的意义和目的 在现代社会中,城市的供水系统、化工及工业锅炉自动控制系统中,有许多问题最终都可归结为“水箱系统”的液位控制问题。对水箱系统的液位控制问题进行认真和透彻的研究,对从事自动控制系统的工程技术人员来说,具有很重要的意义。本文采用由集成块CC4069B构成的水箱水位测量装置,不仅可以准确的反映水箱水位的情况,可见性强,而且还可以及时的反馈到PLC的输入,使PLC及时的做出相应的措施。电路简单明了,费用低,可以大规模的推广。本文采用的PLC1和变频器调速液位控制系统,与传统的恒速泵供水液位控制系统相比
10、,具有供水质量高、灵活性强、耗电省、电机起动、制动平稳、占地面积少、原材料消耗省等优点,从而获得了广泛的应用。1.3 本文的主要研究内容1.通过解决水箱水位的问题,进而可以解决人民生活及工业中液位不稳的问题;2.突破现有的液位控制技术现状,开拓技术新思路;3.合理运用所学的专业理论知识,锻炼解决实际问题的能力;4.本课题的主要内容是基于PLC实现的一台变频器控制一台水泵的液位控制系统,并对其进行一定的研究设计,使其具有更高的可靠性。5本文以普通水箱液位系统为背景,介绍了该系统控制器的硬件设计和软件实现。 第2章 水箱液位控制系统第2章 水箱液位控制系统2.1水箱液位控制系统简介该液位控制系统系
11、统以1台0.65KW的水泵变频运行为例。以变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件,系统的主要目标是控制水箱的液位。其主要的干扰源为随机流入水箱中的水使水位上涨,超过警戒水位;同时出于某种考虑,不能使水位低于某个值。以PLC和变频器为控制核心,组成闭环控制系统,如图2.1所示液位测量装置图2-1 液位控制系统结构图水箱的液位变化范围为h=0-100mm,通过液位传感器(集成块CC4069B构成的水箱水位测量装置),准确的测量出水箱的液位,并且反馈给PLC的输入,PLC根据水箱的水位,自动调用相应的程序,控制变频器输出一定的频率控制电机,这样就能使被控对象的液位值稳、快、准地稳定在所给定的液位
12、范围内,稳态液位误差不超过5mm。2.2 水箱液位控制系统的工作原理系统主要由西门子S7-200系列PLC、MM440变频器、液位测量装置及水泵等组成,电机直接从变频器上引出,它的转速完全由变频器的输出决定。液位测量装置用于检测水箱的水位,它有6个水位探头,分别用于检测水箱控制范围的1/6水位、2/6水位、3/6水位、4/6水位、5/6水位和6/6水位。当某时刻用水量大(小)时,水箱水位下降(上升),当下降到某一水位时,该水位的探头就会将水箱水位的情况及时的反映给PLC,PLC会调用相应的程序控制变频器,将数据处理的结果以频率的形式输出(050HZ之间变化)。从而控制水泵的进水量,达到控制水箱
13、水位的目的。系统控制流程图如图2.2所示。 图2-2 系统控制流程图2.3 系统运行方式该系统有手动和自动两种运行方式:(1)手动运行:下按钮启动或停止水泵,可控制水泵的启停。但此种方式时水泵总是工作在工频状态,该方式主要供检修及变频器故障时用。(2)自动运行:合上自动开关后,水泵经变频器通电,变频器输出频率从0Hz上升,同时PLC接收到自传感器的标准的水位信号,经分析来控制变频器的输出频率。若有电源瞬时停电的情况,则系统停机;待电源恢复正常后,系统自动恢复运行,直至在水位稳定。2.4 故障处理(1)故障报警:当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时,系统会自动停机,并发出声响报警
14、信号,通知维修人员前来维修。此外,变频器或PLC故障时,系统自动停机,此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。(2)水泵检修:为维护和检修水泵,要求在系统正常供水状态下,系统设有备用水泵,这样就不会影响系统正常运行。第3章 液位测量系统第3章 液位测量装置本文应用的液位测量装置打破以往的压力传感器或声波传感器等装置,它是基于CMOS集成电路CC4069B构成的,该集成块有较强的通用性和稳定性,且原理简单易懂。3.1 CC4069B简介CC4069B内部结够是六个反相器(如图3-1所示),用它可以设计成振荡器、线性放大器、单次脉冲发生器、防抖动电路、多位互锁开关及反复开关等许多有用的电路。图3-
15、1 CC4069B内部电路3.2测量水位电路的组成本文基于CC4069B及其外围元器件构成水箱的测量和显示电路。其中、引脚为反相器的输入,外接水位探头,分别用于检测水箱给定水位的1/6水位、2/6水位、3/6水位、4/6水位、5/6水位、6/6水位。当水淹到某一水位深头时,该探头间的间隙被接通,进而使集成块的相应输入引脚为低电平,经反相器反相为高电平反输出,使反应水位高度的相应发光二极管导通发光,以示水位已达到某位置。由文献2,2748可知。另外反相器的输出引脚、连接PLC的输入模块。从而使变频系统驱动水泵以相应的转速控制进水量,最终达到保持水箱水位的目的。其原理如下图3-2:VDD为电源,1
16、2伏;输入引脚电阻,100欧输出引脚电阻,200欧二极管为普通红色发光二极管水箱水位探头图3-2 液位测量装置原理图图3-2 液位测量装置第4章 PLC的控制原理第4章 PLC控制原理4.1 PLC简介4.1.1可编程控制器的产生与发展可编程序控制器(Programmable Controller)缩写为PC。由于早期的可编程控制器主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制,且为了和个人计算机(Personal Computer)相区别,把可编程控制器缩写为PLC(ProgrammableLogicControlle)。可编程控制器一直在发展,因此直到目前为止,还未能对其下最后的定义。可编程控制器
17、是生产力发展的必然产物。可编程控制器诞生之前,工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路,它是以接线逻辑实现控制功能的。这样的控制设备一经生产出来,功能就固定了,若要改变控制器内部的硬件接线,使用起来不灵活,也很麻烦。1968年,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要,要寻找一种比继电器更可靠,功能更齐全,响应速度更快的新型工业控制器,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,立即引起了开发热潮。这十大条件中比较产要的是:编程方便,可现场修改程序;维修方便,采用插件式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘;数据可直接送入管理计算机;成本
18、可与继电器控制盘竞争;扩展时原系统改变最少。条件中最根本的一条是采取缔程序修改方式改变控制功能,这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重标志。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,它采用了一些计算机技术,但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展,特别是微处理器和微计算机的迅速发展,在20世纪70年代中期,美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多地引、入微机技术,微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件,使可编程控制器具有了自诊断功能,可靠性有了大幅提高,性能价格比产生了新的突破性。到20世
19、纪80年代,可编程控制器都采用了微处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或是单片机作为其核心,处理速度大大提高,不仅增加了多备战特殊功能,体积还进一步缩小。20世纪90年代末,PLC几乎完全计算机化,其速度更快,功能更强,各种智能模块不断被开发出来,使其不断地扩展着它在各类工业控制过程中的作用。现在PLC不仅能进行逻辑控制,在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。如今,大、中、型。甚至小型PLC都七有A/D、D/A转换及算术运算功能,有的还具有PID功能。这些功能使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方
20、面具有了硬件基础;许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能,配合相应的传感器及伺服设备,PLC可实现数字量的智能控制;PLC配合扣编程终端设备,可实时显示采集到的现场数据及分析结果,为系统分析、研究工作提供依据,利用PLC的自检信号心理学 可以实现系统监控;PLC具有较强有力的通信功能,可以与计算机或其他智能装置进行通讯及联网,从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制要求,还能满足现代化大生产管理的需要。近年来,可编程控制器的发展更为迅速,更新换代周期减短了许多。展望未来,可编程控制器在规模和功能上将向各个方向发展:一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展,;二是发展简
21、易经济的超小型可编程控制器,以适应单机控制及小型设备自动化的需要。另外,不断增强PLC工业过程控制的功能(模拟量控制能力)。研制采用工业标准总路线,使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备,增强可编程控制器的联网通信功能,便于分散控制与集中控制的实现,大力开发智能I/O模块、增强可编程控制器的功能也具有重要的意义。4.1.2 PLC的用途顺序控制,运动控制,闭环过程控制,数据处理,通信和联网等用途。4.1.3 PLC的特点可靠性高,抗干扰能力强;适应性强,应用于灵活;编程方便,易于使用;功能强,扩展能力强;PLC控制系统设计、安装、调试方便;维修方便,维修工作量少;PLC体积小,重量轻,易于实
22、现机电一体化。4.1.4 PLC的硬件组成中央处理器(CPU);存储器;输入、输出接口;电源;扩展接口;通信接口;智能I/O接口;编程工具;智能单元9部分组成。4.2 PLC的选型本系统选用西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控制器S7-200系列,该产品出现于20世纪90年代,到目前已经历过两代,S7-21*系列是第一代产品,S722*系列是第二代产品。S7系列PLC凭借其强大的组网能力、功能完善的编程软件、种类齐全的功能模块和良好的人机界面,成为众多用户首选的PLC产品。S7-200系列PLC广泛用于集散自动化系统,使用范围覆盖机床、机械、电力设备、民用设备环境保护等自动化控制领域。4
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