液體液位流量控制系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u19187液體液位流量控制系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)案例概述 1270491.1控制系統(tǒng)中PLC的硬件構(gòu)成及工作原理 152841.2液位控制系統(tǒng)中PLC的基本特性分析 282051.2.1模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元 3132361.2.2讀寫(xiě)特殊功能模塊指令 716101.3液位控制系統(tǒng)的其他硬件選擇 762351.1.1液位傳感器模塊 7279991.1.2電動(dòng)閥模塊 81.1控制系統(tǒng)中PLC的硬件構(gòu)成及工作原理可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中使用最為廣泛的工業(yè)控制機(jī)，PLC的結(jié)構(gòu)有兩個(gè)部分：硬件和軟件。其硬件部分由CPU、存儲(chǔ)器、I/O口、電源等單元組成，如圖3-1所示。圖3-1PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖PLC都是依據(jù)上述的以CPU為中心的基本結(jié)構(gòu)組成整個(gè)系統(tǒng)。把編寫(xiě)好的程序?qū)懭氲絇LC中后，PLC便可以根據(jù)用戶所編寫(xiě)的程序逐步運(yùn)行。大致有三個(gè)步驟：1、PLC接收外部輸入采樣信號(hào)。2、PLC按照輸入信號(hào)判斷執(zhí)行用戶輸入程序，得出對(duì)應(yīng)的結(jié)果。3、PLC輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的操作，以上三個(gè)步驟為一個(gè)掃描周期。如圖3-2所示圖3-2PLC的工作原理示意圖PLC的CPU通過(guò)重復(fù)掃描可以不間斷的執(zhí)行當(dāng)前輸入的用戶程序段同時(shí)等待執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，最終輸出運(yùn)算得到的執(zhí)行目標(biāo)。一個(gè)掃描周期中，在接受外部輸入采樣階段，PLC將以掃描的方法逐步讀取所有輸入信號(hào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)放入輸入映像寄存器內(nèi)。執(zhí)行用戶程序階段，PLC會(huì)以從上到下、從左到右的順序依次掃描梯形圖并執(zhí)行命令，依據(jù)CPU運(yùn)算的結(jié)果內(nèi)部?jī)?chǔ)存器會(huì)刷新對(duì)應(yīng)狀態(tài)。在輸出外部執(zhí)行階段，CPU把輸出映象寄存器內(nèi)相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸送到輸出鎖存器，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)控制外部的相關(guān)設(shè)備[8]。1.2液位控制系統(tǒng)中PLC的基本特性分析本文采用的三菱FX2N系列PLC具有小型化，運(yùn)算速度快，性能高等特點(diǎn)，擁有16~25個(gè)獨(dú)立的輸入輸出點(diǎn)，可以用于連接多個(gè)基本組件，使用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊。還擁有模擬控制、定位控制、PID控制指令等特殊功能，能夠滿足多樣廣泛的用戶需求[10]。PLC進(jìn)行模擬控制時(shí)，需要測(cè)量元件檢測(cè)的模擬量（如電流／電流值），輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，與用戶給定的被控量設(shè)定值相比較算得偏差值。將偏差值輸入PLC中，由CPU經(jīng)PID算法運(yùn)算完成后，將運(yùn)算結(jié)果由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（如電流／電流值）后，輸入控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令，完成對(duì)被控量的控制。本文所要設(shè)計(jì)的模擬控制系統(tǒng)，將以三菱FX2N系列PLC為控制核心，模擬量輸入模塊使用FX2N-4AD，模擬量輸出模使用FX2N-4DA，并通過(guò)PLC的FROM指令，TO指令和PID指令編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬量的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-3。圖3-3PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.1模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元（1）FX2N-4AD模塊性能分析[11]FX2N-4AD模擬輸入模塊具有CH1~CH4共4個(gè)輸入通道，最大分辨率是12位，每個(gè)輸入通道接收電壓或電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電壓信號(hào)輸入范圍為-10V~+10V。電流信號(hào)輸入范圍輸入為4~20mA或-20~20mA。FX2N-4AD的接線方式如圖3-4所示。圖3-4FX2N-4AD外部接線圖FX2N-4AD的四個(gè)輸入通道可以同時(shí)使用。當(dāng)采用電壓輸入時(shí)分辨率為5mV（10V默認(rèn)范圍：1/2000），采用電流輸入時(shí)分辯率為20uA（20mA默認(rèn)范圍：1/1000）。轉(zhuǎn)換速度為6~15ms/通道。當(dāng)采用不同的輸入方式和輸入范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入的增益量和偏置量就有所不同，如圖3-5所示。圖3-5FX2N-4AD電壓/電流輸入特性FX2N-4AD的緩沖存儲(chǔ)器分配如圖3-6所示。標(biāo)有*號(hào)的緩存器（BFMS）能夠使用TO指令從PLC寫(xiě)入，沒(méi)有標(biāo)*號(hào)的緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)能夠使用FROM指令讀入PLC。1．通道選擇輸入通道需要通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器BFM#0中的4位十六進(jìn)制數(shù)字HOOOO完成初始化，由低位到高位分別為通道1、2、3、4，可以通過(guò)設(shè)置通道的值選擇通道的輸入模式。如“0”為輸入-10V~+10V直流電壓，等。2．BFM#20可以設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度?！?”為15ms/通道?！?”為6ms/通道。3．可以單獨(dú)或一起調(diào)整增益和偏移量的一樣的通道。圖3-6FX2N-4AD緩沖存儲(chǔ)器（2）FX2N-4DA模塊性能分析[9]FX2N-4DA模擬特殊模塊具有CH1~CH4共4個(gè)輸出通道，最大分辨率是12位，每個(gè)輸出通道都可以把接收到數(shù)字量轉(zhuǎn)換成等價(jià)的模擬量輸出。電壓信號(hào)輸出范圍為-10V~+10V。電流信號(hào)輸出范圍輸入為0~20mA。FX2N-4AD的接線方式如圖3-7所示。圖3-7FX2N-4DA外部接線圖FX2N-4DA的四個(gè)輸入通道可以同時(shí)使用。當(dāng)采用電壓輸出時(shí)分辨率為5mV，電流輸入時(shí)分辯率20uA。當(dāng)采用不同的輸入方式和輸入范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入的增益量和偏置量就有所不同，如圖3-8所示。圖3-8FX2N-4DA電壓/電流輸出特性FX2N-4DA的緩沖存儲(chǔ)器分配如表3-1所示。PLC能夠使用TO指令將數(shù)據(jù)寫(xiě)入表中帶“W”的緩沖寄存器中，帶有“E”的緩沖寄存器里的數(shù)據(jù)可以寫(xiě)入EEPROM，在電源關(guān)閉時(shí)，緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)可以得到保持。1．通道選擇輸出通道需要通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器BFM#0中的4位十六進(jìn)制數(shù)字HOOOO完成初始化。由低位到高位分別為通道1、2、3、4，可以通過(guò)設(shè)置通道的值選擇通道的輸出模式。如“0”為輸出-10V~+10V直流電壓等。2．?dāng)?shù)據(jù)保持模式控制設(shè)定BFM#5可以設(shè)置數(shù)據(jù)保存模式，“0”為PLC停止運(yùn)行時(shí)，仍可轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)?！?”為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)復(fù)位時(shí)，變成偏移設(shè)置值。3．調(diào)整增益和偏移值緩沖存儲(chǔ)器BFM#8（E）為通道1和通道2的偏移/增溢設(shè)定命令，BFM#9（E）為通道3和通道4的偏移/增溢設(shè)定命令。表3-1FX2N-4AD緩沖存儲(chǔ)器BMF內(nèi)容W#0輸出模式選擇缺省設(shè)定值為H0000(0=-10V~+10V;1=4mA~20mA;2=0mA~20mA;3關(guān)閉通道）#1通道1輸出數(shù)據(jù)通道#2通道2#3通道3#4通道4#5數(shù)據(jù)保持模式（HOOOO,O=0保持STOP前RUN模式下的輸出;O=1復(fù)位到偏移值）#6#7保留W#8(E)CH1、CH2的偏移/增益設(shè)定命令，初始值H0000(0=不做改變;1=改變數(shù)據(jù)的數(shù)值）#9(E)CH3、CH4的偏移/增益設(shè)定命令，初始值H0000(0=不做改變；1=改變數(shù)據(jù)的數(shù)值）#10偏移數(shù)據(jù)CH1*1單位：mV或uA初始偏移值：0初始增益值：+5000*3輸出模式0#11偏移數(shù)據(jù)CH1*2#12偏移數(shù)據(jù)CH2*1#13偏移數(shù)據(jù)CH2*2#14偏移數(shù)據(jù)CH3*1#15偏移數(shù)據(jù)CH3*2#16偏移數(shù)據(jù)CH4*1#17偏移數(shù)據(jù)CH4*2#18#19保留W*#20初始化初始值=0*#21禁止調(diào)整I/O特性（初始值為1允許調(diào)整，為2不允許調(diào)整）#22-28保留#29錯(cuò)誤狀態(tài)#30識(shí)別碼K3020#31保留1.2.2讀寫(xiě)特殊功能模塊指令（1）FROM指令[12]FROM指令可以把將特殊功能?？炀彌_儲(chǔ)存器（BFM）中的數(shù)據(jù)讀取到PLC中。指令格式如圖3-9所示：圖3-9讀特殊功能模塊指令其中，K1是模塊地址常數(shù)，可以選定特殊功能模塊；K29是模塊緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)地址常數(shù)，是FROM指令讀取的目標(biāo)位置；K4M0是數(shù)據(jù)在PLC中的存儲(chǔ)位置指定。K4表示需要閱讀的二位進(jìn)制數(shù)為16位，M0表示數(shù)據(jù)在PLC中存儲(chǔ)位置的首地址。也可以使用16位數(shù)據(jù)寄存器D作為存儲(chǔ)位置，此時(shí)不用添加前綴K4；K1表示需要傳遞的點(diǎn)數(shù)，采用16位二進(jìn)制時(shí)代表閱讀16點(diǎn)。（2）TO指令TO指令可以把PLC中指定的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到特殊功能模塊的緩沖器（BFM）里。指令格式如圖3-10所示：圖3-10寫(xiě)特殊功能模塊指令其中，K1是模塊地址常數(shù)，可以選定特殊功能模塊；K29表示模塊緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)地址常數(shù)，是TO指令寫(xiě)入的目標(biāo)位置；K4M0是源數(shù)據(jù)在PLC中的存儲(chǔ)位置。也可以使用16位數(shù)據(jù)寄存器D作為源數(shù)據(jù)地址，此時(shí)不用添加前綴K4；K1表示需要傳遞的點(diǎn)數(shù)，采用16位二進(jìn)制時(shí)代表閱讀16點(diǎn)。1.3液位控制系統(tǒng)的其他硬件選擇1.1.1液位傳感器模塊液位傳感器有接觸式和非接觸式兩種。顧名思義，接觸式傳感器需要投入到被測(cè)液體中測(cè)量液體液位，主要的產(chǎn)品有浮球式液位傳感器，磁性液位傳感器，投入式液位傳感器[15]。非接觸式傳感器不用投入到被測(cè)液體中，通過(guò)發(fā)射和接受測(cè)量信號(hào)測(cè)量液體液位。本文中采用的中天科技GB-2100A型液位傳感器是靜壓投入式液位傳感器，具有性價(jià)比高、高精度、高穩(wěn)定、過(guò)壓、電流方向保護(hù)抗擾動(dòng)、防銹蝕等特點(diǎn)[7]。技術(shù)參數(shù)如表3-2所示。表3-2GB-2100A型液位傳感器技術(shù)參數(shù)表測(cè)量范圍0-300m精度等級(jí)0.1級(jí)供電范圍12-36VDC輸出信號(hào)4-20mA或0-5VDC或0-10VDC或1-10VDC介質(zhì)溫度-30~60攝氏度環(huán)境溫度-40~85攝氏度防護(hù)等級(jí)IP68因?yàn)橐后w靜壓和液體的液位高度成比例，GB-2100A型液位傳感器利用這個(gè)原理，把測(cè)得的靜壓值變換成電信號(hào)補(bǔ)償修正后送出。液位傳感器在液體中受到的壓力為（3-1）式中：為液位傳感器所感受到的壓力。為液體密度。為重力加速度。為液位傳感器在液體中的深度。為液面上的大氣壓。液位傳感器將來(lái)自液體的壓力與來(lái)自液面上的大氣壓力分別導(dǎo)入到正負(fù)壓腔中，使他們相抵消，便可以得到加在傳感器上的壓力位。因此，只要測(cè)取壓強(qiáng)就可以液體的液位高度。1.1.2電動(dòng)閥模塊電動(dòng)閥，即利用電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制，完成對(duì)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，它由上下兩部分組成，上面是電動(dòng)執(zhí)行器，下面是閥門(mén)，有角行程電動(dòng)閥和直行程電動(dòng)閥兩種。角行程電動(dòng)閥門(mén)的調(diào)節(jié)范圍為0-90度，可以控制管道內(nèi)的液體通斷，直行程電動(dòng)閥可以上下執(zhí)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制液體通斷。電動(dòng)閥一般用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，比普