基于PLC和工控機的監(jiān)控系統(tǒng)設計

劉建軍

摘 要：在工農業(yè)生產(chǎn)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(yè)化工槽、水電站等情況下的液位監(jiān)控。液位控制的精確與否直接影響產(chǎn)品質量，甚至會對設備造成重要影響，所以液位的監(jiān)控具有廣泛的應用前景。我們知道水位的監(jiān)測有很多種實現(xiàn)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(jiān)控帶來一定的麻煩和不便。該設計系統(tǒng)中涉及兩個方面的內容：（1）通過PLC實現(xiàn)水位的控制作用。（2）以工控機為控制平臺，使用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進行控制監(jiān)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(xù)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(tài)軟件進行處理，完成相應的液位監(jiān)測控制及故障報警等功能。這種設計既不需要架設電纜，節(jié)省人力物力，又能穩(wěn)定可靠地的實現(xiàn)對水位的監(jiān)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(fā)展需要。

關鍵詞：液位監(jiān)控；PLC；工控機；組態(tài)軟件

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

供水系統(tǒng)是人們日常生活中不可或缺的重要一環(huán)，尤其隨著自動化技術在過程控制中的應用，穩(wěn)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(yè)生產(chǎn)至今經(jīng)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(shù)有液位、溫度、壓力等。其中，液位是典型的被控參數(shù)，液位監(jiān)控的精確與否直接影響產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量，所以液位監(jiān)控具有重要的實際應用價值。液位監(jiān)控系統(tǒng)是一個開放式平臺，它主要開發(fā)和設計液位控制策略，具有測量容易、觀察直觀、組態(tài)靈活，以指導生產(chǎn)實踐和驗證重要理論成果。由于傳統(tǒng)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(wěn)定性好的液位監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1.某工程監(jiān)控系統(tǒng)方案概述

整個系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(tài)，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(fā)出警報。如果系統(tǒng)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(guī)定的低水位。當水位在規(guī)定的上限水位以上，S2接通時，電磁閥關閉，不再工作。當?shù)陀谝?guī)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(guī)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(tǒng)為選用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR-001型PLC，F(xiàn)X2N-48MR-001型PLC適用于小型控制系統(tǒng)，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(xiàn)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(jù)所選泵的類型和數(shù)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(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)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(xiàn)

MCGS組態(tài)軟件設置為快速構建和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)可以交換數(shù)據(jù)，以及與各種數(shù)據(jù)源的功能強大的數(shù)據(jù)處理能力；使用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)存儲，高可靠性的系統(tǒng)；健全的安全機制，強大的網(wǎng)絡功能，以及各種報警功能；為用戶配置文件配置實時數(shù)據(jù)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(xiàn)分布式控制和管理的工業(yè)體系。MCGS負責調用適當?shù)脑O備驅動程序在運行環(huán)境中，將數(shù)據(jù)傳送到該項目的各個部分。

上面的PLC控制系統(tǒng)的設計完全可以解決系統(tǒng)級的監(jiān)測問題。然而，在系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)的順序的量，以便于監(jiān)測和控制，其中使用MCGS與PLC進行通信，用于監(jiān)測和控制對系統(tǒng)的整體效果。

PLC和MCGS組態(tài)軟件之間的控制與監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苁峭ㄟ^數(shù)字網(wǎng)絡通信的方式連接并實現(xiàn)的，連接的方式有很多種，比如可以通過網(wǎng)線接口、RS232、RS485等以COM串口、總線、以太網(wǎng)、USB形式等實現(xiàn)。組態(tài)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(fā)送給PLC，PLC控制命令命令，根據(jù)在PLC中的程序，通過循環(huán)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(zhí)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(tài)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(tài)配置軟件監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)的水位控制作用；另一方面則是使用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進行實時的操作與監(jiān)控。

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