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PLC 的液位控制系統在現代工業(yè)控制系統中具有重要作用，本人在設計中，利用了西門(mén)子公司S7-300 作為控制器，設計一套運行穩定、安全可靠又經(jīng)濟的單容水箱液位控制系統。通過(guò)對一些主要器件設備、位式控制算法和上位機的組態(tài)等，實(shí)現液位自動(dòng)控制系統的設計。
硬件設計是軟件設計實(shí)現的前提，硬件的合理選用，既要合理、適合，也要經(jīng)濟適用。本設計用S7-300 PLC 作為控制器，通過(guò)變頻器控制電機速度，同時(shí)由變送器和四個(gè)液位檢測開(kāi)關(guān)收集液位信號反饋給PLC 來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步控制，從而實(shí)現使液位保持在設定值附近的自動(dòng)控制系統。（如圖1）
1.1 PLC 的選型
西門(mén)子S7-300 是模塊化的通用型PLC，適用于中等性能的控制要求。SIMATIC S7-300 編程序控制器是模塊化結構設計。各種單獨的模塊之間可廣泛組合以用于擴展。其CPU 集成了過(guò)程控制功能，用于執行用戶(hù)程序。不需附加任何硬件、軟件、編程，就可建立一個(gè)MPI 網(wǎng)絡(luò )。若有PROFIBUS-DP 接口，就可建立一個(gè)DP 網(wǎng)絡(luò )。S7-300 可大范圍擴展各種功能模塊，很好的滿(mǎn)足自動(dòng)控制任務(wù)。
1.2 CPU 型號的選擇
S7-300 有20 種不同等級的CPU，分別使用于不同等級的控制要求。CPU 313C-2 DP 帶集成數字量輸入/輸出和PROFIBUS DP主站/從站接口的緊湊型CPU，帶有與過(guò)程相關(guān)的功能，可以完成具有特殊功能的任務(wù)，可以連接單獨的I/O 設備。配置為：16DI/16DODC24V、Flash EPROM 微存儲器卡（MMC）、一個(gè)MPI 接口和一個(gè)DP總線(xiàn)接口。
1.3 模擬量模塊（SM）的確定
S7-300 的模擬量I/O 模塊包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332 和模擬量輸入輸出模塊SM334 和SM335，通常選用SM334 系列的模塊。它既有模擬量輸入通道，又有模擬量輸出通道，用于連接模擬量傳感器和執行器。這里選用的是SM334 AI4/AO2 8/8 位的模塊，有4 輸入、2 輸出，精度8 位。是不可編程，通過(guò)硬件連線(xiàn)來(lái)定義測量和輸出類(lèi)型。
模擬量輸入模塊用于將模擬信號轉換為CPU 內部處理用的數字信號，其主要部分是A/D 轉換器。輸入信號一般是模擬量變送器輸出的標準直流電壓電流信號。各模擬量通道轉換順序執行的，每個(gè)模擬量通道輸入信號被依次輪流轉換。此模塊由多路開(kāi)關(guān)、A/D轉換器、光隔離元件、內部電源和邏輯電路組成。模擬量輸出模塊用于將CPU 送給它的數字信號轉換為成比例的電流信號或電壓信號，對執行機構進(jìn)行調節或控制，其主要轉換部分是D/A 轉換器。
電源模塊選用PS307 2A，效率83%。輸入電壓為單相交流120/230V， 50/60Hz；輸出電壓為DC24V，具有短路和斷路保護。正常態(tài)時(shí)，綠色LED 亮；當輸出電路過(guò)載時(shí)，LED 指示燈會(huì )閃爍；如果輸出端斷路，則輸出電壓為0，此時(shí)LED 變暗。輸入電壓過(guò)高，可能損壞模塊；輸入欠壓，模塊關(guān)閉，停止工作。
1.4 變頻器的選型
變頻器選用的是MICROMASTER420 系列，MM 420 是用于控制三相交流電機速度的變頻器系列。微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高運行可靠性和功能多樣性。易安裝、調試，快速響應，正常狀態(tài)下無(wú)跳閘運行，更好的動(dòng)態(tài)特性，過(guò)/欠電壓保護，短路保護等優(yōu)點(diǎn)。必須可靠接地，斷開(kāi)電源后可進(jìn)行電源及電機端子的接線(xiàn)。
1.5 變送器的確定
可采用投入式液位變送器，用于收集液位信號，產(chǎn)生4~20mA模擬信號，作為模擬量輸入信號傳遞給PLC，進(jìn)行進(jìn)一步控制。液位變送器包括一個(gè)表頭，兩邊都有蓋子，打開(kāi)蓋子，一邊的表內部可以調節零點(diǎn)或滿(mǎn)量程，另一邊內部用于接線(xiàn)。
1.6 水位檢測開(kāi)關(guān)的選定
選用電子式水位開(kāi)關(guān)BZ2401，檢測方式為有水時(shí)閉合。它可以直接與PLC 搭配工作，判斷有水時(shí)輸出24V，無(wú)水時(shí)0V，電流容量2A。高低電平的信號可通過(guò)PLC 來(lái)讀取，并驅動(dòng)水泵等用電器工作?？扇我夥较虬惭b，當橫裝時(shí)，水位到達藍線(xiàn)就動(dòng)作，且精度較高。產(chǎn)品豎向安裝時(shí)，水位到達紅線(xiàn)就動(dòng)作，有一定的防波浪功能。而且具有耐污、耐顛簸、抗摔性強、耐酸堿，不怕磁場(chǎng)影響、金屬體影響、水壓變化影響、光線(xiàn)影響，沒(méi)有盲區，不怕固體漂浮物的影響的優(yōu)點(diǎn)。
2 系統的軟件設計
2.1 系統結構設計（如圖2 所示）
2.2 系統的上位機組態(tài)軟件的設計
在本設計中，上位機組態(tài)實(shí)現了自動(dòng)液位控制，過(guò)程中工作人員可直接通過(guò)電腦監測系統運行狀態(tài)，及在線(xiàn)改變參數的設置。設計主要包括組態(tài)新建工程、畫(huà)面創(chuàng )建、定義I/O 設備、構造數據庫、建立動(dòng)畫(huà)連接、運行和調試這幾個(gè)步驟。
3 系統調試
系統調試分軟件和硬件的調試。在軟件調試之前首先要進(jìn)行硬件的調試工作，在PLC 處于編程狀態(tài)下，檢測變頻器、傳感器等，以確認這些信號能夠正確地輸入PLC 的輸入端口；確認過(guò)程控制系統可以正常運轉，實(shí)現水泵上水、放水、啟動(dòng)、停止及變頻器控制器下的轉速調節等功能。硬件調試中問(wèn)題，首先，PLC 和外圍電路的連接，遇到低壓電器連接問(wèn)題，通過(guò)反復連接操作訓練后，這些問(wèn)題得到解決。硬件調試問(wèn)題解決了，再解決軟件調試工作。軟件調試較硬件調試要復雜的多。首先根據設計要求編寫(xiě)程序流程圖，然后通過(guò)實(shí)物實(shí)際情況反復編程練習，一一解決了編程遇到的問(wèn)題。系統有很多功能，本著(zhù)先單一，后多種，先簡(jiǎn)單，后復雜的順序來(lái)編寫(xiě)和調試程序，直到完全符合設計要求，完成最終的調試工作。在建立PLC和組態(tài)通信連接時(shí)也遇到了不少的困難，變量的類(lèi)型的選擇、變量域的使用等等各個(gè)方面的匹配。通過(guò)不斷的調試，最終建立比較完整的組態(tài)畫(huà)面，實(shí)現單容水箱液位控制系統的監控要求。在組態(tài)畫(huà)面的建立中本人也了解了組態(tài)軟件對現代工業(yè)監控的便利性和重要性。
4 結束語(yǔ)
在系統設計過(guò)程中，成功地解決了組態(tài)王與PLC 的連接通信，組態(tài)動(dòng)畫(huà)的設置與連接。在軟件中針對PLC 的模塊化編程、數據的歸一化與設計液位控制系統的組態(tài)監控畫(huà)面，通過(guò)上位機控制實(shí)現液位的自動(dòng)控制，基本達到了對液位控制系統的要求。這個(gè)設計使本人的知識領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)技能得到了進(jìn)一步擴展，同時(shí)增強了分析和解決工程實(shí)際的綜合能力。