宋云清

(伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆伊寧，835000）

0 引言

液位自動控制廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)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(xiàn)液位的自動顯示、控制。按技術(shù)要求、操作規(guī)范、工藝要求完成用觸摸屏、PLC液位高度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試任務(wù)，是提高高職電氣自動化技術(shù)、機電一體化技術(shù)等專業(yè)綜合實訓(xùn)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(shù)要求和工藝要求

1.1 技術(shù)要求

(1)水箱的液位高度系統(tǒng)采用PLC控制，觸摸屏作為操作和監(jiān)控界面；

(2)水箱下部有一手動閥門，出水大小由手動閥門調(diào)節(jié)；

(3)觸摸屏作為操作和監(jiān)控界面，能夠手動和自動控制系統(tǒng)的啟動和停止，并能設(shè)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(dāng)液位到達設(shè)定值70%、80%、90%時，變頻器頻率逐漸減小，當(dāng)液位到達觸摸屏液位高度設(shè)定值時，水泵關(guān)閉。

1.2 任務(wù)要求

(1)繪制PLC的I/O接線圖；

(2)按技術(shù)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(shè)置變頻器的運行參數(shù)；

(5)按技術(shù)要求、操作規(guī)范、工藝要求完成用觸摸屏、PLC控制液位高度控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試；

(6)試運行良好，符合技術(shù)要求。

2 觸摸屏、PLC和變頻器的液位自動控制的設(shè)計過程

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

液位自動控制系統(tǒng)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(jīng)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(zhuǎn)速。

2.2 觸摸屏的連接及人機界面的組態(tài)

人機界面TPC7062Ti是在實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE環(huán)境中運行，MCGS嵌入式組態(tài)軟件組態(tài)。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(jié)構(gòu)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(yīng)先安裝MCGS組態(tài)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(zhuǎn)換器。為了實現(xiàn)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(shè)置，這將在設(shè)備窗口組態(tài)中實現(xiàn)。通過MCGS組態(tài)軟件，實現(xiàn)創(chuàng)建工程→創(chuàng)建用戶窗口→定義數(shù)據(jù)對象→設(shè)備連接→設(shè)置動畫部件等步驟，進行人機界面的組態(tài)。

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(nèi)部按鈕（中間位輔助繼電器M），觸摸屏上組態(tài)的觸摸按鈕與該中間位M對應(yīng)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(shè)置中，啟動、停止按鈕為按1松0，手動開關(guān)為取反，液位設(shè)定值為 D2，實時顯示為 D10, 電動機狀態(tài)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(shù)的設(shè)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(xiàn)電動機的四段速控制。變頻器參數(shù)設(shè)置之前，首先要恢復(fù)出廠設(shè)置，即清零，然后按照下表1進行參數(shù)設(shè)置。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)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(jù)液位控制要求，共有三個輸入量和五個輸出，均為開關(guān)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(jù)控制系統(tǒng)的功能要求及表2的輸入/輸出地址分配情況，設(shè)計出液位自動控制系統(tǒng)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(yīng)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(xiàn)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(jīng)實驗表明，該傳感器在現(xiàn)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(yīng)變化率 0mA ～20mA 數(shù)字量。采集值應(yīng)該乘以5，對應(yīng)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(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求，設(shè)置的梯形圖如圖3所示。

圖3 梯形圖程序

其中的[RD3AK0K2D0]指令執(zhí)行的是模擬量采集，之后的算法控制程序可以根據(jù)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?yōu)樽詣友a水。

2.7 調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)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(xiàn)PLC與觸摸屏的通信，并下載工作畫面；

（3）實現(xiàn)PLC程序的下載，并使程序處于監(jiān)視組態(tài)；

（4）通電狀態(tài)下，設(shè)置變頻器的參數(shù)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(xiàn)象。特別是變頻器的接線一定要準確，避免變頻器燒毀。

3 結(jié)論

基于PLC、變頻器及觸摸屏的液位自動控制具有實訓(xùn)室內(nèi)的可操作性、實用性。通過實訓(xùn)任務(wù)的完成，學(xué)生將進一步掌握PLC程序的編寫和調(diào)試、變頻器參數(shù)的設(shè)置、觸摸屏工作畫面的組態(tài)，進一步了解PLC、變頻器、傳感器和觸摸屏間工作協(xié)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(tǒng)的設(shè)計改造能力。