觸摸屏和PLC的液位自動(dòng)控制在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

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(dòng)控制廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)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(lèi)水箱、水塔、水井、水罐等容器的自動(dòng)補(bǔ)水功能，并實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試任務(wù)，是提高高職電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)能力的必要手段。

1 觸摸屏、PLC和變頻器的液位自動(dòng)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(dòng)閥門(mén)，出水大小由手動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)；

(3)觸摸屏作為操作和監(jiān)控界面，能夠手動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，并能設(shè)置液位高度及實(shí)時(shí)顯示水箱液位高度；

(4)變頻器拖動(dòng)電機(jī)的水泵為水箱供水，起始頻率為工頻,當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值70%、80%、90%時(shí)，變頻器頻率逐漸減小，當(dāng)液位到達(dá)觸摸屏液位高度設(shè)定值時(shí)，水泵關(guān)閉。

1.2 任務(wù)要求

(1)繪制PLC的I/O接線(xiàn)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(yùn)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(jì)、安裝、調(diào)試；

(6)試運(yùn)行良好，符合技術(shù)要求。

2 觸摸屏、PLC和變頻器的液位自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

液位自動(dòng)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、變頻器、液位傳感器、閥門(mén)電動(dòng)機(jī)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(cè)出，經(jīng)液位變送器送給三菱PLC的FX0N-3A的A/D擴(kuò)展模塊，通過(guò)變頻器控制閥門(mén)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 觸摸屏的連接及人機(jī)界面的組態(tài)

人機(jī)界面TPC7062Ti是在實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE環(huán)境中運(yùn)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(xiàn)電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096)，色彩達(dá)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(chǔ)空間，使用24V直流電源供電。

連接之前個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)先安裝MCGS組態(tài)軟件，工程項(xiàng)目下觸摸屏是通過(guò)USB2口與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接的。觸摸屏通過(guò)COM1口直接與PLC的編程口連接。所使用的通訊線(xiàn)帶有RS232/RS422轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)正常通訊，除了正確進(jìn)行硬件連接，尚須對(duì)觸摸屏的串行口0屬性進(jìn)行設(shè)置，這將在設(shè)備窗口組態(tài)中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)MCGS組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建工程→創(chuàng)建用戶(hù)窗口→定義數(shù)據(jù)對(duì)象→設(shè)備連接→設(shè)置動(dòng)畫(huà)部件等步驟，進(jìn)行人機(jī)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(duì)應(yīng)就可以了，觸摸屏控制M動(dòng)作，M的觸點(diǎn)去控制輸出繼電器Y的線(xiàn)圈，讓Y動(dòng)作。觸摸屏設(shè)置中，啟動(dòng)、停止按鈕為按1松0，手動(dòng)開(kāi)關(guān)為取反，液位設(shè)定值為 D2，實(shí)時(shí)顯示為 D10, 電動(dòng)機(jī)狀態(tài)指示燈為Y0，啟動(dòng)按鈕為M0，停止按鈕為M1，手動(dòng)按鈕為M11。工作畫(huà)面如圖1所示。

圖1 工作畫(huà)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(mén)的開(kāi)度，控制流量。因此，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(chǎng)設(shè)置，即清零，然后按照下表1進(jìn)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(xiàn)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(gè)輸入量和五個(gè)輸出，均為開(kāi)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(xiàn)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(jì)出液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件接線(xiàn)圖，如圖2所示。

圖2 硬件接線(xiàn)圖

變送器如果采用電流輸入，電源+12V 接變送器的紅線(xiàn)，黑線(xiàn)應(yīng)接 FX0N-3A 模塊的 IIN1 和 VIN1， FX0N-3A 模塊的com1 接電源負(fù)極。

2.5 變送器的控制算法

現(xiàn)場(chǎng)采用L300通用型投入式液位變送器，輸入電壓10V ～30V，兩線(xiàn)式，輸出電流 4mA ～20mA，檢測(cè)范圍0cm ～500cm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器在現(xiàn)場(chǎng)水桶中0cm ～100cm檢測(cè)范圍的電流變化值約為25mA ～45mA范圍。液位刻度 0cm ～100cm，對(duì)應(yīng)變化率 0mA ～20mA 數(shù)字量。采集值應(yīng)該乘以5，對(duì)應(yīng)實(shí)際水位檢測(cè)值。其起始初值為25，也進(jìn)行歸零處理。

2.6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)行液位高低的隨時(shí)改變。如果將程序0段落中M10去掉程序變?yōu)樽詣?dòng)補(bǔ)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(xiàn)圖進(jìn)行觸摸屏、PLC、變頻器及液位傳感器的連接；

（2）實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏的通信，并下載工作畫(huà)面；

（3）實(shí)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(chē)。

通電試車(chē)前，一定要檢查各接線(xiàn)點(diǎn)的連接是否牢靠，是否存在錯(cuò)接或漏接等現(xiàn)象。特別是變頻器的接線(xiàn)一定要準(zhǔn)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(dòng)控制具有實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的可操作性、實(shí)用性。通過(guò)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的完成，學(xué)生將進(jìn)一步掌握PLC程序的編寫(xiě)和調(diào)試、變頻器參數(shù)的設(shè)置、觸摸屏工作畫(huà)面的組態(tài)，進(jìn)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(shí)要點(diǎn)，增強(qiáng)了實(shí)際動(dòng)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(jì)改造能力。