基于PLC和工控机的监控系统设计

刘建军

摘 要：在工农业生产过程中，最常见、最广泛的就是对液位的测量和控制。它主要应用于水塔、锅炉、高层水箱、工业化工槽、水电站等情况下的液位监控。液位控制的精确与否直接影响产品质量，甚至会对设备造成重要影响，所以液位的监控具有广泛的应用前景。我们知道水位的监测有很多种实现方法，如机械控制、机电控制、逻辑电路控制等。但通常情况下，需要测量的水塔或水箱和控制室距离相当长，常需要设置上百或上千米的输电和控制电路，且多为人工控制。显然，这种测量方法控制精确低，危险性高，能耗大，给监控带来一定的麻烦和不便。该设计系统中涉及两个方面的内容：（1）通过PLC实现水位的控制作用。（2）以工控机为控制平台，使用MCGS组态软件对该系统进行控制监测及故障报警等。实验采用新型的PLC控制供水方式进行主控制，在水箱上安装一个自动测液位装置，用一般水的导电性连续对液位进行检测，把测量到的液位变化转化成相应电信号，主控台对接收到的电信号应用MCGS组态软件进行处理，完成相应的液位监测控制及故障报警等功能。这种设计既不需要架设电缆，节省人力物力，又能稳定可靠地的实现对水位的监控，且因为PLC强大的扩展性可以满足今后日常生活供水建设的发展需要。

关键词：液位监控；PLC；工控机；组态软件

中图分类号：TP311 文献标识码：A

供水系统是人们日常生活中不可或缺的重要一环，尤其随着自动化技术在过程控制中的应用，稳定的水源供应更是其中重要的组成部分。过程控制从应用于工农业生产至今经历了由简单到复杂、从低级到高级的过程。在过程控制中，通常需要进行控制的参数有液位、温度、压力等。其中，液位是典型的被控参数，液位监控的精确与否直接影响产品的质量和产量，所以液位监控具有重要的实际应用价值。液位监控系统是一个开放式平台，它主要开发和设计液位控制策略，具有测量容易、观察直观、组态灵活，以指导生产实践和验证重要理论成果。由于传统设计存在着精确度低，危险性高和能耗大等不足，所以，设计一个精度高、稳定性好的液位监控系统就显得尤为重要。

1.某工程监控系统方案概述

整个系统原理上由水箱液位传感器，PLC（可编程控制器），泵以及其他必备组件组成。安装在水箱中的传感器将水位转化成电信号（1V～5V），电信号到达PLC会控制水泵的开关。在检测系统的操作运行中，水位低于最低值，启动泵抽水到水箱；当水箱中的水达到最高值时，泵停止。等到水箱中的水位再次达到最低，重复上述过程。

2.监控系统设计

当水池里的水位低于下限水位开关S1，S1在这种情况下，为ON状态，电磁阀被打开，开始往水池里面加水，定时器启动计时，4s以后，如果水池液面不超过下限液位开关，发出警报。如果系统是正常的，则该水池液位开关S1关断时，這意味着该水位高于规定的低水位。当水位在规定的上限水位以上，S2接通时，电磁阀关闭，不再工作。当低于规定水箱中的下限水位时，水箱下限水位开关S3为ON时，泵开始工作，当S3为OFF，则表明水高出规定的水箱下限水位。当水箱液面高于上限水位时，该箱上限水位开关S4接通，泵停止。当水池水箱中水位同时低于水位的下限，水泵不能启动。

2.1 硬件设计

2.1.1 PLC的选择

本系统为选用三菱公司生产的FX2N-48MR-001型PLC，FX2N-48MR-001型PLC适用于小型控制系统，结构紧凑，价格低廉，性价比高。继电器输出型PLC有多余的端子作为备用。

2.1.2 水泵的选择

选择泵的一般原则：

（1）以满足现场流量的需要；

（2）从长远来看，要求泵的工作点效率要高；

（3）根据所选泵的类型和数量设计水泵站，需要的设备和土建的最低投资；

（4）操作维修方便，管理成本更低。

2.2 软件设计

2.2.1 I/O接口分配（表1）

2.2.2 水箱水位控制系统系统指令（表2）

当按下启动开关X0，M0接通。启动水塔水位控制系统。若水池液面低于下限位，水池下限X2不动作，水阀Y0打开，开始往水池里注水。开始注水同时接通定时器T0，在进水过程中，如果液面高于水池上限X3，Y0失电，停止进水。如果4s之后，水池液位低于水池下限X2，系统自动报警，接通Y3水池报警灯A2亮。若4秒水池液位高于水池下限X2，X2得电，接通Y2水池下限指示灯A1。

此时水池液位高于下限液位X2，水池下限指示灯Y2亮，可以为水塔供水。由于水塔液位低于水塔下限X4，Y5水塔下限指示灯A4不亮，水泵开始工作，向水塔工作。如果水塔液位高于水塔上限X5，接通Y7水塔上限指示灯A6，水泵停止工作。如果进水超过4s后，水塔液位没有超过水塔下限X4，系统出现故障，水塔下限X4没有接通，水塔下限指示灯A4不亮，Y6水塔水位报警指示灯A5亮。若水塔水位高于水塔上限X5。Y7水塔上限指示灯A6亮，Y1水阀M2不接通，停止供水。

2.3 通信实现

MCGS组态软件设置为快速构建和生成计算机监控系统，广泛应用于自动化领域。MCGS有一个简单而灵活的可视化界面；有丰富生动的多媒体图像；开放式架构，系统可以交换数据，以及与各种数据源的功能强大的数据处理能力；使用数据库管理数据存储，高可靠性的系统；健全的安全机制，强大的网络功能，以及各种报警功能；为用户配置文件配置实时数据库提供了极大的方便，并具有良好的可维护性，可扩展性；建立一个对象库，配置工作简单方便，可实现分布式控制和管理的工业体系。MCGS负责调用适当的设备驱动程序在运行环境中，将数据传送到该项目的各个部分。

上面的PLC控制系统的设计完全可以解决系统级的监测问题。然而，在系统上的数据的顺序的量，以便于监测和控制，其中使用MCGS与PLC进行通信，用于监测和控制对系统的整体效果。

PLC和MCGS组态软件之间的控制与监视数据传输的功能是通过数字网络通信的方式连接并实现的，连接的方式有很多种，比如可以通过网线接口、RS232、RS485等以COM串口、总线、以太网、USB形式等实现。组态软件是控制软件，PLC是控制手段，集成的配置软件可以控制设备的启动与停止、显示以及调整设置，及许多其他的“软按钮”与PLC。变更控制要求接收后发送给PLC，PLC控制命令命令，根据在PLC中的程序，通过循环扫描运行进行控制的要求；然后输出一个切换信号，如中继模拟信号或脉冲信号、电磁阀、伺服电机等执行设备，最后控制对象的行动；在这个过程中，通过PLC将其转换到各种组态软件运行的设备上，如电机起动停止显示、报警显示、速度显示和温度状态配置软件监视器的各种寄存器的实时通信和压力显示等。

3.调试与仿真（图1）

结语

本次课程设计题目是基于PLC和工控机的监控系统设计，该设计主要从两个大方面来考虑。首先包括通过PLC实现的水位控制作用；另一方面则是使用MCGS组态软件对该系统进行实时的操作与监控。

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