触摸屏和PLC的液位自动控制在实践教学中的应用

宋云清

(伊犁职业技术学院，新疆伊宁，835000）

0 引言

液位自动控制广泛应用于生产、生活的各个领域，如铁路交通、石油化工、智能建筑、污水处理等等。适用于各类水箱、水塔、水井、水罐等容器的自动补水功能，并实现液位的自动显示、控制。按技术要求、操作规范、工艺要求完成用触摸屏、PLC液位高度自动控制系统的设计、安装、调试任务，是提高高职电气自动化技术、机电一体化技术等专业综合实训能力的必要手段。

1 触摸屏、PLC和变频器的液位自动控制的技术要求和工艺要求

1.1 技术要求

(1)水箱的液位高度系统采用PLC控制，触摸屏作为操作和监控界面；

(2)水箱下部有一手动阀门，出水大小由手动阀门调节；

(3)触摸屏作为操作和监控界面，能够手动和自动控制系统的启动和停止，并能设置液位高度及实时显示水箱液位高度；

(4)变频器拖动电机的水泵为水箱供水，起始频率为工频,当液位到达设定值70%、80%、90%时，变频器频率逐渐减小，当液位到达触摸屏液位高度设定值时，水泵关闭。

1.2 任务要求

(1)绘制PLC的I/O接线图；

(2)按技术要求正确编制、录入PLC及触摸屏界面程序；

(3)正确完成触摸屏与PLC间的通信；

(4)正确设置变频器的运行参数；

(5)按技术要求、操作规范、工艺要求完成用触摸屏、PLC控制液位高度控制系统的设计、安装、调试；

(6)试运行良好，符合技术要求。

2 触摸屏、PLC和变频器的液位自动控制的设计过程

2.1 系统的硬件组成

液位自动控制系统由触摸屏、PLC、变频器、液位传感器、阀门电动机组成，触摸屏选用TPC7062Ti触摸屏，PLC选用三菱FX2N-48MR的基本单元，变频器选用三菱FR-D700，采用L300 通用型投入式液位变送器，液位高度由液位传感器测出，经液位变送器送给三菱PLC的FX0N-3A的A/D扩展模块，通过变频器控制阀门电动机的转速。

2.2 触摸屏的连接及人机界面的组态

人机界面TPC7062Ti是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE环境中运行，MCGS嵌入式组态软件组态。采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率 800×480)，四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096)，色彩达64K彩色。CPU主板：ARM结构嵌入式低功耗CPU为核心，主频600MHz，128M存储空间，使用24V直流电源供电。

连接之前个人计算机应先安装MCGS组态软件，工程项目下触摸屏是通过USB2口与个人计算机连接的。触摸屏通过COM1口直接与PLC的编程口连接。所使用的通讯线带有RS232/RS422转换器。为了实现正常通讯，除了正确进行硬件连接，尚须对触摸屏的串行口0属性进行设置，这将在设备窗口组态中实现。通过MCGS组态软件，实现创建工程→创建用户窗口→定义数据对象→设备连接→设置动画部件等步骤，进行人机界面的组态。

由于触摸屏与PLC连接后可以省略按钮、指示灯等硬件，因此在PLC控制程序中，要使用内部按钮（中间位辅助继电器M），触摸屏上组态的触摸按钮与该中间位M对应就可以了，触摸屏控制M动作，M的触点去控制输出继电器Y的线圈，让Y动作。触摸屏设置中，启动、停止按钮为按1松0，手动开关为取反，液位设定值为 D2，实时显示为 D10, 电动机状态指示灯为Y0，启动按钮为M0，停止按钮为M1，手动按钮为M11。工作画面如图1所示。

图1 工作画面

2.3 变频器参数的设定

由于随着液位的升高，变频器的频率要不断降低，以减小阀门的开度，控制流量。因此，要实现电动机的四段速控制。变频器参数设置之前，首先要恢复出厂设置，即清零，然后按照下表1进行参数设置。

表1 变频器参数设置表

2.4 PLC的输入/输出接线图

（1）PLC的输入/输出资源配置

根据液位控制要求，共有三个输入量和五个输出，均为开关量。如表2所示。

表2 I/O地址分配表

（2）PLC的输入/输出接线图

根据控制系统的功能要求及表2的输入/输出地址分配情况，设计出液位自动控制系统的硬件接线图，如图2所示。

图2 硬件接线图

变送器如果采用电流输入，电源+12V 接变送器的红线，黑线应接 FX0N-3A 模块的 IIN1 和 VIN1， FX0N-3A 模块的com1 接电源负极。

2.5 变送器的控制算法

现场采用L300通用型投入式液位变送器，输入电压10V ～30V，两线式，输出电流 4mA ～20mA，检测范围0cm ～500cm。经实验表明，该传感器在现场水桶中0cm ～100cm检测范围的电流变化值约为25mA ～45mA范围。液位刻度 0cm ～100cm，对应变化率 0mA ～20mA 数字量。采集值应该乘以5，对应实际水位检测值。其起始初值为25，也进行归零处理。

2.6 系统的软件设计

根据控制要求，设置的梯形图如图3所示。

图3 梯形图程序

其中的[RD3AK0K2D0]指令执行的是模拟量采集，之后的算法控制程序可以根据具体的控制要求进行液位高低的随时改变。如果将程序0段落中M10去掉程序变为自动补水。

2.7 调试

系统的调试包括以下步骤：

（1）按照硬件接线图进行触摸屏、PLC、变频器及液位传感器的连接；

（2）实现PLC与触摸屏的通信，并下载工作画面；

（3）实现PLC程序的下载，并使程序处于监视组态；

（4）通电状态下，设置变频器的参数值；

（5）试车。

通电试车前，一定要检查各接线点的连接是否牢靠，是否存在错接或漏接等现象。特别是变频器的接线一定要准确，避免变频器烧毁。

3 结论

基于PLC、变频器及触摸屏的液位自动控制具有实训室内的可操作性、实用性。通过实训任务的完成，学生将进一步掌握PLC程序的编写和调试、变频器参数的设置、触摸屏工作画面的组态，进一步了解PLC、变频器、传感器和触摸屏间工作协同与配合，综合了不同课程的知识要点，增强了实际动手能力，提高了岗位技能水平，具备了利用PLC完成中等程度电气控制系统的设计改造能力。