基于PLC的液位自動控制系統設計

張文瑾

（蘇州高等職業技術學校，江蘇蘇州,215009）

0 引言

隨著智能制造2025的到來，工業生產逐漸實現了部分或完全的自動化控制，特別是危險的工作環境下。腐蝕性或者易燃易爆的液體有時在工業生產中會進行使用，因為它的危險性，實現自動控制是非常有必要的。同時液位自動控制系統在生產和生活的各個領域都得到了廣泛的應用，如公共交通、住宅、自來水廠等領域。由PLC實現的液位自動控制系統可以實現液位的自動化控制，觸摸屏具有實時監測、報警和界面易操作等特點，本文設計的液位自動控制也是機電一體化技術專業學生對電機控制調速技術課程的綜合運用，要求學生能夠熟知機電一體化總體技術和控制程序，并能夠安裝、調試、排故復雜系統。根據現有實訓室的條件，我們將液位自動控制系統的教學分為五個部分：液位自動控制系統技術框架設計、電氣設備接線圖繪制、PLC程序編寫、觸摸屏和變頻器設計、系統仿真接線調試。

1 液位自動控制系統的技術要求和工藝要求

1.1 系統技術要求

(1)某工廠的水箱液位采用自動控制系統，現系統將采用PLC進行自動控制，系統的操作均在觸摸屏上進行，并可以在觸摸屏中看到系統的監控界面；

(2)在水箱下部設置了手動閥門，閥門可以進行出水量大小的調節工作；

(3)本系統的操作均在觸摸屏上進行，液位控制系統的啟動和停止要求能夠用手動和自動兩種方式控制，并且水箱的實時液位高度在觸摸屏中可以直觀顯示；

(4)系統使用液位傳感器來檢測水塔的液位高度，液位傳感器與PLC的A/D模塊將通過液位變送器進行數據的傳送，水箱的液位變化范圍為0～100，變送器的對應輸出為4～20mA；

(5)系統使用變頻器來水泵電機的轉速大小，水量可以通過液位進行調節。按下啟動按鈕后，系統的頻率為50Hz，當液位達到了設定值的70%時，變頻器的頻率為40Hz；當液位達到觸摸屏設定值的80%時，變頻器的頻率為30Hz；當液位達到觸摸屏設定值的90%時，變頻器頻率減小為低速15Hz，當液位高度達到了液位設定值時，水泵關閉，系統停止運行。

1.2 系統工藝要求

（1）掌握三菱PLC特殊模塊A/D模塊的使用方法。

（2）掌握三菱觸摸屏（GOT系列）的使用方法。

（3）掌握變頻器的參數設置。

（4）掌握用PLC實現液位自動控制設計的方法。

（5）按照液位自動控制系統的要求完成系統的設計、安裝、調試。

（6）系統完成后調試運行良好，能夠滿足系統要求。

2 系統的硬件設計

2.1 系統總體設計

本系統以觸摸屏為上位機，PLC為總控制，以變頻器為調速裝置，以液位傳感器作為液位的測量裝置，以閥門電動機作為系統的控制對象。觸摸屏選擇三菱觸摸屏（GOT系列），PLC選用直觀易學、指令豐富的三菱FX2N-48MR系列，變頻器選用具有多種磁通矢量控制方式的三菱 FR-E700型號，液位傳感器選擇使用方便的L300通用型投入式液位變送器，液位傳感器檢測出液位高度值后，將通過液位變送器將數據傳輸到三菱 PLC的 FX2N-4AD擴展模塊，PLC將信號傳遞給變頻器，從而實現控制閥門電動機的轉速來控制液位高度。

2.2 觸摸屏界面設計

根據系統的控制要求，對觸摸屏設置了啟動（M0）、停止（M1）、手自切換（M10）、當前液位（D10）、設定液位（D20）、運行指示燈（Y20）、液位指示燈（Y24、Y25、Y26）等功能，工作界面如圖1所示。由于本系統使用觸摸屏進行控制，與傳統的繼電器控制相比可以省略按鈕等硬件， 因此在進行觸摸屏參數設置時，主要使用中間位輔助繼電器M來進行按鈕的設置，當按下觸摸屏的中間繼電器M按鈕后，M控制PLC的輸出繼電器Y線圈，使Y線圈得電動作。在觸摸屏界面進行操作時，啟動和停止按鈕為按1松0，因此，啟動和停止在觸摸屏的參數設置時選擇位控制。

圖1 觸摸屏工作畫面

2.3 變頻器參賽設定

根據液位自動控制系統要求，在液位逐漸上升后，水泵的出水量要不斷降低，也就是要使變頻器控制頻率不停地變低，以此閥門的開度隨之減小，從而能夠控制水量大小。所以，本系統要實現水泵電機的四段速控制。在進行變頻器的參數設置，本系統的變頻器的參數設置如表1所示。

表1 變頻器參賽設置表

2.4 PLC控制系統硬件設計

（1）PLC的輸入/輸出配置

根據本系統的控制要求，控制方式分為手動模式和自動模式，自動模式將實現水量的實時控空和手動模式為工頻運行，輸入為五個，輸出為四個。HMI與I/O地址分配表如表 2所示。

表2 HMI與I/O地址分配表

（2）PLC控制接線圖

根據水箱液位自動控制系統的功能要求，以及系統I/O地址分配的方案，設計了本系統的硬件接線圖，如圖2所示。

圖2 PLC控制接線圖

系統使用0-12V的變送器將液位傳感器的數據傳輸給PLC，變送器的對應輸出為4～20mA，FX2N-4AD模塊使用24V直流電進行供電，V+和V-分別接入變送器的正級和負極。變頻器和PLC通過RS232總線進行連接和數據傳輸。

2.5 液位傳感器與變送器

本系統所用液位傳感器進行液位的測量，液位傳感器一般為壓力傳感器，該傳感器在工作時將通過壓敏傳感元件將液體壓力信號轉換為電信號，再經過補償、修正，轉化環節將液位信號轉變為可測量的電信號（一般為4～20mA/0～5VDC）。

本系統使用變送器進行液位傳感器和PLC之間的數據傳輸，變送器主要是用于測量液體、氣體、蒸汽的的液位、密度和壓力，把壓力信號轉換成4～20mA DC 的電流信號輸出。本系統選擇L300型通用型投入式液位變送器，輸入電壓范圍為10V～30V，接線方式為兩線式，輸出電流大小范圍為4mA～20mA，檢測范圍為0cm～500cm。

3 系統的軟件設計

3.1 PLC的程序設計

根據本系統的控制要求，結合上面的系統軟件設計，設計出本系統的梯形圖如圖3所示。其中的D20為液位的實時模擬量采集，算法將根據70%、80%、90%、100%四種不同的液位要求進行不同的改變，達到液位控制系統的要求。M10為手動和自動的切換。

圖3 PLC控制程序

3.2 系統調試

系統的調試步驟主要為：

（1）根據圖2的接線圖的要求連接PLC、觸摸屏、液位傳感器與變頻器；

（2）PLC與觸摸屏進行組態，并下載觸摸屏畫面；

（3）PLC的編程與程序燒寫進PLC中；

（4）檢查主電路無短路后上電，按照要求調整變頻器的參數；

（5）調試并進行排故。

通電調試時必須注意，在通電前，仔細核查各個連接點的是否已經可靠連接，檢查電源是否有短路現象，避免燒毀設備。

4 結語

本文以高職學生的學情為基礎，結合實訓室的現有條件，參考企業真實的生產自動化過程，設計了一種具有實訓室內的可操作性、實用性的液位自動控制系統，著重提高學生的綜合應用能力。通過完成本次系統設計，學生將更深層地掌握基于PLC、觸摸屏的液位自動控制系統的設計要點，并進一步了解PLC、變頻器、傳感器和觸摸屏間的組態與協同配合，是對電機調速綜合知識的整合和提高，學生的動手能力、職業素養與崗位能力水平都會得到顯著的提高，完成系統設計后，學生將具備基于PLC完成中等難度的綜合電氣控制系統的設計能力，同時該系統對于工業生產的液位控制系統也有一定的借鑒作用。