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自动水位控制的核心逻辑是：通过水位传感器采集液位信号，S7-1200 依据液位值判断水泵（由 ACS510 驱动）的启停 / 调速，最终将水位稳定在设定区间内。以下是完整的实现流程，包含硬件选型、控制逻辑、程序编写及参数优化。

一、 系统整体架构

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水位传感器（模拟量/数字量）→ S7-1200 PLC → Modbus RTU → ABB ACS510 → 水泵
                  ↑                                      ↓
                上位机/本地HMI（监控/参数设置）         水位反馈（闭环调节）

核心逻辑：

• 低水位：启动水泵，按设定频率（或变频调速）补水；

• 高水位：停止水泵；

• 中间水位：根据液位偏差变频调速（如 PID 调节），精准控水位；

• 故障保护：水泵过载、传感器故障时停机并报警。

二、 硬件补充选型（基于原有通讯硬件）

硬件接线补充

1. 水位传感器 → S7-1200 AI 模块：

• 传感器正电源 → DC24V

• 传感器负电源 → DC0V

• 传感器信号输出 → SM 1231 AI 模块的 0 通道（如 AI0.0）

• AI 模块需配置为 4-20mA 输入（硬件组态中设置）。

2. 原有通讯接线：保持 S7-1200 CM1241 与 ACS510 的 RS485 接线不变。

三、 核心参数定义（PLC 内部变量）

在 TIA Portal 中定义以下变量，便于程序编写和监控：

四、 控制逻辑设计（两种模式可选）

模式 1：启停控制（简单版，适合小量程）

逻辑规则：

1. 实时水位 <低水位阈值（Level_Low）：PLC 向 ACS510 写入 “运行指令”+“额定频率”（如 50Hz），启动水泵补水；

2. 实时水位 > 高水位阈值（Level_High）：PLC 向 ACS510 写入 “停止指令”，关闭水泵；

3. 水位在高低阈值之间：保持当前状态（启动则继续运行，停止则不启动）。

模式 2：PID 变频控制（精准版，适合大范围 / 高精度）

逻辑规则：

1. 将水位设定值（Level_Set）作为 PID 给定值，实时水位（Water_Level）作为反馈值；

2. PID 输出值转换为变频器频率给定值（如 0-50Hz 对应 PID 输出 0-100%）；

3. 水位低于设定值：PID 输出增大，水泵频率升高，补水速度加快；

4. 水位高于设定值：PID 输出减小，水泵频率降低（或停机）；

5. 加入死区（如 ±0.1m），避免水泵频繁启停。

五、 程序编写步骤（TIA Portal）

步骤 1：模拟量采集与标度转换（AI 信号→实际水位）

4-20mA 液位传感器的标度转换公式：

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实际水位 = (AI原始值 - 4mA对应值) / (20mA对应值 - 4mA对应值) × (传感器量程上限 - 量程下限) + 量程下限

示例（传感器量程 0-5m，4mA=0m，20mA=5m）：

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// OB1 中编写标度转换程序
L "AI_Raw"; // 读取 AI 模块原始值（VW100）
L 5530;     // 4mA 对应的原始值（27648×4/20=5530）
-I;         // 差值 = 原始值 - 5530
L 22118;    // 20mA-4mA 差值（27648-5530=22118）
/R;         // 归一化（0-1）
L 5.0;      // 传感器量程上限（5m）
*R;         // 乘以量程，得到实际水位
T "Water_Level"; // 存储到 VW102（REAL 型）

步骤 2：启停控制程序（调用 Modbus 写指令）

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// 1. 低水位启动水泵
A "Water_Level" < "Level_Low"; // 水位低于低阈值
= "Pump_Run";                 // 置位运行指令（VW122）

// 2. 高水位停止水泵
A "Water_Level" > "Level_High";
AN "Pump_Run";                // 复位运行指令

// 3. 调用 MB_CLIENT 写指令，控制变频器
CALL "MB_CLIENT", "Modbus_Write";
REQ := "Pump_Run";            // 上升沿触发（可加边沿检测）
ADDR := 1;                    // 变频器站地址
MODE := 1;                    // 写操作
DATA_ADDR := 40001;           // 变频器控制字寄存器
DATA_LEN := 2;                // 写入2个寄存器（控制字+频率）
DATA_PTR := &"Pump_Control";  // 指向 VW200（控制字）+ VW202（频率）
PORT := 1;                    // CM1241 端口号
DONE := "Write_Done";         // 写完成标志
ERROR := "Write_Error";       // 写错误标志
STATUS := "Write_Status";     // 错误代码

// 赋值控制字和频率
L "Pump_Run";
JC RUN;                       // 运行分支
L 0;                          // 控制字=0（停止）
T VW200;
JMP END;
RUN:
L 1;                          // 控制字=1（运行）
T VW200;
L 5000;                       // 频率=5000（50Hz）
T VW202;
END:
NOP 0;

步骤 3：PID 变频控制程序（调用 PID_Compact 指令）

1. 硬件组态添加 PID 指令：

• 给定值（SP_INT）：Level_Set（2.5m）；

• 过程值（PV_IN）：Water_Level（实时水位）；

• 输出值（LMN）：0-100%（对应 0-50Hz）；

• 比例增益（GAIN）：2.0（根据现场调节）；

• 积分时间（TI）：10s；

• 微分时间（TD）：0s；

• 输出限幅：0-100%。

• 打开指令库 → 工艺 → PID 控制 → PID_Compact，拖入 OB1；

• 配置 PID 参数：

2. PID 输出转换为变频器频率：

   plaintext

3. // PID 输出（0-100%）转换为 0-5000（0.01Hz）
   L "PID_LMN"; // PID 输出值（REAL，0-100）
   L 50.0;
   *R;         // 0-50Hz
   L 100.0;
   /R;
   L 100.0;
   *R;         // 转换为 0-5000（0.01Hz）
   T "Pump_Freq_Set"; // 存储到 VW118
   
   // 调用 MB_CLIENT 写入频率
   CALL "MB_CLIENT", "Modbus_Write_Freq";
   REQ := "PID_Run";
   ADDR := 1;
   MODE := 1;
   DATA_ADDR := 40002; // 频率给定寄存器
   DATA_LEN := 1;
   DATA_PTR := &"Pump_Freq_Set";
   PORT := 1;
   // 其他引脚同上

步骤 4：故障保护程序

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// 1. 传感器故障检测（AI 信号超出 4-20mA 范围）
A "AI_Raw" < 5000; // 低于 4mA，传感器断线
O "AI_Raw" > 28000;// 高于 20mA，传感器短路
= "Fault_Alarm";   // 置位故障报警

// 2. 变频器故障检测（读取故障代码寄存器）
CALL "MB_CLIENT", "Modbus_Read_Fault";
REQ := "Read_Fault_Trig";
ADDR := 1;
MODE := 0;                  // 读操作
DATA_ADDR := 30004;         // 故障代码寄存器
DATA_LEN := 1;
DATA_PTR := &"Fault_Code";  // VW300，故障代码
PORT := 1;

// 3. 故障时停止水泵
A "Fault_Alarm";
O "Fault_Code" <> 0;        // 变频器故障代码非0
= "Pump_Stop";              // 复位水泵运行指令
= "Alarm_Light";            // 触发声光报警

六、 变频器参数补充设置（ACS510）

除原有 Modbus 参数外，需增加水泵适配参数：

七、 调试与优化

1. 标度转换校准：

• 向水箱注入已知水位（如 2m），查看 PLC 中 Water_Level 是否与实际一致，偏差时调整标度转换公式的系数。

2. PID 参数整定：

• 先调比例增益（GAIN）：从小到大，直到水位稳定无超调；

• 再调积分时间（TI）：消除静态偏差，避免震荡；

• 微分时间（TD）一般设为 0，适合液位控制。

3. 启停阈值优化：

• 高低水位阈值需留出缓冲（如低水位 1m，高水位 4m，设定值 2.5m），避免频繁启停。

八、 常见问题及解决方法

九、 扩展功能（可选）

1. HMI 监控：通过 TIA Portal 组态 HMI，显示实时水位、水泵频率、故障状态，支持手动 / 自动切换、参数修改；

2. 远程监控：通过 S7-1200 的 PN 口接入工业以太网，实现上位机（如 WinCC）远程监控和控制；

3. 历史数据记录：使用 S7-1200 的数据日志功能，记录水位、频率、故障等数据，便于追溯。