PLC水塔液位自动控制新版系统.doc

毕 业 设 计（论文）

（说 明 书）

题 目：基于PLC水塔液位自动控制系统设计
姓 名： 王 松
学 号：

平顶山工业职业技术学院
年 月 日

平顶山工业职业技术学院
毕 业 设 计 （论文） 任 务 书

姓 名 王 松
专业班级 电气自动化对口1班

任 务 下 达 日 期 年 月 日
设计（论文）开始日期 年 月 日
设计（论文）完成日期 年 月 日

设计（论文）题目： 基于PLC水塔液位自动控制系统设计

指 导 教 师
系（部） 主 任

年 月 日

平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会统计
自动化和信息工程 学院 电气自动化技术 专业，学生 王松 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目： 基于PLC水塔液位自动控制系统设计
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会依据学生提交毕业设计（论文）材料，依据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给学生 王松 毕业设计（论文）成绩为 。
答辩委员会 人，出席 人
答辩委员会 主 任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员组员：
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， ， , 。

平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）评语
第 页
共 页
学生姓名： 王松 专业班级 电气自动化对口1班 年级 11级
毕业设计（论文）题目： 基于PLC水塔液位自动控制系统设计
评 阅 人：
指导老师： （签字） 年 月 日
成 绩：
系（科）主任： （签字） 年 月 日

毕业设计（论文）及答辩评语：

摘 要
伴随科技发展，不管在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC含有广泛应用。PLC通常特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC总发展趋势是：高功效、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本水塔水位控制系统采取PLC为控制关键，含有开启和全部停止功效，这是一个PLC控制自动调整控制系统。应用此控制系统能显著提升劳动效率，降低劳动强度。
【关键词】：PLC；自动控制；水塔液位

目 录
第一章 概述 3
1.1课题设计背景 3
1.2课题设计意义 3
1.3课题设计任务 4
第二章 设计方案分析和确定 5
2.1单片机控制 5
2.2继电器控制 5
2.3可编程逻辑控制器控制 5
2.4控制方案确定 6
第三章 硬件设计 9
3.1水塔水位控制系统装置 9
3.2水塔水位控制系统硬件选择 9
3.3水塔水位控制系统电路设计 10
3.4 I/O接口分配 11
第四章 软件设计 13
4.1程序步骤图 13
4.2梯形图程序设计及工作过程分析 14
4.3水塔水位控制系统梯形图 15
结 论 18
致 谢 19
附 录 20

第一章 概述
1.1课题设计背景
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等全部是常见关键被控参数。其中，水位控制越来越关键。在社会经济飞速发展今天，水在大家正常生活和生产中起着越来越关键作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大不便，重则可能造成严重生产事故及损失。所以给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最关键基础设施之一。任何时候全部能提供足够水量、平稳水压、合格水质是对给水系统提出基础要求。就现在而言，多数工业、生活供水系统全部采取水塔、层顶水箱等作为基础储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统控制方法存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。不利于长远发展。
在工农业生产和日常生活应用中，常常会需要对容器中液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中蓄水量，生活中抽水马桶自动补水控制、自动电热水器、电开水机自动进水控制等。即使多种水位控制技术要求不一样，精度不一样。但其原理全部大同小异。尤其是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统基础要求。所以怎样设计一个精度高、稳定性好水位控制系统就显得日益关键。
1.2课题设计意义
伴随科学技术不停发展，自动控制技术在中国日新月异，继电器控制系统已跟不上时代发展要求，取而代之是可编程控制器，以PLC组成自动控制水塔系统已在住宅小区中广泛应用。可编程控制器是在继电器控制基础上逐步发展起来以微处理器为关键，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标新型控制装置，现在已在工业、农业、商业、交通运输领域得到广泛应用，成为各行业通用控制关键产品。正在向愈加可靠、操作简单、通用性强、价格低廉方向发展，使自动控制实现起来更轻易。在通常住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足水压供用户使用,另备有地下水槽储存自来水企业提供水源并给顶楼水塔进水使用。因为目前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟,所以考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。
1.3课题设计任务
此次毕业设计内容是应用S7-200 PLC控制水塔水位系统硬件电路，并利用OB1梯形图控制程序设计。经过控制S7－200 PLC定时继电器功效来实现水塔水位升降。

第二章 设计方案分析和确定
2.1单片机控制
单片机微型计算机是微型计算机一个关键分支，也是颇具生命力机种。单片机微型计算机简称单片机，尤其适适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机基础功效部件：中央处理器、存放器和I/O接口电路等。所以，单片机只需要和合适软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
使用单片机设计优点在于它们CPU功效在增强，内部资源在增多，引脚多功效化，和低电压底功耗。不过编程复杂，对环境要求较高，出现故障时进行调试不方便，可靠性不高。
2.2继电器控制
采取继电接触式控制系统设计交通灯控制系统，关键由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方法是断续，所以又称为断续控制系统。即使这种系统也含有结构简单、价格低廉、维护轻易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统缺点是采取固定接线方法，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。
2.3可编程逻辑控制器控制
可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序次序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC多个不一样时期。为和个人计算机（PC）相区分，现在把可编程逻辑控制器简称为PLC。它关键用来替换继电接触器逻辑控制，系统功效仅限于实施继电器逻辑、计时、计数等。
可编程序控制器控制系统是一个数字运算操作电子系统，专为工业环境而设计。它采取了可编程序存放器，用来在其内部存放实施逻辑运算、次序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并经过数字式和模拟式输入和输出，控制多种类型机械生产过程。它含有很强抗干扰能力，广泛适应能力和应用范围。这也是区分于其它通常微型控制系统一个关键特征。
假如采取PLC作为水塔液位控制系统控制关键，只需将程序下载到PLC内即可。并可经过通信随时对控制系统进行调试。PLC适应环境能力很强，抗干扰等方面能力全部很强大，性能价格比也很高。

2.4控制方案确定
可编程控制器控制技术和继电-接触器控制技术、单片机控制技术异同点：
1.功效强，性能价格比高
在实时检测和自动控制单片机应用系统中，单片机往往作为一个关键部件来使用，仅单片机方面知识是不够，还应依据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。继电器是用于逻辑控制，起到过渡作用，亦可控制小负载。PLC是可编程逻辑控制器，是用软件来进行逻辑控制，而继电器是用硬件结构来控制。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用编程元件，有很强功效，能够实现很复杂控制功效。和相同功效继电器相比，含有很高性能价格比。可编程序控制器能够经过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配置有品种齐全多种硬件装置供用户选择。用户能灵活方便进行系统配置，组成不一样功效、不规模系统。楞编程序控制器安装接线也很方便，通常见接线端子连接外部接线。PLC有很强带负载能力，能够直接驱动通常电磁阀和交流接触器。
3.可靠性高，抗干扰能力强
单片机是靠程序，而且能够修改。经过不一样程序实现不一样功效，尤其是特殊独特部分功效，这是别器件需要费很大力气才能做到，有些则是花大力气也极难做到。而PLC编程更比单片机通俗易懂。传统继电器控制系统中使用了大量中间继电器、时间继电器。因为触点接触不良，轻易出现故障，PLC用软件替换大量中间继电器和时间继电器，仅剩下和输入和输出相关少许硬件，接线可降低互继电器控制系统1/10--1/100，因触点接触不良造成故障大为降低。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰方法，含有很强抗干扰能力，平均无故障时间达成数万小时以上，能够直接用于有强烈干扰工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠工业控制设备之一。
4.系统设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功效替换了继电器控制系统中大量中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜设计、安装、接线工作量大大降低。
PLC梯形图程序通常采取次序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很轻易掌握。对于复杂控制系统，梯形图设计时间比设计继电器系统电路图时间要少得多。
PLC用户程序能够在试验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，经过PLC上发光二极管可观察输出信号状态。完成了系统安装和接线后，在现场统调过程中发觉问题通常经过修改程序就能够处理，系统调试时间比继电器系统少得多。
5.编程方法简单
梯形图是使用得最多可编程序控制器编程语言，其电路符号和表示方法和继电器电路原理图相同，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图和单片机电气技术人员只要花几天时间就能够熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一个面向用户一个高级语言，可编程序控制器在实施梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去实施。
6.维修工作量少，维修方便
PLC故障率很低，且有完善自诊疗和显示功效。PLC或外部输入装置和实施机构发生故障时，能够依据PLC上发光二极管或编程器提供住处快速查明故障原因，用更换模块方法能够快速地排除故障。这些全部是继电器和单片机无法比拟。
7.体积小，能耗低
对于复杂控制系统，使用PLC后，能够降低大量中间继电器和时间继电器，小型PLC体积相当于多个继电器大小，所以可将开关柜体积缩小到原来确实1/2-1/10。
PLC配线比继电器控制系统配线要少得多，故能够省下大量配线和附件，降低大量安装接线工时，能够降低大量费用。
将PLC用于对交通信号灯控制，关键是考虑其含有对使用环境适应性强特征，同时其内部定时器资源十分丰富，现在大多品牌PLC内部均配有实时时钟，经过编程控制可对水塔液位实施全天候无人化管理。
8.发展前景好
PLC伴随计算机科学发展和工业自动化愈来愈高需求，可编程控制技术得到了飞速发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC了解为开关量控制时代己经过去，PLC不仅以其良好性能满足了工业生产广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功效也日趋完善。以后，PLC将关键朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功效和分布式自动化网络方向发展。总趋势以下阶：
1).可编程控制技术标准化
2). CPU处理速度深入加紧
3).可编程控制技术智能化
4).系统开放性和兼容性
5).通用性和专业化结合
6).可靠性深入提升
7).控制系统分散化
8).控制和管理功效一体化
综合以上优点，所以本设计采取可编程序控制器实现水塔液位自动控制。

第三章 硬件设计
3.1水塔水位控制系统装置
水塔水位控制装置图3-1所表示：
图3-1 水塔水位控制装置图
水塔水位工作方法
1.当水池液位低于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池液位没有超出水池下限液位开关时，则系统发出报警，若系统正常，此时水池下限液位开关S4为OFF,表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。
2.当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S4为OFF，水泵停止。
3.当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能开启。
3.2水塔水位控制系统硬件选择
对于这种中小型自动控制中，在主机模块选择时，常见主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。
方案一：若选择CPU222作为主机，因为CPU222有8输入/6输出，和此设计4输入/22输出相差16点数字量输出。还需要扩展16点数字量输出。
方案二：若选择CPU224作为主机，仍然缺乏8点数字量输出，和前者相比，CPU224存放容量增大了一倍，它能够有7个扩展模块，而且有内置时钟，有更强模拟量和高速计数处理能力。是使用相对较多S7-200产品。
方案三：假如选择CPU226作为主机，CPU226主机为24输入/16输出，和4输入/22输出较为靠近，只需扩展一片8点数字量输出扩展模块即可。和CPU224相比，CPU226增加了通讯口数量，使得它通信能力大大增强，能够用于点数较多，要求较高小型或中型控制系统。
经过价格、性能、扩展模块数量比较，和设计要求等多方面考虑，选择一台晶体管输出结构CPU224小型PLC作为控制中心最适宜。CPU224I /O点数为24点（14入10出）。
3.3水塔水位控制系统电路设计
1.PLC控制主电路连接图3-3所表示：

图3-3PLC控制主电路连接图

2.PLC控制电气连接图3-4所表示：

图3-4PLC连接图
3.4 I/O接口分配
1.水塔水位控制系统PLC输入/输出接口分配表以下表：
表3-4 水塔水位控制系统PLC输入/输出接口分配表
输入信号
输入变量名
输出信号
输出变量名
I0.0
开启开关
Q4.0
水阀M1
I0.1
停止开关
Q4.1
水泵M2
I0.2
水池下限位
Q4.2
水池下限指示灯A1
I0.3
水池上限位
Q4.3
水池水位报警指示灯A2
I0.4
水塔下限位
Q4.4
水池上限指示灯A3
I0.5
水塔上限位
Q4.5
水塔下限指示灯A4

Q4.6
水塔水位报警指示灯A5

Q4.7
水塔上限指示灯A6
2.水塔水位控制系统I/O设备
这是一个单体控制小系统，没有特殊控制要求，它有6个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有14个，只需选择通常中小型控制器即可。据此，能够对输入、输出点作出地址分配。

第四章 软件设计
4.1程序步骤图
水塔水位控制系统PLC控制步骤图，依据设计要求，控制步骤图，图4-1所表示：

图4-1 水塔水位控制系统PLC控制步骤图
这种分时操作过程称为CPU对程序扫描。扫描从0000号存放地址所存放第一条用户程序开始，在无中止或跳转控制情况下，按存放地址号递增次序逐条扫描用户程序，也就是次序逐条实施用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就组成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
4.2梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一个图形化编程语言，它沿用了传统继电接触器控制中触点、线圈、串并联等术语和图形符号，和传统继电器控制原理电路图很相同，但又加入了很多功效强而又使用灵活指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统人来说，易被接收。继电器梯形图多半适适用于比较简单控制功效编程，绝大多数PLC用户全部首选使用梯形图编程。
1.梯形图编程通常规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左到右次序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点多种连接，最终是线圈或线圈和右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用元件编号地址必需在所使用PLC有效范围内。
（2）梯形图是PLC形象化编程方法，其左右两侧母线并不接任何电源，所以图中各支路也没有真实电流流过。但为了读图方便，常见“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈动作条件，它仅仅是概念上虚拟“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次改变也只能自上而下。
（3）梯形图中继电器实质上是变量存放器中位触发器，对应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O态”。梯形图中继电器线圈又是广义，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包含定时器、计数器、移位寄存器、状态器等线圈和多种比较、运算结果。
（4）梯形图中信息步骤从左到右，继电器线圈应和右母线直接相连，线圈右边不能有触点，而左边必需有触点。
（5）继电器线圈在一个程序中不能反复使用:而继电器触点，编程中能够反复使用，且使用次数不受限制。
（6）PLC在解算用户逻辑时，是根据梯形图由上而下、从左到右前后次序逐步进行，即按扫描方法次序实施程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，能够降低很多有约束关系联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵照自上而下、从左到右次序，梯形图中每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC运行时，用户程序中有众多操作需要去实施，但CPU是不能同时去实施多个操作，它只能按分时操作原理每一时刻实施一个操作。
2.工作过程
设水塔、水池初始状态全部为空着，4个液位指示灯全灭。当实施程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀打开，开始往水池里进水；假如进水超出4秒，而水池液位没有超出水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水池报警灯A2亮。若4秒以后水池液位按预定超出水池下限位，说明系统在正常工作，水池下限位指示灯A1亮，此时，水池液位已经超出了下限位了，系统检测到此信号时，因为水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水；假如进水超出4秒，而水塔液位没有超出水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水塔报警灯A5亮。当水池液位超出水池上限液位时，水池上限指示灯A3亮，水阀就关闭。不过水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超出水塔下限水位，则水塔下限指示灯A4亮，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超出水塔上限，水塔上限指示灯A6亮。但刚刚给水塔供水时候，水泵已经把水池水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A3灭。此次给水塔供水完成。
4.3水塔水位控制系统梯形图
水塔水位控制系统梯形图：

（1）启停程序：

（2）水阀控制程序：

（3）水池下限水位指示程序：

（4）水池水位报警程序：

（5）水池水位上限指示程序：

（6）水泵启停控制程序：

（7）水塔水位下限指示程序：

（8）水塔水位报警程序：

（9）水塔水位上限指示程序：

结 论
大学三年，在毕业之际，要用我这三年所学知识做出一个设计，来给我这三年所学知识一个肯定。
我做这个题目是相关PLC，也是将我三年所学习知识一个结合应用。是这次做毕业设计给我理论和实践相结合机会，提升了我实际操作和独立处理问题能力。
经过这次设计实践。让我更熟练掌握PLC编程方法，对PLC工作原理和使用方法也有了更深刻了解。在对理论利用中，提升了我专业基础。在对组态软件学习当中，躺卧体会到了细节界定一切道理，刚开始做组态时候，因为我对部分细节不加重视，当我把自己想出来部分认为是正确东西用到组态软件上，问题出现了，不是不能运行，就是运行结果和我想要结果不相符合。经过我一次次实践，最终把正确结果做出来时，才看到了自己缺点。
在设计过程中我还得到了老师帮助和意见。在学习过程中，不是每一个问题全部能自己处理，向老师请教或向同学讨论是一个很好方法。不过一味依靠她人处理问题并不能帮助自己提升，很多时候，自己还是经过查资料来处理毕业设计中碰到问题。经过自己亲自去查找资料，不仅将自己所学知识全部进行了复习、加深了解，而且和新学知识有效结合了，提升了自己。
现在我毕业设计是做完了，可是我学习之路还没有完，这次毕业设计只是对我能力一次小小测试。这次毕业设计教给了我在以后面对时另一条道路——自己去寻求答案。
对我来说这次毕业设计，是一个终点，同时也是一个起点。

致 谢
经过数周查阅和整理材料，伴随论文完成，最终让学生在大学生活，得以画下了完美句点。
论文得以完成，要感谢人实在太多了。要感谢在大学期间全部传授我知识老师，是你们悉心教导使我有了良好专业课知识，这也是论文得以完成基础。要感谢我好友和同学，使她们在我碰到问题是给我以指点。
经过此次论文，我学到了很多知识，在论文写作过程中，经过查资料和搜集相关文件，培养了自学能力和动手能力。而且由原先被动接收知识转换为主动寻求知识，这能够说是学习方法上一个很大突破。在以往传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，不过经过毕业论文，我们学会了怎样将学到知识转化为自己东西，学会了怎么愈加好处理知识和实践相结合问题。
在论文写作过程中也学到了做任何事情所要有态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现任何问题和偏差全部不要轻视，要经过正确路径去处理，在做事情过程中要有耐心和毅力，不要一碰到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能够找到思绪去处理问题。
总而言之，此次论文写作过程，我收获了很多，即为大学三年划上了一个完美句号，也为未来人生之路做好了一个很好铺垫。
再次感谢我大学和全部帮助过我并给我激励老师，同学和好友，谢谢你们。

附 录
水塔液位自动控制梯形图：