水塔水位控制系统.doc

明达职业技术学院

毕业设计

2012－2013学年度

机电工程系 机电一体化 专业
班级 10 机 电 学号 62103117

　　　　　课题名称　基于PLC控制的水塔水位电气系统设计　　　　　　　　学生姓名　 　陆 鸿　　　　　　　　
　　　　　指导教师　　 茅红霞　 　　　　

20 　年　 月　 日

毕业设计（论文）承诺书
本人郑重承诺：
1、本设计（论文）是在指导教师的指导下，查阅相关文献，进行分析研究，独立撰写而成的。
2、本设计（论文）中，所有实验、数据和有关材料均是真实的。
3、本设计（论文）中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。
4、本设计（论文）如有剽窃他人研究成果的情况，一切后果自负。

学生（签名）：
20 年 月 日

目录
前言··························································1
第一章 可编程控制器概述······································1
1.1 PLC的产生及发展历史···································1
1.2 PLC的特点···············································4
第二章 水塔水位电气系统的设计·······························5
2.1水塔水位的检测意义及应用······························5
2.2水塔水位的控制要求·····································5
2.3控制分析流程图··········································6
2.4 I/O口分配表············································7
2.5PLC的外部接线图·········································8
2.6设计说明及梯形图·······································10
总结·····························································11
参考文献··························································11
致谢·······················································12

水塔水位电气系统的设计
陆鸿
【摘要】 随着科技的发展和现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。其中在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置——可编程控制器。本设计采用以可编程控制器为主控制机实现供水控制系统。该控制系统是在传统水塔供水的基础上，加入PLC、变频器等器件组成，通过控制电磁阀的关闭和对水泵进行调速，来实现水塔水位的供水。详细论述了系统硬件结构、操作流程和控制方法，实现了对水塔水位的自动控制，提高了供水质量。
【关键词】水位控制 PLC 故障报警 水位保持
第一章 可编程控制器的概述
1.1PLC的产生及发展
可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力，因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的实用技术，对提高我国工业自动化生产效率都有十分重要的意义。
可编程控制器（Programmable Controller）也可称逻辑控制器（Programmable Logic Controller），是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。
可编程控制器的产生和继电器一接触器控制系统有很大的关系。继电器一接触器控制已经有上百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点、对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的改变，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另作一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器一接触器控制难以满足市场要求，刺问题首先被美国通用汽车公司（GM 公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器一接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即：
1. 编程方便，现场可修改程序；
2. 维修方便，采用模块化结构：
3. 可靠性高于继电气控制装置；
4. 体积小于继电气控制装置；
5. 数据可直接送入管理计算机；
6. 成本可预计电气控制装置竞争；
7. 输入可以是交流115V；
8. 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁闸，接触器等；
9. 在扩展时，原系统只要很小变更；
10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普
通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器一接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上花费大量地精力，只需要集中精力去考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行、所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模，超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被plc占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC/机器人和CAC/CAM）种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段：
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电气控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，其故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）.
这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送。通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程T/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。
进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。

1.2PLC的特点
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可*性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

第二章 水塔水位电气系统的设计
2.1水塔水位的检测意义及应用
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。
在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。
2.2水塔水位的控制要求
设水塔、水池初始状态都为空着的当水池水位低于水池低水位界（X4为ON表示），阀Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果X4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障，X3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当X4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时X2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止，此次给水塔供水完成。
水塔水位控制装置如图2.1所示：

图2.1水塔水位控制装备图
2.3控制分析流程图
开始
水池水位低于下限吗
电磁阀打开
水池水位高于下限？
水池继续加水
电磁阀关闭
水池水位高于上限
水塔水位低于下限吗
水泵启动 供水
水塔水位高于下限
水塔水位高于上限
水池水位低于下限
水泵停止
结束
否
是
否
是
是
水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求控制流程图如图2.2所示：

图2.2水塔水位控制系统的PLC控制流程图
2.4I/O口分配表
表2.1水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表
输入继电器
输入元件
输出继电器
输出元件
X0
控制开关
Y0
电磁阀
X1
水塔上限液位开关
Y1
电机M
X2
水塔下限液位开关
Y2
水池下限指示灯a1
X3
水池下限液位开关
Y3
水池上限指示灯a2
X4
水池上限液位开关
Y4
水塔下限指示灯a3

Y5
水塔上限指示灯a4

Y6
报警指示灯a5
液位传感器（静压液位计/液位变送器 /液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。
电磁阀：电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
2.5 PLC的外部接线图及系统控制电路图
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有5个开关量，开关量输出触点书有8个，输入、输出触点数共有13个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线图如图2.3所示：

图2.3水塔水位外部接线图

水塔水位系统控制电路如图2.4所示

图2.4水塔水位系统控制电路图
2.6设计说明及梯形图
设计说明：设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。当执行程序时，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；如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，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秒之后水位液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯a1亮，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机开始工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水塔报警灯a5亮.当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯a2亮，水阀就关闭。但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限位，则水塔下限指示灯a3亮，电机继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯a4亮。但刚刚给水塔供水的时候，电机已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯a2灭。此次给水塔供水完成。
根据程序流程图设计的梯形图如图2.5下所示：

图2.5水塔水位梯形图

总结
本文给出了一个PLC水塔水位系统的控制设计，通过对传感器所传数据的分析处理从而完成了对水塔水位的控制。由于水位自动控制，因此减少了工作人员的工作量有利于人员的合理配置。
【参考文献】
[1] 廖常初. PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社，2004.
[2] 王兆义．可编程序控制器教程[M]．北京机械工业出版社 2005
[3] 张万忠. 可编程控制器应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2001
[4] 李俊季、赵黎明. 可编程控制应用技术实训指导[M]. 北京：化学工业出版社，2001
[5] 张桂香. 电气控制与PLC应用[M]. 北京：化学工业出版社，2003
[6] 钟肇新、范建东. 可编程控制器原理及应用（第三版）[M]. 广州：华南理工大学出版社，2003
[7] 吕景泉. 可编程控制器技术教程[M]. 北京：高等教育出版社，2000

致谢
首先感谢我有这样一次学习和锻炼的机会，感谢这次带领我们毕业设计的老师对我的关心和帮助，感谢他们为我提供便利的条件，使我的毕业设计能顺利完成。
这次毕业设计能够顺利完成除了我个人的努力外，还和老师、同学和朋友们的帮助是分不开的，尤其感谢我的指导教师茅红霞老师，感谢他对我的悉心教导和谆谆教诲。在此，对给过我帮助和支持过的老师和同学致以忠诚的感谢