电气控制与PLC课程设计(水塔水位PLC自动控制系统).doc

辽宁工程技术大学

电气控制技术与PLC 课程设计

设 计 题 目 水塔水位PLC自动控制系统
指 导 教 师
院（系、部） 电气与控制工程学院
专 业 班 级
学 号
姓 名
日 期

21 / 21
课程设计成绩评定表
学期
2014/2015学年第2学期
姓名

专业
电气工程及其自动化
班级

课程名称
电气控制技术与PLC
设计题目
水塔水位PLC自动控制系统
成绩
评分项目
优
良
中
及格
不及格
设计表现
1.设计态度
非常认真
认真
较认真
一般
不认真
2.设计纪律
严格遵守
遵守
基本遵守
少量违反
严重违反
3.独立工作能力
强
较强
能独立设计完成
基本独立设计完成
不能独立设计完成
4.上交设计时间
提早或按时
按时
迟交半天
迟交一天
迟交一天以上
设计说明书
5.设计内容
设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确
设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误
设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误
设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误
设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误
6.设计书写、字体、排版
规范、整洁、有条理，排版很好
较规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多
不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大
7.封面、目录、参考文献
完整
较完整
基本完整
缺项较多
不完整
图纸
8.绘图效果
很出色
较出色
一般
较差
很差
9.布局
合理、美观
较合理
基本合理
有些混乱
布局混乱

10.绘图工程标准
符合标准
较符合标准
基本符合标准
个别不符合标准
完全不符合标准
评定说明：
不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；
优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。
最终成绩： 评定教师签字：
电气控制技术与PLC课程设计任务书

姓名

题目
水塔水位PLC自动控制系统
设计
要求
1. 设计系统的总体方案
2. 对控制系统进行适当分析
3. 设计系统的PLC外部接线图
4. 设计好程序流程图
5. 设计好系统的梯形图

设计的主要内容
利用PLC设计控制水塔水位自动运行，系统启动后，根据水池水位，控制进水阀进水，水位超过水池下限位时，下限位指示灯亮，水泵工作，向水塔供水，根据水池水位，控制水池上限指示灯与水泵开关。根据水塔水位控制水塔下限指示灯与水泵开关，水塔水位超过水塔上限，水塔上限指示灯亮，此时水池液位低于水池上限，水池上限指示灯灭，此次给水塔供水完成。
1.水池和水塔均有二个上下限位；
2.刚进水时，超过3秒水池液位没超过水池下限位则系统有故障，系统会自动报警并切断电源；
3.水塔抽满时，由于刚刚给水塔供水时，水泵已经把水池的水抽走了，水池液位已经低于水池上限。
摘 要

随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，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。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。
本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置

关键词：PLC(Programmable Logic Controller)、自动化、水塔水位

目录

1概论 1
1.1 可编程序控制器简介 1
1.2 PLC的工作原理 2
1.3 PLC的特点 2
1.4 PLC的选择 3
2 水塔水位自动控制系统方案设计 4
3 水塔水位自动控制系统硬件设计 5
3.1水塔水位控制系统设计要求 5
3.2 水塔水位控制系统主电路 6
3.3 水泵电机的选择 7
3.4 水位传感器的选择 7
3.5 PLC I/O接口分配 8
3.6 PLC控制电路原理图 10
4 水塔水位自动控制系统PLC软件设计 11
4.1 程序流程图 11
4.2 梯形图程序 12
4.3 指令表 13
总 结 15
参考文献 16

1概论
我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前，我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。
我国供水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一。在体制上，供水企业体制的变革已成为市场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。优质供水是水工业市场化发展的新增长点，同时要倡导节约用水，提高水的重复利用率，并逐步建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应水工业发展的需要，而水工业学科体系正是在给水排水工程学科体系发展而来。由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。

1.1 可编程序控制器简介
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点充分利用微处理器的优点。

1.2 PLC的工作原理
PLC的工作方式:采用循环扫描方式.在PLC处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.
1.3 PLC的特点
(一) 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,使可靠性
进一步提高。
(二) 丰富的I/O 接口模块
1. 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。
2. 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。
3. 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。
(三) 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。
(四) 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。
(五) 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。
1.4 PLC的选择
目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：
小型机：256点以下（无模拟量）；
中型机：256 ~ 2048点（64 ~ 128路模拟量）；
大型机：2048点以上（128 ~ 512路模拟量）。
本实验选择FX2N系列PLC。由于输入、输出触点数较少，只需选用一般中小型控制器即可。最终选择FX2N-32M。拥有16个输入点与16个输出点。适合本次课题使用。

2 水塔水位自动控制系统方案设计
设水塔、水池初始状态都为空着的，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，进水阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过3秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警并切断电源。若3秒之后水池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，水泵开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯亮，进水阀就关闭，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水位，则水塔下限指示灯亮，水泵继续工作，在抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯亮，但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯灭。此次给水塔供水完成。
当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。
当水塔水位低于下限位时，出水阀不能打开。

第3章 水塔水位自动控制系统硬件设计

3.1水塔水位控制系统设计要求
水塔水位控制装置如图2-1所示

图3-1 水塔水位控制装置
水塔水位的工作方式
当水池液位低于下限液位开关S4，S4此时为OFF，进水阀打开，开始往水池里注水，当3S以后，若水池液位没有超过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ON,表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S3为ON，进水阀关闭。
当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S2为OFF，水泵开始工作，向水塔供水，当S2为ON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S1为ON，水泵停止。
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，水泵不能启动。
3.2 水塔水位控制系统主电路

图3-2 水泵控制图
水泵启动工作：当收到PLC的启动水泵指令后，线圈KM1、KM2中有电流流
过，KM1和KM2的主触点闭合，电机低速启动（星启），当电机启动经过一段时间后，PLC控制KM3线圈得电，使KM3主触点闭合;同时控制KM2线圈失电，使KM2主触点断开。使电机高速转动（角转）。
水泵停止工作：当收到PLC的停止水泵指令后，线圈KM1、KM2、KM3中无电流流过，KM、KM2、KM3的主触点断开，电机停止工作。
FU：熔断器，当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护电路和设备。熔体的额定电流IfN≥（1.5～2.5）IN，IN为电动机额定电流。
3.3 水泵电机的选择
由于本次设计选用的水泵电机功率较大，初始运行时的启动电流过大，故主电路中采用星-角变换减压启动，启动时电机的绕组接成星形，进而限制启动电流，当反映启动过程结束的定时器发出指令再后将电机的绕组改接成三角形联结实现全压工作。
一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，为了保证水泵能可靠、安全、经济地运行，故综合考虑后将水泵电机额定功率选为11KW，型号为Y2-160L-6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。

3.4 水位传感器的选择
根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的 U9ULS——10/100系列。U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的壳体中。
U9ULS具有以下特点：
可应用于多种液体中
可承受高达1000psi的压力
不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。
长度达121in(303.3cm)
可安装在侧面、顶部或底部
工作原理：U9ULS系列是给予超声波理论工作的。当超声波在空气中传播时，会被严重衰减 相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。
电子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。当另一端街道有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。
U9ULS——100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F和压力为1000PSI的情况下良好的工作。
U9ULS——10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。
特点：10A的继电器输出
115/230V AC，12V DC或24V DC输入
高增益。无需效准，工作温度可达300 长度可达151.5CM

输 入 部 分
名称
PLC接口
注释
SB1
X000
启动
SB2
X005
停止
SB3
X006
出水阀开关
SQ1
X001
水塔上限位
SQ2
X002
水塔下限位
SQ3
X003
水池上限位
SQ4
X004
水池下限位
3.5 PLC I/O接口分配
输出部分

输出部分

输 出 部 分

名称
PLC接口
注释
KM1
Y001
水泵M
KM2
Y015
星启（低速）
KM3
Y016
角转（高速）
KM4
Y002
进水阀Y
KM5
Y003
出水阀Q
YL1
Y004
水泵故障指示灯
YL2
Y005
进水阀故障指示灯
YL3
Y006
正常工作指示灯
FM
Y007
蜂鸣器
S1
Y011
水塔上限位灯
S2
Y012
水塔下限位灯
S3
Y013
水池上限位灯
S4
Y014
水池下限位灯
HL1
Y001
水泵M工作指示灯
HL2
Y002
进水阀指示灯
HL3
Y003
出水阀指示灯

3.6 PLC控制电路原理图
根据设计要求，PLC控制电路原理图如图3-3所示
图3-3水塔水位自动控制系统PLC控制电路原理图

4 水塔水位自动控制系统PLC软件设计
4.1 程序流程图
水塔水位自动控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图，如图4-1所示：

图4-1 PLC控制流程图

4.2 梯形图程序
根据控制要求，设计的梯形图程序如图4-2所示。

图4-2 梯形图程序

4.3 指令表

总 结

我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在对这个设计的材料的搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过tongxue的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。
设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好，古人说：三人行必有我师、思而不学则殆。所以说学习要善于向别人请教，学思结合。
如今课程设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，是这次设计让我明白了人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。

参考文献

[1] 漆汉宏 编 《 PLC电气控制技术》 北京：机械工业出版社 2008
[2] 三菱FX2N系列《微型可编程控制器使用手册》
[3] 李俊季、赵黎明 《可编程控制应用技术实训指导》 北京：化学工业出版社 2001
[4] 张桂香 《电气控制与PLC应用》 北京：化学工业出版社 2003
[1] 漆汉宏主编 《PLC电气控制技术》 机械工业出版，2008
[2] 齐占庆，王振臣. 电气控制技术[M]. 北京：化学工业出版社，2002
[3] 三菱微型可编程控制器手册 [M]. MITSUBISHI SOCIO-TECH,2003