基于PLC的水位自动控制系统杨超

基于 PLC 的水位自动控制系统摘要目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。因此，不少单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成不便。利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。本文采用的是西门子 S7-200PLC 可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至 PLC 构成的控制模块，来控制水泵电机的动作，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动。关键词：水位自动控制、西门子 S7-200PLC、水泵、传感器AbstractAt present, a large number of high living water and water gradually increased. Therefore, many units of self built water tower water reservoir to solve the water problem of the high-rise building. Initially, mostly with manual control, the artificial to accurate positioning hour monitoring of water level, it is difficult to accurately control the pump or pump stop. Shut down prematurely, resulting in water tower lack of water; or shut down late, causing water overflow, waste water, causing inconvenience to the users. The use of artificial control of the water level will cause water supply when unstable water. Later, the use of a water level control device so that the water supply situation has changed, but often using buoys or mechanical water level control Because of the failure of the mechanical device, the reliability is poor, which brings great trouble to the maintenance. Therefore, the traditional water supply control method is difficult to meet the present requirements.This is the SIEMENS S7-200PLC programmable controller as the water level automatic control system of the core function of the automatic control system of water level of demand analysis. The main method is through the actual water level sensor detects the water level, the specific information to the control module is composed of PLC, to control the water pump motor movements, and display the water level specific information, if the water level is below or above a certain value, we will send the hazard warning signal, finally realize the automatic water level.Key words: water level automatic control, SIEMENS S7-200PLC, water pump, sensor第一章绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。第二章 可编程器简介2.1 可编程控制器的产生可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。可编程控制器的产生和继电器-接触器控制系统有很大关系。继电器 -接触器控制已有百年历史，它是一种弱电信号控制电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修等优点。对于工作模式固定，要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛用途。但是当工作模式改变，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件及接线都要作相应变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧的控制柜，另做一个新的控制柜使用，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-接触器控制难以满足市场需求，此问题首先被美国通用汽车公司提了出来。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，要求制作一种新的工业控制装置取代传统的继电器- 接触器控制，对其新装置提出的要求就是著名的 GM10 条，即：1. 编程方便，可在现场修改程序；2. 维修方便，采用模块化结构；3. 可靠性高于继电器控制柜；4. 体积小于继电器控制柜；5. 可将数据直接送入管理计算机；6. 在成本上可与继电器控制竞争；7. 输入可以是交流 115V；8. 输出为交流 115V/2A 以上，能直接驱动电磁阀；9. 在扩展时，原有系统只要很小变更；10. 用户程序存储容量至少能扩展到 4K 字节。1969 年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器 PDP-14，并在 GM 公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国 MODICON公司也研制出 084 控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971 年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器 DSC-18。1973 年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业推广应用。进入 20 世纪 70 年代，随着微电子技术的发展，尤其是 PLC 采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入 20 世纪 80 年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以 16 位和少数 32 位微处理器构成的微机化 PLC，使 PLC 的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。PLC 虽然问世时间不长，但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。90 年代以后，工业控制几户全部被 PLC 占领。国外专家预言，PLC 将在工业自动化的三大支柱（PLC 、机器人、CAC/CAM）中跃居首位。2.2 PLC 的发展随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以后，特别是进入 80 年代以来，PLC 已广泛地使用 16 位甚至 32 位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使 PLC 在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的 PLC 已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、 PID 调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为 PC，但为了与个人计算机（ Persona1 Computer）的简称 PC相区别，一般仍将它简称为 PLC（Programmable Logic Controller）。PLC 是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而 PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、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，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于 PLC 是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。我国从 1974 年也开始研制可编程序控制器， 1977 年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。2.3 PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，如图 2-1 所示：2-1 PLC 硬件结构2.4 PLC 的工作原理循环扫描PLC 采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图所示。当 PLC 方式开关置于 RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理，如对 PLC 联机或离线编程。对于不同型号的 PLC，图中的扫描过程中各步的顺序可能不同，这是由 PLC 内部系统程序决定的。1）内部处理 ：在这一阶段， CPU 检测主机硬件，同时也检查所有的 I/O 模块的状态。在 RUN 模式下，还检测用户程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常继续向下扫描。2）处理通信请求 ：在 CPU 扫描周期的信息处理阶段，CPU 自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。3）输入处理 ：在这一阶段，对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。4）执行用户程序 ：在 PLC 中，用户程序按先后顺序存放。在这一阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行自述或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。执行用户程序的过程与计算机基本相同。5）输出处理：在这一阶段，CPU 用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备的所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图所示：PLC