基于PLC的水塔水位控制系统设计毕业设计论文.doc

目 录第1章 引言3第2章 系统总体设计42.1 系统控制要求42.2 设计分析示意图52.3 确定设计方案6第3章 控制系统硬件设计73.1 plc选型及扩展73.2 电机及驱动线路113.3 检测元件选型113.4 低压电器选型123.5 电源设计123.6 人机接口设计12第4章 控制系统软件设计134.1 控制程序流程图134.2 控制程序设计144.3 显示操作界面设计18结束语19参考文献20附录1：plc源程序21附录2：硬件原理图24附录3：电控柜控制面板元件布置图26第1章 引言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。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。然而随着世界人口的不断增长，人们生活用水的增加，以往采用的继电器水塔水位自动控制系统由于频繁操作会产生机械磨损，不方便维护和更新，已经不能满足人们的实际需求，本文采用的是西门子s7-200系列小型plc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进行性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至plc构成的控制模块，进行数据比较，来控制抽水电机的动作，同时进行数据还原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于某个设定值是，就会发出危险报警的信号。本文以一个水塔水位控制系统的设计过程，给出了基于plc水塔水位控制系统的设计好实现的具体过程。第2章 系统总体设计 2.1 系统控制要求水塔水位控制示意图如图2.1所示：图2.1水塔水位控制示意图 水塔工作系统的工作方式为：当水池水位低于水池下限位液位检测传感器s1时，则s1此时为off，电磁阀mb1打开，水泵m1启动，开始向水池供水，待4s后，若水池水位没有超过水池下限位液位检测传感器s1，即说明系统发生故障，则水池蜂鸣器pb1报警，水池报警灯闪烁。 若系统正常，则此时水池水位应该超过了水池下限位液位检测传感器s1，则s1此时为on，表示水池水位高于水池下限水位。当水位水位高于水池上限位液位检测传感器s2时，则s2为on，水泵m1停止，电磁阀mb1关闭。 当水塔水位低于水塔下限位液位检测传感器s3时，则s3此时为off，电磁阀mb2打开，水泵m2启动，开始向水塔供水，待4s后，若水塔水位没有超过水塔下限位液位检测传感器s3，即说明系统发生故障，则水塔蜂鸣器pb2报警，水塔报警灯闪烁。 若系统正常，则此时水塔水位应该超过了水塔下限位液位检测传感器s3，则s3此时为on，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔水位高于水塔上限位液位检测传感器s4时，则s4为on，水泵m2停止，电磁阀mb2关闭。 当水塔水位低于水塔下限位，同时水池水位也低于水池下限位时，水泵m2无法启动，电磁阀mb2无法打开。2.2 设计分析示意图基于plc的水塔水位控制系统是一个自动控制系统，根据系统要求，设计分析分析如下：当电源启动时，水池和水塔的水位有以下几种情况：（1） 水池的水位在s1之下，如图2.2（a）所示，则电磁阀mb1打开，水泵m1启动，开始向水池供水，待4s后，若水池水位没有超过s1，则水池蜂鸣器报警。当水池水位高于s2时，如图2.2（c）所示，水泵m1停止，电磁阀mb1关闭。（2） 水池的水位在s1与s2之间，如图2.2（b）所示，则电磁阀mb1不会打开，水泵m1不会启动，保持待命状态。（3） 水塔的水位在s3之下，如图2.2（d）所示，并且水池水位在s1与s2之间，则电磁阀mb2打开，水泵m2启动，开始向水塔供水，待4s后，若水塔水位没有超过s3，则水塔蜂鸣器报警。当水塔水位高于s4时，如图2.2（f）所示，水泵m2停止，电磁阀mb2关闭。（4） 水塔的水位在s3之下，并且水池水位在s1之下，则电磁阀mb2不会打开，水泵m2不会启动，等待水池水位高于s1。（5） 水塔水位在s3与s4之间，如图2.2（e）所示，则电磁阀mb2不会打开，水泵m2不会启动，保持待命状态。 水塔设计分析示意图如图2.2所示：图2.2水塔设计分析示意图2.3 确定设计方案 经过再三的探讨，我们决定用s7-200系列的cpu224做主机，扩展模块em222为数字量输出模块，液位传感器作为感测水塔系统水位的元件，经扩展模块em232传给mm430变频器，变频后，驱动水泵。水塔系统总体框图如图2.3所示：图2.3水塔设计分析示意图 本章小结：本章通过确定系统可控制要求，并作出了设计分析，经过和同组人员的一番的探讨之后，最终，确定了设计方案。第3章 控制系统硬件设计3.1 plc选型及扩展 cpu224主机共有14个输入点，10个输出点，输入需dc24v供电，输入点接启动按钮、停止按钮、报警确认按钮、液位检测传感器、热继电器开关。输出需ac220v供电，输出点接启动信号灯、水泵、水位信号灯、报警信号灯，cpu224及其接线如图3.1所示。图3.1 cpu224及其接线 em222为数字量模拟输出模块，为扩展模块，它有八个输出点，0.1、0.2输出端接蜂鸣器，0.3、0.4输出端接电磁阀，em222及其接线如图3.2所示。图3.2 em222及其接线 em232为模拟量输出模块，为扩展模块，有两路模拟量输出，它与变频器的接线图如图3.3所示。图3.3em232及其接线水塔系统的i/o分配表见表3.1所示。表3.1 水塔系统i/o分配表输入信号输入变量名输出信号输出变量名i0.0启动按钮q0.0启动指示灯pg0i0.1停止按钮q0.1水泵m1i0.2报警确认按钮q0.2水泵m2i0.3水池下限位液位检测s1q0.3水池水位过低指示灯pg1i0.4水池上限位液位检测s2q0.4水池水位过高指示灯pg2i0.5水塔下限位液位检测s3q0.5水塔水位过低指示灯pg3i0.6水塔上限位液位检测s4q0.6水塔水位过高指示灯pg4i0.7热继电器fr1q0.7水池报警指示灯pg5i1.0热继电器fr2q1.0水塔报警指示灯pg6q2.1水池蜂鸣器pb1q2.2水塔蜂鸣器pb2q2.3电磁阀mb1q2.4电磁阀mb23.2 电机及驱动线路电机采用卧式离心泵，型号为：is50-32-125，驱动电路如图3.4所示。图3.4 水塔系统驱动电路3.3 检测元件选型检测元件采用gsk液位传感器，它的特点为：1、外壳采用优质不锈钢，机械强度高、密封性好。2、电缆采用特种材质，耐油、酸、碱，抗蚀能力优越。3、输出稳定可靠的“on”、“off”开关控制信号，无任何误动作，可靠性高。4、安装简捷，调试方便，上下移动定位重块，即可随意调节液面控制范围。3.4 低压电器选型 低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器容量范围很大，最小为4a，而最大可达5000a。 这次设计选择的是型号为dz47 3p 16a。3.5 电源设计 plc的外部工作电源一般为单相85260 50/60hz交流电源，也有采用2436v直流电源的。使用单相交流电源的plc，往往还能同时提供24v直流电源，提供直流输入使用。plc对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许15左右。所以，这次设计采用的是单相220v交流电源供电的plc。3.6 人机接口设计人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。按照信息传递的方式分为两类：输入接口，输出接口。常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。此次设计用到的输出设备有状态指示灯，液晶显示器，扬声器。本章小结：本章根据控制要求，确定了plc的型号，系统的i/o分配表，并由此确认都要扩展什么模块，然后，选择了电机及其驱动电路，并且确定了检测元件，低压电器，最后确定了电源与人机接口的设计。第4章 控制系统软件设计4.1 控制程序流程图 根据系统要求，水塔系统的控制流程图如图4.1所示：图4.1水塔系统控制程序流程图4.2 控制程序设计本次设计采用的是自动检测系统，当水池中缺水时，系统能够自动检测，并自动向水池中供水，同样，当水塔中缺水时，系统能能自动检测，并自动向水塔中供水，当系统发生故障时，系统还会报警。系统的控制程序设计如下：（1） 水塔系统启停控制程序如图4.2所示：图4.2水塔系统启停控制程序（2） 水泵m1启停控制程序如图4.3所示：图4.3水泵m1启停控制程序（3） 水泵m1注水4s控制程序如图4.4所示：图4.4水泵m1注水4s控制程序（4） 水池水位过低指示控制程序如图4.5所示：图4.5水池水位过低指示控制程序（5） 水泵m1处故障时蜂鸣器h1控制程序如图4.6所示：图4.6水泵m1处故障时蜂鸣器h1控制程序（6） 水池报警指示灯闪烁控制程序如图4.7所示：图4.7水池报警指示灯闪烁控制程序（7） 水池水位过高指示控制程序如图4.8所示：图4.8水池水位过高指示控制程序（8） 水泵m2启停控制程序如图4.9所示：图4.9水泵m2启停控制程序（9） 水泵m2注水4s控制程序如4.10所示：图4.10水泵m2注水4s控制程序（10） 水塔水位过低指示控制程序如图4.11所示：图4.11水塔水位过低指示控制程序（11） 水泵m2处故障时蜂鸣器h2控制程序如图4.12所示：图4.12水泵m2处故障时蜂鸣器h2控制程序（12） 水塔报警指示灯闪烁控制程序如图4.13所示：图4.13水塔报警指示灯闪烁控制程序（13） 水塔水位过高指示控制如图4-14所示：图4.14水塔水位过高指示控制4.3 显示操作界面设计显示操作界面采用的是td200显示，td200是text display 200的简写，它是可编程控制器s7-200系列的常用文本显示器。它可以用来显示信息，在信息中可以内嵌数据，数据既可以显示，也可以由操作人员进行设置。td200既可以通过td/cpu电缆由s7-200 cpu供电，也可以由一个外部插入式电源供电，但不能td/cpu电缆和外部电源同时对td200 供电，这样会损坏设备。本文只讨论最简单、最常用的方式：由s7-200通过td/cpu电缆供电。td200只是一个文本显示器，不需对td200进行组态和编程，所有组态信息全部存在cpu s7-200中。 td200 里只存储td200的地址、所连接的cpu的地址、通讯波特率和参数块的位置。也就是说，td200的所有组态数据都存储在cpu s7-200可变存储器（v存储器）内，而在td200中只需通过面板设置td200的地址、所连接的cpu的地址、通讯波特率和参数块的位置。td200上电后，按“esc”键进入“诊断菜单”，接着进入“td200 设置”选项，分别设置“td200 地址”（缺省值为1）、“cpu 地址”（缺省值为2）、“参数块地址”（缺省值为0）、“波特率”（缺省值为9.6k）。本例中，我们使用缺省设置。在step 7 microwin v4.0中，用td200向导（菜单“toolstd200 wizard”）给cpu s7-200编程。完成编程并下载后，将cpu和td200通过td/cpu电缆进行正确连接，正确设置td200的参数，即可完成td200的开发使用。上电后，td200从cpu读参数块。对所有参数均进行合法性检查。如果一切合格，td200开始主动轮询信息使能位以决定要显示的信息，并从cpu读取信息，然后显示信息。本章小结：本章根据系统要求，画出了水塔系统的控制流程图，通过对水塔系统的控制流程图的分析，用软件设计出了程序，并最后确认了显示操作界面。结束语此次实习，我设计的是基于plc的水塔水位控制系统，我在原有的要求上有加了好多要求，是这个系统设计有了一定的难度，但，我还是在老师和同学的帮助下做完了这次设计，此次设计，是通过plc与液位传感器的结合，使水塔水塔维持一定的水位。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液位进行自动控制。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。采用plc能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。参考文献1王永华.现代电气控制及plc应用技术,北京,北京航空航天出版社,2008,2.2廖常初.plc编程及应用,北京,机械工业出版社,2008,1.3廖常初.plc应用技术问答,北京,机械工业出版社,2006,14西门子（中国）有限公司.