基于PLC的水塔控制系统.doc

青岛理工大学毕业设计（论文）摘要目前，国内大部分城市供水系统，包括水厂、生活小区、高层建筑的供水系统，仍采用较为传统的供水方式。给水值班员根据实际的用水量或积累的经验，通过人工的方式调节水泵电机的开停来实现简单的供水控制：当用水量增大， 供水压力变小时，即手动增加一台水泵;当用水量减小，供水压力变大时，则把最先运行的水泵电机关停。水泵作为供 水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷的变化来运行。传统的供水方式存在着许多缺陷，特别是多台水泵供水系统尤为严重。本论文分析自动控制供水的原理及系统的组成结构，提出基于PLC的水塔控制方案，通过研究和比较，本论文采用西门子S7-200PLC进行控制电机进而控制水塔的水位，实现对水塔水位的自动控制。该供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。关键词：PLC，水塔，液位，ABSTRACTAt present, most of domestic urban water supply systems, including water factory, the living community, high-rise building water supply system, still use the traditional water supply mode. According to the actual water transport water or experience, through artificial means of adjusting pump motor to achieve simple water supply control , that is, when water consumption increases, supply pressure declines, we should manually add a water pump; When water consumption decreases, and supply pressure greaten, then we put the first operation of the pump motor discontinued. As for general machinery, water engineering of pump, a large amount of its energy consumed in order to save energy, and adjusting measures should be taken to change the pumping station to adapt to load operation. The traditional water way has many defeats; pump water supply system is especially serious.This paper analyses the principle of automatic control of water supply, and the system structure, puts forward the water tower control scheme based on PLC, through research and comparison, it adopts Siemens s7-200 PLC control motor and then control towers water levels, to realize the automatic control of water tower. This water supply system has already been applied in many domestic practical water supply control system, get stable and reliable operation effect and good effect in energy saving. Practice shows that the system has high reliability and real-time, greatly improving the quality of the water supply, saving the human resource, has obvious economic benefits and social benefits.KEY WORDS: PLC, water tower. liquid level目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1供水系统的概述11.2 PLC技术在水塔控制系统的应用1第2章 PLC简介32.1可编程控制器的产生与发展32.2 PLC的基本结构32.2.1 中央处理单元(CPU)42.2.3 输入/输出模块52.2.4 扩展模块62.2.6 电源62.3 PLC特点72.3.1高可靠性72.3.2 丰富的I/O 接口模块72.3.3 采用模块化结构72.3.4 编程简单易学72.3.5安装简单维修方便82.4 PLC的工作原理82.5 PLC的分类92.6 PLC的应用10第3章基本方案及硬件选择113.1基于PLC水塔控制的基本方案113.2电路原理113.3电路系统原理框图113.4电路的组成及元件的选择123.4.1控制执行电路PLC的选择123.4.2电源、电机及各类保护元件的选择133.4.3液位传感器的选择143.5电机的启动方式14第4章PLC设计程序164.1PLC的外部接线图：164.1.1CPU224模块的接线图164.1.2EM223扩展模块的接线图174.2水塔控制PLC系统的I/O点184.3水塔控制PLC系统的梯形图的设计及工作分析18第5章结论与展望25致谢26参考文献27附录28附录1 CPU224接线图28附录2 EM223接线图29附录3 控制系统基本程序3234第1章 绪论1.1供水系统的概述 供水系统又称为供水设备，是为解决由于压力不足，无法到达用户用水的高度或流量，而专门研发设计的新型环保节能的专业设备。供水系统一般由水泵机组，变频控制柜，隔膜压力罐，压力传感器和一些辅件构成。但由于不同的类型，也会使用一些特殊的设备，如：无负压变频供水设备会用到无负压稳流罐；无塔变频供水设备会用到液位传感器由于构成的不同，价格也不近相同1。现在市场上流行的供水设备，可以根据其类型的不同分为：无负压供水设备，无塔变频供水设备，双模变频供水设备，家用一体式供水设备，数控气压式供水设备和超静音管中泵变频供水设备等。随着科技的发展，供水系统的方式也在慢慢的进行着改变。供水系统正朝着节省投资、超静音优势、高效节能、停电不断水 、环保卫生、无负压供水、智能化程度高、造型美观、档次高级、设备使用寿命长等方面进行发展。但是方便实用，仍是供水的最终目的。1.2 PLC技术在水塔控制系统的应用目前，在水塔控制中有很大一部分水泵电机是人工控制的，这种供水方式存在着许多缺陷，特别是多台水泵供 水系统尤为严重。其一，由于水泵电机只能工作在额定运行和停车两种工作状态，无法为用户提供稳定可靠的供水压 力，且系统完全依赖于人工操作来控制，因而供水质量受人为因素影响较大，无法为用户提供稳定的供水压力，且经常 会出现断水、水管崩裂、管道共振等现象。其二，由于水泵电机只能工作在工频状态，长期高速运行，电能浪费较大，据 统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例 高达以上。其三，由于人为的控制难以始终保证电机在运行过程中投切次序的正确性，容易导致电机在长期运行 过程中磨损不均，并且增大了误操作的可能性；同时设备运行不合理，机械磨损大，造成设备使用寿命短，维修量大，设 备和人工成本都较高。其四，在目前的城市生活小区、高层建筑供水系统中，基本采用高位水箱或水塔的供水方式，这 样既增大了基建投资，同时也造成了水资源的二次污染随着高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。原先用人工进行水位控制，由于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；使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变，但由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦2。基于PLC的水塔控制系统可以解决传统水塔控制系统存在的以上问题。在软件设计上，PLC比其他单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几，由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。基于以上原因选用PLC作为控制元件，控制效果非常好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，整个系统的性价比非常高。在供水系统中使用小型PLC技术，不仅能准确控制阀门的控制水量多少，而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的效果，本文介绍了PLC调控技术在水塔控制系统中的应用。第2章 PLC简介2.1可编程控制器的产生与发展可编程控制器(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PLC3。可编程控制器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、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。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。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）。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4。2.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，、中央处理单元(CPU)，如图2.1所示。编程器输出电路输入电路中央处理器（CPU）电源系统程序存储器系统程序存储器图2.1 PLC的结构图2.2.1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行5。2.2.2 存储器存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。1、PLC常用存储器类型（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。2、PLC存储空间分配各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。2.2.3 输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。2.2.4 扩展模块当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。2.2.5编程器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。2.2.6 电源PLC中的电源一般有三类：1、+5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；3、锂电池及其充电电源。考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。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：2562048点（64 128路模拟量）； 大型机：2048点以上（128 512路模拟量）。 具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份6。2.3 PLC特点2.3.1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1020ms。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,使可靠性更进一步提高7。2.3.2 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。2.3.3 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。2.3.4 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。2.3.5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。2.4 PLC的工作原理1、扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图2.1：第n个扫描周期第（n+1）个扫描周期PLC 扫描周期第（n-1）个扫描周期用户程序执行输入刷新输出采样 输出刷新 输入采样图2.2 PLC 扫描周期 2、PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间8。如图2.3：用户程序执行输入采样通讯自诊断RUN输出刷新上电故障图2.3 PLC扫描周期示2.5 PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。1按结构形式分类 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展9。（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧10。2按功能分类 根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化11。3.按流派分世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研 究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小 型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。日本的小型PLC最具特色，在小型机 领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户 欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70的份额。2.6 PLC的应用S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床、磨床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业13。第3章基本方案及硬件选择3.1基于PLC水塔控制的基本方案某居民住宅小区内生活水塔,高30米,由设在水塔附近的三台水泵为其供水。水泵电动机功率为33KW，额定电压380V。水塔正常水位变化，由安装在水箱内的上、下水位开关S1、S2进行控制。为反映各水泵工作是否正常，在每台水泵的压力出口处设置压力继电器SP1SP3，将其常开触点作为PLC输入，检测出水压力是否正常。具体控制要求如下：（1）三台电动机均为降压启动，以减小启动电流的冲击，启动时间为t1。（2）电动机启动时间错开，上台电动机全压运行t2后，下一台台才能启动（3）三台电动机均设置有过载保护（4）三台水泵正常运行时采用两用一备，为防止备用泵长期闲置锈蚀，要求备用机组可用按钮任意切换。（5）设手动/自动转换开关SAC。手动时，可由操作者分别启动每一台水泵，各水泵不进行联动；自动时，由上、下水位开关对水泵的起停自动控制，且启动时要联动。（6）若运行中任一台水泵出现故障，备用机组立即投入运行。3.2电路原理本电路采用分立元件电路实现了对水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。该系统具有水源检测、等功能。采用独立的电路实现超高、低水位处理，超高水位处理，自动控制电机电路。水塔水位自动控制器，包括接于电源的电机、电子式水位开关以及一端设于泵口的压力继电器，在所述电源的一端接与PLC，通过泵口压力继电器的输入值把信号直接送给PLC,再经处理后的信号发送到电机上面来控制三台电机的启动与停止，同时在水箱内的电子水位开关给PLC的反馈信号，更好的检测PLC的有效工作时间。3.3电路系统原理框图水塔水箱电机1电机2电机3控制器最高水位线最低水位水位传感器水位传感器图3.1电路系统原理框图3.4电路的组成及元件的选择基于PLC的水塔控制系统所需要的元件有下列各部分组成：控制执行电路由PLC完成，电源电路由380V三台电机及各类保护元件，液位检测电路由最高水位传感器和最低水位传感器组成。3.4.1控制执行电路PLC的选择由于所设置系统为小区的供水系统，对执行控制电路PLC的要求不是很高，根据表3.1分析，可以选择PLC小型机，在小型机中德国西门子公司的S7-200系列无论是价格还是功能来说比较实用，S7-200PLC主机（基本配置），可构成一个独立的控制系统（基本配置）。基本配置的I/O配置是固定的，它们具有固定的I/O地址。表3.1S7-200的分类CPU221CPU222CPU224CPU226I0.0-I0.5I0.0-I0.7I0.0-I0.7I0.0-I0.7Q0.0-Q0.3Q0.0-Q0.5I1.0-I1.5I1.0-I1.7Q0.0-Q0.7I2.0-I2.7Q1.0-Q1.1Q0.0-Q0.7Q1.0-Q1.7各类主机可带扩展模块的数量是不同的。CPU221模块不允许带扩展模块；CPU222模块最多可带2个扩展模块；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。有上述表格数据分析，CPU224是但就其接口来说略有缺欠，因此需要对其进行扩展，表3.2CPU224模块的分类数字量扩展模块型号输入点输出点EM2218(24VDC)8(120/230VAC)无EM222无8(24VDC)8(继电器输出）8(120/230VAC)EM2234(24VDC)4(24VDC)4(24VDC)4(继电器输出）8(24VDC)8(24VDC)8(24VDC)8(继电器输出）16(24VDC)16(24VDC)16(24VDC)16(继电器输出）根据表3.2分析，共17个输入，21个输出，所以要选用数字模块EM223的8输入8输出的模块。经验证，选用该模块没有导致CPU224模块电流超载。所以控制模块选用CPU224，并且要扩展EM223模块进行控制。3.4.2电源、电机及各类保护元件的选择CPU224需要DC24V供电，电动机为了其稳定性工作应选用AC380V的电源。以上决定为其供给电量。电机的品牌选择蓝生产品，蓝生QJ型深井泵是电机与水泵直联一体潜入水中工作的提水机具，它适用于从深井萃取地下水、也可用于河流、水库、水渠等到提水工程：主要用于农田灌溉及高原山区的人畜用水，亦可供城市、工厂、铁路、矿山、工地供排水使用。它产品特点1、电机、水泵一体、潜入水中运行，安全可靠。2、对水管无特殊要求3、安装、使用、维护方便简单占地面积小。4、结构简单，节省原材料。其使用条件1、额定频率为50HZ，额定电压为380+5%伏的三相交流电源。2、水泵进水口必须在动水位1米以下，但潜水深度不得超过静水位以下70米，电机下端距井底水深最少在1米以上。3、水温一般不得高于20OC。需要三台电机，两台正常工作一台作为备用。水位开关选用电子式水位开关，电子式水位开关通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当判断到有水时，芯片输出高电平24V或5V等，当判断到无水时，芯片输出0V。高低电平的信号通过PLC或其它控制电路来读取，并驱动水泵等用电器工作。产品可以任意方向安装，当横向安装时，水位到达蓝线就动作，且精度较高。产品竖向安装时，水位到达红线就动作，有一定的防波浪功能。电源指示灯可以采用发光二极管。根据具体的电动机的工作情况计算所需电流量可以查出具体的发光二极管的阻值，大概1000欧姆左右的。24V的电源大概要几十欧姆，其选择要具体情况而决定。3.4.3液位传感器的选择为了能够精确的测量水位变化，需要反应灵敏的液位传感器，LSF-2.5型号液位传感器符合要求，其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成液位开关。LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。3.5电机的启动方式由于大型异步电机的启动电流很大，会引起电网电压降低，使电动机的转矩减小，甚至启动困难，而且还会影响同一供电网络中其他设备的正常工作，所以容量大的笼型异步电动机的启动电流应限制在一定的范围之内，不允许直接启动，因而采用减压启动的方式。常见的减压启动方式有：钉子绕组串电阻减压启动，自耦变压器减压启动，星-三角减压启动等方法。本设计采用星-三角减压启动控制电路。启动时，定子绕组首先连接成星形，待转速上生到接近额定转速时，将定子绕组的连接改变成三角形，电动机便进入全电压正常运行状态。该方式启动可以延长电机使用寿命，减少事故发生率。启动的连线图如图3.1。M3M3M3L1L2L3QSFUKM4KM3KM5FR1FR2FR3KM1KM4KM2KM2KM6图3.1电机启动的主电路图第4章PLC设计程序4.1PLC的外部接线图：4.1.1CPU224模块的接线图这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有17个开关量，开关量输出触点书有21个，输入、输出触点数共有38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4.1：图4.1CPU224接线图4.1.2EM223扩展模块的接线图由于仅用CPU224不能达到控制的要求，所以要进行扩展，选用EM223作为扩展模块以此来达到完善系统功能的目的。图4.2EM223接线图4.2水塔控制PLC系统的I/O点I(输入)：I0.01#水泵启动 I1.13#水泵压力阀I0.11#水泵停止 I1.2下水位I0.22#水泵启动 I1.3上水位I0.32#水泵停止 I1.41#水泵热保护I0.43#水泵启动 I1.52#水泵热保护I0.53#水泵停止 I1.63#水泵热保护I0.6手动自动转换 I1.73号备用机组手动开关I0.71#水泵压力阀I1.02#水泵压力阀O（输出）：Q0.00.10.21#水泵 Q1.43#水泵工作指示灯Q0.30.40.52#水泵 Q1.5备用Q0.60.71.03#水泵 Q1.61#水泵故障指示灯Q1.1手动自动状态指示灯 Q1.72#水泵故障指示灯Q1.21#水泵工作指示灯 Q2.03#水泵故障指示灯Q1.32#水泵工作指示灯 Q2.1故障报警4.3水塔控制PLC系统的梯形图的设计及工作分析梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。2)梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“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的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。3)梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l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”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。4)梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。5)继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。6)PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的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，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。1.在正常条件下，电机未启动前的准备工作，既是先判断电机是否能够正常运行，同时决定电机是进行人工控制还是自动控制运行的2.在正常工作运行中，1号、2号电机没有出现故障的情况下，水箱的水位在控制要求的范围中浮动时，先启动一号电机，一号电机运行一段时间后，然后再启动2号电机，以此来控制水塔的水位，达到自动控制水塔系统的基本要求。3.当运行的1号、2号电机其中一个出现故障时，需要切换到3号电机继续进行控制，同时发出报警信号，要求进行人工的维护，从而保障系统的安全运行，达到安全保护的目的。4.对于整个系统的运行在进行人工观察测试的时候需要进行一系列的指示，对各个环节采用指示灯来达到这个目的，有报警指示、正常运行指示、手动自动切换的指示，从而是控制系统的更加人性化。第5章结论与展望经过两个月的设计，回想起来做设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过这对我的设计能力有了很大的提高。我做的是基于PLC的水塔供水控制系统设计，整个毕业设计是在老师的指导下完成的，从收集资料到排版都有老师的细心教导下完成的。这次毕业设计提高了我的思维能力,同时也让我了解到了自己的不足,我会继续努力,完善自我,通过实践对理论的理解更深刻。尤其对于西门子S7-200PLC有了更深的了解。通过这次的设计，使我对水塔系统的动作顺序以及运行过程的理解，在设计时会出现那些问题，以及各设备是如何完成一系列动作有更深一步了解。对我以后的工作有很大帮助，只是我缺少发现、观察和学习，不留意身边的事物，认为它们的存在理所当然。到现在才知道“书到用时方恨少”，以学为宗旨，不断地锻炼自己，提高自己的全面素质。下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。第一，题目确定后找资料。查资料是做毕业设计的前期准备工作，在毕业设计期间，尽可能多的阅读文献资料是很重要的，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆去查资料，虽然比较原始，但是对启发我们的思维，掌握论文的写作规范很有帮助，为后期的作好准备工作。第二，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的西门子s7-200PLC水塔控制系统设计也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目，更深入更系统对机床电气控制系统进行设计。在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。致谢通过这一阶段的努力，我的毕业论文基于PLC的水塔控制系统终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在