毕业设计：水塔水位的PLC控制的设计.doc

水塔水位的 PLC 控制的设计 摘摘 要要 设计和实现了一种采用可编程序控制器为主控制机的供水控制系统 该控 制系统是在传统水塔供水的基础上 加入了 PLC 变频器等器件组成 能够实 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 以及各 器件之间的协调控制方法 实现了对水塔水位的自动控制 提高了供水质量 关键词 关键词 PLC Programmable Logic Controller 水塔水位的 PLC 控制的设计 1 目目 录录 一一 概述概述 1 二二 水塔供水自动控水塔供水自动控制制系统方案设计系统方案设计 2 设计方案 2 三三 水塔水位自动控制系统设计水塔水位自动控制系统设计 2 1 水泵电动机控制电路的设计 2 2 水位传感器的选择 4 四四 水塔水位自动控水塔水位自动控制制系统的组成系统的组成 6 1 系统构成及其控制要求 6 2 系统框图 7 五五 PLCPLC 的设计的设计 7 1 可编程序控制器 PLC 简介 7 2 PLC 工作原理 8 3 PLC 的编程语言 梯形图 9 4 SYSMAC C 系列 P 型机概述 10 5 水塔水位自动控制系统的软件设计 11 六六 结束语 系统总结分析 结束语 系统总结分析 17 1 系统的优点 17 2 结束语 17 参考文献参考文献 19 致致 谢谢 20 水塔水位的 PLC 控制的设计 2 水塔水位的水塔水位的 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 一一 概述概述 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 水塔水位的 PLC 控制的设计 3 二二 水塔供水自动控制系统方案设计水塔供水自动控制系统方案设计 设计方案设计方案 设水塔 水池初始状态都为空着的 液位指示灯全亮 当执行程序时 扫 描到水池为液位低于水池下限液位时 电磁阀打开 开始往水池离境税 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 若 4 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灭 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 水池上限指示灯灭 电磁阀就关闭 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 限指示灯灭 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 水塔上限指示灯灭 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 水池上限指示灯亮 此次给水塔 供水完成 三三 水塔水位自动控制系统设计水塔水位自动控制系统设计 1 1 水泵电动机控制电路的设计水泵电动机控制电路的设计 给排水工程中常使用三相异步电动机 水泵上的电动机一般都是单向 旋转有以下控制 在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度 当水位 低于最低水位时向 PLC 发出信息启动水泵 经过 4 分钟检测水塔水位是否 提高控制水泵的工作 当水位达到最高水位时向 PLC 发出信息控制信息停 止水泵工作 供水系统的基本原理如图 所示 水位闭环调节原理是 通过在水塔中 的水位传感器 将水位值变换为电流信号进入 PLC 执行较后程序 通过水 泵的开关对水塔中的水位进行自动控制 水塔水位的 PLC 控制的设计 4 图 4 1 水泵的控制图 水泵启动工作 当投入作为主电路电源开关的配线切断器 KM1 时 在 收到 PLC 的启动水泵指令后 电磁线圈 KM2 中有电流流过 电磁接触器 KM2 运行 当电磁接触器 KM2 运行时 主电路的主触点 KM2 闭合 常闭触点 KM2 b 打开 常开触点 KM2 m2 闭合 当主触点闭合时 电源电压施加到电 动机 M 上 开始运转 当常闭触点 KM2 b 打开时 绿灯 GN L 中无电流流过 绿灯熄灭 当常开触点 KM2 m2 闭合时 红灯 RD L 中有电流流过 红灯点 亮 水泵停止工作 当投入作为主电路电源开关的配线切断器 KM1 时 在 收到 PLC 的停止水泵指令后 电磁线圈 KM2 中无电流流过 电磁接触器 KM2 恢复 当电磁接触器 KM2 恢复时 主电路的主触点 KM2 打开 常闭触点 KM2 b 闭合 常开触点 KM2 m2 打开 当主触点 KM2 打开时 电源电压施不 再施加到电动机 M 上 电动机 M 停止运转 当常闭触点 KM2 B 闭合时 绿 灯 GN L 中有电流流过 绿灯点亮 当常开触点 KM2 m2 打开时 红灯 RD L 中无电流流过 红灯熄灭 KM1 配线切断器是把开闭机构 后动装置等统一装到绝缘容器内的 部件 它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的 经常应 M 3 L1L2L3 SQ FU KM FR 水塔水位的 PLC 控制的设计 5 用于电源电路的开闭中 当发生过载 短路等情况时自动地切断电路 KM2 所谓电磁接触器 就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的 接触器 主要用于电源电路的开闭 电磁接触器有主触点和辅助触点构成 的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成 FR 热敏继电器 是由加热器部分和触点机构部分组成的 当够电流流 过加热部分时 双金属片因为受热而发生弯曲 因此触点部分被打开而使 电路得到保护 2 2 水位传感器的选择水位传感器的选择 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 水塔水位的 PLC 控制的设计 6 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 表 5 1 主要技术指标 输入电压115 230V AC 50 60HZ 或 12 24V DC U9ULS 10 系列增 益 300 1 U9ULS 10 系列增 益 1000 1 U9ULS 10 系列输 出 10 A DPDA 继电器灭火两线制 4mA 干 20 mA 湿 U9ULS 10 系列输 出 10 A DPDT 继电器 延时 0 5s 重复性 2mm 外壳NEMA 4 NEMA 7 防水防爆罩 环氧涂层 铸铝 水塔水位的 PLC 控制的设计 7 四四 水塔水位自动控制系统的组成水塔水位自动控制系统的组成 1 1 系统构成及其控制要求 系统构成及其控制要求 水水池池 水水塔塔 水水泵泵 电电磁磁阀阀 水流 水水池池上上限限液液位位开开关关S2 水水池池下下限限液液位位开开关关S1 水水塔塔上上限限液液位位开开关关S4 水水塔塔下下限限液液位位开开关关S3 图 5 1 水塔水位自动控制系统 水塔水位的工作方式 当水池液位低于下限液位开关 S1 S1 此时为 ON 电磁阀打开 开始往 水池里注水 当 4S 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 OFF 表示水位高于 下限水位 当水位液面高于上限水位 则 S2 为 ON 电磁阀关闭 当水塔水位低于水塔下限水位时 则水塔下限水位开关 S3 为 ON 水泵 开始工作 向水塔供水 当 S3 为 OFF 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 S4 为 OFF 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 原理 在控制系统启动后 若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水 位信号转化为电信号向 PLC 发出信号 PLC 根据此信号打开补水泵向水槽补 水 当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止补水泵的工作 当水塔水位达到最低水位时 液位传感器将 水位信号转化为电信号向 PLC 输出 PLC 在收到信号后启动水泵向水塔加水 当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信 水塔水位的 PLC 控制的设计 8 号停止水泵的工作 2 2 系统框图系统框图 如下图整个系统由一个水位传感器 一台 PLC 和一台水泵以及若干部 件组成 安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成 1 5 伏的电信号 电 信号到达 PLC 将控制控制水泵的开关 水箱水位自动控制系统由 PLC 核心 控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机 控制电路 PLC 控制启停及主备切换 图 5 2 系统组成框图 在水塔水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信 号输入 PLC 中 在通过 PLC 控制水泵的启动或关闭 在系统运行中当水为 低于最低值时 PLC 将启动水泵向水塔中加水 当水塔中的水达到最高值时 PLC 使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水 等到水塔水位再次达到控制最 低水位时 系统再次重复这个过程 五五 PLCPLC 的设计的设计 1 1 可编程序控制器可编程序控制器 PLC PLC 简介简介 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 水塔水位检测系统 水塔水位的实际高度 PLC 水泵 水塔水位的 PLC 控制的设计 9 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 2 2 PLCPLC 工作原理工作原理 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 PLCPLC 的工作过程的工作过程 PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程 是在系统软件 的控制下顺次扫描各输入点的状态 按用户程序解算控制逻辑 然后顺序 向各个输出点发出相应的控制信号 除此之外 为提高工作的可靠性和及 时的接收外来的控制命令 每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编 程器 计算机的通信 因此 PLC 工作过程分为以下五步 1 自诊断 自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然 而在发生故障时能尽快的修复 为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU 存储器 输入输出模块等进行故 障诊断 若自诊断正常便继续进行扫描 而一旦发现故障或异常现象则转 入处理程序 保留现行工作状态 关闭全部输出 然后停机并显示出错的 信息 2 与外设通信 自诊断正常后 PLC 即扫描编程器 上位机等通信接口 如有通信请求 便响应处理 在与编程器通信过程中 编程器把指令和修改参数发送给主 机 主机把要显示的状态 数据 错误码进行相应指示 编程器还可以向 主机发送运行 停止 清内存等监控命令 在与上位机通信过程中 PLC 将 接收上位机发出的指令进行相应的操作 把现场工作状态 PLC 的内部工作 状态 各种数值参数发送给上位机以及执行启动 停机 修改参数等命令 3 输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点 读入各点的状态和数据 水塔水位的 PLC 控制的设计 10 如开关的通断状态 形成现场的内存映象 这一过程也称为输入采样或输 出刷新 在一个扫描周期内内存映象的内容不变 即使外部实际开关状态 己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新 解算用户 逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值 4 解算用户逻辑 即执行用户程序 一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条 程序开始 在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程 序 按用户程序进行逻辑判断和算术运算 因此称之为解算用户逻辑 解 算过程中所用的计数器 定时器 内部继电器等编程元件为相应存储单元 的即时值 而输入继电器 输出继电器则用的是内存映象值 在一个扫周 期内 某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化 对整个用户 程序是一致的 不会造成结果混乱 5 输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算 的结果 也称为输出刷新 解算用户逻辑到用户程序为止 每一步所得到 的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块 相当于输出信号 被输出门阻隔 待全部解算完成后打开输出门一并输出 所用输出信号由 输出状态表送到输出模块 其相应开关动作 驱动用户输出设备即 PLC 的 实际输出 在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描 如此不 断的反复循环扫描 实现对全过程及设备的连续控制 直至接收到停止命 令 停电 或出现故障 3 3 PLCPLC 的编程语言的编程语言 梯形图梯形图 梯形图在形式上类似于继电器控制电路图 它简单 直观 易读 好 懂 是 PLC 中普遍采用的一种编程方式 梯形图中沿用了继电器线路的一 些图形符号 这些图形符号被称为编程元件 每一个编程元件对应有一个 编号 不同厂家的 PLC 其编程元件的多少及编号方法不尽相同 但是基本 的元件及功能很相近 水塔水位的 PLC 控制的设计 11 梯形图有如下特点 梯形图按自上而下 从左到右的顺序排列 每一个继电器为一个逻 辑行 称为梯形 每一个逻辑行起始于左母线 然后是触点的各种联接 最后是线圈 整个图形呈梯形 梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器 它实质上 是变量存储器中的位触发器 因此称为软继电器 相应的某位触发器为真 态 表示该继电器通电 其常开触点闭合 常闭触点打开 梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的 除了输出继电器 内部继 电器以外 还包括定时器 计数器等 梯形图中 一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次 而继 电器的触点是可以被无限制的引用 既可是常开触点也可以是常闭触点 梯形图是 PLC 形象化的编程方式 其左右两侧的母线不接任何电源 因而图中各个支路也没有真实的电流通过 但是为了方便 常用有电流来 形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件 所以仅仅是概念上的电流 而且认为它只能从左向右流动 层次的改变只能是先上后下 3 4 可编程序 控制器 PLC 的优点 能适应工业现场的恶劣环境 不要求空调 能抗电磁干扰与电压冲 击 简单 易于使用 不必要求微机软硬件方面的知识 编程不需要高 级语言 可靠性高 平均故障间隔时间 MTBF 超过 20000 小时 编程或修改程序容易 程序可以保存和固化 体积小 价格低 可直接将数据送入处理器中 可直接连接到现场 可在基本系统上扩展 系统容易配置 与负载最远距离可达 10000 英尺 内存可以扩展 有很强的通讯功能 可与多种支持设备连接 系统化 有标准外围接口模块 系统在一种现场不需要时 仍可改在另一种现场上使用等一系列优 水塔水位的 PLC 控制的设计 12 点 4 SYSMAC C 系列系列 P 型机概述型机概述 本原理图是采用 CP20 实现的 基于原理图所用 I O 接口点数较少 无需 扩展单元 快速响应输入点与外部中断输入点公用 实现单循环控制 不 需要有可选择输入时间常数的过滤器 配置简单 经济适用 可使用个人 计算机进行辅助设计 C20P 的通道分配 是指对 PLC 内的每个通道及每个继电器都分配给一 个地址号 以便 CPU 能够识别 在 OMRON 公司 C 系列的 PLC 中 每个 通道由 16 位组成 或者说在一个通道中包含 16 个 继电器 1 输入 输出继电器通道 I O 的分配 P 型机的输入 输出继电器通道 CH 分配是固定的 00 04CH 是输入 继电器通道 05 09CH 是输出继电器通道 不同型号的 PLC 机的基本单位 和扩展单位所能使用的通道号是不同的 每个输入 输出继电器的编号为四位十进制数 前两位表示通道号 后两 位表示位号 即该通道中的某一位 对 C20P 基本单元 输入继电器 输入点 为 12 个 占用的输入点是 00CH 的 0000 0011 输出继电器 输出点 共 8 个 占用的输出点是 05CH 的 0500 0507 2 内部辅助继电器 IR 通道的分配 在 P 型机中共有 136 个内部辅助继电器 其通道号为 10 18CH 占用的地 址为 1000 1807 注意 内部辅助继电器不能接负载 3 定时器和计数器通道 TIM CNT 在 P 型机中的定时器 TIM 高速定时器 TIMH 计数器 CNT 可逆 计数器 CNTR 共计 48 个 编号为 00 47 它们即可用于定时器 用可 用于计数器 但如果已经用作定时器 如 TIM01 则这个编号就不能再用 作计数器 如 CNT01 如果程序中使用高速计数器 则 TIM CNT47 作为 专用存放高速计数器当前值的计数器 不能再作它用 当电源断电时 定时器被复位 而计数器不能被复位 其计数的当前值 水塔水位的 PLC 控制的设计 13 保持不变 5 5 水塔水位自动控制系统的软件设计水塔水位自动控制系统的软件设计 确定 PLC 所需的各类继电器 对各元件编号 如下表所示 表 6 1 输入 输出端口地址分配 输入输出定时器 名称地址名称地址名称地址 S11000M0500 4 秒延时 TIM02 S21001Y0501TIM00 S31002 产生 1 秒时 钟 TIM01 S41003 5 15 1 PLCPLC 的外部输入输出电路的外部输入输出电路 图 6 1PLC 的外部输入输出电路 S1 水塔水位上限 S2 水塔水位下限 S3 水槽水位上限 S4 水槽水位下限 M 抽水泵 Y 补水泵 水塔水位的 PLC 控制的设计 14 高 低 高 低 开始 水槽水位 补水泵停止 补水泵启动 水塔水位 水泵启动 水泵停止 结束 图 6 2 水塔水位系统流程图 输入 COM 端和电源 连接输入端和水塔水位自动控制系统输 入端连接 输出 COM 端串联连接和电源 连接 COM COM COM COM COM COM COM COM COM 电源 输出端 OUT 端 和水塔水位自动控制系统试验模板输入端相 连 OUT O1 Y OUT O2 M 5 25 2 分配 分配 输入 调试单元 PLC 内部 说明 I000 000 00 启动按钮 I001 S1 000 01 水塔水位上限 水塔水位的 PLC 控制的设计 15 I002 S2 000 02 水塔水位下限 I003 S3 000 03 水槽水位上限 I004 S4 000 04 水槽水位下限 输出调试单元 内部 说明 001 010CH01 Y 002 010CH02 M 5 35 3 程序说明程序说明 当启动按钮 IN I0 打开 若水槽水位低于水位下限时时 补水阀 Y 抽水 若水槽水位高于水位上限时 补水阀 Y 关闭 停止抽水 同时 当水塔水位低于水位下限时 并且水槽水位高于水位下限时时 抽水 泵 M 抽水 即 M 灯亮 当水塔水位高于水位上限时时 抽水泵 M 关闭 停止抽水 若水塔水位低于水位下限 水槽水位低于水槽水位下限时 抽水 泵 M 不抽水 5 5 4 4 梯形图及语句表梯形图及语句表 水塔水位的 PLC 控制的设计 16 图 5 3 梯形图 5 5 5 5 语句表语句表 水塔水位的 PLC 控制的设计 17 水塔水位的 PLC 控制的设计 18 六六 结束语结束语 1 系统的优点系统的优点 一 高可靠性 一 高可靠性 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 二 丰富的 二 丰富的I OI O接口模块接口模块 PLC针对不同的工业现场信号 三 采用模块化结构 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 四 编程简单易学 四 编程简单易学 编程多采用类似继电器控制线路的梯形图形式 五 安装简单 维修方便 五 安装简单 维修方便 使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I O端相连接 各种模块上 均有运行和故障指示装置 2 结束语结束语 现代传感技术 电子技术 计算机技术 自动控制技术 信息处理技 术和新工艺 新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹 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 本课题研究的主要内容是 水塔水位自动控制系统 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 我所研究的 就是这方面的课题 水塔水位的 PLC 控制的设计 19 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 本设计采用传感器