【毕业设计】自动水位控制系统

摘要数字电路产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。这些给人们带来了生活，工作等方面带来了极大的方便。数字电路的发展，使得这门课程对于我们来说是很有必要学好。数字电路设备实现简单，速度和可靠性好。在这次的数字电路制作中，本人制作八路智能抢答器。抢答器在比赛等场合中不可缺少的设备。本文就是从数字电路芯片的功能简介开始，利用功能不同的数字电路芯片的组合来实现多路抢答器的功能。首先简要的介绍了数字电路的发展和演变。然后介绍几个主要集成芯片的管脚功能和用法。最后介绍多路抢答器的原理和设计过程。总结与改进部分，讲一些电路在实际设计调试中的不足，并加以改进；SCH图和PCB图均在附录中。关键词置位；复位；锁存第1章绪论水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,研究设计的基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统,采用可编程序控制器、变频器以及压力变送器等器件,完成逻辑控制、变频调速和数据采样等功能,使系统实现自动控制,达到节能的目的,提高了供水系统的质量11水塔供水的发展供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。可编程控制器PLC因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。本文针对目前比较流行的控制技术，利用PLC和传感器构成了水塔水位恒的控制系统。改造后的水塔水位自控系统，实现水塔水位自动控制系统，远程监控，实现无人值守。第二章水泵21水泵的概述水泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类叶片泵、容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。在此次的水位控制系统中，采用了ISG系列的单级单吸立失管道离心泵，如图所示。ISG系列单级单吸立式管道离心泵ISG系列单级单吸立式管道离心泵，是上海虹兴泵业制造有限公司科技人员联合国内水泵专家选用优秀水力模型，采用IS型离心泵之性能参数，在一般立式泵的基础上进行巧妙组合设计而成。同时根据使用温度、介质等不同在ISG型基础上进行巧妙组合设计而成。同时根据使用温度、介质等不同在ISG型基础上派出适用热水、高温、腐蚀性化工泵、油泵。该系列产品具有高效节能、噪音低、性能可靠等优点。22离心泵的主要部件离心泵主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。221叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能主要增加静压能。叶轮一般有612片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种。开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。222泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。223轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。23离心泵的工作原理231离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入4与吸入管5连接。液体经底阀6和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口8与排出管9连接，如图22。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。232气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。24离心泵的主要性能参数（1）泵的流量离心泵的流量即为离心泵的送液能力，是指单位时间内泵所输送的液体体积。泵的流量取决于泵的结构尺寸主要为叶轮的直径与叶片的宽度和转速等。操作时，泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需压力有关。通常用的流量是体积流量Q单位为M3/H、L/MIN、M3/S（2）泵的扬程扬程是指单位重量流体经泵后获得的能量。有的也称总扬程或全扬程，通常所抽送液体的液柱高度H表示，其单位是M。（3）泵的转速泵的转速指泵轴单位时间内的转数，以N表示，单位是R/MIN。（4）泵的功率泵的轴功率是指单位时间内由原动机传到泵轴上的功，也称输入功率，单位是W或KW。（5）泵的效率泵效率是泵的有效功率与轴功率之比。（6）泵的比转数251离心泵的选用离心泵的选用，通常可按下列原则进行（1）根据被输送液体的性质和操作条件，初步确定泵的系列及生产厂；（A）根据输送介质决定选用清水泵、油泵、耐腐蚀泵、屏蔽泵等；（B）根据现场安装条件决定选用卧式泵、立式泵（含液下泵、管道泵）等；（C）根据流量大小选用单吸泵、双吸泵等；（D）根据扬程大小选单级泵、多级泵、高度泵等。252泵型号的确定第三章可编程序控制器31可编程序控制器概述目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简单、运行可靠等优点，所以本课题选用可编程序控制器可编程序控制器（简称PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，PLC是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。PLC作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解PLC的结构、工作原理等。以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统。可编程控制系统可分为硬件和软件。PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图11所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图12所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户组需要进行配置与组合。32可编程序控制器的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。PLC在程序执行阶段按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。33可编程控制器的结构（1）按硬件的结构类型分类可编程控制器是专门为工业生产环境设计的。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有单元式、模块式及叠装式三种结构。（2）按应用规模及功能分类为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程控制器能够处理信号的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个点，将输入点和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。可编程控制器还可以按功能分为低档机、中档机及高档机。而可编程控制器按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。一般大型、超大型机都是高档机。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系，大型机都是模块式机，具有很大的存储容量。第四章变频器41变频器的概述变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR晶闸管、GTO门极可关断晶闸管、BJT双极型功率晶体管、MOSFET金属氧化物场效应管、SIT静电感应晶体管、SITH静电感应晶闸管、MGTMOS控制晶体管、MCTMOS控制晶闸管、IGBT绝缘栅双极型晶体管、HVIGBT耐高压绝缘栅双极型晶闸管的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频PWMVVVF调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。42变频器的分类变频器即电压频率变频器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。目前国内外变频器的种类很多，可按以下几种方式分类。421按变换环节分类1交直交变频器交直交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率连续可调的交流电。2交交变频器交交变频器把频率固定的交流电变换成频率连续可调的交流电。422按电压的调制方式分类1PAM（脉幅调制）所谓PAM，是PULSEAMPLITUDEMODULATION的简称，它是通过调节输出脉冲的幅值来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频，相控整流器或直流斩波器负责调压。2PWM（脉宽调制）所谓PWM，是PULSEWIDTHMODULATION的简称，它是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频调压。423按滤波方式分类1电压型变频器2电流型变频器424按输入电源相数分类1三进三出变频器2单进三出变频器425按控制方式分类1U/F控制变频器2转差频率控制变频器3矢量控制方式变频器43变频器的基本构成变频器的基本构成如图所示，由主电路和控制电路组成。变频器的基本构成44变频器的工作原理变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位N60F1S/P1式中N异步电动机的转速；F异步电动机的频率；S电动机转差率；P电动机极对数。由式1可知，转速N与频率F成正比，只要改变频率F即可改变电动机的转速，当频率F在050HZ的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。整流器控制电路M控制指令控制指令逆变器第五章传感器在科学技术高度发达的现代社会中,人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中,主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学实验和生产过程,特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息,都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。51传感器的概述传感器通常是指按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理与传输的电量（少数为其他物理量，如光信号）的器件或装置。传感器包含两个必不可少的内容一是拾取信息，二是将拾取到的信息进行变换，使之变成为一种与被测量有确定函数关系且便于处理与传输的物理量，多数为电量。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。52传感器的分类液位传感器有很多种，有侧装式磁翻柱，顶装式磁翻柱，浮球连杆式，静压式液位计，浮球液位开关等。如图41所示。下面我将介绍浮子液位传感器。UHZ/Q型系列浮子液位计适用工业生产中各种高位、低位容器中各种液体介质的液面位置的测量。它的接收部份采用优质不锈钢材料，利用干簧受磁性吸合的原理，把液面位置的变化转变为电信号的变化，并可附加液位计上下越位报警器及远距离信号变送器，将液位变化转换成420MA直流信号，与组合仪表配套使用，达到液位的远距离指示检测与监控。53传感器的组成一般是由敏感元件、转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测非电量，并将其送到“转换元件”转换成电量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。因为课题用于水中因此选用液位传感器，利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮式力。自由状态下的浮子能跟随液面升降，这是人尽皆知的水涨船高规律。当浮子的升降程度到达设定的刻度时，行程开关开始工作。并将采集到的信号传送给PLC。浮子式水位传感器是选用JZB系列绝对编码器，配用线轮、不锈钢绳、重锤、防浪锤和浮子等构成。此传感器安装在测井口上方，连接浮子和重锤的测绳挂在挂轮上。当水位变化时浮子随之上升或F降，测绳便带动线轮作旋转运动，传感器输出与水位相应的编码数字量。适用于水库、水电站、水文站、水厂、江河、湖泊等水位测量。传感器以绝对编码的方式，输出并行循环参码供仪表采集，配以变送装置可输出420MA或RS485供PLC或微机采集，该传感器性能稳定可靠，适应性强，具有绝对编码器的突出优点，深受广大水文、水利工程技术人员的好评。第六章系统程序设计第七章结束语经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了水塔水位自动控制系统这篇论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在技师上课期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对PLC，传感器，变频器等相关技术很不了解的状态我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。从我也认识到了PLC那巨大的用处。虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一段代码，都有我的劳动。当看着自