自动水位检测系统

烟台南山学院毕业论文题目自动水位检测系统姓名国红玉所在学院计算机与电气自动化学院所学专业电气工程及其自动化班级08电气工程3班学号200806709084指导教师完成时间2012410毕业论文（设计）任务书论文题目自动水位检测系统院部计算机与电气自动化专业电气工程及其自动化班级08级3班毕业论文（设计）的要求1研究自动水位检测系统的发展及现状，了解自动水位检测系统。2研究PLC技术及SIMATICS7300的应用和发展。3掌握PLC系统和对西门子公司的SIMATICS7300系列的应用及各模块的选择应用。熟悉自动水位检测系统各方面的知识。4针对自动水位检测系统，将S7300和PLC的控制相结合，进行水位检测系统的组态监控设计。毕业论文（设计）的内容与技术参数研究如何实现自动水位检测系统的控制。利用PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强及编程简单等特点，从而采用（PLC）西门公司的SIMATICS7300系列来实现的自动水位检测组态。能够实现一个自动检测系统，当系统上电后，交流电源经整流、滤波、稳压后，由电位器调节获得12V直流工作电压。当水箱水位低于下限时，接触器线圈失电，其常闭触头使水泵接通工作，抽水到水箱中；当水位上升到上限时，接触器线圈得电，常闭触头断开，常开触头闭合，水泵停止抽水。真正实现水位检测系统和监控系统相结合。毕业论文（设计）工作计划120111201到20111210进行相关资料收集，并书写开题报告。220111211到20120101复习所学相关内容，了解各方面与PLC检测系统方面。320120101到20120120把所了解的内容进行系统化，各方面的知识进行分类汇总。并掌握PLC编程和硬件组态的使用。420120121到20120225根据所做汇总进行程序编写、调试、仿真实验。520110226到20110420完成毕业设计。接受任务日期年月日要求完成日期年月日学生签名年月日指导教师签名年月日院长主任签名年月日摘要水位检测在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如江河湖海、水箱、水塔、地下水、水电站、自助售水、江河湖海等都需要进行水位检测来了解水位的变化情况。目前水位检测系统在国内外已经有了较为广泛的应用。水位检测是水位数据采集、存储、传输、处理等技术的集成，水位检测有许多方法，如人工检测，传感器检测等。本水位检测系统的工作原理是通过水位的变化导通或断开电路，实现导通或切断系统电源而实现警报指示的工作与停止。系统控制电路有多种形式，本次设计通过三极管的导通与否来控制电路的开闭，影响发光二极管的发光，从而起到视觉及听觉指示作用。同时将实际水位信号引入可编程控制器PLC中，通过PLC的通讯口与组态软件相连，在软件中通过信号模拟出实际的水位，从而更加清晰的了解到水位情况。关键字检测；系统；控制；水位ABSTRACTWATERLEVELDETECTIONISWIDELYUSEDINOURUSUALLIFEANDMANYINDUSTRYFIELDS,SUCHASRIVERSORLAKES,WATERTANK，WATERTOWER,GROUNDWATER,HYDROPOWERSTATION,SELLINGWATERBYSELFTHESITUATIONSNEEDWATERLEVELDETECTIONTOKNOWTHECHANGESOFWATERLEVELINTHESEDAYS,WATERLEVELDETECTIONSYSTEMHASBEENWIDELYUSEDATHOMEANDABROADWATERLEVELDETECTIONISTHESUMOFTHEDATACOLLECTION,SAVING,TRANSMISSIONANDDEALING,WHICHHASMANYMETHODS,SUCHASMANUALDETECTION,SENSORDETECTIONANDSOONTHEWATERLEVELDETECTIONSYSTEMWORKSTHROUGHTHECHANGESINWATERLEVELONOROFFCIRCUITTOREALIZECONNECTIONORBREAKINGOFPOWER,REALIZINGTHEWARNINGSYSTEMINWORKINGORNOTTHESYSTEMCONTROLSTHEELECTRICWAYINMANYFORMSSYSTEMCONTROLCIRCUITSTAKEMANYFORMS,THETRANSISTOR,DESIGNEDBYTHEONCIRCUITORTOCONTROLTHEOPENINGANDCLOSING,THEIMPACTOFTHELEDLIGHTEMITTINGDIODES,WHICHPLAYADIRECTROLEINTHEVISUALLYANDHEARINGATTHESAMETIME,THESIGHOFREALWATERLEVELCANBECHANGEDINTOCONTROLLERPLCBYLINKINGTHECOMMUNICATIONSPORTALANDCONFIGURATIONSOFTWARECANSIMULATEREALWATERLEVELINORDERTOKNOWTHESITUATIONOFTHEWATERLEVELKEYWORDDETECTIONSYSTEMCONTROLTHEWATERLEVEL目录1绪论111检测技术112水位检测技术的应用与发展113水位检测系统设计的意义12关于PLC的介绍221可编程序控制器的产生和发展2211可编程序控制器的产生2212可编程序控制器的发展322PLC的基本结构4221中央处理单元4222存储器4223输入/输出结构5224扩展模块5225编程器6226PLC电源723PLC的工作原理与特点7231PLC的工作原理7232PLC的特点83水塔水位控制系统硬件设计方案1031水塔水位控制系统硬件设计10311硬件电路图10312水塔水位控制的工作原理1032水塔水位的控制主电路1033元器件的简单介绍和选择11331传感器11332电磁阀12333电动机13334接触器13335继电器13336配线切断器1434水塔水位系统的输入/输出设备及PLC外围接线图14341PLC水塔水位控制系统I/O分配14342水塔水位控制系统的PLC外围接线图154水塔水位控制系统软件设计1641STEP7编程软件简介16411组态设计16412硬件组态16413软件编程18414硬件组态与软件编程的连接1942水塔水位控制系统的PLC控制流程图1943梯形图的程序设计及工作过程分析19431对梯形图的简单介绍19432工作过程分析21433梯形图的设计21结论24致谢25参考文献261绪论11检测技术检测技术是自动化学科的重要组成部分之一，是以现代自动化系统中的应用为主要目的，围绕参数检测和测量信号分析等信息，获取处理技术进行研究与开发的一门综合性技术。为了监督和控制某个生产过程或运动对象的状态，掌握其发展规律，使他们处于所选工况的最佳状态，就必须掌握描述他们特性的各种参数，这就首先要求检测这些参数的大小、变化趋势、变化速度等等。通常把这种流程中含有检查、测量和测试等比较广义的参数测量叫做检测。为实现参数检测组建的系统称为检测系统或检测装置。检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装置的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。12水位检测技术的应用与发展随着我国经济社会的发展，对水位信息不断提出新要求，水位观测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水位检测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。同时当今的工业领域中液位检测对许多自动控制方案来说都至关重要。现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水位检测技术自动化的发展。水位检测是采集、存储、传输、处理等技术的集成。从传统的水位检测方式即人工检测技术分析来看，主要存在以下问题首先记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理，其次数据处理基本靠人工处理判断，费时易错，最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水位的需求。因此，要用自动化技术促进水位检测自动化的发展。13水位检测系统设计的意义水位检测系统是自然界和一般工业界不可缺少的一种检测系统。但凡江河湖海，工业中应用的蓄水池、水塔、水箱、地下水等都需要有水位检测。供水系统中有许多设备由于所处地势高，上下极为不便，有时水即将用完或者已经用完也不知道，造成需用水时却水量不足或者无水可用的情况。此外，在向池中注水过程中，由于不知道水位情况，也就无法控制注水量多少，为了准确掌握水位情况，传统的做法是安排人员进行人为监控，这样不仅会占用人力、物力，还会大大影响工作效率。为此需要对水位检测情况实现自动化检测、数据化、智能化显示、视觉或听觉冲击化报警，实现水位检测一个完整的系统，那么工作人员便可以实现在操作室获知整个设备的水位状况，如此不但大大减低工作人员的危险性，同时更提升了工作的效率及简便性。2关于PLC的介绍21可编程序控制器的产生和发展211可编程序控制器的产生目前，工业生产自动化控制技术发生了深刻的变化。无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，普遍把可编程控制器（PLC）作为控制系统的核心器件，在自动化领域已形成了一种工业控制趋势。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统，它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入输出接口，并具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，其软件则需要根据控制要求进行设计。早期的可编程控制器只能进行逻辑控制，简称PLC，现在的可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，也可以对模拟量进行控制。后来美国电气制造协会将它命名为可编程控制器，简称PC。但PC这个名称已成为个人计算机的专称，所以现在仍然把可编程控制器简称为PLC。可编程控制器的产生和继电器接触器控制系统有很大的关系。继电器接触器控制已经有上百年的历史，它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。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，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要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM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，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即（1）编程方便，现场可修改程序；（2）维修方便，采用模块化结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制装置；（5）数据可直接送入管理计算机；（6）成本可与继电器控制装置竞争；（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，接触器等；（9）在扩展时，原系统只要很小变更；（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。用可编程控制器代替了继电器接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性强等特点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易于IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在编程上花费大量的精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要的地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。国际电工委员会对可编程控制器的定义为“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的。1968年，美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次应用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。后来这项技术迅速发展，并推动世界各国对可编程控制器的研制和应用。212可编程序控制器的发展虽然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，其发展过程大致可分为三个阶段。第一阶段初级阶段（1969年至20世纪70年代中期）。主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。目前此类产品已无人问津。第二阶段扩展阶段（20世纪70年代中期至末期）。该阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM。此类PLC已退出市场。第三阶段通信阶段（20世纪70年代末期至20世纪80年代中期）。该阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但是，由于各制造商各自为政，所以通信系统也是各有各的规范。在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其他行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等行业。产品功能得到了很大的发展。同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS5系列，GOULD公司的M84、884等，富士电机的MICRO和TI公司的T1530等，这类PLC仍在部分使用。第四阶段开放阶段（20世纪80年代中期至今）。该阶段主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化。此外，PLC开始采用标准软件系统，编程语言除了传统的梯形图、流程图和语句表以外还有用于算术运算的BASIC语言、用于程序控制的GRAPH语言，用于机床控制的数控语言等高级语言，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC5、SLC500，德维森的V80和PPC11等。目前，为了适应大、中、小型企业的不同需要，扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展1低档PLC向小型化、简单廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电气控制。2中高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制机的部分功能，对复杂系统进行综合性自动化控制。22PLC的基本结构我们以西门子公司的S7300系列大中型PLC为讲授对象。S7300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，如图21所示。各种模块安装在机架上，通过CPU模块或通信模块上的通信接口，将PLC连接到通信网络上，可以与计算机或其他设备通信。图21S7300的组成221中央处理单元中央处理单元CPU是PLC控制中枢。主要由微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，是系统的运算控制核心。其主要任务有接收并存储用户程序和数据，接受现场输入设备的状态和数据，检查、校验编程过程中的语法错误；执行用户程序，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能；诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障和错误的类型，通过显示器显示出相应的信息。222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RAM（RANDOMASSESSMEMORY）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。EPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）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。EEPROMELECTRICALERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY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PLC的CPU最大寻址空间均不相同，其存储空间一般包括以下三个区域系统程序存储区、系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软设备等）、用户程序存储区。系统程序存储区系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备，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。用户程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，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在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了PLC的性能。（3）I/O映像区PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元RAM以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映像区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位（BIT），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个BIT）。整个I/O映像区可看作两个部分组成开关量I/O映像区；模拟量I/O映像区。（4）系统软设备存储区除I/O映像区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。（5）用户程序存储区主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。223输入/输出结构输入/输出模块简称为I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块。模拟量输入、输出模块简称AI模块和AO模块，它们统称为信号模块。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。CPU模块内部的工作电压一般为DC5V，而PLC的输入/输出的信号电压一般较高，如DC24V或AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管和小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换和隔离的作用。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。用户可根据现场输入/输出元件选择各种用途的I/O模板。一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。输入电压转换是用来将输入端不同的电压或电流信号，转换成微处理器所能接受的低电平信号，输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号，转换成控制设备所需的电压或电流信号。输出电路还要进行功率放大，以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀和接触器等。电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施，I/O输出模块既可以与CPU模块放置在一起，又可以远程安装。一般，I/O模块都有I/O状态显示和接线端子排，有些PLC还具有一些其他功能的I/O模块。224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。智能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLC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、智能存贮模快以及智能I/O模块等。225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。磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型便携式编程器也叫简易编程器、图形编程器、用于IBMPC及其兼容机的编程器。便携式编程器具有便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器显示，这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。图形编程器以液晶显示器LCD或阴极射线管CRT作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。使用图形编程器可以用多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘图仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。用于IBMPC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种。编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中重新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以便选择其中一种方式工作。现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入/输出点数也不同，有的大型机输入/输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输入/输出模板，模拟输入/输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。用扩展模板来扩展系统具有以下的优点用户可根据自己实践控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所做的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。226PLC电源电源模块用于对PLC内部电路供电。PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换成DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，以供其他模块使用。23PLC的工作原理与特点231PLC的工作原理PLC可视为一种特殊的工业控制计算机，但PLC具有比计算机更强的工业过程接口，编程语言和工作原理与计算机相比也有一定的差别，与继电器控制逻辑的工作过程有很大差别。可以把工作过程简单的分为输入采样、执行用户程序和输出刷新3个阶段。大致如图22图22PLC的工作过程PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OBI是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序中断。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）执行用户程序阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新阶段在执行完所有程序之后，PLC将输出映像区中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，这一过程成为输出刷新。输出锁存器与输出点也是一一对应的关系，输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点，再去驱动用户设备。当PLC投入运行后，重复执行以上三个阶段的工作，即采用循环扫描工作过程。PLC工作的主要特点是输入输出采样、程序执行、输出刷新“串行”工作方式，这样既可以避免继电器、接触器控制系统中的触点竞争和时序失配，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应快的原因。但是，这也会导致输出对输入在时间上的滞后。为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几或零点零几微秒，而且这个速度还在不断提高中。232PLC的特点（1高可靠性抗干扰能力强，适合于在恶劣的生产环境下运行，它完全不需要一般计算机所要求的环境，且所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间实现电气上的隔离。各输入端均采用RC滤波器其滤波时间常数一般为1020MS。各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。采用的器件进行严格的筛选。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。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。（2）丰富的I/O接口由于工业控制机只是整个工业生产过程自动控制系统中的一个控制中枢，为了实现对工业生产过程的控制，它还必须与各种工业现场的设备相连接才能完成控制任务。因此，PLC除了具有计算机的基本部分以外，还具有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号，都有相应的I/O模块与工业现场的器件和设备直接连接。有些PLC还有通信模块和特殊功能模块等。（3）灵活性有了PLC，电气工程师不必为每套设备配置专用控制设备。可使控制系统的硬件设备采用相同的PLC，只需编写不同的应用软件即可，而且可以用一台PLC控制几台操作方式完全不同的设备。（4）采用模块化结构为了适应各种工业控制的需要，除了单元式的小型PLC外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来。（5便于改进和修正相对于传统的电气控制线路，PLC为改进和修正原设计提供了极其方便的手段。以前也许要花费几周的时间，而现在用PLC也许只用几分钟就可以完成。（6节点利用率提高传统电路中一个继电器只能几个节点用于连锁，在PLC中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需要的任意多个连锁节点，也就是说，节点在程序中可不受限制的使用。（7）模拟调试PLC能对所控功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间。（8）对现场进行监视在PLC系统中，操作人员能通过显示器观测到所控每个节点的运行情况，随时监控事故发生点。（9）快速动作PLC的节点反应很快，内部是微秒级的，外部是毫秒级的。（10）体积小、质量轻、功耗低由于采用半导体集成电路，与外部控制系统相比较，其体积小、质量轻、功耗低。（11）编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。3水塔水位控制系统硬件设计方案31水塔水位控制系统硬件设计311硬件电路图PLC水塔水位控制系统硬件设计图如下图31PLC水塔控制系统设计图312水塔水位控制的工作原理（1）保持水池的水位在S1S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S1为OFF，表示水位高于下限水位。当页面高于上限水位S2时，则S2为OFF，电磁阀关闭。（2）保持水塔的水位在S3S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关S3为ON，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。当4S以后，若水塔水位没有超过水塔下限液位开关S3时，则系统发出警报；若系统正常运行，则S3为OFF，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开关S4时，则S4为OFF，电机M停止抽水。（3）当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。32水塔水位的控制主电路水塔水位控制主电路图如图32图32水塔水位控制主电路图33元器件的简单介绍和选择组成水塔水位控制系统的元器件有传感器、电磁阀、电动机、接触器、继电器、配线切断器等。331传感器传感器是能感受规定的被检测量，并按照一定规律转换成可输出的器件和装置。传感器一般由敏感元件、转换元件及基本转换电路三部分组成。敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力、力矩转换为位移或应变输出）。转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻、电感、电容）及电流或电压等电信号。基本转换电路是将该电信号转换成便于输出、处理的电量。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U9ULS10/100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NEMA4/NEMA7防爆防水的壳体中。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121IN3033CM；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。当另一端接到有效信号时，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。U9ULS100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。U9ULS10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115/230VAC，12VDC或24VDC输入高增益。无需校准，工作温度可达300，长度可达1515CM表31主要技术指标输入电压115/230VAC，50/60HZ或12/24VDCU9ULS10系列增益3001U9ULS10系列增益10001U9ULS10系列输出10ADPDA继电器灭火两线制，4MA干；20MA湿U9ULS10系列输出10ADPDT继电器延时05S重复性2MM外壳NEMA4/NEMA7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。332电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀的工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。在此我们选择LD66系列膜片电磁阀，它适用于航天军工、石化电力、造船业、冶金钢铁、电镀涂装、燃气燃油、环保设备、吹灰除尘、分析测量仪器、包装机械、清洗设备、园林喷灌、食品工业等控制系统。它的主要电气参数有电源电压220VAC50/60HZ，24VDC先导式功率AC通径8MM，12VA22MM，23VADC通径8MM，11W22MM，12W直动式功率AC通径15MM，23VA20MM，25VADC通径15MM，12W22MM，22W电压公差10电气连接普通型标准接线盒防爆型M1415,15M导线333电动机电动机也称为“马达”，把电能转变成机械能的机器。利用电动机可以把发电机所产生的大量电能，应用到生产事业中去。构造和发电机基本上一样，原理却正好相反，电动机是通电于转子线圈以引起运动，而发电机则是借助在磁场中转子运动产生电流。为了获得很大的磁场，不论发电机还是电动机，都以使用电磁铁为宜。电动机可分为直流电动机、三相异步电动机、单相交流电机等。我们对电动机的选择如下（1）水池电动机已知其额定功率为11KW查电工手册应选择型号为Y21606的电动机。其中重要参数有额定电流IN12423A额定功率PN111KM额定转速NN1970R/MIN。（2）水塔电动机由于实际工作中。控制水磅的电动机功率小，查电工手册可选用Y28014型电动机。其中重要参数有额定电流IN2157A额定功率PN2055W额定转速NN21390R/MIN。334接触器在电工学上，接触器是用于快速切断交流与直流主回路和频繁地接通与大电流控制某些型别可达800安培电路的装置，经常将电动机作为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载。接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要元件之一。接触器的工作原理接触器CONTACTOR是指工业中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原常闭触头闭合；常开触头断开。接触器的选择1水池接触器的选择由IK1NIN2423A查手册选择G2025型接触器，线圈电压380V2水塔接触器的选择由IK2NIN2157A查手册选择G2010型接触器，线圈电压380V335继电器继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的工作原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。热继电器的选择根据IFRNIN2423A,查手册选择JR2025/4T型热继电器，整合电流2125A。336配线切断器所谓的配线切断器，就是电路中的主开关。配线切断器也可以称为断路器或无保险丝切断器，是一种负责负载电流的开闭，在过负载以及短路事故时，自动切断电路的器件。配线切断器正常负载状态的开闭工作就是根据“接入”、“切断”操作手柄来进行的。在过电流以及短路时，与热动脱扣器（或电磁脱扣机构）联动，切断电路。配线切断器的选择根据M1M2的额定电流知II1I22423157258A开关的额定电流应大于总电路实际电流即高于258A，查手册应选HD12型开关，三级有灭弧室。34水塔水位系统的输入/输出设备及PLC外围接线图水塔水位控制系统是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，在这次的水塔水位控制系统中共有7个开关量，开关量输出触点有8个，输入、输出触点数共有15个，只需要选用一般中小型控制器即可。341PLC水塔水位控制系统I/O分配S7300的数字I/O模块包括数字输入模块SM321和数字输出模块SM322，可用于连接数字传感器和执行元件数字I/O，使PLC灵活地与任务相适应。模拟I/O模块包括S7300的模拟输入模块SM331和模拟输出模块SM332，通过这些模块可将模拟传感器和执行元件与S7300相连。此外，还有用于调试的SM374，它是16点数字量模块，通过旋动面板上的开关，可实现自由选择3种输入/输出点数输入16点，输出16点，输入/输出各8点。SIMATICS7300的数字输入/输出模块用于连接开关、2线接近开关、电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等，将控制过程的外部数字量电平转化为S7300的内部信号电平，并将S7300内部信号电平转化为控制过程所需的外部电平。模拟I/O模块具有以下优点1优化配合模块可任意组合以配合输入/输出点数量，没有必要增加投资。2强大的模拟技术不同的I/O范围和高分辨率允许与众多不同的模拟传感器和执行元件相连。信号模块结构紧凑，组装简单，接线方便。该类模块安装在DIN标准导轨上并通过总线连接器与相邻模块相连接。据此，可以对输入、输出点地址分配，我们只用到了7个输入开关和8个输出开关，因此选用较小的信号模块即可。在此我们选用DI8/DO8XDC24V/0，5A。水塔水位系统PLC的I/O分配表，如表32所示表32PLC的I/O分配表输入信号输入变量名输出信号输出变量名I00启动开关Q40水阀M1I01停止开关Q41水泵M2I02水池下限位Q42水池下限指示灯A1I03水池上限位Q43水池水位报警指示灯A2I04水塔下限位Q44水池上限指示灯A3I05水塔上限位Q45水塔下限指示灯A4I06热继电器开关Q46水塔水位报警指示灯A5Q47水塔上限指示灯A6342水塔水位控制系统的PLC外围接线图水塔水位控制系统的PLC外围接线图如图33所示图33水塔水位控制系统PLC外围接线图4水塔水位控制系统软件设计41STEP7编程软件简介可编程序控制器是按照用户的控制要求进行工作的。程序的编制就是用一定的编程语言对一个控制任务进行描述。可编程序控制器中的程序由操作系统和用户程序两部分组成。操作系统由可编程序控制器的生产厂家提供，它支持用户程序的运行用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。要开发应用程序，就要用到可编程序控制器的编程语言。STEP7是S7300/400的应用程序软件包。S7系列PLC的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能块图）、SCL（标准控制语言）、S7GRAPH（顺序控制）、CFC（连续功能图）等，用户可以选择一种编程语言、如果需要，也可以混合使用几种语言编程。STEP7是一种用于对西门子可编程逻辑控制器（PLC）进行组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组成部分，可使用梯形图、功能块图和语句表。STEP7软件的版本很多，常用的标准软件包有以下各种版本STEP7MICRO/DOS和STEP7MICRO/WIN，用于SIMATICS7200上的简化单机应用程序。STEP7BASIS，应用在SIMATICS7300/S7400、SIMATICM7300/400以及SIMATICC7上。STEP7PROFESSIONALEDITION，它是STEP7功能最强的编程软件，除具有STEP7BASIS的所有功能外，还集成了PLCSIM、SCL、GRAPH等扩展软件包。S7PLC包括一个供电单元、一个CPU，以及输入和输出模块。PLC通过S7程序监控机器在S7程序中通过地址寻址I/O模块。STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达方式，符合EN611313或IEC11313标准。STEP7标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段，如建立和管理项目、对硬件和通信作组态和参数赋值、管理符号、创建程序、下载程序到可编程控制器、测试自动化系统、诊断设备故障。411组态设计英语单词“CONFIGURING”（配置、设置）一般被翻译成“组态”。集成在STEP7的硬件组态工具HWCONFIG用于对自动化工程使用的硬件进行配置和参数设置。在PLC控制系统设计的初期，首先应根据系统的输入、输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定