水塔水位控制系统

1、明达职业技术学院毕业设计2012 2013 学年度机电工程系 机电一体化 专业班级 10 机 电 学号 62103117课题名称 基于 PLC 控制的水塔水位电气系统设计 学生姓名陆 鸿指导教师茅红霞20 年 月 日毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：1、本设计（论文）是在指导教师的指导下，查阅 相关文献，进行分析研究，独立撰写而成的。2、本设计（论文）中，所有实验、数据和有关材 料均是真实的。3、本设计（论文）中除引文和致谢的内容外，不 包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。4、本设计（论文）如有剽窃他人研究成果的情况， 一切后果自负。学生（签名）：20 年 月 日目录1第一章 可编程控

2、制器概述1.1 PLC的产生及发展历史 11.2 PLC的特点 4第二章 水塔水位电气系统的设计 52.1 水塔水位的检测意义及应用 52.2 水塔水位的控制要求 52.3 控制分析流程图 62.4 I/O 口分配表 72.5PLC 的外部接线图 82.6 设计说明及梯形图 10总结 11 参考文献 11致谢 12水塔水位电气系统的设计陆鸿【摘要】 随着科技的发展和现实暴露的一些以问便题能，更快捷更方便的完成一些任务，在工农业生产经过常程需中要，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。而水位检测可以有多种实现方法，如机械 控制、逻

3、辑电路控制、机电控制等。其中在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置可编程控制器。本设计采用以可编程 控制器为主控制机实现供水控制系统。该控制系统是在传统水塔供水的P基L础C、上变，频加器入等器件组成，通过控制电磁阀的关闭和对水 泵进行调速，来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，实现了对水塔水位的自动控。制，提高了供水质量【关键词】 水位控制 PLC 故障报警 水位保持第一章 可编程控制器的概述1.1PLC 的产生及发展可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、 储存器、输入 / 输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造

4、、冶 金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上 的飞速发展， 大大加强了可编程控制器通信能力， 丰富了可编程控制器编程软件 和编程技巧，增强了 PLC过程控制能力，因此，无论是单机还是多机控制、是流 水线控制还是过程控制， 都可以采用可编程控制器， 推广和普及可编程控制器的 实用技术，对提高我国工业自动化生产效率都有十分重要的意义。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

5、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 PLC。可编程控制器的产生和继电器一接触器控制系统有很大的关系。继电器一 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实用， 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改 变，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另作一个新控制柜使用，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

6、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，继电器一接触器控制 难以满足市场要求，刺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， 取代传统的继电器一接触器控制。 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. 可靠性高于继电气控制装置；4. 体积小于继电气控制装置；5. 数据可直接送入管理计算机；6. 成本可预计电气控制装置竞争；7. 输入可以是交流 115V；8. 输出为交流

7、 115V，2A 以上，能直接驱动电磁闸，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一接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并 且具有计算机功能灵活、通用性等有点，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为 IT 电器人员掌握的梯形图语 言

8、，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。 这样，工作人员不必在变成上花费 大量地精力，只需要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地地方运行、 所以，可编程控 制器广泛地应用于各工业领域。1969 年，第一台可编程控制器 PDP14 由美国数字设备公司（ DEC）制作成 功，并在 GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生， 在控制领域内产生了历史性革命。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

9、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 OMRO公N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，其发展过 程大致可分为三个阶段：早期的 PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的 PLC多少由电气控制装置 的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序

10、控制、定时等。 它在硬件上以计算机的形式出现， 在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现 场的要求。 装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路， 存储器采用磁 芯存储器。 另外还采取了一些措施， 以提高其抗干扰的能力。 在软件编程上采用 广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。 因此，早期的 PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小， 能耗低，其故障指示， 能重复使用等。 其中 PLC特有的编程语言梯形图一直沿 用至今。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

11、中央处理单元（ CPU）.这样，使 PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、 计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送。通讯、自诊断等 功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程 T/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量 增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC的应用范围得以扩大。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

12、用逻 辑处理芯片。这样使得 PLC软、硬功能发生了巨大变化。1.2PLC 的特点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*性更进一步提高。2、丰富的 I/

13、O 接口模块 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。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；控制阀等直接连接。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。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

14、的需要自行组合。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。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。第二章 水塔水位电气系统的设计2.1 水塔水位的检测意义及应用水位控制在日常生活及工业领域中

15、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。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。2.2 水塔水位的控制要求

16、设水塔、水池初始状态都为空着的当水池水位低于水池低水位界（ X4 为 ON 表示），阀 Y打开进水（ Y为ON）定时器开始定时， 4秒后，如果 X4还不为 OFF， 那么阀 Y指示灯闪烁，表示阀 Y没有进水，出现故障， X3为ON后，阀 Y关闭（Y 为OFF）。当 X4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时 X2为ON，电机 M运 转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机 M停止，此次给水塔供水完成。 水塔水位控制装置如图 2.1 所示：图 2.1 水塔水位控制装备图2.3 控制分析流程图水塔水位控制系统的 PLC控制流程图， 根据设计要求控制流程图如图 2.2 所 示：图 2.2 水塔水位

17、控制系统的 PLC控制流程图2.4I/O 口分配表表 2.1 水塔水位系统 PLC 的输入 / 输出接口分配表输入继电器输入元件输出继电器输出元件X0控制开关Y0电磁阀X1水塔上限液位开关Y1电机 MX2水塔下限液位开关Y2水池下限指示灯 a1X3水池下限液位开关Y3水池上限指示灯 a2X4水池上限液位开关Y4水塔下限指示灯 a3Y5水塔上限指示灯 a4Y6报警指示灯 a5液位传感器（静压液位计 /液位变送器 / 液位传感器 /水位传感器）是一种测 量液位的压力传感器 静压投入式液位变送器 （液位计） 是基于所测液体静压与 该液体的高度成比例的原理， 采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电

18、容 压力敏感传感器， 将静压转换为电信号， 再经过温度补偿和线性修正， 转化成标 准电信号（一般为 420mA/15VDC ）。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。2.5 PLC 的外部接线图及系统控制电路图这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有 5 个开关量，开

19、关量 输出触点书有 8 个，输入、输出触点数共有 13 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 2.3 所示：图 2.3 水塔水位外部接线图水塔水位系统控制电路如图 2.4 所示图 2.4 水塔水位系统控制电路图2.6 设计说明及梯形图设计说明：设水塔、水池初始状态都为空着的， 4 个液位指示灯全灭。当执 行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时， 水阀打开， 开始往水池里进 水；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，水池报警灯 a2 亮。若 4 秒之后水位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 a1 亮，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， 电机开始工作， 向水塔供水； 如果进水超过 4 秒，而水塔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， 水塔报警灯 a5 亮. 当水池的液位超 过水池上限液位时，水池上限指示灯 a2 亮，水阀就关闭。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位，则水塔下限指示灯 a3 亮，电机继 续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上 限指示灯 a4 亮。但刚刚给水