家用自动供水系统水位自动控制讲解

1、2013 届毕业生毕业设计说明书题 目 :家用自动供水系统水位自动控制学院名称： 系 别：河南工业职业技术学院电气工程系班 级：电气 1001 班学生姓名：孙小欢学 号：0401100144指导教师：张季萌2013 年 05 月 2 日目次1 概述 11.1 课题研究的背景 11.2 课题的任务与要求 12 课题方案论证 22.1 控制系统的比较 22.2 系统的硬件组成 22.3 系统的技术路线 33 系统硬件电路的设计 43.1 继电器模块的选择 43.2传感器模块的选择 43.3 电机模块的设计 63.4 PLC模块的设计 84 软件方面的设计 104.1 系统电机运行流程图 104.2

2、 PLC程序流程图 115 系统调试 13结 论 14致 谢 15参 考 文 献 16附录 A 系统总原理图 17附录 B 系统梯形图 181 概述1.1 课题研究的背景 随着人们生活水平的逐步提高，人们对生活质量的要求也不断的提高，相应的 对家用自动供水系统的要求也不断的提高，新一代的家用自动供水系统也就应运而 生。老一代的自动供水系统暴露出许多的缺点，如控制精度的不达标、控制效果的 不灵敏、等都会导致水资源的浪费，可见在整个水位调节的过程中，控制系统具有 举足轻重的作用。水位的稳定主要是有控制系统的稳定性来保证，所以保证系统的 稳定性，设计出一款新型的自动供水系统是新时代的趋势所在。1.2

3、 课题的任务与要求 本课程设计的题目是家用自动供水系统水位自动控制系统的设计，主要实现的 任务是保证系统实现实现水位的精密控制，以及实现水位过低过高、电流过低过高 的系统停机。本课题的内容主要从硬件与软件方面来设计水位的控制系统，硬件方 面要选好硬件部分的元器件，设计好系统的主控电路与辅助控制电路，设计好 PLC 的 I/O 地址分配表和 I/O 接口电路，从而能够达到实现系统功能的目的，而对于软 件方面则主要从电机的运行流程图， PLC 的内部流程图。总体来说，设计的内容能 够达到课程设计的目的，实现家用自动供水系统水位的控制系统的设计。2 课题方案论证对于系统的总体方案设计，本节主要从控制

4、系统的比较，系统的硬件组成以及 该系统的技术路线三个方面来阐述，更为形象的说明了该控制系统的总体样式。2.1 控制系统的比较 根据现如今的水位控制系统工艺并且考虑到实用、安全、价格等多种因素，本 控制系统的核心控制器主要从 PLC 与单片机两者来选择， 下面简单介绍一下两者的 特点。PLC控制系统的特点：（1）PLC 的编程比较的容易，它拥有好几种编程语言， 像顺序功能图，梯形图，指令表，逻辑功能图，特别是梯形图，比较的容易标称， 对于一般的操作人员来说都能够进行编程。 （2）具有较高的可靠性， PLC 作为一种 通用的工业主控制器，它能够适应各种恶劣的工作环境与工作状态，且容易检修， 对工业

5、生产的出错率较低。 （ 3）PLC 使用起来方面而且灵活，在现实生活中比较的 容易控制与操作，工业生产中实际的控制需要的控制的开关量比较的多， PLC 实现 起来更加的容易。单片机控制系统的特点： （1）单片机的编程实现起来比较的困难，单片机主要 使用会变或者 C 语言来实现，这两种编程语言应用起来比较的困难。 （ 2）单片机不 能工作在恶劣的环境中，对环境的要求比较高。 （ 3）单片机的功能比较的单一，不 过它的处理速度很快。通过比较，笔者认为在现如今需要多点开关量控制的工作环境下正常工作的条 件下，选择 PLC 比较的适合。2.2 系统的硬件组成该家用自动供水系统水位的控制系统的硬件电路结

6、构单元主要有以下几部分。（1）传感器：分别用来检测水箱的液位、电机的电压、电机的电流、电机的转速。（2）PLC 控制器：用来接收外部开关量控制信号和传感器模拟量控制信号， 进行逻 辑运算、计数等处理后，以开关量输出，控制电机启动，调速和停止。 （ 3）交流电 机：用来控制水泵的进水量。 （4）变频器：用来改变喂料电机的转速。 （5）继电器： 用来实现对电磁阀的控制。 （ 6）其它：开关按钮、灯泡若干，开关用来控制整个系 统的工作，灯泡用来显示整个系统的工作状况。系统硬件框图如下图2-1 所示。图 2-1 系统的硬件组成2.3 系统的技术路线对于自动供水系统水位的控制系统，我们不能只从系统的组成

7、上来说明该控制 系统实现的功能，还要从其技术路线上来说明一下。下面我们来简单的描述一下其 工作情况。（1）对于水泵电机的启动与停止，可直接利用 PLC 的开关量去控制，其中要 用到开关与继电器， 很容易实现， 直接利用开关按钮来实现磨辊电机的启动与停止。（2）对于水泵电机的速度测量和控制可以利用 PLC 的扩展模块 A/D 与 D/A 模 块来控制。首先，通过液位传感器检测水位的高低， 给出的模拟量送入 PLC 的内部， PLC 经过处理送出模拟量的信号控制变频器，通过改变变频器的输入值来控制水泵 电机的转动动速度。当液位位于设定值以内时，正常的保证变频器的输出，当液位 较高时使变频器的输出变

8、小，使电机的转速变慢，而当液位较低时使变频器的输出 变大，使电机的转速变快。当液位高于设定最高值或低于设定最低值时，可以直接 控制继电器使其线圈通或断电，进而能够控制电磁阀的通断，使电机停转，系统停 止。其中利用到了 PID 控制策略，能够达到系统所要求到的精度，其控制框图 2-2 所示。液液液 液液图 2-2 液位的 PID 控制框图3 系统硬件电路的设计本节主要从继电器模块、传感器模块、电机模块以及 PLC 模块等四个方面来阐 述，更为形象的说明了该控制系统方案的框架结构。3.1 继电器模块的选择欧姆龙 G6DF4B 型固态继电器具有以下的特点：（1）该继电器的内部触点间电弧处理的比较好，

9、保证了元件的稳定性。（ 2）该继电器的内部机械的噪声低，没有机械磨损，具有比较好的可靠性能。（3）该继电器的具有很好的控制精度，较高的灵敏度。（4）该继电器的常开常闭开关的反应速度很快。（ 5）该继电器的开与关是用半导体器件来做的，所以能够拥有很长的使用 寿命。（6）该继电器具有很好的工艺水平，防震的性能好。（7）该继电器是用绝缘材料做成的整体，具有很好的防电性能。欧姆龙 G6DF4B 型固态继电器的具体参数如表 3-1 所示。表 3-1 欧姆龙 G6D F4B 型固态继电器的具体参数品牌名称OMRON所属的范围固态继电器产品系列G6D F4B触点工作形式常开型额定电压DC12 V电流的性质直

10、流外形尺寸微型触点负载中功率防护的特征敞开形式直流电阻2 吸合电流值1 A触点切换电压2 V释放电流值1 A触点间的切换电流1 A3.2 传感器模块的选择3.2.1 液位传感器的选择本设计选用的是 W2000 超声波液位传感器，该传感器的的特点如下：（1）该传感器主要是用作液位的检测，可以达到很高的精度。（2）该传感器可以承受较为恶劣的工作环境。（3）该传感器具有很好的性价比。雷达式 VEGAPULS 67 型线位移传感器的优势所在： （1）该传感器具有自动功率调整、增益控制、温度补偿的功能（2）该传感器采用先进的检测技术和计算机技术。（3）该传感器具有回波抑制的功能。（4）传感器能够保证测量

11、结果的真实与准确。W2000超声波液位传感器的具体参数如表 3-2 所示。表 3-2 W2000 超声波液位传感器的具体参数测量范围15 米输出4-20mA电源DC 24V测量精度 15 mm工作温度-20 -60防护等级IP63.2.2 电压传感器对于电压传感器选择 HV-C04 型霍尔电压传感器，该传感器具有很好的工作稳 定性，具有很好的控制精度，体积小，重量轻，对于环境的要求低。其基本的参数 情况如表 3-3 所示。表 3-3 HV-C04 型霍尔电压传感器的基本参数额定电流15mA额定电压400V输出电流20mA精度0.5%线性度误差0.1%反应时间30s工作温度-25 +70工作耐压

12、2.5KV供电电源DC12V15V原边电阻250副边电阻120重量30g3.2.3 电流传感器对于电压传感器选择 HZIA-C06 型霍尔电流传感器，该传感器具有很好的工作 稳定型，具有很好的线性性能，体积小，较轻的重量，适应于各种工作场合。其基 本的参数如表 3-4 所示。表 3-4 HZIA-C06 型电流传感器的基本参数额定测量电流50A过载能力1000A额定输出电压4V精度1%线性度误差0.5%响应时间10s工作温度-20 +70工作耐压5KV供电电源DC12V15V耗电20mA负载电阻5000重量20g3.2.4 速度传感器对于速度传感器选择 HN60 型霍尔转速传感器，该传感器具有

13、较高的稳定性能， 适应于很多的工作场合，结构比较的简单，重量轻，体积小。其基本的参数如表 3-5 所示。表 3-5 HN60 型霍尔电流传感器的基本参数输出的波形方波工作电压DC 24V触发形式钢铁齿轮测量精度 1 个脉冲检测距离0.5 4mm响应时间10s工作温度-25 +80输出电压0.7V3.3 电机模块的设计3.3.1 电机模块的选择对于水泵电机可利用基本的三相异步电机，三相异步电机具有价格便宜、运行 性能较好、结构简单、制造方便等基本的特点。水泵电机基本的参数为：电机型号为 Y-112M-4 ，额定电压为 380V，电机的额 定功率为 11KW，额定频率为 50 Hz，额定电压为 1

14、5A，额定转速为 1450r/min，绝 缘等级为 B 级绝缘，定子绕组的接线方式为接法。3.3.2 变频器的选择德瑞斯 drs3000-v变频器是具有高度的整体模块化， 较高的控制度， 而且具有矢 量控制的变频器，具有以下的特点：（1）能够使电机控制系统中电机保持平稳的停机，如果点击停机按钮， 则该变 频器可以提供反电动势，从而使其平稳地达到停机的目的。（2）该电机的矢量控制具有较好的精度， 如果输入该电机的参数，则可以达到 更好的控制效果。（3）具有很好的调速范围和电机在低速运行时的高力矩性能。4）如果系统运行在矢量控制模式，系统可以达到很好的保护能力3.3.3 系统电机控制接线图对于水泵

15、电机，需要有启动和停止两种状态，其调速由变频器通过模拟量的输入来改变，所以对于启动与停止状态的控制可以直接利用 PLC内部的编程和外部的 接线直接完成，采用星三角启动方式，比较简单，控制可靠，需要注意的是电气 控制接线图，如图 3-1 所示, 首先三相电接入隔离开关 QS1，然后接入熔断器 FU1， 再接入继电器 KM1的常开触头，接着接入热继电器 FR1，接着接入变频器 Drs3000， 最后接入三相电机。其控制部分为，首先接入热继电器 FR1的常闭触点，在接入急 停开关按钮 SB1，接着是启动开关按钮 SB2，在启动按钮处并联继电器 KM1的常开触FR1SB1RSTDRS3000 液液U液

16、VWSB2 KT1 KM2KM2KM1 KM2KM2 KT1KT1KT1 KM1 KM2点实现自锁，最后连接继电器的线圈L1L2L3QS1FU1KM1FR1图 3-1 水泵电机电气控制原理图3.4 PLC 模块的设计3.4.1 PLC 的选择本次设计采用三菱 FX2N 32MR 系列 PLC，它能够满足系统所需要的开关量的个数，能够满足系统所需要的模拟量输入输出的特点，能够达到系统所要实现的功 能。PLC 的主要性能指标如表 3-6所示。表 3-6 PLC 的性能指标存储容量PLC 内部存储器的存储容量值I/O 点数PLC 外部输出端子和输入端子的数目指令系统PLC 内部的各种控制指令扫描速度

17、PLC 执行一条指令所耗得时间功能扩展能力PLC 的扩展模块， 如本课程设计中采用的的 FX2N4DA 模块和 FX2N4AD 模块3.4.2 PLC 的 I/O 地址分配表PLC的 I/O 地址分配表如表 3-7所示，系统主要通过开关量来实现对水泵电机 的控制，实现数据的显示，从而达到控制系统的基本要求。而对于控制系统中的模 拟量部分， I/O 分配表中将不再表示出来，主要在 PLC 的外部接线图中体现出来。表 3-7 I/O 地址分配表I/O 地址信号名称功能说明X000水泵电机停止按钮 SB1使水泵电机停止X001水泵电机启动按钮 SB2使水泵电机启动Y000水泵电机控制继电器 KM1控

18、制水泵电机的启动和停止Y001水泵电机控制继电器 KM2控制水泵电机的启动和停止Y002绿灯液位正常Y003红灯液位超限0# CH1液位传感器输入端检测料位0# CH1电流传感器输入端检测水泵电机电流0# CH2电压传感器输入端检测水泵电机电压是否正常0# CH3速度传感器输入端检测水泵电机转速1# CH1电压输出端控制水泵电机的转速83.4.3 PLC 的 I/O 接线图对于 PLC 的I/O 接线图，我们可以从水泵电机分别去考虑，下面我们来分析 下喂料电机相应的 PLC 的外部接线图。如图 3-2 所示，水泵电机的控制比较复杂， 不仅需要实现水泵电机的启动与停止，还需要实现对液位的检测，然

19、后实现对电机 速度的控制，实现起来较为复杂。 SB1为系统急停按钮， SB4为启动按钮， SB5为 停止按钮，通过 SB4与 SB5来控制水泵电机的启动与停止。对于 FX 2N的外部加入 了其扩展模块 FX2N4AD 和 FX2N4DA，FX2N4AD 模块主要实现对液位的检测， 然后通过 FX2N4AD 输入到 PLC中进行计算，再通过 FX2N4DA 输出到变频器中， 通过输入到变频器的电压或者电流来实现对电机转速的改变L1 L2 L3图 3-2 水泵电机控制部分 PLC 的外部接线图4 软件方面的设计对于系统的软件方面的设计，本节主要从系统电机运行流程图、 PLC 程序流程 图两个个方面

20、来阐述，更为形象的说明了该控制系统软件的框架结构。4.1 系统电机运行流程图 通过对系统的介绍，我们可以很容易的理解整个系统的进程，对整个系统有个 更为清晰的认识和理解。系统刚开始先由传感器测量值与设定值比较，若高于设定 值则调节输出信号使水泵电机转速降低， 否则是水泵电机转速升高， 满足要求即可， 以实现自动控制为目的。系统电机的运行状况，如图 4-1 所示。10图 4-1 系统电机运行流程图4.2 PLC 程序流程图如图 4-3所示流程图为 PLC 程序流程图，主要是为了说明 PLC内部的程序工作 的流程。首先 PLC 内部的程序要进行初始化，然后进行启动模块的实现，接着检测 液位是否满足

21、要求，进而进行液位位调节子程序，若满足则需要检测是否有停机信 号与液位超限信号，若有停机信号则停机，若有超限信号则发出报警信号且停机。11液位是否满足要求？N液位调节子程序是否有停机信号？YN液位是否超限？YY停机报警图 4-3 PLC 程序流程图12开始初始化启动模块5 系统调试系统经过调试之后能够实现对水泵电机的启动与停止，能够保证系统的电压和 电流的不稳定等情况下的停机，能够保证水泵入水量部分控制精度的达标、控制效 果的灵敏、均匀，从而可以得到较为稳定的液位控制环境，对于系统可能出现的故 障，系统有专门的正常灯与超限警报来提示，所以说该系统能够达到题目所要达到 的要求，能够实现该题目所要

22、实现的功能，能够保证系统所要达到的控制精度，很 好的达到了题目的要求，很好的做到了该控制系统的控制任务，推动了家用液位控 制系统的的更好的发展。13结论随着家用家用自动供水产业的发展 , 可以肯定的是，液位控制系统在家用自动供 水控制系统中发挥着越来越大的作用。所设计的家用自动供水系统控制系统除满足 了传统供水系统所有功能要求外 , 还增加了液位的 PID 控制和报警功能。本课题是家用自动供水系统领域中的水位自动控制系统设计，文章首先表明当 前家用自动供水控制系统正沿着模块化、智能化、人性化的方向发展，目前液位控 制系统是家用自动供水系统的主要研究方向。其后详细地研究分析了系统的总体控 制框图

23、，这对于如何更好的达到系统所要达到的要求是必需的。在上述基础上，本 人采用了三菱公司的 FX2N-32MR PLC 作为该控制系统的主控器，然后详细的给出了 各个功能模块的原理图的和 PLC 的外部接线图。但是，由于本人水平有限，本次软 件设计没能够对供水系统进行更为详细的设计，只做出了流程图，同样系统存在着 许多的不足，系统不能够实现远程控制，没有考虑到外部因素对传感器信息采集信 号的干扰等，不过这些都是激发我进一步学习的动力。作为一种十分人性化的安全的控制系统设计设计，家用自动供水系统已经在国 外流行开来，当前磨粉机控制系统系统正沿着模块化、智能化、人性化的方向发展， 在不久的将来，液位控

24、制系统必会走进每一部自动供水系统，并扮演着越来越非常 重要的角色。14致谢时光飞逝，转眼间半个学期的毕业设计即将结束，在这半个学期中，自己感觉 到去尝试一种新事物的困难与考验， 其实毕业设计本来就是锻炼人的意志力的东西， 所以对我们这些学死知识的大学生来说意义很大。 同时，三年的大学生活即将结束， 谨在此向所有曾经关心、指导和帮助过我的亲人、师长和朋友表示衷心的感谢 ! 这 次毕业设计是在张季萌老师的帮助与指导下完成，在此以崇高的敬意来感谢张季萌 老师给与自己的教导与帮助。老师曾教会我们要想学好东西就必须深入的去探究， 而不是盲目的去参考别人的东西， 回想起张季萌对待教学的态度和为人处事的方法， 自己受到很大的鼓舞，对于困难，他总是勇于去探究，勇于去摸索，勇于发现问题， 勇于解决问题，为人处事从不失老师的本色，处处兢兢业业。许多东西都给我留下 了深刻的印象，又成为我的另一个榜样。在课题创作过程中，也得到了学院老师的 悉心指导与帮助，在此表示诚挚的敬意。同时也感谢那些我们共同努力、共同奋斗 的同学在毕业设计与生活中给予的帮助与支持，使我认识到大学三年的美好，同时 也给自己留下了太多太多的回忆。特别的，衷心的感谢父母对我的支持、理解和鼓励，使我能够顺利完成三年的学习生活。最后，再次对所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友表示深深的谢意。15参考文献1 马帅旗，鲍存会，刘沛锅炉液位控