第10组-水塔水位控制系统

1、上海电机学院课 程 设 计20132014 学年第二学期课程名称 电气控制及PLC 设计题目 水塔水位控制系统的设计 院 (系) 电气学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 张亚强 学号 111001180232 设计时间 2014年2月 24日 指导教师 张 金 龙 提交日期 2014年3 月 5 日 目录1.简介-31.1课题概况-31.2设计要求-31.3设计内容-42.系统总体方案设计-42.1总体方案选择说明-42.2 控制方式选择-42.3 操作界面设计-43.PLC控制系统的硬件设计-63.1 PLC的选型-63.2用户存储器容量的估计-63.3I/O点数的估算-63.4电源

2、模块选择-73.5 I/O分配表-73.6电气原理图设计-83.7 电气元件型号规格的选定依据-83.8电气元器件布置图设计-83.9电气接线图设计-94PLC控制系统系统程序设计-94.1状态分配表-94.2水塔水位控制程序顺序功能图(或流程图)设计-94.3 控制程序设计思路-114.3.1 水塔水位控制系统梯形图 -115系统调试及结果分析-135.1 系统调试及解决的问题-135.1.1系统梯形图-135.2 结果分析-176系统的使用说明书-177课程设计体会-178参考文献-189附录-182附录A水塔水位控制系统顺序功能图(或流程图)-19附录B水塔水位控制系统电气原理图-20附

3、录C水塔水位控制系统电气元器件布置图-21附录D水塔水位控制系统电气接线图-221简介1.1课题概况现有一水塔水位控制系统，如图所示。的那个水池水位低于水池低水位界（S4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S4还不为OFF，那么指示灯1以2HZ闪烁，表示阀Y，没有进水，出现故障，S3为ON后，阀Y关闭。当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界是S2为ON，水泵电动机M运转抽水，出现故障，指示灯1以1HZ闪烁。当水塔水位高于水塔高水位界时水泵电动机M停止。利用PLC构成水塔水位自动控制系统，保证水池水塔不断水。1.2设计要求有三种不同的工作流程可供选择：定时流程

4、，实际水位控制流程，手动操作流程。具体要求在设计内容里。当水池液位低于下限液位开关S4，S4此时为ON，水阀Y打开（Y为ON），开始往水池里注水，定时器开始定时，4秒以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时（S4还不为OFF），则系统发出报警（阀Y指示灯闪烁），表示阀Y没有进水，出现故障；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S3为ON，阀Y关闭（Y为OFF）。当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔下限水位时（水塔下限水位开关S2为ON），电机M开始工作，向水塔供水，当S2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

5、位时（水塔上限水位开关S1为OFF），电机M停止。1.3设计内容 当按下启动按钮，进水阀工作，如果水池高水位界开关动作，立即关闭水阀。水泵电机M工作，如果水塔高水位界开关动作，立即停止水泵电机M；判断水池的水位是否低于低水位界？是立即打开进水阀，关闭电机M。当水池水位高于低水位才允许水泵电机M运行。判断水池的水位是否高于高水位界？是，立即关闭进水阀。判断水塔的水位是否低于低水位界？是，立即启动水泵。水泵一旦启动运行，只有当水塔的水位达到高水界才停止工作。2 系统总体方案设计2.1总体方案选择说明当按下启动按钮：1.进水阀工作，如果水池高水位界开关动作，立即关闭水阀。2.水泵电机M工作，如果水塔

6、高水位界开关动作，立即停止水泵电机M33.判断水池的水位是否低于低水位界？是立即打开进水阀，关闭电机M。当水池水位高于低水位才允许水泵电机M运行。4.判断水池的水位是否高于高水位界？是，立即关闭进水阀。5.判断水塔的水位是否低于低水位界？是，立即启动水泵。6.水泵一旦启动运行，只有当水塔的水位达到高水界才停止工作。2.2控制方式选择由于PLC控制系统较继电-接触器控制系统有许多优点，如硬件电路简单，修改程序容易，可靠性高等，所以本设计选择PLC控制系统。PLC的优点：1)可靠性高，抗干扰能力强2)配套齐全，功能完善，适用性强3)易学易用，深受工程技术人员欢迎4)系统的设计、建造工作量小，维护方

7、便，容易改造5)体积小，重量轻，能耗低2.3操作界面设计1. S1水塔水位上限开关的指示灯以及开关；2. S2水塔水位下限开关的指示灯以及开关；3. S3水池水位上限开关的指示灯以及开关；4. S4水池水位下限开关的指示灯以及开关；5. M是水泵电动机运转指示灯；6. Y是水池水阀开关的指示灯；7. 1L是电源正极；8. M是电源负极；水塔水位控制系统主电路如图2-2所示：图2-2 水塔水位控制系统主电路3. PLC控制系统的硬件设计3.1 PLC的选型 本次水塔水位控制系统设计用的是来自西门子公司的S7-300可编程控制器。S7-300PLC应用技术介绍了西门子S7300/400的硬件结构和

8、硬件组态的方法；指令系统、程序结构，以及编程软件和仿真软件的使用方法；一整套易学易用的开关量控制系统的编程方法，针对学习中的难点提供了大量的例程。本书还全面介绍了西门子的各种通信网络、通信协议和通信服务，通过例程介绍了多种网络的组态方法和多种通信方式的组态与编程方法，以及实现PID控制的方法。3.2 用户存储器容量的估计通常，一条逻辑指令占存储器一个字，计时、计数、移位以及算术运算、数据传送等指令占存储器两个字。在选择存储容量时，一般可按实际需要的25%30%考虑余量。根据存储器的总字节数再加上10%25%的备用量即可估算出所需存储容量。3.3 I/O点数的估算I/O是PLC的一项重要指标。合

9、理选择I/O点数的确定以系统实际的输入/输出数为基础确定。在确切I/O点数时，应留有适当余量。目前PLC的I/O点价格还较高，平均每点为100120人民币。如果备用的I/O点的数量太多，就会使成本增加。因此，通常在选择I/O点数时可按实际需要的10%15考虑余量。3.4 电源模块选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般步骤： 1）确定电源的输入电压。 2）将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值。 3）I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：框架中带有处理器时，

10、则加上处理器的最大电流值；当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上适配器模块或扩展本地I/O适配器模块的最大电流值。 4） 如果框架中流油 空槽用作将来扩展时，则做一下处理：列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤3）中计算得出的总背板电流值相加。 5） 在框架中是否有用于电源的空槽，若没有，将电源装到框架的外面。 6） 根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。3.5 I/O分配表表1 I/O分配表分类地址说明输入I0.0启动开关I0.1停止开关I0.2水塔水位上限位开关I0.3水塔水位下限

11、位开关I0.4水池水位上限位开关I0.5水池水位下限位开关中间继电器KM水泵电动机输出Q4.0水泵指示灯Q4.1水阀指示灯Q4.2水池下限指示灯Q4.3水池上限指示灯Q4.4水塔下限指示灯Q4.5水塔上限位指示灯Q4.6报警指示灯3.6电气原理图设计见附录B3.7 电气元件型号规格的选定依据3.7.1电器元件主要参数计算与选择（1）电动机所用接触器的选择接触器的基本选择原则：接触器的额定电流电动机的额定电流交流接触器一般按“AC-3类别”设计，如CJ20、CJX4类别的接触器，则应降级使用v中小型工厂90KW及以下的笼型电动机，基本是一般任务型，属于“AC-3工作类别”。本例电动机M1功率为4

12、KW，额定电流In=8.2A，故可选CJ20-10型交流接触器；为多留一点余量，实际CJ20-16，16A、380V，线圈额定电压选220V。（2）热继电器的选择热继电器的基本选择原则：热继电器座体的额定电流电动机的额定电流In；热元件的电流电动机的的电流In，动作整定值=（1.01.1）In，档电动机的启动电流不超过6倍且启动时间不超过5s是取1.0，其他情况可取1.1。（3）笼型电动机所用低压断路器的选择低压断路器又名自动开启开关，简称“空开”。笼型电动机所用空开的基本原则：空开的壳架额定电流空开的额定电流，空开的额定电流=（1.52）电动机的额定电流In；瞬间脱扣整流电流12×

13、电动机的额定电流In;热脱扣器（长延时）整流电流=（11.1）电动机的瞬时电流In；6倍长延时电流整定值的课返回时间电动机启动时间，按实际可选用返回时间1S、3S、5S、8S、15S中的某一档。本例电动机M1功率为功率4KW，额定电流In=8.2A，8.2A×2=16，故可选DJ20Y-100/3-20Y,20A（380A）、3极；瞬时脱扣整流脱扣整流电流12×20A，不带热脱扣器；热过载保护另由热继电器实现。3.8电气元器件布置图设计见附录C序号文字符号名称型号规格单位数量备注1M电动机Y112M-4380V,4KW,8.8A, SV0110-200,58VA台1Y接法6

14、端接头2PLC三菱PLCS7-300/台1/3KM通电接触器CJ20-16/03主触点16A380V/线圈AC220V台1（ac-3）10A4KW正泰电器4YV电磁阀2W-250-25/台1/5FR热继电器JR20-16/L座体16A 380V 热元件3.65.4A 三相带断相保护个1整定值4.7AL独立安装正泰电器虎牌集团6HL1，HL2，HL3，HL4，HL5指示灯AD16-16/g31/个5In=16mA上海二工7FU1、FU2负载保护RT18-32-2座体32A400v熔体2A个21#plc内含2A保险负载启动电流0.6A8QF空气开关DJ20Y-100/32002-20A壳架电流10

15、0A额定电流In=20A2-保护电动机用个1200-带瞬时脱扣器2-瞬脱扣整定12In正泰电器9SB1启动/停止按钮LA39-11/g/个11常开，1常闭上海二工10SQ1、SQ2SQ3、SQ4水位指示开关/个4/表1元件明细表3.9电气接线图设计见附录D4. PLC控制系统程序设计4.1 状态分配表 表2状态分配表工序名称状态器地址号功 能准备M0.1指示灯（Q0.7闪烁报警）准备M0.2指示灯（Q0.7闪烁报警）4.2 水塔水位控制程序顺序功能图(或流程图)设计见附录A 图2 水塔水位控制程序流程图4.3 控制程序设计思路梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的

16、触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。梯形图编程的一般规则有:（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。（2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但

17、为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。（5）继电器线圈在一个程序中不能

18、重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一

19、条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。根据控制要求，设计的梯形图程序如图4-3所示。4.3.1 水塔水位控制系统梯形图（1）初始程序（2）计时程序（3） 控制水池低水位界指示灯显示程序（4）控制指示灯闪烁程序（5）控制水池高水位界指示灯程序（6）控制水泵程序（7）控制水塔低水位界指示灯的程序（8）控制水塔高水位界指示灯的程序图4-3 水塔水位控制系统梯形图5 系统调试及结果分析5.1 系统调试及解决的问题l)由于时间关系，供水监控系统的设计不

20、够完善，例如没有具体写出上位机监控软件程序以及对具体的监控界面的设计和数据处理。 2)现有设计研究实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水位、PID算法、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力。 以上这部分工作有待在以后的学习与工作中进一步完成。5.1.1系统梯形图5.2 结果分析设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。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

21、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。6系统的使用说明书

22、（1）按一下启动开关，并且设置水池水位满足下限位，程序会使电磁阀打开进水。（2）4秒后，按下水池上限位开关使水池下限位开关为开关复位，程序会使电磁阀关闭停止进水。（3）若4秒后，无操作，则程序会使报警指示灯以2HZ闪烁。（4）在第2步的基础上（否则继续报警），按下水塔下限位开关，程序会使水泵电动机开始抽水进入水塔。（5）5秒后，按下水塔上限位开关使水塔下限位开关为开关复位，程序会使水泵电动机停止抽水。（6）若5秒后，无操作，则程序会使报警指示灯以1HZ闪烁。（7）利用PLC构成水塔水位自动控制系统，保证水池水塔不断水。7课程设计体会通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。 在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，