高森043130104(PLC)论文

1、中国地质大学长城学院电气控制与PLC课程设计中国地质大学长城学院 本 科 课 程 设 计 题 目:基于PLC水塔水位控制系统设计 系 别信息工程系学生姓名高森专 业电气工程及其自动化学 号043130104指导教师蒋义然职 称讲师2016年 06 月 10 日摘 要目前，在国内的供水系统中，包括水厂、高层建筑生活小区的供水系统中，仍然采用比较传统的供水方式，给值班员带来了不宜调节准确率较低等这些问题。传统供水方式存在许多缺陷，特别是多台多台水泵供水系统尤为严重。本文通过对PLC液位控制的设计思想和水塔自动供水系统，有效的解决了传统供水系统维护费用大，工作量大，寿命短，能耗大等诸多问题，PLC控

2、制系统具有自动化程度高，节能，安全等特点。关键词: 水塔水位； PLC； 液位控制。AbstractAt present,In the domestic water supply system,Including waterworks water supply system of high-rise residential district,Still adopts the traditional way of water supply,Brought unfavorable to attendant regulating accuracy lower these problems. Ther

3、e are many defects. Traditional ways of water supply,Especially many sets of more than one pump is particularly acute in the water system.Level control based on PLC of design idea and the water tower automatic water supply system.PLC control system has a high degree of automation, energy saving, saf

4、ety, etcKey Words:water level of water tower; PLC ; liquidlevelcontrol.目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 水塔水位系统研究的现状11.3 节课题研究的主要内容12 水塔水位控制系统PLC硬件设计32.1 水塔水位控制系统设计要求32.2 水塔水位控制系统主电路32.3 I/O接口分配42.3.1 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表42.3.2 水塔水位控制系统的I/O设备43 水塔水位控制系统PLC软件设计63.1 水塔水位系统程序流程图63.2 梯形图程序设计及工作过程分析73.2.1 工作过

5、程73.2.2 水塔水位控制系统梯形图84 组态的简介104.1 组态的定义104.2 组态的特点104.2.1 组态软件的特点104.2.2 组态软件的功能114.3 水箱液位控制系统监控界面114.3.1 组态画面监控运行演示115 总结14致谢15参考文献161 绪 论1.1 课题研究的背景和意义在工业生产中，电压、电流、温度、压力、流量，水位和开关量等都是我们常用的主要被控参数。其中，水位控制已经变得越来越重要了。在现代社会，经济飞速发展，水在人们正常生活和正常生产中起着及其重要的作用。我们设想一下，一旦没有了水，会给人们的生活带来极大的不变，圣旨可能造成严重的生产事故及损失。因此，给

6、排水工程成为了高层建筑和工矿业企业中重要的基础设施之一。任何时候都能提供平稳的水压、足够的水量、合格的水质是给给水系统提出的最基本的要求。就目前而言，多数企业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本的储水设备，有一二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方法存在控制能耗大、精度低、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需求发展起来的，是专门为工业环境条件设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制方式已经被PLC控制缩取代。 在工业农业生产一级日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。例如自动控制水池、水槽、水塔、锅炉、等容器中的蓄水量，生活中抽

7、水马桶的自动电热水器、自动补水控制、饮水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制系统的基本技术要求都是不同的，精度要求也是不同的，但是其原理都大同小异。特别在实际操作系统中，可靠、安全、稳定是控制系统的基本要求。因此如何设计一个可靠的、安全的、精度高的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能很好的解决以上这些问题，使水位控制在要求的位置。1.2 水塔水位系统研究的现状近年来，随着工业的快速发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用的研究。水塔水位的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。 目前，水位测量技术已经广泛的运用在日常检测部门和工业部门和中。例如，水位测量技术在石油、化工

8、、气象等部门的应用。对测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在特别复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或者真空；有的需要防腐蚀性，防辐射；有的从安装上提出苛刻的限制要求；有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大的提高了对水塔水位的要求。1.3 课题研究的主要内容本系统是有PLC、PC机和组态王软件构成。通过自由协议实现了PC机与S7-200PLC的串行通信。把组态王软件安装在PC机上建立水塔水位控制模型编程控制程序、建立动态连接。就可以实现水塔水位控制系统在组态王软件中实现，其系统主要实现功能为：（1）实现水塔水位的恒定控制 ；（2）利用组态王实现对系统的监控作用；实时报警（3

9、）实现组态软件与PLC之间的通讯连接。2 水塔水位控制系统PLC硬件设计2.1 水塔水位控制系统设计要求水塔水位控制装置如图2-1所示： 图2-1 水塔水位控制装置图水塔水位的工作方式1）保持水池的水位在S3S4之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S3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S3为OFF，表示水位高于下限水位。当页面高于上限水位S4时，则S4为ON，电磁阀关闭。2）保持水塔的水位在S1S2之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S2时，则水塔下限液位开关S2为ON，则驱动电

10、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位开关S1时，则S1为ON，电机M停止抽水。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。2.2 水塔水位控制系统主电路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图2.3 I/O接口分配2.3.1 列出水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表。水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表输入继电器输入变量名输出继电器输出变量名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

11、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a52.3.2 水塔水位控制系统的I/O设备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，开关量输出触点数有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。3 水塔水位控制系统PLC软件设计3.1 程序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3-1所示： 图3-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图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条用户程序开始，在无中断或跳

12、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3-2所示。3.2 梯形图程序设计及工作过程分析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

13、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

14、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

15、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。3.2.1 工作过程设水塔、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A1亮，此时，水池的液位已经超

16、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；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A3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水位，则水塔下限指示灯A4亮，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A6亮。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A3灭。此次给水塔供水完成。3.2.2 水塔水位控制系统梯形图水塔水位控

17、制系统梯形图，如图3-2所示：图3-11 水塔水位上限指示程序梯形图4 组态的简介4.1组态定义组态可以理解为工业控制中的图形界面操作系统，一方面连接现场设备，将采集的现场数据存储，另一方面通过动画、曲线等方式将现场数据以动态体现在图形界面，操作图形界面即可控制现场设备。换句话说，组态软件可以理解为在现场设备和操作人员中间增加了一个层，使操作更方便，具有一定的自动控制功能。组态软件本身不是监控系统，它是用来设计实施监控系统的软件，只是将监控系统中通用的内容封装起来，以各种直观的方式提供给用户使用，用户通过使用组态软件可以轻松的实现各种监控系统。从这个意义上讲，组态软件本身是一个半成品，但是将最

18、复杂的底层操作封装起来，使用户能在此基础之上，进一步组织，进而实现实际的监控系统。4.2组态的特点4.2.1组态软件的特点组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为"组态式监控软件"。 "组态(Configure)"的含义是"配置"、"设定"、"设置"等意思，是指用户通过类似"搭积木"的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的"组态"。它有时候也称为"二次开发"，组态软件

19、就称为"二次开发平台"。 "监控（Supervisory Control）"，即"监视和控制"，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能

20、的、通用层次的软件工具。组态（Configuration）为模块化任意组合。组态软件主要特点：（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；        （2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层

21、设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。4.2.2组态软件的功能组态软件主要用于显示静态图像，位图构建不仅可以显示标准的Windows位图文件，还增加了允许装载其他各种格式图片的功能。组态软件有强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，是用户能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。用户可以通过搭建组态软件来和现场情况实现对接，从而通过计算机了解现场的一切情况，也可以通过组态软件来模拟理想

22、的现场状况，用户可以通过组态软件实现很多不能模拟的变量4.3水箱液位控制系统监控界面图4.1 水箱液位控制系统监控界面4.3.1组态画面监控运行演示 连接PLC与PC，将PLC程序下载到三菱FX2N-48MR-001型号中，打开组态王软件，设备配置设置好后，就可以进入演示状态了。按下组态中的开始/停止按钮或是按下PLC外围连接X0端口的SB1按钮，组态以及PLC都进入运行状态。运行过程中有如下几种情况：（1）水箱水位低于10L（水位下限）时图4.2水箱水位低于10L情况图如图4.2所示，在水箱水位低于10L的情况下，水位下限报警灯显示红色报警，这时水泵开启工作，阀门关闭，防止水箱液位过低。在硬

23、件PLC中，也能看到，Y2（模拟水泵电动机运行动作）输出端口指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。(2) 水箱水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况时图4.3 水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况图如图4.3所示，当水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况下，水位下限和水位上限指示均显示绿色（表示水位在安全范围），且水泵工作，阀门打开，在水位上升的过程中一直都是进水量大于出水量，从而保持水位的上升。与此同时，在硬件PLC上，可以看到X2（模拟水位下限传感器）指示灯亮，Y1（低水位指示灯）指示灯量，Y2（模拟水泵电动机运作）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。(3

24、) 水箱水位高于90L（水位上限）时图4.4 水箱水位高于90L时的情况图如图4.4所示，水箱水位高于90L（水位上限）的情况下，水位上限报警灯显示红灯（表示水箱液位高于水位的上限），水泵电动机也停止工作。此时，在硬件PLC中，也能看到，X3（水位上限传感器）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。(4) 水箱水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况时图4.5 水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况图如图4.5所示，水箱水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况下，水泵停止工作，阀门打开，水位下限和水位上限指示灯均显示绿色，在此过程中，只有出水量，所以水箱水位会逐渐降低。此时，在硬件PLC中，可以看到可以看到X2（模拟水位下限传感器）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮5 总结我组成员做的这个题目是有关PLC与组态软件相结合的，这次课程设计给予我们理论与实践相结合的机会，提高了我们实际操作和独立解决问题的能力。通过这次设计实践。让我们更熟练的掌握PLC的编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的专业基础。在对组态软件的学习当中，体会到了细节决定一切的道理，刚开始做组态的时候，由于我对一些细