欧姆龙PLC：水塔水位的控制的设计

1、摘要摘要设计安装一台控制水塔的供电泵电动机的控制电路，使水塔水位保持在规定范围内。使其能自动控制在规定水位线内，并且可通过 PLC 进行自动控制。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求, 从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好,具有结构简单，使用寿命长，可靠性高，操作维修方便，经济实用的优点是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成 1-5 伏的电信号；电信号到达 PLC 将

2、控制控制水泵的开关。水箱水位自动控制系统由 PLC !核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路 PLC 控制启停及切换。水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位 S2 时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号，PLC 根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位S4 时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位 S2 时，液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 输出，PLC 在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位 S1

3、 时传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止水泵的工作。因此需要变频供水，恒压供水, 从而实现自动控制。目目 录录一一 概述概述.1二二 水塔供水自动控制系统方案设计水塔供水自动控制系统方案设计.2设计方案 .2三三 水塔水位自动控制系统设计水塔水位自动控制系统设计.21 水泵电动机控制电路的设计 .22 水位传感器的选择 .4四四 水位自动控制系统水位自动控制系统的的组成组成.61、系统构成及其控制要求 .62 系统框图 .7五五 PLCPLC 的设的设计计.81 可编程序控制器(PLC)简介 .82 PLC 工作原理.83 PLC 的编程语言-梯形图.94 SYSMAC-C 系

4、列 P 型机概述.115 水塔水位自动控制系统的软件设计 .12六六 结束语（系统总结束语（系统总结结分析）分析）.171 系统的优点.172 结束语.17参考文献参考文献.19致致 谢谢.20 水塔供水自动控制系统的设计水塔供水自动控制系统的设计 一一 概述概述水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位 S2 时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号，PLC 根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位S4 时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位 S2 时，液位传感器将水位

5、信号转化为电信号向 PLC 输出，PLC 在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位 S1 时传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止水泵的工作。二二 水塔供水自动控制系统方案设计水塔供水自动控制系统方案设计设计方案设计方案PLC 和传感器构成的水塔水位恒定的控制系统原理。在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号，PLC 根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC

6、输出，PLC 在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止水泵的工作。本文主要阐述利用 PLC 和传感器构成的水塔水位恒定的控制系统。三三 水塔水位自动控制系统设计水塔水位自动控制系统设计1 1 水泵电动机控制电路的设计水泵电动机控制电路的设计给排水工程中常使用三相异步电动机， 水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向 PLC 发出信息启动水泵，经过 5 分钟检测水塔水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向 PLC 发出信息控制信息停止水泵工作

7、。供水系统的基本原理如图 5.1 所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入 PLC，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。当 PLC 出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。手动控制采用交流接触器。（图 4-1 水泵电动机控制图）水泵启动工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器 KM1 时，在收到 PLC 的启动水泵指令后，电磁线圈 KM2 中有电流流过，电磁接触器 KM2运行。当电磁接触器 KM2 运行时，主电路的主触点 KM2 闭合，常闭触点KM2-b 打开，常开触点 KM2-m2 闭合，当主触点闭合时，电源电压施加到电动

8、机 M 上，开始运转。当常闭触点 KM2-b 打开时，绿灯 GN-L 中无电流流过，绿灯熄灭，当常开触点 KM2-m2 闭合时，红灯 RD-L 中有电流流过，红灯点亮。水泵停止工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器 KM1 时，在收到 PLC 的停止水泵指令后，电磁线圈 KM2 中无电流流过，电磁接触器 KM2恢复。当电磁接触器 KM2 恢复时，主电路的主触点 KM2 打开，常闭触点KM2-b 闭合，常开触点 KM2-m2 打开，当主触点 KM2 打开时，电源电压施不再施加到电动机 M 上，电动机 M 停止运转。当常闭触点 KM2-B 闭合时，绿灯 GN-L 中有电流流过，绿灯点亮，当常开

9、触点 KM2-m2 打开时，红灯 RD-L中无电流流过，红灯熄灭。KM1： 配线切断器是把开闭机构、后动装置等统一装到绝缘容器内的部件，它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的。经常应用于电源电路的开闭中，当发生过载、短路等情况时自动地切断电路。KM2： 所谓电磁接触器，就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的接触器，主要用于电源电路的开闭。电磁接触器有主触点和辅助触点构成的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成。FR: 热敏继电器 是由加热器部分和触点机构部分组成的。当够电流流过加热部分时，双金属片因为受热而发生弯曲，因此触点部分被打开而使电路得到保护。2 2 水位传感器的选择

10、水位传感器的选择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，NEMA 4/NEMA 7 防爆且防水的壳体中。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 121in(303.3cm)可安装在侧面、顶部或

11、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。当另一端街道有效信号时，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

12、115/230V AC，12V DC 或 24V DC 输入高增益。无需效准，工作温度可达 300 长度可达 151.5CM表 5.1 主要技术指标输入电压115/230V AC，50/60HZ 或 12/24V DCU9ULS10 系列增益300：1U9ULS100 系列增益1000：1U9ULS10 系列输出10 A DPDA 继电器灭火两线制，4mA-干；20 mA- 湿U9ULS100 系列输出10 A DPDT 继电器延时0.5s重复性2mm外壳NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。四四 水位自动控制系统的组成水位自动控制系统的组成1 1、系统构成及其控制要求、系统

13、构成及其控制要求 水塔水位自动控制系统水塔水位自动控制系统水塔水位的工作方式：S1: 水塔水位上限 当水塔水位达到此位置时液位传感器将向 PLC发出最高水位信号请求停止水泵工作S2: 水塔水位下限 当水塔水位达到此位置说液位传感器将向 PLC发出最低水位信号请求开启水泵工作S3: 水槽水位上限 当水塔水位达到此位置时液位传感器将向 PLC发出最高水位信号请求停止水泵工作S4: 水槽水位下限 当水塔水位达到此位置说液位传感器将向 PLC发出最低水位信号请求开启水泵工作M: 抽水泵 当水塔水位达到最低水位时 PLC 将开到抽水泵向水塔供水Y: 补水泵 当水槽水位达到最低水位时 PLC 将开到抽水泵

14、向水塔供水原理：在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号，PLC 根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 输出，PLC 在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向 PLC 发出信号停止水泵的工作。2 2 系统框图系统框图如下图整个系统由一个水位传感器，一台 PLC 和一台水泵以及若干部件组成。安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成 1-5 伏

15、的电信号；电信号到达 PLC 将控制控制水泵的开关。水箱水位自动控制系统由 PLC 核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路 PLC 控制启停及主备切换。 （图 5-2 系统组成框图）在水塔水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信号输入 PLC 中，在通过 PLC 控制水泵的启动或关闭。在系统运行中当水为低于最低值时 PLC 将启动水泵向水塔中加水，当水塔中的水达到最高值时PLC 使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次达到控制最低水位时 系统再次重复这个过程。水塔水位检测系统水塔水位的实际高度 PLC水泵五五 PLCPLC

16、的设计的设计1 1 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)简介简介可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC。所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。随着 PLC 的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、数字量的算术运算。2 2 PLCPLC 工作原理工作原理PLC 的工作方式:采用循环扫描方式.在 PLC 处于运行状态时,从内

17、部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.PLCPLC 的工作过程的工作过程：PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，.然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。因此，PLC 工作过程分为以下五步:(1)自诊断自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续

18、进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。(2)与外设通信自诊断正常后 PLC 即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中 PLC 将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。(3)输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点，读入各点的状

19、态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。(4)解算用户逻辑即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。在一个扫周期

20、内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。(5)输出结果将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。驱动用户输出设备即 PLC 的实际输出。在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描。如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现故障。3 3

21、PLCPLC 的编程语言的编程语言-梯形图梯形图梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是 PLC 中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的 PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。梯形图有如下特点。梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称为梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器

22、，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。 梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。梯形图是 PLC 形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。3.4 可编程序控制器 PLC 的优点能适应工业现场的恶劣环

23、境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过 20000 小时。编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。体积小，价格低。可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达 10000英尺，内存可以扩展。有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。系统化，有标准外围接口模块。系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。4 4 SYSMAC-CSYSMAC-C 系列系列 P P 型机概述型机概述 本原理图是采用 CP20 实现的，基于原

24、理图所用 I/O 接口点数较少，无需扩展单元，快速响应输入点与外部中断输入点公用，实现单循环控制，不需要有可选择输入时间常数的过滤器，配置简单，经济适用，可使用个人计算机进行辅助设计。 C20P 的通道分配：是指对 PLC 内的每个通道及每个继电器都分配给一个地址号，以便 CPU 能够识别。在 OMRON 公司 C 系列的 PLC 中，每个通道由16 位组成，或者说在一个通道中包含 16 个“继电器” 。 (1)输入/输出继电器通道（I/O）的分配 P 型机的输入/输出继电器通道（CH）分配是固定的，0004CH 是输入继电器通道，0509CH 是输出继电器通道，不同型号的 PLC 机的基本单

25、位和扩展单位所能使用的通道号是不同的。 每个输入/输出继电器的编号为四位十进制数，前两位表示通道号，后两位表示位号，即该通道中的某一位。 对 C20P 基本单元，输入继电器（输入点）为 12 个，占用的输入点是00CH 的 00000011；输出继电器（输出点）共 8 个，占用的输出点是 10CH 的10001007。 （2）内部辅助继电器（IR）通道的分配在 P 型机中共有 136 个内部辅助继电器，其通道号为 1018CH，占用的地址为10001807，注意，内部辅助继电器不能接负载。 (3)定时器和计数器通道（TIM/CNT）在 P 型机中的定时器（TIM）,高速定时器（TIMH） ，计

26、数器（CNT） ，可逆计数器（CNTR）,共计 48 个，编号为 0047，它们即可用于定时器，用可用于计数器，但如果已经用作定时器（如 TIM01） ，则这个编号就不能再用作计数器（如 CNT01） 。如果程序中使用高速计数器，则 TIM/CNT47 作为专用存放高速计数器当前值的计数器，不能再作它用。 当电源断电时，定时器被复位，而计数器不能被复位，其计数的当前值保持不变。5 5 水塔水位自动控制系统的软件设计水塔水位自动控制系统的软件设计确定 PLC 所需的各类继电器，对各元件编号，如下表所示。表 6.1 输入/输出端口地址分配输入输出定时器名称地址名称地址名称地址S11000M1003

27、4 秒延时TIM02S21001Y1002TIM00S31002产生 1 秒时钟TIM01S410035.15.1 PLCPLC 的外部输入输出电路的外部输入输出电路 （图 6-1PLC 的外部输入输出电路）S1: 水塔水位上限S2: 水塔水位下限S3: 水槽水位上限S4: 水槽水位下限M: 抽水泵Y: 补水泵高低高低开始水槽水位补水泵停止补水泵启动水塔水位水泵启动水泵停止结束（图 6-2 水塔水位系统流程图）（）输入 COM 端和电源连接输入端和水塔水位自动控制系统输入端连接（）输出 COM 端串联连接和电源连接（COMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOM电源）输出端（OUT 端

28、）和水塔水位自动控制系统试验模板输入端相连（OUT O1Y，OUT O2M， ）5.25.2 分配：分配：输入调试单元 PLC 内部 说明I000 00000 启动按钮I001 S1 00001 水塔水位上限I002 S2 00002 水塔水位下限I003 S3 00003 水槽水位上限I004 S4 00004 水槽水位下限输出调试单元 内部 说明001 010CH01 Y002 010CH02 M5.35.3 程序说明程序说明当启动按钮(IN I0)打开，若水槽水位低于水位下限时时，补水阀（Y）抽水。若水槽水位高于水位上限时，补水阀（Y）关闭，停止抽水。同时，当水塔水位低于水位下限时，并且

29、水槽水位高于水位下限时时,抽水泵(M) 抽水(即 M 灯亮)。当水塔水位高于水位上限时时，抽水泵(M)关闭，停止抽水。若水塔水位低于水位下限，水槽水位低于水槽水位下限时,抽水泵（M）不抽水。5 5、4 4 梯形图及语句表梯形图及语句表 （图 6-3 梯形图）.5.5.5.5 指令语句表指令语句表六六 结束语结束语1 系统的优点系统的优点水塔水位自动控制系统因采用 PLC 控制水泵电源开关，实现了即使安全的完成操作。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，各种模块上均有运行和故障指示装置。因实现水位自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力并是水塔的供水达

30、到及时、安全、准确。2 结束语结束语现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。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。 本课题研究的主要内容是“水塔水位自动控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，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，我所研究的就是这方面的课题。水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本设计采用传感器检测进行主控制，在水池上安装超声波传感器水位装置。把测量到的水位变化转换成相应的电信号。 随着科学技术技术的飞速发展，自动控制供水技术在小区已普遍使用。用 PLC 来实现自动供水，与其它供水方式相比较而言，其优点是非常明显的。节能效果十分显著，启动平稳，启动电流小，避免了电机启动时对电网的冲击，延长了