水箱水位的DCS控制的设计

毕业论文

题目：水箱水位的DCS控制日勺设计

系部电气工程系

专业名称机电设备维修与管理

班级________机修09_________

姓名______

学号___________

指导教师

摘要

设计和实现了一种采用可编程序控制器为主控制机的供水控制系统。该控制系统是

在老式水箱供水日勺基础上，加入了DCS、变频器等器件构成，可以实现水箱水位

的供水。详细论述了系统硬件构造、操作流程和控制措施，以及各器件之间的协

调控制措施，实现了充水箱水位日勺自动控制，提高了供水质量。

关键词：DCS(ProgrammableLogicController)

目录

一概述............1

二水箱供水自动控制系统方案设计.....................................2

设计方案............................................................2

三水箱水位自动控制系统设计........................

1水泵电动机控制电路的设计.........................

2水位传感器的选择.................................

四水箱水位自动控制系统的构成.......................

1、系统构成及其控制规定...........................

2系统框图.........................................

五DCS的设计.......................................

1可编程序控制器(DCS)简介..........................

2DCS工作原理.....................................

3DCS的编程语言一梯形图...........................

4SYSMAC-C系列P型机概述........................

5水箱水位自动控制系统的软件设计...................

六结束语(系统总结分析)...........................

1系统的长处.......................................

2结束语...........................................

参照文献.............................................

致谢...............................................

水箱水位的DCS控制系统设计

一概述

我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的I差距正在不停缩小，水

工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、

产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。不过，在水工业科技领域普遍存

在着实用性差、转叱率低的状况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关

键。在水工、业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程,

总结我国水工业科技的特点和专长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前,

我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统重要包括水厂自动

化和供水管网调度自动化两个方面。

我国供水行业是推进水科技产'也化的龙头。给水行业是都市基础设施投

资的重要方向之一。在体制上，供水企业体制的变革已成为市场化发展的必

然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备

化、自动控制现代叱的迫切的技术规定。优质供水是水工业市场化发展的新

增长点，同步要倡导节省用水，提高水啊反复运用率，并逐渐建立完善的水

工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。老式

的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应

水工业发展的需要，而水工业学科体系正是在给水排水工程学科体系发展而

来。由水工业日勺社会性所决定，水工业日勺学科体系由多种互相关联的学科构

成，包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会

科学、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。而在这

些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学

科。

二水箱供水自动控制系统方案设计

设计方案

设水箱、水池初始状态都为空着的，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，开始往水池离境税，假如进水

超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，阐明系统出现故障，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，阐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，由于水箱液位低于水箱水位下限，水泵开始工作，向水箱供水，当水池

日勺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，不过水箱目前

还没有装满，可此时水箱液位已经超过水箱下限水位，则水箱下限指示灯灭，水

泵继续工作，在抽水向水箱供水，水箱抽满时，水箱液位超过水箱上限，水箱上

限指示灯灭，但刚刚给水箱供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水箱

液位已经低于水池上限，水池上限指示灯亮。本次给水箱供水完毕。

三水箱水位自动控制系统设计

1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

旋转有如下控制。

在水箱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DCS发出信息启动水泵，通过4分钟检测水箱水位与否提高

控制水泵的工作，当水位到达最高水位时向DCS发出信息控制信息停止水泵

工作。

供水系统的基本原理如图所示，水位闭环调整原理是：通过在水箱中

的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入DCS,执行较后程序，通过水

泵的开关对水箱中的水位进行自动控制。

图4-1水泵的控制图

水泵启动工作：当投入作为主电路电源开关口勺配线切断器KM1时，在收

到DCS日勺启动水泵指令后，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口勺配线切断器KM1时，在收

到DCSH勺停止水泵指令后，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I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G2L

中有电流流过，绿灯点亮，当常开触点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内部

件，它是运用操作手柄对一般使用状态的电路进行开闭控制的。常常应用于

电源电路的开闭中，当发生过载、短路等状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，重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构成。

FR:热敏继电器是由加热器部分和触点机构部分构成淤J。当够电流流

过加热部分时，双金属片由于受热而发生弯曲，因此触点部分被打开而使电

路得到保护。

2水位传感器的选择

根据本设计H勺规定所选传感器规定在水面和水底都可以使用，且要考虑

到对水质的影响，因此选择超声波液位传感器U9ULS系列的U9ULS一一

10/100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，此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日勺影响。在大多数状况下，电子设

备放在铸铝H勺，NEMA4/NEMA7防爆且防水H勺壳体中。

U9ULS具有如下特点：

可应用于多种液体中

可承受高达lOOOpsi的压力

不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等原因的影响。

长度达121in(303.3cm)

可安装在侧面、顶部或底部

工作原理：U9ULS系列是予以超声波理论工作的。当超声波在空气中传

播时，会被严重衰减相反地，假如在液体中传播时，超声波欧)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。

U9ULS一一100系列产品具有性能优秀的传感器探头，可在温度为300F

和压力为1000PSI的状况下良好日勺工作。

U9ULS——10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，密封的构造，可安装在远程的控制地点。

特点：10A时继电器输出

115/230VAC,12VDC或24VDC输入

高增益。无需效准，工作温度可达300长度可达15L5CM

表5.1重要技术指标

输入电压115/230VAC,50/60HZ或12/24VDC

U9ULS—10系列增益300：1

U9LLS—10系列增益1000：1

U9ULS—10系列输出10ADPDA继电器灭火两线制，4mA-干；20mA-湿

U9ULS—10系列输出10ADPDT继电器

延时0.5s

反复性2mm

外壳NEMA4/NEMA7,防水防爆罩,环氧涂层,铸铝。

四水箱水位自动控制系统的构成

1、系统构成及其控制规定

（图5T水箱水位自动控制系统）

水箱水位的工作方式：

当水池液位低于下限液位开关SI,S1此时为ON,电磁阀打开，开始往

水池里注水，当4s后来，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统

发出报警，若系统壬常，此时水池下限液位开关S4为。FF,表达水位高于下

限水位。当水位液而高于上限水位，则S2为ON,电磁阀关闭。

当水箱水位低于水箱下限水位时，则水箱下限水位开关S3为ON,水泵

开始工作，向水箱供水，当S3为OFF时，表达水箱水位高于水箱下限水位。

当水箱液面高于水箱上限水位时，则水箱上限水位开关S4为OFF,水泵停止。

当水箱水位低于下限水位，同步水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。

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DCS发出信号,DCS根据此信号打开补水泵向水槽补水,

当水位到达水槽最高水位时液位传感潜将水位信号转化为电信号向DCS发出

信号停止补水泵日勺工作，当水箱水位到达最低水位时，液位传感器将水位信

号转化为电信号向DCS输出，DCS在收到信号后启动水泵向水箱加水，当水

箱水位到达最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向DCS发出信号停止

水泵的工作。

2系统框图

如下图整个系统由一种水位传感器，一台DCS和一台水泵以及若干部件

构成。安装于水箱上H勺传感器将水箱H勺水位转化成1-5伏H勺电信号；电信号

抵达DCS将控制控制水泵的开关。水箱水位自动控制系统由DCS关键控制部

件高下位水箱的水位检测电路高下水位信号传送给DCS水泵电动机控制电路

DCS控制启停及主备切换

（图5-2系统构成框图）

在水箱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DCS中，在通过DCS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DCS将启动水泵向水箱中加水，当水箱中的水到达最高值时DCS

使水泵停止运转即水泵停止向水箱供水。等到水箱水位再次到达控制最低水

位时系统再次反复这个过程。

五DCS的设计

1可编程序控制器(DCS)简介

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用

而设计。它采用了可编程序日勺存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，次

序控制、定期、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输

入输出，控制多种类型日勺机械或生产过程。DCS是微机技术与老式的继电接

触控制技术相结合欧I产物，它克服了继电器接触控制系统中触点日勺接线复

杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差口勺缺陷充足运用微处理器的长处。

2DCS工作原理

DCS的工作方式:采用循环扫描方式.在DCS处在运行状态时，从内部处理，通

信操作，程序输入，程序决行，程序输出,一直循环扫描工作.

DCS的工作过程

DCS的工作过程基本上是顾客的梯形图程序H勺执行过程，是在系统软件

的控制下顺次扫描各输入点口勺状态，按顾客程序解算控制逻辑，.然后次序

向各个输出点发出对应出勺控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时

的接受外来日勺控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程

器、计算机日勺通信。因此，DCS工作过程分为如下五步：

(1)自诊断

自诊断功能可使DCS系统防患干未然，而在发牛故障时能尽快的修复.

为此DCS每次扫描顾客程序此前都对CPU、存储潜、输入输出模块等进咛故

障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，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，关闭所有输出，然后停机并显示出错日勺信息。

⑵与外设通信

自诊断正常后DCS即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信祈求便

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、错误码进行对应指示，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DCS将接受上位

机发出n勺指令进行对应及।操作，把现场工作状态、Dcsn勺内部工作状态、多

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

完毕前两步工作后DCS便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，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，在一种扫描周期内内存映象的内容不变，虽然外部实际开关状态己经发

生了变化也只能在下一种扫描过程中的输入采样时刷新，解算顾客逻辑所用

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)解算顾客逻辑

即执行顾客程序。一般是从顾客出现存储器口勺最低地址寄存的第一条程

序开始，在无跳转的状况下按存储器地址的递增方向次序的扫描顾客程序，

按顾客程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算顾客逻辑。解算过程

中所用口勺计数器、定期器，内部继电器等编程元件为对应存储单元的即时值,

而输入继电器，输出继电器则用时是内存映象值。在一种扫周期内，某个输

入信号日勺状态不管外部实际状况与否己经变化，对整个顾客程序是一致的，

不会导致成果混乱。

(5)输出成果

将本次日勺扫描过程中解算最新成果送到输出模块取代前一次扫描解算

的成果，也称为输出刷新。解算顾客逻辑到顾客程序为止，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，相称于输出信号被输

出门阻隔，待所有解算完毕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，其对应开关动作。驱动顾客输出设备即DCS口勺实际输出。

在依次完毕上述五个环节操作后DCS又开始进行下一次扫描。如此不停

的反复循环扫描，实现对全过程及设备的持续控制，直至接受到停止命令、

停电、或出现故障。

3DCS的编程语言一梯形图

梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简朴，直观，易读，好懂,

是DCS中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电涔线路的某些图形

符号，这些图形符号被称为编程元件，每一种编程元件对应有一种编号。不

一样厂家的DCS,其编程元件的多少及编号措施不尽相似，不过基本日勺元件

及功能很相近。

梯形图有如下特点。

①梯形图按自上而下、从左到右日勺次序排列。每一种继电潜为一种逻辑

行，称为梯形。每一种逻辑行起始于左母线，然后是触点的多种联接，最终

是线圈，整个图形呈梯形。

②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

变量存储器中附位触发器，因此称为软继电器，对应的某位触发器为真态，

表达该继电器通电，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，还包括定期器、计数器等。

③梯形图中，一般状况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电

器n勺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。

④梯形图是DCS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，不过为了以便，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。因此仅仅是概念上的电流，并且

认为它只能从左向右流动，层次的变化只能是先上后下。3.4可编程序控制

器DCSn勺长处

①能适应工业现场口勺恶劣环境，不规定空调，能抗电磁干扰与电压汨击。

②简朴，易于使用，不必规定微机软硬件方面口勺知识，编程不需要高级

语言。

③可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过20230小时。

④编程或修改程序轻易，程序可以保留和固化。

⑤体积小，价格低。

⑥可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。

⑦可在基本系统上扩展，系统轻易配置，与负载最远距离可达10000英

尺，内存可以扩展。

⑧有很强的通讯功能，可与多种支持设各连接。

⑨系统化，有原则外围接口模块。

⑩系统在i种现场不需要时，仍可改在另i种现场上使用等一系列长

处。

4SYSMAC-C系列P型机概述

本原理图是采用CP2O实现的，基于原理图所用I/O接口点数较少，无需

扩展单元，迅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潜，配置简朴，经济合用，可使用个人计算

机进行辅助设计。

C20P日勺通道分派：是指对DCS内日勺每个通道及每个继电器都分派给一种

地址号，以便CPU可以识别。在OMRON企业C系列的DCS中，每个通道

由16位构成，或者说在一种通道中包括16个“继电器二

（1）输入/输出继电器通道（I/O）日勺分派

P型机的输入/输出继电器通道（CH）分派是固定的，0（）〜04cH是输入继

电器通道，（）5〜09cH是输出继电器通道，不一样型号日勺DCS机日勺基本单位和

扩展单位所能使用日勺通道号是不一样的。

每个输入/输出继电器日勺编号为四位十进制数，前两位表达通道号，后两

位表达位号，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，占用日勺输入点是（X）CH

时（）00（）〜（）011；输出继电器（输出点）共8个，占用的J输出点是05CH日勺

0500~0507o

（2）内部辅助继电港（IR）通道的分派

在P型机中共有136个内部辅助继电器，其通道号为1（）〜18cH,占用的地址

为100（）〜1807,注意，内部辅助继电器不能接负载。

（3）定期器和计数器通道（TIM/CNT）

在P型机中的定期器（TIM）,高速定期器（TIMH）,计数器（CNT）,可逆

计数器（CN1R）,合计48个，编号为00〜47,它们即可用于定期器，用可用

于计数器，但假如已经用作定期器（如TIM01）,则这个编号就不能再用作计

数器（如CNT01）。假如程序中使用高速计数器，则TIM/CNT47作为专用寄

存高速计数器目前值的计数器，不能再作它用。

当电源断电时，定期器被复位，而计数器不能被复位，其计数的目前侑

保持不变。

5水箱水位自动控制系统的软件设计

确定DCS所需日勺各类继电潜，对各元件编号，如下表所示。

表6.1输入/输出端口地址分派

输入输出定期器

名称地址名称地址名称地址

S11000M05004秒延时TIM02

S21001Y0501产生1秒时TIM00

S31002钟TIM01

S41003

5.1DCS的外部输入输出电路

si/

1000

S2/0500M

»-----1002

S3/_______

10030501Y

S4/

1004

—（5^）——

（图6-1DCS日勺外部输入输出电路）

S1:水箱水位上限

S2:水箱水位下限

S3:水槽水位上限

S4:水槽水位下限

M:抽水泵

Y:补水泵

(图6-2水箱水位系统流程图)

(1)输入COM端和电源0V连接输入端和水箱水位自动控制系统输入

端连接

(2)输出COM端串联连接和电源24V连接(COM0-COM1-COM2

-COM3-COM4-COM5-COM6-COM7-COM8-电源24V)输出端(OUT

端)和水箱水位自动控制系统试验模板输入端相连(OUTO1-Y,OUT02-M,)

5.2I/O分派:

输入

调试单元DCS内部阐明

1000000CH00启动按钮

1001S1000CH01水箱水位上限

1002S2000CH02水箱水位下限

1003S3000CH03水槽水位上限

1004S4000CH04水槽水位下限

输出调试单元PLC内部阐明

0001010CH01Y

0002010CH02M

5.3程序阐明

当启动按钮（IN10）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。同步，

当水箱水位低于水位下限时，并且水槽水位高于水位下限时时,抽水泵（M）

抽水（即M灯亮）。当水箱水位高于水位上限时时，抽水泵（M）关闭，停止抽

水。若水箱水位低于水位下限，水槽水位低于水槽水位下限时,抽水泵（M）

不抽水。

5、4梯形图及语句表

TIMOO

（图5-3梯形图）

・5.5语句表

条，步」世令操作数

00LDTIM002

1AND0.03

2ANDN0TTIM001

3TIM000

#0005

14LDTIMOOO

5TIM001

#0005

36LU0.03

7OR0501

8ANDNOT0.02

9OUT0501

510ID0500

11TIM002

#0040

612LDTIM002

13AND0.03

14ANDNOTTIMOOO

15LD0501

16ANDNOTTIM002

17ORLD

18LDTIM002

19ANDNOT0.03

20ORLD0502

21ANDNOT0.02

22OUT

723LD0.01

24OR0503

25ANDNOT0.00

26ANDNOT0.03

27OUT0503

///“////期It（以）〃///〃

六结束语

1系统的长处

（一）高可靠性

各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（二）丰富的I/O接口模块

DCS针对不一样的工业现场信号。

（三）采用模块化构造

为了适应多种工业控制需要，除了单元式的小型DCS以夕卜，绝大多数DCS

均采用模块化。

（四）编程简朴易学

编程多采用类似继电器控制线路的梯形图形式。

（五）安装简朴，维修以便

使用时只需将现场H勺多种设备与DCS对应的I/O端相连接，多种模块上均

有运行和故障指示装置。

2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日勺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日勺作用。

检测设备就像神经和感官，源源不停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。

本课题研究日勺重要内容是“水箱水位自动控制系统”。水位控制在平常

生活及工业领域中应用相称广泛，例如水箱、地下水、水电站等状况下的水

位控制。而以往水位日勺检测是由人工完毕的，值班人员全天候地对水位的变

化进行监测，用