可調(diào)壓的水塔水位閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、何沭達(dá)：基于plc的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量和控制。然而隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，人們生活用水的增加，以往采用的繼電器水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由于頻繁操作會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，不方便維護(hù)和更新，已經(jīng)不能滿足人們的實(shí)際需求。并且現(xiàn)代人們對(duì)供水系統(tǒng)的質(zhì)量、能耗和可靠性要求越來越高。質(zhì)量可靠的供水設(shè)備和先進(jìn)的控制技術(shù)是保證供水系統(tǒng)安全、高質(zhì)、節(jié)電的前提條件。本文采用的是三菱fx2n系列小型plc可編程控制器作為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)核心，通過傳感器檢測(cè)水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至plc構(gòu)成的控制模塊，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，且利用主

2、水管道的壓力傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)視配水管道水壓隨用水量的不同而變化，并將水壓信息反饋回plc控制器，以有級(jí)的控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，繼而構(gòu)成可調(diào)壓的閉環(huán)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文合理地運(yùn)用了plc可編程控制器為控制系統(tǒng)核心和壓力變送器為反饋環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建了可調(diào)壓的閉環(huán)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，切實(shí)有效可行。關(guān)鍵詞：可調(diào)壓的水位閉環(huán)自動(dòng)控制、三菱fx2n、水泵電機(jī)的有級(jí)調(diào)速 、壓力變送器基于plc的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄摘 要i第1章 引 言1第3章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)133.1 傳統(tǒng)水塔水位控制133.1.1 工作原理133.1.2 外部接線與控制列表133.1.3程序編輯及分析153.2 pid

3、水塔水位控制系統(tǒng)的工作原理153.2.1 設(shè)計(jì)分析153.2.2 可行性試驗(yàn)163.2.3 可行性分析173.3 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)17第5章系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計(jì)245.1 可編程控制器的選型245.2 em235模擬量模塊255.2.1 em235的安裝使用275.2.2 em235的工作程序編制275.3 硬件連接圖285.4 控制系統(tǒng)i/o地址分配28第6章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)296.1 水位pid控制的邏輯設(shè)計(jì)296.2 梯形圖編程336.3 控制程序336.4 聯(lián)機(jī)33第7章 結(jié) 論357.1本課題研究結(jié)論357.2課題存在問題與展望35致 謝36參考文獻(xiàn)37附錄38基于plc的可調(diào)壓水塔水

4、位閉環(huán)控制系統(tǒng)第1章 引 言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)。可編程控制

5、器（plc）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的方式被plc控制取代。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位（水位）進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)可靠性高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用plc和有備用的多水泵電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)能很好的解決以上問題，

6、使水位控制在要求的位置。本文采用的是三菱fx2n系列小型plc可編程控制器作為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)核心，通過傳感器檢測(cè)水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至plc構(gòu)成的控制模塊，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，且利用主水管道的壓力傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)視配水管道水壓隨用水量的不同而變化，并將水壓信息反饋回plc控制器，以有級(jí)的控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，繼而構(gòu)成可調(diào)壓的閉環(huán)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水塔供水且有效節(jié)能。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。 一、任務(wù)描述（一）水塔水位控制plc系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在自來水供水系統(tǒng)中，為解決高層建筑的供水問題

7、，修建了一個(gè)水塔。水塔高為35m，正常水位變化2.5m，為保證水塔的正常水位，需要用水泵為其供水。水泵房用2臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，交流380v，5kw供水。正常運(yùn)行時(shí)，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)備用。1 因電動(dòng)機(jī)功率較大，為減少起動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)采用星形啟動(dòng)。2 為防止某一臺(tái)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期閑置而產(chǎn)生銹蝕，備用電動(dòng)機(jī)可通過預(yù)置開關(guān)預(yù)先隨意設(shè)置。如果未設(shè)置備用電動(dòng)機(jī)組號(hào)，則系統(tǒng)默認(rèn)為2號(hào)電動(dòng)機(jī)組為備用。3 每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制狀態(tài)。在自動(dòng)控制狀態(tài)下，如果由于故障使某臺(tái)電動(dòng)機(jī)組停車，而水塔水位又未達(dá)到高水位時(shí)，備用電動(dòng)機(jī)自動(dòng)降壓起動(dòng)；同時(shí)對(duì)發(fā)生故障的電動(dòng)機(jī)組根據(jù)故障性質(zhì)發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào)，提請(qǐng)維護(hù)人

8、員及時(shí)排除故障。4 當(dāng)水塔水位達(dá)到高水位時(shí)，高液位傳感器發(fā)出停機(jī)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)組停止運(yùn)行。當(dāng)水塔水位低于低水位時(shí)，低液位傳感器自動(dòng)發(fā)出開機(jī)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)降壓?jiǎn)?dòng)。5 液位傳感器要有位置狀態(tài)指示燈。第2章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1傳統(tǒng)水塔水位控制系統(tǒng)圖3-1 傳統(tǒng)水塔水位控制布局圖2.1.1 工作原理1）保持水池的水位在s3s4之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān)s3，此時(shí)s3為on，電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)5s以后，若水池水位沒有超過水池下限液位開關(guān)s3時(shí)，則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)；若系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時(shí)水池下限液位開關(guān)s3為off，表示水位高于下限水位。當(dāng)頁(yè)面高于上限水位s4時(shí)，則s4為on，

9、電磁閥關(guān)閉。2）保持水塔的水位在s1s2之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)s2時(shí)，則水塔下限液位開關(guān)s2為on，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)m開始工作，向水塔供水。當(dāng)s2為off時(shí)，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)s1時(shí)，則s1為on，電機(jī)m停止抽水。當(dāng)水塔水位低于下限水位時(shí)，同時(shí)水池水位也低于下限水位時(shí)，電機(jī)m不能啟動(dòng)。2.2可調(diào)壓的水塔水位閉環(huán)控制系統(tǒng)方案本文采用的是三菱fx2n系列小型plc可編程控制器作為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)核心，通過傳感器檢測(cè)水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至plc構(gòu)成的控制模塊，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，且利用主水管道的壓力

10、傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)視配水管道水壓隨用水量的不同而變化，并將水壓信息反饋回plc控制器，以有級(jí)的控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，繼而構(gòu)成可調(diào)壓的閉環(huán)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。三 菱plc水泵電機(jī)有級(jí)調(diào)速控制回路水壓水位故障輸入圖2、系統(tǒng)方案圖可調(diào)壓的閉環(huán)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的供水部分主要由水泵電機(jī)，管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過改變繞組纏繞方式調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)可調(diào)壓供水的。比較器水泵電機(jī)主管壓力主水管水壓力檢測(cè)傳感器給定plc圖3、可調(diào)壓的水塔水位供水系統(tǒng)方案方框圖2.2.1水位傳感器裝置環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)圖4、水位傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析示

11、意圖可調(diào)水壓的水塔水位自閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為水泵，容器為水塔，水位高度正常情況下控制在c、d之間，如圖（a）。當(dāng)水位在低于c點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖（b）。當(dāng)水位高于d點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖（c）。當(dāng)水位低于c點(diǎn)并到達(dá)b點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖（d）。當(dāng)水位超過d點(diǎn)并到達(dá)e點(diǎn)時(shí)上限報(bào)警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖（e）。水塔水位控制要求，即如上圖所示：當(dāng)水位處于b點(diǎn)之下，指示燈b、c、d、e全亮，報(bào)警電路開始報(bào)警，即下限報(bào)警。當(dāng)水位處于b、c之間，指示燈b滅，c、d、e亮，水泵開始進(jìn)水。當(dāng)水位處于c、d之間，指示燈b、c滅，c、d亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水。當(dāng)水

12、位處于d、e之間，指示燈b、c、d滅，e亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。當(dāng)水位處于e點(diǎn)之上，指示燈b、c、d、e全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。2.2.2水泵電機(jī)有級(jí)調(diào)速環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì) 雙速電動(dòng)機(jī)屬于異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速，是通過改變定子繞組的連接方法達(dá)到改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4、雙速電動(dòng)機(jī)控制回路由上圖分析，合上空氣開關(guān)qf引入三相電源。交流接觸器km1主觸頭閉合，為電動(dòng)機(jī)引進(jìn)三相電源，l1接u1、l2接v1、l3接w1;u2、v2、w2懸空。電動(dòng)機(jī)在接法下運(yùn)行。若想轉(zhuǎn)為高速運(yùn)轉(zhuǎn)，則接觸器km1線圈斷電，同時(shí)接觸器km2常開觸點(diǎn)閉合，將定子繞組三個(gè)首端u

13、1、v1、w1連在一起，并把三相電源l1、l2、l3引入接u2、v2、w2，此時(shí)電動(dòng)機(jī)在yy接法下運(yùn)行。2.2.3報(bào)警環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)圖5為水塔水位控制器的外觀正視圖，報(bào)警環(huán)節(jié)由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈、報(bào)警指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈b、c、d、e情況不同。當(dāng)控制系統(tǒng)中發(fā)生不同的故障時(shí)，其相應(yīng)的報(bào)警指示燈亮，以提醒工作人員進(jìn)行檢查和維修。報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報(bào)警的蜂鳴聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測(cè)故障的功能。圖5、水塔水位控制器的外

14、觀正視圖第3章 系統(tǒng)硬件部分開發(fā)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件主接線圖設(shè)計(jì)在本可調(diào)壓的水塔水位閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為保證水塔的正常水位，需要用水泵為其供水。水泵房分別用4臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，交流380v，15kw供水。正常運(yùn)行時(shí)，3臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)備用。且系統(tǒng)硬件主接線圖如下所示。圖6、系統(tǒng)硬件主接線圖電機(jī)有兩種工作模式即：繞組三角形連接，每相繞組中有兩個(gè)線圈相串聯(lián)，呈四個(gè)極，水泵電機(jī)為低速運(yùn)行：繞組雙星型連接，每相繞組中有兩個(gè)線圈相并聯(lián)，呈兩個(gè)極，水泵電機(jī)為高速運(yùn)行。熱繼電器（fr）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的作為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。電源開關(guān)qf在電路中作為失壓、欠壓和短路保護(hù)

15、。3.2硬件元器件選擇3.2.1plc的選擇與設(shè)計(jì) plc選擇的基本原則，這是plc應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的plc種類很多，在選用plc時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。（1）規(guī)模要適當(dāng)；（2）功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理； （3）輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確；本系統(tǒng)所需的io點(diǎn)數(shù)為25點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，從控制系統(tǒng)功能和信價(jià)比考慮，選擇plc為三fx2n一64mr。該型號(hào)plc有32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，滿足本系統(tǒng)的要求.3.2.2電子式液位開關(guān)選擇電子式液位開關(guān)工作原理: 工作電壓是dc5v-24v，通過內(nèi)置電子探頭對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，再由芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)被測(cè)液體的液位到達(dá)

16、動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，輸出dc5v-24v，可以直接與plc配合使用或者與控制板配合使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。 bz0501三線判斷有水時(shí)輸出5v，無水時(shí)0v，可驅(qū)動(dòng)led燈或蜂鳴器， bz0504三線判斷有水時(shí)輸出0v，無水時(shí)5v，可驅(qū)動(dòng)led燈或蜂鳴器3.2.3hdp503壓力變送器結(jié)構(gòu):采用不銹鋼整體構(gòu)件,進(jìn)口彈性體原件,高精度應(yīng)變計(jì)及先進(jìn)的貼片工藝,具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、良好的抗沖擊能力。316不銹鋼全封焊接,結(jié)構(gòu)小巧、緊湊,有良好的防潮能力和優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。其供電電壓: 24dcv(936dcv)，輸出信號(hào)010v(三線制)。3.2.4比較器選擇圖7、比較器電路圖圖中va為設(shè)點(diǎn)電壓信號(hào)7.

17、5v，vb為壓力變送器傳送電壓信號(hào)，vb大于7.5v時(shí)，比較器輸出5v電壓信號(hào)，否則輸出0v電壓信號(hào)。3.2.2水塔水位控制系統(tǒng)plc的輸入/輸出分配表一、水塔水位系統(tǒng)plc的輸入/輸出接口分配表輸入繼電器輸入變量名輸出繼電器輸出變量名x0電源總開關(guān)y0電磁閥x1報(bào)警確認(rèn)開關(guān)y1電機(jī)m1電源開關(guān)x2強(qiáng)制啟動(dòng)開關(guān)y2電機(jī)m1星形運(yùn)行x3強(qiáng)制關(guān)閉開關(guān)y3電機(jī)m1三角形運(yùn)行x4水塔b下限液位開關(guān)y4電機(jī)m2電源開關(guān)x5水塔c液位開關(guān)y5電機(jī)m2星形運(yùn)行x6水塔d液位開關(guān)y6電機(jī)m2三角形運(yùn)行x7水塔e上限液位開關(guān)y7水塔b下限液位指示燈a1x10水池f下限液位開關(guān)y10水塔c液位指示燈a2x11水池

18、g上限液位開關(guān)y11水塔d液位指示燈a3x12電機(jī)m1檢測(cè)信號(hào) y12水塔e下限液位指示燈a4x13電機(jī)m2檢測(cè)信號(hào)y13水池下限指示燈a5x14比較器邏輯值y14水池上限指示燈a6x15自動(dòng)模式控制開關(guān)y15水塔下限液位報(bào)警指示燈a7x16電機(jī)選擇開關(guān)y16水塔上限液位報(bào)警指示燈a8y17水池下限液位報(bào)警指示燈a7y20電動(dòng)機(jī)m1故障報(bào)警指示燈a9y21電動(dòng)機(jī)m2故障報(bào)警指示燈a93.2.3系統(tǒng)i/o硬件接線圖根據(jù)plc輸入、輸出點(diǎn)地址分配表，水塔水位控制系統(tǒng)的i/o接線圖如下：圖7、水塔水位系統(tǒng)i/o硬件接線圖第4章 系統(tǒng)軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)工作過程設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)為手動(dòng)調(diào)節(jié)到正常工作狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行程序是，掃描到水池為液位低于水池下限位時(shí)，電磁閥打開，開始往水池里進(jìn)水，如果進(jìn)水超過5s，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，顯示為水池液位下限報(bào)警。若5s只有水池液位按預(yù)定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈a1滅。此時(shí)，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測(cè)到此信號(hào)時(shí)，然后分兩步工作：一是繼續(xù)往水池里注水，直到水池液位超過上限液位停止注水，電磁閥關(guān)閉；二是檢測(cè)水塔液位，若水塔液位低于水塔水位b下限，系統(tǒng)水塔液位下線報(bào)警。當(dāng)水位處