基于三菱PLC的水塔水位自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

1、電氣工程學(xué)院設(shè)計(jì)題目： 水塔水位PLC自動(dòng)控制系統(tǒng) 系 別： 年級(jí)專業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱： 電氣控制與PLC課程設(shè)計(jì) 基層教學(xué)單位：電氣工程及自動(dòng)化系 指導(dǎo)教師： 學(xué)號(hào)學(xué)生姓名（專業(yè)）班級(jí)設(shè)計(jì)題目水塔水位PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)采用PLC構(gòu)成水塔水位電氣控制系統(tǒng)?？刂埔蟛殚喯嚓P(guān)文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)要求1) 根據(jù)控制要求，進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，包括PLC硬件配置電路。2) 根據(jù)控制要求，編制PLC控制程序3) 按要求編寫設(shè)計(jì)說明書并繪制A1幅面圖紙一張。參考資料2、圖書館各類期刊文獻(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)庫3、相關(guān)電氣設(shè)計(jì)手冊周次第一周第二周應(yīng)完成內(nèi)

2、容完成全部方案設(shè)計(jì)：周一、二：查、閱相關(guān)參考資料周二至周五：方案設(shè)計(jì)周六、日：設(shè)計(jì)方案完善周一、二：完成設(shè)計(jì)說明書周三、四：繪制A1設(shè)計(jì)圖紙周五：答辯考核指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字摘要目前，大量的高位生活用水和工作用水逐漸增多。因此，不少單位 自建水塔儲(chǔ)水來解決高層樓房的用水問題。最初，大多用人工進(jìn)行控制，由于人工無法每時(shí)每刻對(duì)水位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位監(jiān)測，很難準(zhǔn)確控制水泵的起停。要么水泵關(guān)停過早，造成水塔缺水；要么關(guān)停過晚，造成水塔溢出，浪費(fèi)水資源，給用戶造成不便。利用人工控制水位會(huì)造成供水時(shí)有時(shí)無的不穩(wěn)定供水情況。后來，使用水位控制裝置使供水狀況有了改變，但常使用浮標(biāo)或機(jī)械水位控制裝置，由

3、于機(jī)械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。因此為更好的保證供水的穩(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的供水控制方法已難以滿足現(xiàn)在的要求。本文采用的是三菱FXZN型PLC可編程控制器作為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)核心，對(duì)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能性進(jìn)行了需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至PLC構(gòu)成的控制模塊，來控制水泵電機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)顯示水位具體信息，若水位低于或高于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水塔水位的自動(dòng)。關(guān)鍵詞：水位自動(dòng)控制、三菱FX2N、水泵 、傳感器 II目錄摘要I目錄II第一章 緒論11.1本課題的選題背景與意義11.2可編程邏輯控制器簡

4、述1第二章 水塔水位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)22.1基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)基本原理22.2水塔水位控制系統(tǒng)要求32.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)42.4 系統(tǒng)硬件元器件選擇52.5 I/O口的分配及PLC外圍接線6第三章 水塔水位系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)103.1 水位控制系統(tǒng)的流程圖103.2 PLC 控制梯形圖113.3 水位控制系統(tǒng)的具體工作過程17第四章 總結(jié)18參考文獻(xiàn)19第一章 緒論1.1本課題的選題背景與意義在工業(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

5、。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。同時(shí)，又有PID控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個(gè)可靠

6、安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。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)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用PLC控制技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。1.2可編程邏輯控制器簡述可編程邏輯控制器簡稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微

7、型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)。逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、價(jià)格低、壽命長等特點(diǎn)。22第二章 水塔水位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)基本原理如下圖整個(gè)系統(tǒng)由水位傳感器，一臺(tái)PLC和水泵以及若干部件組成。安裝于水塔上的傳感器將水塔的水位轉(zhuǎn)化成1-5伏的電信號(hào)；電信號(hào)到達(dá)PLC將控制控制水泵的開關(guān)。水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC核心控制部件高低位水箱的水位檢測電路高低水位信號(hào)傳送給PLC水泵電動(dòng)機(jī)控制電路 PLC 控制啟停及主備切換。圖2-1 基于PLC的供水系統(tǒng)原理框圖在水塔

8、水位檢測系統(tǒng)中通過液位傳感器將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入PLC中，在通過PLC控制水泵的啟動(dòng)或關(guān)閉。在系統(tǒng)運(yùn)行中當(dāng)水為低于最低值時(shí)PLC將啟動(dòng)水泵向水塔中加水，當(dāng)水塔中的水達(dá)到最高值時(shí)PLC使水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次達(dá)到控制最低水位時(shí) 系統(tǒng)再次重復(fù)這個(gè)過程。2.2水塔水位控制系統(tǒng)要求圖2-2 水塔水位控制裝置圖1）水塔供水系統(tǒng)的一般裝置如上圖所示，應(yīng)當(dāng)保持水池的水位在S2S3之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān)S3，此時(shí)S3為OFF，控制電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)10S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)

9、S3為ON，表示水位高于下限水位。當(dāng)液面高于上限水位S2時(shí)，則S2為ON，電磁閥關(guān)閉,同時(shí)檢測水池液面是否會(huì)超過超上S1處，若超過，則水池水將溢出，S1液位開關(guān)為ON,向PLC發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)上限報(bào)警，提醒工作人員立即排除故障。2）保持水塔的水位在S5S6之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S6時(shí)，則水塔下限液位開關(guān)S6為OFF，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)M開始工作，向水塔供水，電機(jī)啟動(dòng)10秒后，若S6仍舊為OFF，則發(fā)出水塔下限無水報(bào)警。當(dāng)S3為ON時(shí)，表示水塔水位高于水塔下限水位水泵繼續(xù)抽水給水塔。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)S5時(shí)，則S5為ON，水泵停止抽水，同時(shí)檢測水塔液面是否會(huì)超過超上S4處，若超過，

10、則水塔水將溢出，S4液位開關(guān)為ON,向PLC發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)上限報(bào)警，提醒工作人員立即排除故障。3）當(dāng)水池水位也低于下限水位時(shí)，不論水塔水位是否低于下限，電機(jī)M都不能啟動(dòng)。2.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖2-3 水塔水位控制系統(tǒng)主電路1）本次設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)水泵，通過程序控制當(dāng)水塔下限無水且水池下限有水時(shí)同時(shí)啟動(dòng)將水池中的水抽向水塔，并通過定時(shí)在兩水泵同時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間后停止其中一個(gè)水泵，通過這種工作方式可以在較大地減少用戶缺水的情況，提高了供水的可靠性及效率，同時(shí)停止的水泵做為繼續(xù)工作水泵的暗備用，在另一水泵出現(xiàn)故障之后，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)切換，這樣既保證供水系統(tǒng)有備用水泵, 又有效地防止因?yàn)?/p>

11、備用水長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象, 提高了設(shè)備的綜合利用率, 降低了維護(hù)費(fèi)用，整個(gè)供水系統(tǒng)性能得到極大提高。2）因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)選用的水泵額定功率較大，初始運(yùn)行時(shí)的起動(dòng)電流較大，故在主電路中設(shè)置星三角減壓變換起動(dòng)電路，以防止起動(dòng)時(shí)的過電流，通過軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路切換，并且設(shè)置互鎖延時(shí)程序，防止電路切換時(shí)發(fā)生三相短路事故。此外在水泵電機(jī)供電回路中通過熱繼電器及熔斷器設(shè)置必要的電機(jī)熱保護(hù)及過電流保護(hù)，保護(hù)電機(jī)的同時(shí)減小電機(jī)故障的影響范圍。2.4 系統(tǒng)硬件元器件選擇1) PLC的選擇可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號(hào)的PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同。本系統(tǒng)為單體控制系統(tǒng)，

12、對(duì)控制功能無特殊要求，同時(shí)本次設(shè)計(jì)所需輸入輸出總點(diǎn)數(shù)介于32點(diǎn)與48點(diǎn)之間，因此選用三菱公司生產(chǎn)的的FX2N-48MR-001型PLC，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，有極高的性價(jià)比，適用于小型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，該型號(hào)PLC為繼電器輸出型，輸入輸出點(diǎn)數(shù)各為24個(gè)點(diǎn)，多余的端子作為備用。2)水泵的選擇選擇水泵的一般原則為1、滿足流量和揚(yáng)程的要求；2、水泵機(jī)組在長期運(yùn)行中，水泵工作點(diǎn)的效率最高；3、按所選的水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)設(shè)計(jì)的水泵站，要求設(shè)備和土建的投資最小；4、便于操作維修，管理費(fèi)用少。而一般的水塔供水系統(tǒng)中水塔高度都在30米以上，所用水泵電機(jī)在向水池抽水時(shí)消耗的能量較大，同時(shí)因兩水泵互為備用，故綜合考慮

13、后將兩水泵電機(jī)額定功率都選為11KW，型號(hào)為Y2-160L-6，其重要參數(shù)有額定電流為24.23A，額定轉(zhuǎn)速為970r/min。水泵揚(yáng)程為40米，流量為35立方米/小時(shí)。3）熔斷器的選擇因?yàn)槿蹟嗥魅垠w電流應(yīng)大于等于兩倍的電機(jī)額定電流，因此電動(dòng)機(jī)供電回路選用熔體電流為50A的熔斷器。4）電子液位位開關(guān)的選擇因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中水池及水塔中各有3處需要檢測水位信號(hào)，因此選用歐姆龍公司生產(chǎn)的61F-GN G型電極式液位開關(guān)，該種類型的液位開關(guān)作為電氣性液位檢測方式，被廣泛用于以大廈、集中住宅的上下水道為主及鋼鐵、食品、化學(xué)、藥品、半導(dǎo)體等各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)水、凈水場、污水處理等的液面控制。一旦電極接觸到液體，

14、通過液體可以閉合電路，根據(jù)流過的電流檢知液位控制的動(dòng)作原理，是以所謂的導(dǎo)電性液體為控制對(duì)象的液位開關(guān)。進(jìn)行檢測時(shí)，直接檢測液體的電極間電阻，根據(jù)大于或小于已設(shè)定的電阻值，來判斷有無液面,61F-GN G型電極式液位開關(guān)含有三個(gè)電極正好用于本系統(tǒng)水位的檢測，同時(shí)其ON電流在4.5mA以下且OFF電流1.5mA以下滿足所選PLC的輸入性能指標(biāo)，故較為合適。5）熱繼電器的選擇因?yàn)殡姍C(jī)額定電流為24.23A，因此選用JR20-25/5T型熱繼電器，整合電流為2125A。6）接觸器的選擇同理，根據(jù)電機(jī)額定電流，并查手冊后選擇G20-25型接觸器。2.5 I/O口的分配及PLC外圍接線序號(hào)輸入信號(hào)符號(hào)輸入

15、端子口1起動(dòng)按鈕SB1X0002停止按鈕SB2X0013手動(dòng)操作旋鈕SC1-1X0024自動(dòng)操作旋鈕SC1-2X0035水池高水位開關(guān)信號(hào)S1X0046水池中水位開關(guān)信號(hào)S2X0057水池低水位開關(guān)信號(hào)S3X0068水塔高水位開關(guān)信號(hào)S4X0079水塔中水位開關(guān)信號(hào)S5X01010水塔低水位開關(guān)信號(hào)S6X011111#泵手動(dòng)旋鈕SC2X012122#泵手動(dòng)旋鈕SC3X01314電磁閥手動(dòng)旋紐SC4X01415電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)報(bào)警KA1X01516報(bào)警確認(rèn)旋鈕SC5X0161） PLC的輸入接口分配表2） PLC的輸出接口分配表序號(hào)輸出信號(hào)符號(hào)輸入端子口11#泵接觸器1KM1Y00022#泵接觸器1

16、KM2Y0013水池高水位指示燈HL1Y0024水池中水位指示燈HL2Y0035水池低水位指示燈HL3Y0046水塔高水位指示燈HL4Y0057水塔中水位指示燈HL5Y0068水塔低水位指示燈HL6Y0079電磁閥繼電器KA2Y01010電機(jī)熱保護(hù)報(bào)警指示燈HL7Y01111水池高水位報(bào)警HL8Y01212水池低水位報(bào)警HL9Y01314水塔高水位報(bào)警HL10Y01415水塔低水位報(bào)警HL11Y015161#泵接觸器2KM3Y016171#泵接觸器3KM4Y017182#泵接觸器2KM5Y020192#泵接觸器3KM6Y021 3）水塔水位控制器外觀圖如下圖2-4 水塔水位控制器外觀圖4）系統(tǒng)

17、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2-5 PLC外部接線圖第三章 水塔水位系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)3.1 水位控制系統(tǒng)的流程圖3.2 PLC 控制梯形圖 本次設(shè)計(jì)PLC梯形圖如下所示 各段程序功能如下：1）系統(tǒng)啟動(dòng)停止程序2）手動(dòng)模式自動(dòng)模式選擇程序3）液位顯示程序4）水池、水塔超上限報(bào)警及電機(jī)過熱報(bào)警程序5）電磁閥控制及水池?zé)o水報(bào)警程序6）電機(jī)M1控制程序7）電機(jī)M2控制程序8）水塔無水報(bào)警程序3.3 水位控制系統(tǒng)的具體工作過程假設(shè)系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)水塔、水池中都完全無水，6個(gè)液位指示燈全滅。系統(tǒng)啟動(dòng)后程序的執(zhí)行是，先由PLC判斷操作人員選擇的是

18、手動(dòng)操作還是自動(dòng)操作，若為手動(dòng)操作，則由工作人員由控制按鈕自行選擇兩個(gè)水泵電機(jī)以及電磁閥的開啟與關(guān)閉，當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)工作人員可方便地自行切換電機(jī)。若選擇自動(dòng)操作，則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10S，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。若10S內(nèi)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HL3亮。此時(shí)，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號(hào)時(shí)，由于水塔液位低于水塔水位下限，電機(jī)M1及M2開始同時(shí)工作并在兩電機(jī)開啟后10秒并延時(shí)2秒后實(shí)現(xiàn)星形電路與三角形電路的切換，電機(jī)全壓運(yùn)行

19、向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過水池上限液位時(shí)，水池上限指示燈HL2亮，電磁閥就關(guān)閉，同時(shí)時(shí)時(shí)檢測水池液位是否超過超上限，若超過，則發(fā)出超上限報(bào)警，水泵電機(jī)開啟后定時(shí)10S，若水塔下限液位開關(guān)無信號(hào)輸入，則發(fā)出水塔無水報(bào)警，水塔下限有水后，水塔下限液位指示燈亮，水泵繼續(xù)供水給水塔，同時(shí)時(shí)時(shí)檢測水塔超上限液位開關(guān)是否有信號(hào)輸入，若有，則啟動(dòng)水塔水位超上限報(bào)警，當(dāng)兩水泵一起運(yùn)行半小時(shí)后，水泵電機(jī)M2停止，另一水泵繼續(xù)工作，直至水池水位低于下限或者水塔水位高于上限，若水泵因水池水位低于下限而停止，則在自動(dòng)工作的模式下重復(fù)以上工作過程直到水泵因水塔水位高于上限而停止，至此系統(tǒng)的整個(gè)工作過程結(jié)束。第四章 總

20、結(jié)通過本次的課程設(shè)計(jì)，我受益匪淺，也感觸良多?？梢哉f是對(duì)以前學(xué)習(xí)的知識(shí)的挑戰(zhàn)與突破。在對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)的材料的搜索進(jìn)行獨(dú)立搜索時(shí)，對(duì)于辦公軟件的應(yīng)用有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)在對(duì)搜集的材料進(jìn)行整核，結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，以及實(shí)際應(yīng)用操作的情況下，提高了實(shí)際操作和獨(dú)立解決問題的能力。通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。讓我更熟練的掌握了三菱的PLC軟件的簡單編程方法，對(duì)于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理論的運(yùn)用中，也提高了我的工程素質(zhì)。剛開始學(xué)習(xí)三菱PLC軟件時(shí)，由于我對(duì)一些細(xì)節(jié)的不加重視，當(dāng)我把自己想出來的一些認(rèn)為是對(duì)的程序運(yùn)用到梯形圖編輯時(shí)，問題出現(xiàn)了。轉(zhuǎn)換成指令表后則顯示不出很多正確的指令程序，這主要是因?yàn)槲覜]