基于PLC的水塔水位自動控制的設計

1、編號：_商丘科技職業(yè)學院畢業(yè)論文（設計）題 目 基于PLC的水塔水位自動控制的設計 系 別 機電工程系 專 業(yè) 電子信息工程與技術 學生姓名 姚抗 成 績 指導教師 高善坤 目錄概述IAbstractII前言1一、可編程控制器21.1 PLC的定義及其分類21.2 PLC硬件的結構及其各部分的作用21.3 PLC的工作原理31.4 PLC的特點及發(fā)展方向4二、PLC對水塔水位的控制52.1水塔水位控制要求52.1.1 蓄水池的水位控制要求62.1.2 水塔水箱的水位控制要求62.2 選擇機型72.3 PLC輸入 /輸出信號及地址分配72.4電氣連接圖72.5 PLC水塔水位的控制程序82.6系

2、統(tǒng)調試11結束語12參考文獻13致謝14誠信聲明概述可編程控制器(PLC)是以計算機技術為核心的通用自動化控制裝置,它的功能性強,可靠性高,編程簡單,使用方便,體積小巧,近年來在工業(yè)生產中得到廣泛的應用,被譽為當代工業(yè)自動化主要支柱之一?，F(xiàn)今社會，自動化裝置無所不在，在控制技術需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進步。水塔水位的監(jiān)測和控制，再也不需要人工進行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應用價值。水塔水位自動控制器，具有適應各種液體液位的檢測和控制的功能，設計中分析了利弊，考慮了各種液體的阻值大小，是可以投入實際生產的產品。關鍵詞: 可編程邏輯控制器（PLC） 自動控制系統(tǒng) 水

3、塔水位 AbstractIn the modern time, the Full-automatic washer is entering every family. The article introduces a new decelerating clutch, which is used in fully-auto washing machine, it can improve the current technology, simplify structure, it is also helpful to reduce cost and increases reliability.Th

4、e thesis simply discusses the application research on water tower water level auto control system. It analyzes the limitation on the pre-designation of water tower water level auto control system, and devises the advanced plan. To be proved in the practice, the water tower water level auto control s

5、ystem is compatible for all kinds of liquids, and can throw into the effective production.Keywords: programmable logic controllers (PLC) Auto Control System, Water Level Water Tower 前言傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)大多采用水塔、高位水箱或增壓設備，用水泵高出實際用水高度的揚程來“提升”水位高度，以保證有足夠的用水量。隨著科學技術的不斷發(fā)展，自動控制技術在我國的日新月異，繼電器控制系統(tǒng)已跟不上時代的發(fā)展要求，取而代之的是可編程控制

6、器，以PLC構成的自動控制水塔系統(tǒng)已在住宅小區(qū)中廣泛應用?？删幊炭刂破魇窃诶^電器控制的基礎上逐漸發(fā)展起來的以微處理器為核心，集微電子技術、自動化技術、計算機技術、通信技術為一體，以工業(yè)自動化控制為目標的新型控制裝置，目前已在工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、交通運輸領域得到廣泛應用，成為各行業(yè)的通用控制核心產品。正在向更加可靠、操作簡單、通用性強、價格低廉的方向發(fā)展，使自動控制實現(xiàn)起來更容易。在一般住宅或大樓頂樓常設置水塔或水箱以提供充足的水壓供用戶使用,另備有地下水槽儲存自來水公司提供的水源并給頂樓水塔進水使用。由于當前可編程序控制器(PLC)技術已日趨成熟,因而考慮利用它來實現(xiàn)水塔/水箱供水控制。一、可編

7、程控制器可編程控制器是采用微機技術的通用工業(yè)自動化裝置，近幾年來，在國內已得到迅速推廣普及。正改變著工廠自動控制的面貌，對傳統(tǒng)的技術改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實際意義。1.1 PLC的定義及分類可編程邏輯控制器，簡稱PLC (Programmable logic Controller)，,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專門為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控

8、制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。PLC的種類很多，其實現(xiàn)的功能、內存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC的分類沒有一個嚴格的統(tǒng)一標準，而是按照結構形式、控制規(guī)模、實現(xiàn)的功能進行大致的分類。1）按結構形式分類PLC按照硬件的結構形式可以分為整體式和組合式。整體式PLC外觀上是一個長方形箱體，又稱為箱式PLC。組合式PLC在硬件構成上具有一定的靈活性，其規(guī)?？梢韵衿捶e木一樣的進行組合，構成具有不同控制規(guī)模和功能的PLC，因此這種PLC又稱為積木式PLC。 整體式PLC：整體式PLC的CPU、存儲器、輸入輸出安裝在同一機體內，這種結構的特點是：結構簡單，體積小，價

9、格低；輸入輸出路數(shù)固定，實現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，靈活性較低。 組合式PLC：組合式PLC為總線結構。其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽可安裝一個PLC模塊，不同的模塊實現(xiàn)不同的功能。PLC的CPU、存儲器和電源等做成一個模塊，該模塊在總線版上的安裝位置一般來說是固定的，而且該模塊也是構成組合式PLC所必需的。其他的模塊根據(jù)PLC的控制規(guī)模、實現(xiàn)的功能選取，安裝在總線版的其他任一總線槽上。組合式PLC安裝完成后，需進行登記，使PLC對安裝在個總線上的模塊進行確認。組合式PLC的總線板又稱為基版。組合式PLC的特點是系統(tǒng)構成靈活性高，可構成具有不同控制規(guī)模和功能的PLC；價格較高。

10、2）按控制規(guī)模分類 輸入輸出的總線數(shù)，又稱I/O點數(shù)，是表征PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)模對PLC分類時，可根據(jù)I/O點數(shù)的不同大致分為小型、中型和大型PLC。小型PLC：I/O點數(shù)較少，在256點以下的PLC。 中型PLC：I/O點數(shù)較多，在256點以上、2048以下的PLC。大型PLC：I/O點數(shù)較多，在2048點以下的PLC。3）按實現(xiàn)的功能分類按照PLC所能實現(xiàn)的功能的不同，可以把PLC大致的分為低檔、中檔、和高檔機三類。低檔機：具有邏輯運算、計時、計數(shù)、移位自診斷監(jiān)控等功能，還具有一定的算術、數(shù)據(jù)傳送和比較、通訊、遠程和模擬量處理功能。中檔機：除具有低檔機的功能外，還具有

11、較強的算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉換、遠程、通訊、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機：除具有中檔機的功能外，還具有帶符號數(shù)的算術運算、矩陣運算。函數(shù)、表格、CRT顯示、打印機打印等功能。一般地，低檔機多為小型PLC，采用整體式機構；中檔機可為大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整體式結構，中型和大型PLC多采用組合式結構；高檔機多為大型PLC，采用組合式結構。目前，在國內工業(yè)控制中應用最廣泛的是中、低檔機。1.2 PLC的結構及其各部分的作用PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結構與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展器接口和外部設備接口等幾個

12、主要部分組成。1.主機主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結果送到輸出端，并響應外部設備（如編程器、電腦、打印機等）的請求以及進行各種內部判斷等。PLC的內部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結果。2輸入接口/輸出（I/O）I/O接口是PLC與輸入/輸出

13、設備連接的部件。輸入接口接受輸入設備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結果通過功放電路去驅動輸出設備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。3電源 電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所配置的直流開關穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設備提供直流電源。4編程器編程器是PLC的一種主要的外部設備編程器分為兩種，一種是手持編程器，用戶可用以輸入、檢查、修改、調試程序或監(jiān)示PLC的工作

14、情況。二種是通過PLC的RS232口。與計算機相連。然后敲擊鍵盤。并利用專用的工具軟件進行電腦編程和監(jiān)控。5輸入/輸出擴展單元I/O擴展接口用于連接擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）。6外部設備接口此接口可將編程器、打印機、條碼掃描儀等外部設備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。1.3 PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在

15、每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，執(zhí)行的結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出

16、，驅動相應輸出設備工作1.4 PLC的特點及發(fā)展方向PLC的特點1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件

17、的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3）易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容

18、易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，

19、功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備PLC的發(fā)展方向隨著計算機科學的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術得到了飛速的發(fā)展，其技術和產品日趨完善。僅僅將PLC理解為開關量控制的時代己經(jīng)過去，PLC不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產的廣泛需要，而且將通信技術和信息處理技術融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個方向發(fā)展:一個是向超小型專用化和低價格方向發(fā)展;另一個是向高速多功能和分布式自動化網(wǎng)絡方向發(fā)展?？偟内厔萑缦码A：1.可編程控制技術的標準化2. CPU處理速度進一步加快3.可編程控制技術的智能化4.系統(tǒng)的開放性和兼容性5.通用性和

20、專業(yè)化的結合6.可靠性進一步提高7.控制系統(tǒng)分散化8.控制與管理功能一體化二、PLC對水塔水位的控制水塔水位控制系統(tǒng)是在我國的住宅小區(qū)中廣泛使用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)大多采用水塔、高位水箱或氣壓罐式增壓設備，用水泵高出實際用水高度的揚程“提升”水位高度，以保證有足夠的用水量。2.1水塔水位控制要求水塔水位控制系統(tǒng)如圖1所示。主要由蓄水池、蓄水池進水閥門Y、蓄水池液壓傳感器S3及S4、水泵電機M、水塔水箱以及水塔水箱液壓傳感器S1和S2組成。蓄水池的作用主要是存儲有自來水公司提供的水源并供給水塔水箱進水。液壓傳感器用來檢測蓄水池和水塔水箱中的水位高低。水泵的作用主要是把蓄水池中的水輸送到水塔

21、水箱中，以保證水塔水箱中的水位一定，滿足用戶的需要。 圖1 水塔水位模擬控制圖 蓄水池的水位控制要求當蓄水池水位低于下限水位即液壓傳感器S4為ON時，進水口閥門Y自動打開。當進水口閥門Y打開一定時間后，液壓傳感器S4仍然沒有變?yōu)镺FF，表明進水口閥門Y出現(xiàn)故障或水塔無水，蓄水池水位故障報警。當蓄水池水位達到上限水位即液壓傳感器S3為ON時，進水口閥門Y自動關閉。2.1.2 水塔水箱的水位控制要求水塔水箱的水位主要是保證用戶有一定的用水量，所以其水位不能太低，不然就不能滿足用戶的要求。當水塔水箱水位低于下限水位即液壓傳感器S2為ON時，如果蓄水池水位不低于下限水位即S4為OFF,水泵電機M自動啟

22、動。當水泵電機M自動啟動一定時間后，液壓傳感器S2仍然沒有變?yōu)镺FF，表明水泵電機M出現(xiàn)故障，水塔水箱水位故障報警。當水塔水箱水位達到上限水位即液壓傳感器S1為ON時，水泵電機M自動停車。2.2 選擇機型根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求，考慮到擴展和功能，選用一臺晶體管輸出結構的CPU224小型PLC作為控制中心，CPU224的I /O點數(shù)為24點（14入10出）。2.3 PLC輸入 /輸出信號及地址分配根據(jù)上述水塔水位控制要求的分析，PLC的輸入信號有蓄水池水位上下限液位傳感器信號，水塔水箱水位上下限液位傳感器信號。PLC的輸出信號有進水口閥門控制電磁閥、水泵電機控制接觸器、蓄水池和水塔水箱水位故障報

23、警信號燈。由上述PLC輸入 /輸出信號分析可知，選擇S7-200系列的PLC即可滿足控制要求，其輸入 /輸出地址分配如表1所示。 表1 I /O分配表 輸入信號 輸出信號 名 稱 地 址進水口閥門控制電磁閥Q0.0 系統(tǒng)啟動按鈕 I0.0水泵電機控制接觸器Q0.1水塔水位上限液壓傳感器S1 I0.1蓄水池水位故障報警燈Q0.2水塔水位下限液壓傳感器S2 I0.2水塔水箱水位故障報警燈Q0.3蓄水池水位上限液位傳感器S3I0.3蓄水池水位下限液位傳感器S4I0.4 系統(tǒng)停止按鈕I0.5 蓄水池水位故障報警復位按鈕 I0.6水塔水箱水位故障報警復位按鈕I0.72.4電氣連接圖依照PLC的地址分配表，結合系統(tǒng)的控制要求。PLC控制電氣接線圖如圖2所示。 圖2 電氣連接圖2.5 PLC水塔水位的控制程序1）系統(tǒng)控制程序為了便于系統(tǒng)控制，在系統(tǒng)中設置了一個系統(tǒng)啟動按鈕和一個系統(tǒng)停止按鈕。只有當按下系統(tǒng)啟動按鈕后，系統(tǒng)的信號才能起作用，系統(tǒng)正?？刂?；當按下系統(tǒng)停止按鈕后，整個系統(tǒng)處于停止狀態(tài)，此時只有系統(tǒng)啟動按鈕有效。系統(tǒng)控制程序如圖3所示。圖3 系統(tǒng)控制程序圖2） 閃爍報警程序系統(tǒng)中設置了兩個報警燈，為了引起操作員的注意，報警燈在出現(xiàn)報警現(xiàn)象