基于PLC的水塔水位自動控制的設(shè)計

1、編號：_商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 基于PLC的水塔水位自動控制的設(shè)計 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 電子信息工程與技術(shù) 學(xué)生姓名 姚抗 成 績 指導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jī)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(diào)試11結(jié)束語12參考文獻(xiàn)13致謝14誠信聲明概述可編程控制器(PLC)是以計算機(jī)技術(shù)為核心的通用自動化控制裝置,它的功能性強(qiáng),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(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,被譽為當(dāng)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(shù)需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進(jìn)步。水塔水位的監(jiān)測和控制，再也不需要人工進(jìn)行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應(yīng)用價值。水塔水位自動控制器，具有適應(yīng)各種液體液位的檢測和控制的功能，設(shè)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(chǎn)的產(chǎn)品。關(guān)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(shè)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制技術(shù)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(gòu)成的自動控制水塔系統(tǒng)已在住宅小區(qū)中廣泛應(yīng)用?？删幊炭刂破魇窃诶^電器控制的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的以微處理器為核心，集微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為一體，以工業(yè)自動化控制為目標(biāo)的新型控制裝置，目前已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通運輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為各行業(yè)的通用控制核心產(chǎn)品。正在向更加可靠、操作簡單、通用性強(qiáng)、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(shè)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(jìn)水使用。由于當(dāng)前可編程序控制器(PLC)技術(shù)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(jī)技術(shù)的通用工業(yè)自動化裝置，近幾年來，在國內(nèi)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(shù)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(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)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(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)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(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控

8、制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。PLC的種類很多，其實現(xiàn)的功能、內(nèi)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(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是按照結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模、實現(xiàn)的功能進(jìn)行大致的分類。1）按結(jié)構(gòu)形式分類PLC按照硬件的結(jié)構(gòu)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(gòu)成上具有一定的靈活性，其規(guī)?？梢韵衿捶e木一樣的進(jìn)行組合，構(gòu)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(jī)體內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)的特點是：結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(gòu)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(jìn)行登記，使PLC對安裝在個總線上的模塊進(jìn)行確認(rèn)。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(gòu)成靈活性高，可構(gòu)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(jī)三類。低檔機(jī)：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(shù)、數(shù)據(jù)傳送和比較、通訊、遠(yuǎn)程和模擬量處理功能。中檔機(jī)：除具有低檔機(jī)的功能外，還具有

11、較強(qiáng)的算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程、通訊、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機(jī)：除具有中檔機(jī)的功能外，還具有帶符號數(shù)的算術(shù)運算、矩陣運算。函數(shù)、表格、CRT顯示、打印機(jī)打印等功能。一般地，低檔機(jī)多為小型PLC，采用整體式機(jī)構(gòu)；中檔機(jī)可為大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整體式結(jié)構(gòu)，中型和大型PLC多采用組合式結(jié)構(gòu)；高檔機(jī)多為大型PLC，采用組合式結(jié)構(gòu)。目前，在國內(nèi)工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的是中、低檔機(jī)。1.2 PLC的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入/輸出接口、電源、編程器擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個

12、主要部分組成。1.主機(jī)主機(jī)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(jìn)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(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)備（如編程器、電腦、打印機(jī)等）的請求以及進(jìn)行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)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(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。2輸入接口/輸出（I/O）I/O接口是PLC與輸入/輸出

13、設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關(guān)等）的控制信號。輸出接口是將主機(jī)經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設(shè)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(shù)指標(biāo)，通常小型機(jī)有幾十個點，中型機(jī)有幾百個點，大型機(jī)將超過千點。3電源 電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設(shè)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(shè)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(diào)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(jī)相連。然后敲擊鍵盤。并利用專用的工具軟件進(jìn)行電腦編程和監(jiān)控。5輸入/輸出擴(kuò)展單元I/O擴(kuò)展接口用于連接擴(kuò)充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴(kuò)展單元與基本單元（即主機(jī)）。6外部設(shè)備接口此接口可將編程器、打印機(jī)、條碼掃描儀等外部設(shè)備與主機(jī)相聯(lián)，以完成相應(yīng)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(jìn)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(zhuǎn)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(jié)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?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i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(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)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(jié)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(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)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(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)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(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)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(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)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(guān)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(yīng)用軟件中，應(yīng)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(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。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(qiáng)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(chǎn)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(lǐng)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(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)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(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容

18、易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)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(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)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(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)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(jī)械內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備PLC的發(fā)展方向隨著計算機(jī)科學(xué)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(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。僅僅將PLC理解為開關(guān)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(chǎn)的廣泛需要，而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)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(luò)方向發(fā)展?？偟内厔萑缦码A：1.可編程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化2. CPU處理速度進(jìn)一步加快3.可編程控制技術(shù)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(jié)合6.可靠性進(jìn)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(shè)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(jìn)水閥門Y、蓄水池液壓傳感器S3及S4、水泵電機(jī)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(jìn)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(dāng)蓄水池水位低于下限水位即液壓傳感器S4為ON時，進(jìn)水口閥門Y自動打開。當(dāng)進(jìn)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(jìn)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(dāng)蓄水池水位達(dá)到上限水位即液壓傳感器S3為ON時，進(jìn)水口閥門Y自動關(guān)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(dāng)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(jī)M自動啟

22、動。當(dāng)水泵電機(jī)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(jī)M出現(xiàn)故障，水塔水箱水位故障報警。當(dāng)水塔水箱水位達(dá)到上限水位即液壓傳感器S1為ON時，水泵電機(jī)M自動停車。2.2 選擇機(jī)型根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，考慮到擴(kuò)展和功能，選用一臺晶體管輸出結(jié)構(gòu)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(jìn)水口閥門控制電磁閥、水泵電機(jī)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(jìn)水口閥門控制電磁閥Q0.0 系統(tǒng)啟動按鈕 I0.0水泵電機(jī)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(fù)位按鈕 I0.6水塔水箱水位故障報警復(fù)位按鈕I0.72.4電氣連接圖依照PLC的地址分配表，結(jié)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(shè)置了一個系統(tǒng)啟動按鈕和一個系統(tǒng)停止按鈕。只有當(dāng)按下系統(tǒng)啟動按鈕后，系統(tǒng)的信號才能起作用，系統(tǒng)正常控制；當(dāng)按下系統(tǒng)停止按鈕后，整個系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(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(shè)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