基于PLC的水塔水位自动控制系统之欧阳生创编.docx
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基于PLC的水塔水位自动控制系统之欧阳生创编
电气工程学院
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
设计题目：
水塔水位PLC自动控制系统
系别：
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
电气控制与PLC课程设计
基层教学单位：
电气工程及自动化系指导教师：
学号
学生姓名
（专业）班级
设计题目
水塔水位PLC自动控制系统
设
计
技
术
参
数
采取PLC构成水塔水位电气控制系统。
控制要求查阅相关文献。
设
计
要
求
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包含PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制PLC控制法度
3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。
参
考
资
料
2、图书馆各类期刊文献相关数据库
3、相关电气设计手册
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
完玉成部计划设计：
周一、二：
查、阅相关参考资料
周二至周五：
计划设计
周六、日：
设计计划完善
周一、二：
完成设计说明书
周三、四：
绘制A1设计图纸
周五：
辩论考核
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
摘要
目前，年夜量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。
因此，很多单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。
最初，年夜多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。
要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成便利。
利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。
后来，使用水位控制装置使供水状况有了修改，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很年夜的麻烦。
因此为更好的包管供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制办法已难以满足现在的要求。
本文采取的是三菱FXZN型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求阐发。
主要实现办法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，来控制水泵机电的举措，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会收回危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动。
关键词：
水位自动控制、三菱FX2N、水泵、传感器
第一章绪论
1.1本课题的选题布景与意义
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是经常使用的主要被控参数。
其中，水位控制越来越重要。
在社会经济飞速成长的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极年夜的便利，重则可能造成严重的生产事故及损失。
因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
就目前而言，大都工业、生活供水系统都采取水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。
传统的控制方法存在控制精度低、能耗年夜、可靠性差等缺点。
可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而成长起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操纵的电子装置。
鉴于其种种优点，目前水位控制的方法被PLC控制取代。
同时，又有PID控制技术的成长，因此，如何建立一个可靠平安、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
在工农业生产以及日常生活应用中，经常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。
比方自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不合，精度不合。
但其原理都年夜同小异。
特别是在实际操纵系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。
因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
采取PLC控制技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。
1.2可编程逻辑控制器简述
可编程逻辑控制器简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统成长而来，它不竭吸收微型计算机控制技术，使之功能不竭增强。
逐渐适合庞杂的电气控制系统。
PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。
具有可靠性高、抗干扰能力强、编程便利、价格低、寿命长等特点。
第二章水塔水位控制系统硬件设计
2.1基于PLC的水塔水位控制系统基来源根基理
如下图整个系统由水位传感器，一台PLC和水泵以及若干部件组成。
装置于水塔上的传感器将水塔的水位转化成15伏的电信号；电信号达到PLC将控制控制水泵的开关。
水箱水位自动控制系统由PLC核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给PLC水泵电念头控制电路PLC控制启停及主备切换。
图21基于PLC的供水系统原理框图
在水塔水位检测系统中通过液位传感器将水位信号转换为电信号输入PLC中，在通过PLC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PLC将启动水泵向水塔中加水，当水塔中的水达到最高值时PLC使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水。
比及水塔水位再次达到控制最低水位时系统再次重复这个过程。
2.2水塔水位控制系统要求
图22水塔水位控制装置图
1）水塔供水系统的一般装置如上图所示，应当坚持水池的水位在S2~S3之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为OFF，控制电磁阀掀开，开始往水池里注水，当10S以后，若水池水位没有超出水池下限液位开关S3时，则系统收回警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S3为ON，暗示水位高于下限水位。
当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭,同时检测水池液面是否会超出超上S1处，若超出，则水池水将溢出，S1液位开关为ON,向PLC收回信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。
2）坚持水塔的水位在S5~S6之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S6时，则水塔下限液位开关S6为OFF，则驱念头电M开始工作，向水塔供水，机电启动10秒后，若S6仍旧为OFF，则收回水塔下限无水报警。
当S3为ON时，暗示水塔水位高于水塔下限水位水泵继续抽水给水塔。
当水塔液面高于水塔上限水位开关S5时，则S5为ON，水泵停止抽水，同时检测水塔液面是否会超出超上S4处，若超出，则水塔水将溢出，S4液位开关为ON,向PLC收回信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。
3）当水池水位也低于下限水位时，不管水塔水位是否低于下限，机电M都不克不及启动。
2.3水塔水位控制系统主电路设计
图23水塔水位控制系统主电路
1）本次设计使用了两个水泵，通过法度控制当水塔下限无水且水池下限有水时同时启动将水池中的水抽向水塔，并通过按时在两水泵同时运行一段时间后停止其中一个水泵，通过这种工作方法可以在较年夜地减少用户缺水的情况，提高了供水的可靠性及效率，同时停止的水泵做为继续工作水泵的暗备用，在另一水泵呈现故障之后，通过PLC法度实现手动切换，这样既包管供水系统有备用水泵,又有效地避免因为备用水长期不必产生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护用度，整个供水系统性能获得极年夜提高。
2）因为本次设计选用的水泵额定功率较年夜，初始运行时的起动电流较年夜，故在主电路中设置星—三角减压变换起动电路，以避免起动时的过电流，通过软件自动实现电路切换，并且设置互锁延时法度，避免电路切换时产生三相短路事故。
另外在水泵机电供电回路中通过热继电器及熔断器设置需要的机电热呵护及过电流呵护，呵护机电的同时减小机电故障的影响规模。
2.4系统硬件元器件选择
1）PLC的选择
可编程控制器产品众多，不合厂家、不合系列、不合型号的PLC，功能和结构均有所不合，但工作原理和组成基秘闻同。
本系统为单体控制系统，对控制功能无特殊要求，同时本次设计所需输入输出总点数介于32点与48点之间，因此选用三菱公司生产的的FX2N48MR001型PLC，其具结构紧凑，价格昂贵，有极高的性价比，适用于小型控制系统的特点，该型号PLC为继电器输出型，输入输出点数各为24个点，过剩的端子作为备用。
2）水泵的选择
选择水泵的一般原则为
1、满足流量和扬程的要求；
2、水泵机组在长期运行中，水泵工作点的效率最高；
3、按所选的水泵型号和台数设计的水泵站，要求设备和土建的投资最小；
4、便于操纵维修，管理用度少。
而一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵机电在向水池抽水时消耗的能量较年夜，同时因两水泵互为备用，故综合考虑后将两水泵机电额定功率都选为11KW，型号为Y2160L6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。
水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。
3）熔断器的选择
因为熔断器熔体电流应年夜于即是两倍的机电额定电流，因此电念头供电回路选用熔体电流为50A的熔断器。
4）电子液位位开关的选择
因为本次设计中水池及水塔中各有3处需要检测水位信号，因此选用欧姆龙公司生产的61FGN–G型电极式液位开关，该种类型的液位开关作为电气性液位检测方法，被广泛用于以年夜厦、集中住宅的上下水道为主及钢铁、食品、化学、药品、半导体等各种工业、农业水、净水场、污水处理等的液面控制。
一旦电极接触到液体，通过液体可以闭合电路，根据流过的电流检知液位控制的举措原理，是以所谓的导电性液体为控制对象的液位开关。
进行检测时，直接检测液体的电极间电阻，根据年夜于或小于已设定的电阻值，来判断有无液面,61FGN–G型电极式液位开关含有三个电极正好用于本系统水位的检测，同时其ON电流在4.5mA以下且OFF电流1.5mA以下满足所选PLC的输入性能指标，故较为合适。
5）热继电器的选择
因为机电额定电流为24.23A，因此选用JR2025/5T型热继电器，整合电流为21—25A。
6）接触器的选择
同理，根据机电额定电流，并查手册后选择G2025型接触器。
2.5I/O口的分派及PLC外围接线
序号
输入信号
符号
输入端子口
1
起动按钮
SB1
X000
2
停止按钮
SB2
X001
3
手动操纵旋钮
SC11
X002
4
自动操纵旋钮
SC12
X003
5
水池高水位开关信号
S1
X004
6
水池中水位开关信号
S2
X005
7
水池低水位开关信号
S3
X006
8
水塔高水位开关信号
S4
X007
9
水塔中水位开关信号
S5
X010
10
水塔低水位开关信号
S6
X011
11
1#泵手动旋钮
SC2
X012
12
2#泵手动旋钮
SC3
X013
14
电磁阀手动旋纽
SC4
X014
15
电念头热呵护报警
KA1
X015
16
报警确认旋钮
SC5
X016
1）PLC的输入接口分派表
2）PLC的输出接口分派表
序号
输出信号
符号
输入端子口
1
1#泵接触器1
KM1
Y000
2
2#泵接触器1
KM2
Y001
3
水池高水位指示灯
HL1
Y002
4
水池中水位指示灯
HL2
Y003
5
水池低水位指示灯
HL3
Y004
6
水塔高水位指示灯
HL4
Y005
7
水塔中水位指示灯
HL5
Y006
8
水塔低水位指示灯
HL6
Y007
9
电磁阀继电器
KA2
Y010
10
机电热呵护报警指示灯
HL7
Y011
11
水池高水位报警
HL8
Y012
12
水池低水位报警
HL9
Y013
14
水塔高水位报警
HL10
Y014
15
水塔低水位报警
HL11
Y015
16
1#泵接触器2
KM3
Y016
17
1#泵接触器3
KM4
Y017
18
2#泵接触器2
KM5
Y020
19
2#泵接触器3
KM6
Y021
3）水塔水位控制器外观图如下
图24水塔水位控制器外观图
4）系统I/O硬件接线图
根据PLC输入、输出点地址分派表，水塔水位控制系统的I/O接线图如下：
图25PLC外部接线图
第三章水塔水位系统的PLC软件设计
3.1水位控制系统的流程图
3.2PLC控制梯形图
本次设计PLC梯形图如下所示
各段法度功能如下：
1）系统启动停止法度
2）手动模式自动模式选择法度
3）液位显示法度
4）水池、水塔超上限报警及机电过热报警法度
5）电磁阀控制及水池无水报警法度
6）机电M1控制法度
7）机电M2控制法度
8）水塔无水报警法度
3.3水位控制系统的具体工作过程
假设系统初始运行时水塔、水池中都完全无水，6个液位指示灯全灭。
系统启动后法度的执行是，先由PLC判断操纵人员选择的是手动操纵还是自动操纵，若为手动操纵，则由工作人员由控制按钮自行选择两个水泵机电以及电磁阀的开启与关闭，当其中一个机电呈现故障时工作人员可便利地自行切换机电。
若选择自动操纵，则水池为液位低于水池下限位时，电磁阀掀开，开始往水池里进水，如果进水超出10S，而水池液位没有超出水池下限位，说明系统呈现故障，系统就会自动报警。
若10S内水池液位按预定的超出水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯HL3亮。
此时，水池的液位已经超出了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，机电M1及M2开始同时工作并在两机电开启后10秒并延时2秒后实现星形电路与三角形电路的切换，机电全压运行向水塔供水，当水池的液位超出水池上限液位时，水池上限指示灯HL2亮，电磁阀就关闭，同时时时检测水池液位是否超出超上限，若超出，则收回超上限报警，水泵机电开启后按时10S，若水塔下限液位开关无信号输入，则收回水塔无水报警，水塔下限有水后，水塔下限液位指示灯亮，水泵继续供水给水塔，同时时时检测水塔超上限液位开关是否有信号输入，若有，则启动水塔水位超上限报警，当两水泵一起运行半小时后，水泵机电M2停止，另一水泵继续工作，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，则在自开工作的模式下重复以上工作过程直到水泵因水塔水位高于上限而停止，至此系统的整个工作过程结束。
第四章总结
通过本次的课程设计，我受益匪浅，也感到良多。
可以说是对以前学习的知识的挑战与突破。
在对这个设计的资料的搜索进行自力搜索时，对办公软件的应用有了进一步的提高。
同时在对搜集的资料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操纵的情况下，提高了实际操纵和自力解决问题的能力。
通过这次设计实践。
让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程办法，对三菱的PLC的工作原理和使用办法也有了更深刻的理解。
在理论的运用中，也提高了我的工程素质。
刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的法度运用到梯形图编辑时，问题呈现了。
转换成指令表后则显示不出很多正确的指令法度，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏入手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操纵，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的缺乏之处。
设计过程中获得老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及他人的帮忙才干把工作做得更好，古人说：
三人行必有我师、思而不学则殆。
所以说学习要善于向他人请教，学思结合。
然而由于时间仓促，水平有限，本次课题仅仅实现了初步的功能，要运用于实际，还需要很年夜的完善。
主要在调速问题上的研究，包含水位的有效可靠的自动控制。
并且系统只用到了简单的逻辑开关的控制，对PLC的许多高级指令没有应用到，同时水泵机电的备用不敷合理，没有使两台水泵完全平均地分担工作量，另外在器件选型方面较为牵强，绘图粗糙，部分法度及功能未能解释清楚，这是本次设计较为明显的缺乏，但通过这样的查缺补漏，为下次的实践提高了能力与效率。
参考文献
[1]漆汉宏编《PLC电气控制技术》北京：
机械工业出版社，
[2]三菱FX2N系列《微型可编程控制器使用手册》
[3]张万忠.《可编程控制器应用技术》.北京：
化学工业出版社，
[4]李俊季、赵黎明.《可编程控制应用技术实训指导》.北京：
化学工业出版社，
[5]张桂香.《电气控制与PLC应用》.北京：
化学工业出版社，
[6]钟肇新、范建东.《可编程控制器原理及应用（第三版）》.广州：
华南理工年夜学出版社，
[7]吕景泉.《可编程控制器技术教程》.北京：
高等教育出版社，2000
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
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