基于PLC水塔水位控制的毕业设计说明.docx
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基于PLC水塔水位控制的毕业设计说明
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基于PLC水塔水位控制系统
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硕班级：
12机电14
摘要
随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。
PLC的一般特点：
抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。
PLC总的发展趋势是：
高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。
本水塔水位控制系统采用PLC为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种PLC控制的自动调节控制系统。
应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。
关键词：
高集成度通信组网水塔水位PLC
一概述
1.1水塔水位控制系统
在人们日常生产生活中，经常需要对水位进行控制，水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,并且很不稳定，而运用PLC自动控制原理利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化参数转换成相应的电信号，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置，保持水压恒定从而提高了供水系统的质量。
而且成本低，安装方便，灵敏性好，从而达到了满足企业或居民得到安全。
水在人们正常生活和生产中始终如一的起着至关重要、无可取代的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而满足及时、准确、安全、充足的供水成为人们对供水系统提出的新要求。
如果仍然使用传统的方式，不但劳动强度大，工作效率低，并且安全性难以保障，由此运用PLC自动控制原理进行自动化控制系统的改造，从而实现安全、充足、自动化的供水，具有很高的实际应用价值，对人们的生产生活具有重大意义
本设计用S7-200（CPU224）实现PLC对水塔水位的控制。
通过PLC与外围电路的配合，实现液位的分段指示，同时系统具有手动/自动两种控制方式，在自动方式下控制系统可以根据需要将水位分为多段来设定，当水位为最低限时自动启动水泵加水，当水位达到设定水位时，自动停止加水，此外系统还设有试验功能。
在水位没有达到水位开关实际动作位置的情况下，可以通过试验功能验证系统投入自动后的工作状态。
1.2PLC的特点
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
.
二水塔水位控制系统PLC硬件设计
2.1水塔水位控制系统设计要求
水塔水位控制装置如图2-1所示：
图2-1水塔水位控制装置图
水塔水位的工作方式
当水池液位低于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统发出报警，若系统正常，此时水池下限液位开关S4为OFF,表示水位高于下限水位。
当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。
当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。
当水塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S4为OFF，水泵停止。
当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。
2.2水塔水位控制系统主电路
水塔水位控制系统主电路如图2-2所示：
图2-2水塔水位控制系统主电路图
2.3I/O接口分配
水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表。
表2-1水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
输入
输出
名称
地址
描述
名称
地址
描述
SHH
I0.0
水位高位
DS1
Q0.0
水位高位指示灯
SH
I0.1
水位较高位
DS2
Q0.1
水位较高位指示灯
SL
I0.2
水位较低位
DS3
Q0.2
水位较低位指示灯
SLL
I0.3
水位低位
DS4
Q0.3
水位低位指示灯
SETHH
I0.4
设定水位高位
DS5
Q0.4
自动指示灯
SETH
I0.5
设定水位较高位
DS6
Q0.5
手动指示灯
SETL
I0.6
设定水位较低位
KM
Q0.6
水泵控制
MA
I1.0
手动/自动状态
MS
I1.1
手动启泵
MC
I1.2
手动停泵
水塔水位控制系统的I/O设备
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有6个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有14个，只需选用一般中小型控制器即可。
据此，可以对输入、输出点作出地址分配。
S7-200简介
S7—200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。
它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强，成为当代各种小型控制工程的理想控制器，本设计的PLC采用S7-200。
S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
1）极高的可靠性
2）极丰富的指令集
3）易于掌握
4）便捷的操作
5）丰富的置集成功能
6）实时特性
7）强劲的通讯能力
8）丰富的扩展模块
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。
S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。
1）集成的24V电源
可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU221和CPU222具有180mA输出。
CPU224输出280mA，CPU226、CPU226XM输出400mA可用作负载电源
2）高速脉冲输出
具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。
3）通信口
CPU221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。
CPU226、CPU226XM具有2个RS-485通信口。
支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
4）模拟电位器
CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。
模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。
如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
6）EEPROM存储器模块
可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。
7）电池模块
用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过部的超级电容存储大约5天。
选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。
电池模块插在存储器模块的卡槽中。
8）不同的设备类型
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
9）数字量输入/输出点
CPU221具有6个输入点和4个输出点；CPU222具有8个输入点和6个输出点；CPU224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。
CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。
水塔水位控制系统PLC控制的电气接线图
图2-3系统的电气连接图
三水塔水位控制系统PLC软件设计
3.1程序流程图
水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图，如图3-1所示：
图3-1水塔水位控制系统的PLC控制流程图
这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。
每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
3.2梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。
继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
梯形图编程的一般规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。
梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效围。
（2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。
但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。
（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O态”。
梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
（4）梯形图息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用:
而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。
所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。
当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀打开，开始往水池里进水；如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水池报警灯A2亮。
若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1亮，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水塔报警灯A5亮。
当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A3亮，水阀就关闭。
但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A4亮，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A6亮。
但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A3灭。
此次给水塔供水完成。
水塔水位控制系统梯形图
水塔水位控制系统梯形图，如图3-2所示：
图3-2水塔水位控制系统梯形图
（1）启停程序：
图3-3启停程序梯形图
（2）水阀控制程序：
图3-4水阀控制程序梯形图
（3）水池下限水位指示程序：
图3-5水池下限水位指示程序梯形图
（4）水池水位报警程序：
图3-6水池水位报警程序梯形图
（5）水池水位上限指示程序：
‘
图3-7水池水位上限指示程序梯形图
（6）水泵启停控制程序：
图3-8水泵启停控制程序梯形图
（7）水塔水位下限指示程序：
图3-9水塔水位下限指示程序梯形图
（8）水塔水位报警程序：
图3-10水塔水位报警程序梯形图
（9）水塔水位上限指示程序：
图3-11水塔水位上限指示程序梯形图
四水塔水位控制系统的组态设计
4.1组态软件概述
“组态”的概念是伴随着集散型控制系（简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的容。
4.2组态软件在我国的发展
组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。
但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。
究其原因，大致有以下几点：
（1）国用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；
（2）在很长时间里，国用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。
（3）当时国的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。
随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。
对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统）和CIMS（计算机集成制造系统）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。
因此，在1995年以后，组态软件在国的应用逐渐得到了普及。
4.3组态软件的功能特点发展方向
目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：
比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。
但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。
从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。
4.4建立WINCC组态画面
WINCC组态画面
打开WINCC组态软件，新建单用户项目，然后进入图形编辑管理器，建立WINCC组态画面，如图4-1所示。
图4-1WINCC组态画面
画面演示
启动仿真，运行WINCC组态画面。
点击“启动按钮”，“水阀”动作，如图4-2所示和图4-3所示：
图4-2启动初始WINCC画面
图4-3启动初始仿真画面
4秒后，若“水池低水位指示”信号未输入，则“水池低水位”报警灯报警，如图4-4和4-5所示：
图4-4水池报警WINCC画面
图4-5水池报警仿真画面
若“水池低水位”信号输入，则报警不启动，启动“水泵”，如图4-6和4-7所示：
图4-6水泵启动WINCC画面
图4-7水泵启动仿真画面
4秒后，若“水塔低水位指示”信号未输入，则“水塔低水位”报警灯报警，如图4-7和4-8所示：
图4-7水塔报警WINCC画面
图4-8水塔报警仿真画面
若“水塔低水位”信号输入，则报警不启动，如图4-9和4-10所示：
图4-9水塔低水位WINCC画面
图4-10水塔报警仿真画面
若“水塔高水位指示”信号输入，则关闭水泵，如图4-11和4-12所示：
图4-11水塔高水位WINCC画面
图4-12水塔高水位仿真画面
一段时间后，若“水池高水位指示”信号输入，则关闭水阀，如图4-13和4-14所示：
图4-13水池高水位WINCC画面
图4-14水池高水位仿真画
至此，这次基于PLC控制系统的水塔水位控制任务圆满完成。
五结论
大学三年，在毕业之际，要用我这三年所学的知识做出一个设计，来给予我这三年所学知识的一个肯定。
我做的这个题目是有关PLC与组态软件相结合的，也是将我三年所学习的知识的一个结合应用。
是这次做毕业设计给予我理论与实践相结合的机会，提高了我实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计实践。
让我更熟练的掌握PLC的编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我的专业基础。
在对组态软件的学习当中，躺卧体会到了细节界定一切的道理，刚开始做组态的时候，由于我对一些细节不加重视，当我把自己想出来一些以为是对的东西用到组态软件上，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和我想要的结果不相符合。
经过我一次次的实践，最后把正确的结果做出来时，才看到了自己的缺点。
在设计的过程中我还得到了老师的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。
但是一味依靠他人解决问题并不能帮助自己提升，很多时候，自己还是通过查资料来解决毕业设计中遇到的问题。
通过自己亲自去查找资料，不仅将自己所学的知识都进行了复习、加深理解，而且和新学的的知识有效的结合了，提升了自己。
现在我的毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次毕业设计只是对我能力的一次小小测试。
这次毕业设计教给了我在以后面对时的另一条道路——自己去寻求答案。
对我来说这次毕业设计，是一个终点，同时也是一个起点。
参考文献
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