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2013.12——2014.5

摘要

在当代社会，世界人口的不断增长和水资源的日益紧缺，日常生活和工农业中的供水问题愈发严峻，故对供水系统的水位进行精确的测量和控制越来越重要。

PLC因为有着容易编程、使用简单、方便维修、可靠度高、极强的抗干扰能力和机电一体化等特点，所以利用PLC对水位进行测量和控制有着广阔的前景。

本设计是一个基于PLC控制的供水控制系统，主控制机是PLC可编程控制器。

该设计针对性的对水塔水位自动控制系统里各个功能进行了分析，并且文中对系统各个器件的结构、操作流程，以及工作时协调控制的办法都有所讲解。

本系统在实现准确自动控制同时，还将供水的质量进行了提高。

并且此控制系统相对于传统的供水系统还有着降低劳动强度和提升劳动效率等优点。

关键词：

水塔水位控制、PLC、自动控制系统

Abstract

Incontemporarysociety,theworld'

sgrowingpopulationandthegrowingscarcityofwaterresources,thewatersupplyproblemindailylifeandindustrialandagriculturalisincreasinglysevere,sothewaterlevelforthewatersupplysystemforprecisemeasurementandcontrolofmoreandmoreimportant.PLCwitheasyprogramming,simpletouse,convenientmaintenance,highreliability,stronganti-interferenceabilityandcharacteristicsofelectromechanicalintegration,sotheuseofPLCtomeasureandcontrolthewaterlevelhasabroadprospect.

ThisdesignisawatersupplycontrolsystembasedonPLCcontrol,themaincontrolunitisPLCprogrammablecontroller.Thedesigncorrespondingtothewatertowerwaterlevelautomaticcontrolsystemineachfunctionisanalyzed,andthevariousdevicestothesystemstructure,operationprocess,andworkcoordinationcontrolmethodareexplained.Thissystemintherealizationoftheaccurateautomaticcontrolatthesametime,willalsoimprovethequalityofthewatersupply.Comparedwiththetraditionalwatersupplysystemandthecontrolsystemandthereductionoflaborintensityandimprovelaborefficiency,etc.

Keywords:

Watertowerwaterlevelcontrol,PLC,Automaticcontrolsystem

目录

中文摘要………………………………………………………………………………………1

英文摘要………………………………………………………………………………………2

目录………………………………………………………………………………………3

1绪论…………………………………………………………………………………………5

2可编程控制器………………………………………………………………………………6

2.1可编程控制器的简介……………………………………………………………………6

2.2发展历史与展望…………………………………………………………………………6

2.3PLC的基本结构…………………………………………………………………………7

2．3．1中央处理单元（CPU）………………………………………………………………8

　2．3．2存储器………………………………………………………………………………8

　2．3．3输入/输出………………………………………………………………………9

　2．3．4编程器……………………………………………………………………………10

2．3．4电源………………………………………………………………………………10

2.4PLC的运作方式…………………………………………………………………………10

2.5可编程控制器的选型……………………………………………………………………11

3PLC水塔水位控制系统方案设计……………………………………………………………13

3.1水塔水位控制系统设计…………………………………………………………………13

　3．1．1水塔水位控制装置…………………………………………………………………13

　3．1．2水塔水位的工作要求………………………………………………………………13

3.2水塔水位控制系统的电路设计…………………………………………………………14

3.3输入/输出接口分设计…………………………………………………………………14

　3．3．1水塔水位控制系统的输入/输出设备……………………………………………14

　3．3．2水塔水位控制系统的输入/输出借口分配表……………………………………15

4PLC水塔水位控制系统工作流程设计……………………………………………………16

4.1程序流程图设计…………………………………………………………………………16

4.2工作过程分析与梯形图程序设计………………………………………………………17

　4．2．1工作过程分析………………………………………………………………………17

　4．2．2梯形图程序设计……………………………………………………………………17

5组态仿真……………………………………………………………………………………21

5.1组态软件…………………………………………………………………………………21

5．1．1组态软件的概念……………………………………………………………………21

5．1．2组态软件的发展与展望…………………………………………………………21

5．1．3组态软件的功能…………………………………………………………………22

5.2WINCC组态画面仿真……………………………………………………………………22

总结………………………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………………………30

后记………………………………………………………………………………………31

1绪论

从古至今，用水、供水一直是人民生活中最不可或缺的环节之一。

我国虽然地大物博，但是人均占水资源量却仅为世界人均水平的1/4,所以生活供水如何能做到准确、安全、充足是个迫切需要解决的问题。

再者改革开放以来，我国在工业方面取得了卓著的成就，与世界上发达国家间的差距逐渐缩小。

显然科技上的开拓创新是工业蓬勃发展的核心力量，然而大家往往会忽视工业发展最重要的基础设施——给水工程。

工厂只要一断水，必将无法正常运作。

所以不论在日常生活还是生产中对于供水系统必须满足如下的基本要求：

能够随时供应充足的、水压平稳的、水质优良的生活和工农业用水。

就现在来说，给水系统作为城市重要的基础设施之一，由水泵从地下水管想城市自来水长补给，水塔、层顶水箱等作为基本储水设备给大部分的生活、工农业供水系统供水。

但控制准确度不高、能源消耗大、可靠性与抗干扰能力差等缺点都是以往传统的供水系统所不可避免的。

所以建立一个能够精确控制、可靠性高的供水系统显得日益重要。

可编程控制器（PLC）作为一种以微处理器为核心的装置，在自动化工业中有着应用广泛，PLC所具有的容易编程、可靠性高、方便维修等诸多优点，能完美的满足顺序逻辑控制应用的种种需要，所以PLC控制逐步取代传统的水位控制方式。

以往的供水系统在对容器里的水位进行自动控制时往往精准度不高，使水位总是不能控制在原本要求的位置，但采用PLC技术后很好的解决了传统供水系统里的那些问题，让水位准确的控制在要求位置。

本论文将向大家介绍“PLC基于水塔水位控制系统”的软件、硬件设计及相关内容，通过PLC控制技术与计算机技术的结合使水塔内的水位能够稳定的维持和精确的控制，同时实现更为高效的节能。

2可编程控制器

2.1可编程控制器的简介

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。

可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。

广泛应用于目前的工业控制领域。

在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。

可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。

最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（ProgrammableController），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（PersonalComputer）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。

现在工业上使用可编程逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数字或模拟输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。

PLC可接收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

[1]

2.2发展历史与展望

可编程控制器的兴起与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。

PLC源起于1960年代，当时美国通用汽车公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。

在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。

它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。

针对这些问题，美国通用汽车公司在1968年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标。

随后，美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。

由于当时系统主要用于顺序控制、只能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。

最早期的PLC只具有简易之逻辑开/关（on/off）功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。

1970年代初期，PLC引进微处理机技术，使得PLC具有算术运算功能与多比特之数字信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程序之编写。

这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的反响。

日本在1971年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的DCS-8可编程逻辑控制器，德、法在1973年至1974年间也相继有了自己的该项技术。

中国则于1977年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为MC14500。

1970年代中期，PLC功能加入远距通讯、模拟输出输入、NC伺服控制等技术。

80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

21世纪，PLC将会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；

从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；

从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；

从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

[2]

2.3PLC的基本结构

PLC其实也是一种计算机，专攻于工业控制方面，其硬件结构如下图2-1所示。

2-1PLC硬件结构

2．3．1中央处理单元（CPU）

PLC中的CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和资料，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或资料，并存入规划的暂存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与个人电脑一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的资料、控制及状态总线构成，还有周边芯片、总线界面及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

[3]

2．3．2存储器

PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。

系统程序存储器：

[4]

PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。

系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；

用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；

功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。

系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。

ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。

EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

用户程序存储器:

[5]

用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。

通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

数据存储器:

PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。

RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

2．3．3输入/输出

PLC的对外功能，主要是通过各种输入/输出模组与外界联系的，按I/O点数确定模组规格及数量，I/O模组可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模组集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入单元是用来连结撷取输入元件的信号动作并透过内部总线将资料送进内存由CPU处理驱动程序指令部分。

PLC输入模组PLC系统的架构和输入模组产品的选择端视需要被监测的输入信号位准而定。

来自不同类型被监测的传感器与流程控制之变量信号，可以涵盖从±

10mV至±

10V的输入信号范围。

输出单元是用来驱动外部负载的接口，主要原理是由CPU处理以书写在PLC里的程序指令，判断驱动输出单元在进而控制外部负载，如指示灯、电磁接触器、继电器、气（油）压阀等。

PLC输出模组在工业环境中用来控制制动器、气阀及马达等的PLC系统模拟输出范围包括±

5V、±

10V、0V到5V、0V到10V、4到20mA、或0到20mA等。

[6]

2．3．4编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

编程器有简易编程器和图形编程器两种。

简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。

图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

[7]

2．3．5电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。

PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

[8]

2.4PLC的运作方式

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，大致如下图2-2所示。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

[9]

图2-2

2.5可编程控制器的选型

PLC作为时代发展必须的产物，在世界上拥有众多的生产商,比较著名的有德国产的西门子、日本产的三菱与松下，还有美国的GE公司。

完成系统的设计主要是选型和程序设计。

在不同的系统里，有着不同的工作环境，工艺流程，对控制功能的要求，由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：

（1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。

根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数。

确定I/O的点数。

一般要留有一定裕量（约占10%），满足生产发展和工艺的改进。

（2）随着PLC功能日益完善，很多小型机也具有中、大型机的功能。

对于PLC的功能选择，一般只要满足I/O点数，大多数机型也能满足。

目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。

（3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。

在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。

不应单纯追求大容量，以够用为原则。

（4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性。

如果是单机系统控制，I/O点数不多，不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP-M系列，以及OMRONC200H系列等。

如果仅有开关量控制，可选择OMRONC系列P型机、西门子S7-200,三菱F1、FX系列等。

（5）一个企业尽量选择同一类型的PLC。

同一机型PLC模块可互为利用，便于采购管理；

同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员水平的提高；

同一机型PLC，其外围设备通用，资源共享，易于联网通信，与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统。

3PLC水塔水位控制系统方案设计

3.1水塔水位控制系统设计

3．1．1水塔水位控制装置

装置如图3-1所示：

图3-1水塔水位控制装置图

3．1．2水塔水位的工作要求

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