家用自动供水系统水位自动控制.docx
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家用自动供水系统水位自动控制
2013届毕业生
毕业设计说明书
题目:
家用自动供水系统水位自动控制
学院名称：
河南工业职业技术学院
系别：
电气工程系
班级：
电气1001班
学生姓名：
孙小欢
学号：
0401100144
指导教师：
张季萌
2013年05月2日
目次
1概述1
1.1课题研究的背景1
1.2课题的任务与要求1
2课题方案论证2
2.1控制系统的比较2
2.2系统的硬件组成2
2.3系统的技术路线3
3系统硬件电路的设计4
3.1继电器模块的选择4
3.2传感器模块的选择4
3.3电机模块的设计6
3.4PLC模块的设计8
4软件方面的设计10
4.1系统电机运行流程图10
4.2PLC程序流程图11
5系统调试12
结论13
致谢14
参考文献15
附录A系统总原理图16
附录B系统梯形图17
1概述
1.1课题研究的背景
随着人们生活水平的逐步提高，人们对生活质量的要求也不断的提高，相应的对家用自动供水系统的要求也不断的提高，新一代的家用自动供水系统也就应运而生。
老一代的自动供水系统暴露出许多的缺点，如控制精度的不达标、控制效果的不灵敏、等都会导致水资源的浪费，可见在整个水位调节的过程中，控制系统具有举足轻重的作用。
水位的稳定主要是有控制系统的稳定性来保证，所以保证系统的稳定性，设计出一款新型的自动供水系统是新时代的趋势所在。
1.2课题的任务与要求
本课程设计的题目是家用自动供水系统水位自动控制系统的设计，主要实现的任务是保证系统实现实现水位的精密控制，以及实现水位过低过高、电流过低过高的系统停机。
本课题的内容主要从硬件与软件方面来设计水位的控制系统，硬件方面要选好硬件部分的元器件，设计好系统的主控电路与辅助控制电路，设计好PLC的I/O地址分配表和I/O接口电路，从而能够达到实现系统功能的目的，而对于软件方面则主要从电机的运行流程图，PLC的内部流程图。
总体来说，设计的内容能够达到课程设计的目的，实现家用自动供水系统水位的控制系统的设计。
2课题方案论证
对于系统的总体方案设计，本节主要从控制系统的比较，系统的硬件组成以及该系统的技术路线三个方面来阐述，更为形象的说明了该控制系统的总体样式。
2.1控制系统的比较
根据现如今的水位控制系统工艺并且考虑到实用、安全、价格等多种因素，本控制系统的核心控制器主要从PLC与单片机两者来选择，下面简单介绍一下两者的特点。
PLC控制系统的特点：
（1）PLC的编程比较的容易，它拥有好几种编程语言，像顺序功能图，梯形图，指令表，逻辑功能图，特别是梯形图，比较的容易标称，对于一般的操作人员来说都能够进行编程。
（2）具有较高的可靠性，PLC作为一种通用的工业主控制器，它能够适应各种恶劣的工作环境与工作状态，且容易检修，对工业生产的出错率较低。
（3）PLC使用起来方面而且灵活，在现实生活中比较的容易控制与操作，工业生产中实际的控制需要的控制的开关量比较的多，PLC实现起来更加的容易。
单片机控制系统的特点：
（1）单片机的编程实现起来比较的困难，单片机主要使用会变或者C语言来实现，这两种编程语言应用起来比较的困难。
（2）单片机不能工作在恶劣的环境中，对环境的要求比较高。
（3）单片机的功能比较的单一，不过它的处理速度很快。
通过比较，笔者认为在现如今需要多点开关量控制的工作环境下正常工作的条件下，选择PLC比较的适合。
2.2系统的硬件组成
该家用自动供水系统水位的控制系统的硬件电路结构单元主要有以下几部分。
（1）传感器：
分别用来检测水箱的液位、电机的电压、电机的电流、电机的转速。
（2）PLC控制器：
用来接收外部开关量控制信号和传感器模拟量控制信号，进行逻辑运算、计数等处理后，以开关量输出，控制电机启动，调速和停止。
（3）交流电机：
用来控制水泵的进水量。
（4）变频器：
用来改变喂料电机的转速。
（5）继电器：
用来实现对电磁阀的控制。
（6）其它：
开关按钮、灯泡若干，开关用来控制整个系统的工作，灯泡用来显示整个系统的工作状况。
系统硬件框图如下图2-1所示。
图2-1系统的硬件组成
2.3系统的技术路线
对于自动供水系统水位的控制系统，我们不能只从系统的组成上来说明该控制系统实现的功能，还要从其技术路线上来说明一下。
下面我们来简单的描述一下其工作情况。
（1）对于水泵电机的启动与停止，可直接利用PLC的开关量去控制，其中要用到开关与继电器，很容易实现，直接利用开关按钮来实现磨辊电机的启动与停止。
（2）对于水泵电机的速度测量和控制可以利用PLC的扩展模块A/D与D/A模块来控制。
首先，通过液位传感器检测水位的高低，给出的模拟量送入PLC的内部，PLC经过处理送出模拟量的信号控制变频器，通过改变变频器的输入值来控制水泵电机的转动动速度。
当液位位于设定值以内时，正常的保证变频器的输出，当液位较高时使变频器的输出变小，使电机的转速变慢，而当液位较低时使变频器的输出变大，使电机的转速变快。
当液位高于设定最高值或低于设定最低值时，可以直接控制继电器使其线圈通或断电，进而能够控制电磁阀的通断，使电机停转，系统停止。
其中利用到了PID控制策略，能够达到系统所要求到的精度，其控制框图2-2所示。
图2-2液位的PID控制框图
3系统硬件电路的设计
本节主要从继电器模块、传感器模块、电机模块以及PLC模块等四个方面来阐述，更为形象的说明了该控制系统方案的框架结构。
3.1继电器模块的选择
欧姆龙G6D—F4B型固态继电器具有以下的特点：
（1）该继电器的内部触点间电弧处理的比较好，保证了元件的稳定性。
（2）该继电器的内部机械的噪声低，没有机械磨损，具有比较好的可靠性能。
（3）该继电器的具有很好的控制精度，较高的灵敏度。
（4）该继电器的常开常闭开关的反应速度很快。
（5）该继电器的开与关是用半导体器件来做的，所以能够拥有很长的使用寿命。
（6）该继电器具有很好的工艺水平，防震的性能好。
（7）该继电器是用绝缘材料做成的整体，具有很好的防电性能。
欧姆龙G6D—F4B型固态继电器的具体参数如表3-1所示。
表3-1欧姆龙G6D—F4B型固态继电器的具体参数
品牌名称
OMRON
所属的范围
固态继电器
产品系列
G6D—F4B
触点工作形式
常开型
额定电压
DC12V
电流的性质
直流
外形尺寸
微型
触点负载
中功率
防护的特征
敞开形式
直流电阻
2Ω
吸合电流值
1A
触点切换电压
2V
释放电流值
1A
触点间的切换电流
1A
3.2传感器模块的选择
3.2.1液位传感器的选择
本设计选用的是W2000超声波液位传感器，该传感器的的特点如下：
（1）该传感器主要是用作液位的检测，可以达到很高的精度。
（2）该传感器可以承受较为恶劣的工作环境。
（3）该传感器具有很好的性价比。
雷达式VEGAPULS67型线位移传感器的优势所在：
（1）该传感器具有自动功率调整、增益控制、温度补偿的功能。
（2）该传感器采用先进的检测技术和计算机技术。
（3）该传感器具有回波抑制的功能。
（4）传感器能够保证测量结果的真实与准确。
W2000超声波液位传感器的具体参数如表3-2所示。
表3-2W2000超声波液位传感器的具体参数
测量范围
15米
输出
4-20mA
电源
DC±24V
测量精度
±15mm
工作温度
-20℃-60℃
防护等级
IP6
3.2.2电压传感器
对于电压传感器选择HV-C04型霍尔电压传感器，该传感器具有很好的工作稳定性，具有很好的控制精度，体积小，重量轻，对于环境的要求低。
其基本的参数情况如表3-3所示。
表3-3HV-C04型霍尔电压传感器的基本参数
额定电流
15mA
额定电压
400V
输出电流
20mA
精度
0.5%
线性度误差
0.1%
反应时间
30μs
工作温度
-25℃—+70℃
工作耐压
2.5KV
供电电源
DC±12V—±15V
原边电阻
250Ω
副边电阻
120Ω
重量
30g
3.2.3电流传感器
对于电压传感器选择HZIA-C06型霍尔电流传感器，该传感器具有很好的工作稳定型，具有很好的线性性能，体积小，较轻的重量，适应于各种工作场合。
其基本的参数如表3-4所示。
表3-4HZIA-C06型电流传感器的基本参数
额定测量电流
50A
过载能力
1000A
额定输出电压
4V
精度
1%
线性度误差
0.5%
响应时间
10μs
工作温度
-20℃—+70℃
工作耐压
5KV
供电电源
DC±12V—±15V
耗电
20mA
负载电阻
5000Ω
重量
20g
3.2.4速度传感器
对于速度传感器选择HN60型霍尔转速传感器，该传感器具有较高的稳定性能，适应于很多的工作场合，结构比较的简单，重量轻，体积小。
其基本的参数如表3-5所示。
表3-5HN60型霍尔电流传感器的基本参数
输出的波形
方波
工作电压
DC24V
触发形式
钢铁齿轮
测量精度
±1个脉冲
检测距离
0.5—4mm
响应时间
10μs
工作温度
-25℃—+80℃
输出电压
<0.7V
3.3电机模块的设计
3.3.1电机模块的选择
对于水泵电机可利用基本的三相异步电机，三相异步电机具有价格便宜、运行性能较好、结构简单、制造方便等基本的特点。
水泵电机基本的参数为：
电机型号为Y-112M-4，额定电压为380V，电机的额定功率为11KW，额定频率为50Hz，额定电压为15A，额定转速为1450r/min，绝缘等级为B级绝缘，定子绕组的接线方式为△接法。
3.3.2变频器的选择
德瑞斯drs3000-v变频器是具有高度的整体模块化，较高的控制度，而且具有矢量控制的变频器，具有以下的特点：
（1）能够使电机控制系统中电机保持平稳的停机，如果点击停机按钮，则该变频器可以提供反电动势，从而使其平稳地达到停机的目的。
（2）该电机的矢量控制具有较好的精度，如果输入该电机的参数，则可以达到更好的控制效果。
（3）具有很好的调速范围和电机在低速运行时的高力矩性能。
（4）如果系统运行在矢量控制模式，系统可以达到很好的保护能力。
3.3.3系统电机控制接线图
对于水泵电机，需要有启动和停止两种状态，其调速由变频器通过模拟量的输入来改变，所以对于启动与停止状态的控制可以直接利用PLC内部的编程和外部的接线直接完成，采用星—三角启动方式，比较简单，控制可靠，需要注意的是电气控制接线图，如图3-1所示,首先三相电接入隔离开关QS1，然后接入熔断器FU1，再接入继电器KM1的常开触头，接着接入热继电器FR1，接着接入变频器Drs3000，最后接入三相电机。
其控制部分为，首先接入热继电器FR1的常闭触点，在接入急停开关按钮SB1，接着是启动开关按钮SB2，在启动按钮处并联继电器KM1的常开触点实现自锁，最后连接继电器的线圈。
图3-1水泵电机电气控制原理图
3.4PLC模块的设计
3.4.1PLC的选择
本次设计采用三菱FX2N—32MR系列PLC，它能够满足系统所需要的开关量的个数，能够满足系统所需要的模拟量输入输出的特点，能够达到系统所要实现的功能。
PLC的主要性能指标如表3-6所示。
表3-6PLC的性能指标
存储容量
PLC内部存储器的存储容量值
I/O点数
PLC外部输出端子和输入端子的数目
指令系统
PLC内部的各种控制指令
扫描速度
PLC执行一条指令所耗得时间
功能扩展能力
PLC的扩展模块，如本课程设计中采用的的FX2N—4DA模块和FX2N—4AD模块
3.4.2PLC的I/O地址分配表
PLC的I/O地址分配表如表3-7所示，系统主要通过开关量来实现对水泵电机的控制，实现数据的显示，从而达到控制系统的基本要求。
而对于控制系统中的模拟量部分，I/O分配表中将不再表示出来，主要在PLC的外部接线图中体现出来。
表3-7I/O地址分配表
I/O地址
信号名称
功能说明
X000
水泵电机停止按钮SB1
使水泵电机停止
X001
水泵电机启动按钮SB2
使水泵电机启动
Y000
水泵电机控制继电器KM1
控制水泵电机的启动和停止
Y001
水泵电机控制继电器KM2
控制水泵电机的启动和停止
Y002
绿灯
液位正常
Y003
红灯
液位超限
0#CH1
液位传感器输入端
检测料位
0#CH1
电流传感器输入端
检测水泵电机电流
0#CH2
电压传感器输入端
检测水泵电机电压是否正常
0#CH3
速度传感器输入端
检测水泵电机转速
1#CH1
电压输出端
控制水泵电机的转速
3.4.3PLC的I/O接线图
对于PLC的I/O接线图，我们可以从水泵电机分别去考虑，下面我们来分析一下喂料电机相应的PLC的外部接线图。
如图3-2所示，水泵电机的控制比较复杂，不仅需要实现水泵电机的启动与停止，还需要实现对液位的检测，然后实现对电机速度的控制，实现起来较为复杂。
SB1为系统急停按钮，SB4为启动按钮，SB5为停止按钮，通过SB4与SB5来控制水泵电机的启动与停止。
对于FX2N的外部加入了其扩展模块FX2N—4AD和FX2N—4DA，FX2N—4AD模块主要实现对液位的检测，然后通过FX2N—4AD输入到PLC中进行计算，再通过FX2N—4DA输出到变频器中，通过输入到变频器的电压或者电流来实现对电机转速的改变。
图3-2水泵电机控制部分PLC的外部接线图
4软件方面的设计
对于系统的软件方面的设计，本节主要从系统电机运行流程图、PLC程序流程图两个个方面来阐述，更为形象的说明了该控制系统软件的框架结构。
4.1系统电机运行流程图
通过对系统的介绍，我们可以很容易的理解整个系统的进程，对整个系统有个更为清晰的认识和理解。
系统刚开始先由传感器测量值与设定值比较，若高于设定值则调节输出信号使水泵电机转速降低，否则是水泵电机转速升高，满足要求即可，以实现自动控制为目的。
系统电机的运行状况，如图4-1所示。
图4-1系统电机运行流程图
4.2PLC程序流程图
如图4-3所示流程图为PLC程序流程图，主要是为了说明PLC内部的程序工作的流程。
首先PLC内部的程序要进行初始化，然后进行启动模块的实现，接着检测液位是否满足要求，进而进行液位位调节子程序，若满足则需要检测是否有停机信号与液位超限信号，若有停机信号则停机，若有超限信号则发出报警信号且停机。
图4-3PLC程序流程图
5系统调试
系统经过调试之后能够实现对水泵电机的启动与停止，能够保证系统的电压和电流的不稳定等情况下的停机，能够保证水泵入水量部分控制精度的达标、控制效果的灵敏、均匀，从而可以得到较为稳定的液位控制环境，对于系统可能出现的故障，系统有专门的正常灯与超限警报来提示，所以说该系统能够达到题目所要达到的要求，能够实现该题目所要实现的功能，能够保证系统所要达到的控制精度，很好的达到了题目的要求，很好的做到了该控制系统的控制任务，推动了家用液位控制系统的的更好的发展。
结论
随着家用家用自动供水产业的发展,可以肯定的是，液位控制系统在家用自动供水控制系统中发挥着越来越大的作用。
所设计的家用自动供水系统控制系统除满足了传统供水系统所有功能要求外,还增加了液位的PID控制和报警功能。
本课题是家用自动供水系统领域中的水位自动控制系统设计，文章首先表明当前家用自动供水控制系统正沿着模块化、智能化、人性化的方向发展，目前液位控制系统是家用自动供水系统的主要研究方向。
其后详细地研究分析了系统的总体控制框图，这对于如何更好的达到系统所要达到的要求是必需的。
在上述基础上，本人采用了三菱公司的FX2N-32MRPLC作为该控制系统的主控器，然后详细的给出了各个功能模块的原理图的和PLC的外部接线图。
但是，由于本人水平有限，本次软件设计没能够对供水系统进行更为详细的设计，只做出了流程图，同样系统存在着许多的不足，系统不能够实现远程控制，没有考虑到外部因素对传感器信息采集信号的干扰等，不过这些都是激发我进一步学习的动力。
作为一种十分人性化的安全的控制系统设计设计，家用自动供水系统已经在国外流行开来，当前磨粉机控制系统系统正沿着模块化、智能化、人性化的方向发展，在不久的将来，液位控制系统必会走进每一部自动供水系统，并扮演着越来越非常重要的角色。
致谢
时光飞逝，转眼间半个学期的毕业设计即将结束，在这半个学期中，自己感觉到去尝试一种新事物的困难与考验，其实毕业设计本来就是锻炼人的意志力的东西，所以对我们这些学死知识的大学生来说意义很大。
同时，三年的大学生活即将结束，谨在此向所有曾经关心、指导和帮助过我的亲人、师长和朋友表示衷心的感谢!
这次毕业设计是在张季萌老师的帮助与指导下完成，在此以崇高的敬意来感谢张季萌老师给与自己的教导与帮助。
老师曾教会我们要想学好东西就必须深入的去探究，而不是盲目的去参考别人的东西，回想起张季萌对待教学的态度和为人处事的方法，自己受到很大的鼓舞，对于困难，他总是勇于去探究，勇于去摸索，勇于发现问题，勇于解决问题，为人处事从不失老师的本色，处处兢兢业业。
许多东西都给我留下了深刻的印象，又成为我的另一个榜样。
在课题创作过程中，也得到了学院老师的悉心指导与帮助，在此表示诚挚的敬意。
同时也感谢那些我们共同努力、共同奋斗的同学在毕业设计与生活中给予的帮助与支持，使我认识到大学三年的美好，同时也给自己留下了太多太多的回忆。
特别的，衷心的感谢父母对我的支持、理解和鼓励，使我能够顺利完成三年的学习生活。
最后，再次对所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友表示深深的谢意。
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附录A系统总原理图
附录B系统梯形图
电机子程序如下：
电流、电压、转速信号采集程序如下：
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