水塔水位自动控制装置.docx
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水塔水位自动控制装置
四川理工学院
毕业设计（论文）说明书
题目：
水塔水位自动控制装置
系另电子与信息工程系
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
教研室：
电子教研室
提交时间：
2006年6月8日
摘要
本控制系统主要由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、报警模块和电机控制模块
五部分组成。
其中传感器模块将检测到的水位信号转换为电压信号，送入PLC模块进行
分析处理后，输出信号去控制数码显示模块、电机控制模块和报警模块装置工作；而数码显示模块部分由CD7448和LED数码管构成，完成当前水位的数码显示；报警模块是由基于555组成的音频多谐振荡器和扬声器构成，完成水位不正常时候的报警功能；电
机控制部分直接受PLC输出的作用而实现对水塔水位的控制。
本设计论文的第一章提出并论证了设计方案，第二、三、四章为系统设计。
关键词：
水塔水位，传感器，PLC，CD7448
ABSTRACT
Theautomaticcontrolsystemismainlycomposedofsensorsmodules,PLCmodules,digitalmodulesshow,warningmoduleandelectricalcontrolmodulefiveparts.ThesensormodulewillbetestedtothewaterlevelsignalsintovoletsignalprocessinganalysisintoPLCmodule,exportcontroldigitalshowmodule,electricalcontrolmoduleandwarningmodule;AnddigitalmodulesshowninpartbyCD7448digitalledcontrolandacompletedigitalshowsthecurrentwaterlevel;warningmodulebasedonthecompositionofthe555audioloudspeakersandamulti-standardoscillator,thenormaltimetocompletethewarningwaterlevelisnotfunctional.ElectricalpartsdirectlyaffectedbythePlccontrolandtheroleofexportcontrolstoachievewaterlevelsincoolingtowers.Thefirstchapterofthisthesisthedesignoftheproposeddesignandverificationprogramme,two,three,fourchaptersforsystemdesign.
KEYWORDS:
Watertowerwaterlevel,sensors,PLC,CD7448555
ill
摘要II
ABSTRACTIII
刖言1
第1章方案论证与总体设计2
1.1论文的设计思路2
1.2基本框图的设计方案与论证2
第2章传感器与测量技术4
2.1传感器的定义与组成4
2.2压阻式传感器4
第3章水塔水位的PLC控制7
3.1PLC可编程序控制器的概述7
3.2三菱F1系列PLC的型号及可靠性设计8
3.3水塔水位的PLC电气设计原理13
3.3.1水位自动控制装置的技术指标及设计要求：
13
3.3.2水塔水位的PLC系统设计13
3.3.3水位控制的电机控制部分19
3.4数码显示部分20
第4章音频脉冲的形成及报警23
4.1555构成的多谐振荡器23
4.2用555构成的成的音频报警电路24
结束语26
致谢27
参考文献28
附录一：
PLC指令代码29
附录二：
MPM416W/426型投入式液位变送器33
附录三：
三菱F1系列PLC技术指标35
大多直接采用继电器控制生产设备，这样的系统设计花费的时间不但很多，而且系
统的维护和变更都很不方便。
而在社会发展的今天，控制系统的结构越来越复杂，功能越来随着科学的不断发展，社会在不断进步，人们的生活水平也在不断提高。
从远古的石器时代到上个世纪的机械时代，经历了无数的风吹雨打。
而在二十一世纪的今天，社会生产也正由标志性的机械化设备向程控设备过度。
由于程控技术在处理和传输信息方
面的各种优点，使程控技术的使用已渗透到人类生活的各个领域。
因此，如何对程控系统设计也便成为自动控制系统设计领域研究的热点课题。
现代的控制系统设计越来越趋近于自动化、智能化。
所以，用继电器来研究设计系统，很难满足于生产的要求。
因此，我们需要找到新的设计方法来进行控制系统设计，以提高控制系统的设计效率。
可编程序控制器（ProgrammableController,PCorPLQ的出现满足了人们对现代控制系统设计的要求。
PLC随着微电子技术和计算机技术的发展而迅速发展，现代可编程序控制器实际上是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术与自动控制技术结合的产物。
本文详细介绍了基于PLC的自动控制系统的设计方法。
利用基于PLC的系统设计方法，设计者只需对系统功能进行描述，就可在PLC的帮助
下完成系统设计。
这样大幅度度地缩短了设计和开发时间，降低了成本，提高了系统的可靠性。
在本文的第三章详细的介绍了基于PLC的自动控制系统的设计实利一一水塔水位
自动控制系统。
在设计中我们可以看到，在整个系统的功能设计中，设计者只需对相应PLC程序进行设计，PLC输出端口所输出的信号直接送至接触器或者相应放大、译码环
节进行控制系统的设备动作。
这种设计方法在很大程度上简化了设计工作，大大提高了设计效率。
高速发展的可编程逻辑器件为自动控制技术的不断进步奠定了坚实的物理基础。
以
大规模可编程序控制器物质基础的自动控制技术打破了软硬件之间的界限，使硬件系统
软件化，这已经成为现代电子设计技术的发展主流。
第1章方案论证与总体设计
1.1论文的设计思路
对本设计的主要思路如图1-1所示,
1尼浮千讦关式水位控制系続图
图1-1基本设计思想
系统基本设计思想是：
由传感器检测出水塔系统水位高度h，送入控制装置中进行信
号处理，结果分别送至电机控制设备、显示设备和报警设备，并控制其工作
1.2基本框图的设计方案与论证
1、系统检测装置的设计方案:
方案一：
如图1-2所示，该系统是传统的浮子开关式水位检测控制原理示意图。
当Q2输出使水位h下降时，水面浮子随水位下降，带动转轴顺时针转动。
同时使连在转轴上的阀门打开Q1向水池中补水。
当水位h上升至某一高度时，浮子也随着上升并推动转轴向逆时针转动使阀门关闭，Q1停止供水。
但是这种浮子式控制系统采用机械结构，维护起来不方亍便，而且也难于实现显示和报警的控制。
故这里不宜采用这种控制方式来对所给出的任务进行设计。
方案二：
根据题目要求可以用压阻式传感器，也可以用超声波传感器来实现对当前水位的检测。
超声波传感器是一种正在发展中的新型技术，其运用条件还不成熟。
超声波传感器的入射角、折射角和反射角的参数难以计算，价格也较为昂贵，所以我们这里不
选用其作为系统的检测装置。
压阻式传感器主要是利用水压来检测当前水位高度h,它
的主要功能是将检测到的水位信号h转换成电压信号。
在价格与性能上比较适合我们的设计要求，所以我们在本设计中采用这种类型的传感器作为水塔系统的水位检测装置。
2、系统控制装置的设计方案：
方案一：
使用一般集成电路实现系统的控制过程。
利用专用的数据比较集成电路实
现对传感器输出的电压信号与现行值的比较处理，一部分实现对电机的控制，另一部分将比较结果按照一定的比例完成对电压信号到水位高度h的转换，实现对当前水位的数
码监视。
但这种控制方式的可靠性与灵活性比较低，具体电路实现起来也比较困难。
故不能采用这种控制方式来实现本设计的要求。
方案二：
基于可编程序控制器PLC的水位自动控制装置，如图1-3所示。
图1-3基于PLC的水塔水位自动控制装置框图
该系统由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、音频报警模块和电机控制模块
五部分组成。
控制装置功能主要在上图中的PLC模块中实现。
PLC模块主要由扩展接
口和基本单元两部分组成，由传感器输出的电压信号由扩展接口进行A/D转换后送入
基本单元进行数据还原和数据比较处理，分别输出控制数码显示模块、控制电机模块和报警模块，使其工作而完成设计要求。
本设计系统结构简单，维护方便，工作可靠，性价比优良。
因而，我们采用此方案对水位系统进行设计。
该系统在满足了水位自动控制的同时，实现了水塔水位的智能化。
在后面的章节中，我们将对以上各个模块分别在以后章节进行逐一介绍。
第2章传感器与测量技术
2.1传感器的定义与组成
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
组成框图见图2-10
敏感元件：
它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：
敏感元件的输出就是它的输入，它把输入抟换成电路参量。
转换电路：
一般是指能把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
信号调节与转换的电路选择要视传感元件的类型而定，常用的电路有弱信号放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器等。
2.2
压阻式传感器
2.2.1基本工作原理
根据式
R/、I
RT（12听
（2-1）
式中，』项，对金属材料，其值很小,
P
很大，半导体电阻率的变化为
可以忽略不计，对半导体材料，•项
pnp
P
式中口为沿某晶向的压阻系数，
硅材料，n1（4080）1011*n，
冗乓—
（T为应力,
（2-2）
Ee
1.67
Ee为半导体材料的弹性模量。
如半导体
10mN，则一k050:
100，此
例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数（1+2卩）大很多。
可近似认为
%%。
当硅膜比较薄时，可以略去沿硅膜厚度方向应力，三维向量就简化成了一个二维向量，任何一个膜上的电阻在应力作用下的电阻相对变化为：
式中婀一一纵向压阻系数
兀一一横向压阻系数
込——纵向应力
迅——横向应力
2.2.2温度误差及其补偿
因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
压阻式传感器的电阻值及灵敏系数随温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移。
压阻式传感器一般扩散四个电阻，并接入电桥。
当四个扩散电阻阻值相等或相差不大，温度系数也一样，则电桥零漂和灵敏度漂移会很小，但工艺上很难实现。
电桥的电源回路中串联的二极管直是补偿灵敏度温漂的。
二极管的PN结压降为负温度特性，温度每升高1C,正向压降减小1.9〜2.4mV。
若电源采用恒压源，电桥电压随温度升高而提高，以补偿灵敏度下降。
所串联二极管数，依实测结果而定。
02.3JIP1H26卩型投入式複便变送器
2.2.4MPM426W型投入式液位变送器
如图2.3所示，MPM426W型投入式液位变送器是麦克公司的物位测量产品。
它通过压阻式压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流（或电压）信号输出，建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的测量。
MPM426W为一体化结构，传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，无需外部调校。
传感器其他性能指标见附录二。
MPM426W用途该产品由高性能扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件、精度高、体积小、使用方便，直接投入水中，可以测量出变送器末端到液面的液位高度。
在本设计中，我们选用MPM426W[0〜10mH2O]12F22Yic1
其中MPM426W:
表示麦克传感器公司生产的传感器的系列型号;
[0〜10mH2O]:
表示传感器测量水位的量程为0〜10m;
12:
表示电缆线的长度；
F:
表示输出电压为1〜5VDC;
22:
表示结构材料，其隔离膜片为316L不锈钢，接口为不锈钢，壳体为不锈钢；
Y、i、c1:
表示附加功能的代号：
丫——表示接线盒，
i――本安防爆型ianCT6,
c1――表示M20X1.5外螺纹接口；
通过以上数据可以计算出传感器在各个参考水位时输出的电压：
当水位为下限水位
2m
时,
传感器输出电压
V2=
/4
1=1.8V;
10
当水位为上限水位
6m
时,
输出电压为V6
6
41
3.4V;
10
当水位为警告水位
1m
时,
输出电压为y
1
41
1.4V;
10
当水位为警告水位
7m
时,
输出电压为V7
1_
41
3.8V。
10
第3章水塔水位的PLC控制及数码显示部分设计
3.1PLC可编程序控制器的概述
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电
路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
我国市场上流行的有如下
几家PLC产品：
⑴施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、
Premium、Momentum等产品;
（2）罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；
（3）西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；
（4）GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。
PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。
3.1.1PLC的分类
PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。
按I/O点数分，可分为：
*微型PLC:
32I/O
*小型PLC:
256I/O
*中型PLC:
1024I/O
*大型PLC:
4096I/O
*巨型PLC:
8195I/O
3.1.2PLC的功能描述
为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。
指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。
细分一般PLC的指令系统有：
基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。
另外PLC还提供了充足的计
时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。
3.2三菱F1系列PLC的型号及可靠性设计
3.2.1F1系列PLC的型号
F1系列PLC的基本单元和扩展单元的型号，由字母和数字组成，形式如下:
F1iIEE
其中：
F1为三菱公司PLC系列型号
—一表示输入和输出的总点数；
—一表示本单元的种类：
M基本单元，E扩展单元；
表示输出方式：
R—继电器输出，T—晶体管输出，S—可控硅输出。
例如F1—40MR表示是F1系列PLC的基本单元，I/O总点数为40点，采用继电器输出方式。
F1—20ER表示是F1系列的PLC扩展单元，I/O总点数为20点，采用继电器输出方式。
F1系列PLC的CPU为8039单片机，F1系列的最大I/O点数为120点，指令的平均执行时间为12us，用户程序存储容量为1000步。
其主要技术性能指标有硬件指标和软件指标，见附录三各表中列出。
3.2.2可编程控制器的可靠性设计
1、输入输出配线
输入端或输出端接有感性元件时，应在它们两端并联续流二极管（对于直流电路）或阻容电路（对于交流电路），以抑制电路断开时产生电弧对PLC的影响。
当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时可能出现错误的输入信号。
可以在输入端
并联旁路电阻，以减小输入电阻。
旁路电阻的阻值R由下式确定：
R（Un/In）I/[R+（Un/In）]式中：
I为传感器漏电流，Un、In分别是PLC的额定输入电压和额定电流，Ul是PLC输入电压低电平上限值。
2、系统接地设计
在实际控制系统中，接地是抑制干扰、使系统可靠工作的主要方法。
在设计中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。
接地设计有两个基本目的：
消除各路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压，避免磁场与电位差的影响，使其不形成环路。
如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声偶合。
理想的情况是一个系统的所以接地点与大地之间阻抗为零，但这是难以做到的。
在实际接地中总存在在连接阻抗和分散电容，所以如果地线不佳或者接地点不当，都会影响接地质量。
为保证接地质量，在一般接地过程中要求：
接地电阻一般小于4Q;要
保证足够的机械强度；要具有耐腐蚀及防腐处理；在整个工厂中，可编程控制器组成的控制系统要单独设计接地。
324模拟量输入、输出功能指令
在未具体介绍模拟量输入、输出功能之前，先介绍模拟控制单元F2—6A—E的技术
特性及扩展配置方案
1、模拟控制单元F2—6A—E的技术特性与扩展连接
F2—6A—E模拟量单元是F1、F2系列的外接扩展单元。
他有4路模拟量输入和2
路模拟量输出，并且不占用基本单元的I/O点数，它的技术特性见表3-1所示
表3-1模拟控制单元F2—6A—E的技术特性
类别
模拟输入
模拟输出
输入电压:
DC0〜5V（内阻200kQ）
输出电压：
DC0〜5VDC0〜10V
输入电压:
DC0〜5V
外部回路电阻：
500Q〜1MQ
信号类别
输入电流:
DC0〜20mA（内阻25
输出电流：
DC0〜20mADC4〜
Q）
20mA
输入电流:
0〜200mA（内阻250Q）
外部回路电阻：
0〜500Q
通道
4路通道，
各通道可任选输入类型
2路通道，各通道可任选输出类型
数据形式
8位二进制数被送到PLC后，即被
处理为0〜255的3位BCD码
通过PLC可以把0〜255的3位
BCD码固定值转变为二进制值
隔离方式
光电隔离
光电隔离
精度
电压输入：
土5（±5/255）V
电压输出：
土120mV
电流输入：
土5（±5/255）mA
电流输出：
土0.24mA
转换速度
电压输入：
500US/CH
电流输入：
500us/CH
电压输出：
300us/CH
电流输出：
300us/CH
4通道的模拟量输入和2通道的模拟量输出有不同的状态方式，可以根据需要来设定。
在连接各个模拟量输入、输出通道时，均可选用I/O电压状态方式和I/O电流状态
方式。
就某一通道而言，可允许许多信号输入到该点，但是只能采用固定的一种状态方
式，即I/O电压状态方式或I/O电流状态方式。
在F2—6A—E模拟量单元中模拟信号和数字信号之间采用了光电耦合器加以隔离，而在模拟信号的各个通道之间是没有隔离的。
F1系列PLC允许扩展F2—6A—E的连接方式如图3.1所示。
卜12UKR帕
FI-題rtIH—臭*
■100
图3.1模拟量单元的允许配置
2、模拟量输入模块的主要技术性能
模拟量转换为二进制数字量时会发生量化误差，存在着分辨率问题。
显然，误差的大小取决于转换后数字量的位数，所以分辨率通常用二进制数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。
分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应，分辨率为12位，表示它对满量程的1/212=1/4096的增量作出反应。
所以，又可用二进制数字量最低位具有的权值来表示分辨率。
如8位、10位、12位等的
分辨率又可表示为1/256、1/1024、1/4096。
例:
本文所测试的水位信号，传感器测量范围为1〜10m，经压阻式压力传感器将其变换成一个电压信号，相应变化范围为1〜5V，连接到三个不同的模拟量输入模块
的接线端。
若这三个模块采用的模数转换位数分别为8位、10位、12位，它们的温度、
电压分辨率分别为多少？
解：
温度、电压、数据之间的关系如下表:
水位（米）
电压（VDC）
数据（8位）
数据（10位）
数据（12位）
1
1
0
0
0
10
5
255
1023
4095
当采用8位的模拟量输入模块进行A/D转换时：
水位分辨率=（10-1）/255=0.035（m）
电压分辨率=（5-1）/255=0.0157（V）=15.7（mV）
当采用10位模拟量输入模块进行A/D转换时：
水位分辨率=（10-1）/1023=0.009（m）
电压分辨率=（5-1）/1023=0.0039（V）=3.9（mV）
当采用12位模拟量输入模块进行A/D转换时：
水位分辨率=（10-1）/4095=0.002（m）
电压分辨率=（5-1）/4095=0.98（mV）
可见，以上器件的测量误差较小。
因此，用F1系列的PLC已经能够满足系统控制的需要。
3、模拟量输入、输出功能指令
1F670K85：
该指令的功能是从模拟量单元中读取数据，其用法如图3.2所示。
其中F671K后用于设定模拟量输入通道，图3.2中412分别为：
“4”表示接主机400号扩展口，“1”表示A/D转换，“2”表示第2号模入通道；F672K后用于设定存A/D转换后数字的数据寄存器号。
当该指令执行时，连接到基本单元400号扩展口的模拟
量单元的第2号通道的模拟量输入信号在模拟量单元内部被转换成8位二进制数，而
后利用这条指令把它转换成0〜255的BCD码数据，存储在数据寄存器D730中。
当模拟量单元的通道号设定错误，或者数据寄存器设定不正确，该指令则不被执行，并且接错误标志位M570。
2F670K86：
该指令用于数据寄存器中的数据传送到模拟量单元，其用法如图3.3
所示。
图3.3中，F671K后用于设定数据寄存器号，F672K后用于设定模拟量输出通道。
图3.3中400分别表示：
“4”为接主机400号扩展口，中间一个“0”表示D/A转换，后一个“0”表示第0号输出通道；当该指令执行时，数据执行时，数据寄存
器D700中的内容被转换成二进制数值传送到模拟量单元，
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