水箱水位自动控制系统设计与实施毕业设计说明书.docx
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水箱水位自动控制系统设计与实施毕业设计说明书
广西电力职业技术学院
毕业设计
题目名称水箱水位自动控制系统设计与实施
系（部）动力工程系
专业检测技术及应用
班级1115
学号109111540
姓名谢城镔
指导教师梁云岳
广西电力职业技术学院教务科研处编制
摘要
随着科学技术的发展，电器控制技术在各领域，特别是在自动控制领域取得了长足的发展，有了越来越多的应用。
PLC以可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、使用方便等优点不断发展，在处理速度、控制功能、通讯能力及控制领域等方面都有新的突破，成为工业自动化领域最重要、应用最广的控制设备之一，对国民经济建设有突出的贡献。
近年来由于PLC与其他科学技术结合，使其在各个控制领域显示了较强的应用潜力和良好的应用前景。
本毕业设计采用PLC与继电器来实现水位的自动控制以及采用热电偶与压力变送器对温度、压力的监控，系统通过手自动控制，现场内控制与远程控制使其直观地表现出水箱水位自动控制系统的功能化与优良性。
关键字：
PLC水位自动控制热电偶压力变送器
一前言..............................................................3
二设计方案..........................................................4
（一）系统说明....................................................4
（二）工作原理及原理图............................................6
（三）设备清单及I/O分配表........................................7
1设备清单..................................................7
2I/O分配表...............................................8
（四）主要设备及编程软件介绍......................................9
1西门子PLC简介............................................9
2V4.0STEP7MicroSP7编程软件简介........................10
3组态王软件简介............................................12
三实施过程..........................................................14
（一）水箱制作....................................................14
（二）管路连接....................................................14
（三）控制设备接线................................................14
（四）控制组态界面设计............................................15
（五）PLC程序设计................................................16
（六）系统调试....................................................22
（七）存在问题及解决方法..........................................22
四结论.............................................................25
五心得体会..........................................................26
致谢
参考文献与附录
前言
可编程控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
它是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于其具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业自动化的支柱产品。
近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除了许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内越来越多的设备采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。
与继电-接触器系统相比PLC控制系统更加可靠；占位空间比继电-接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于现场变更程序；便于使用，维护，维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
本控制系统模拟一般生产性企业生产用水以及居民用水系统，鉴于实际情况，我们选择了更加有挑战性的居民用水系统来设计该系统方案，根据居民生活的需要将水位分为多段来设定，即电解点接触通断，并分段显示，当水位为最低限时自动启动水泵加水，水位到达设定值时自动停止进水，并停泵；开始启动出水泵，对高水位的水箱进行排水，操作人员可以通过组态王界面控制各水泵的运行与停止，系统具有手动和自动两种控制方式。
还可以根据环境和情况的不同选取不同的控制系统。
这次设计中，我们必须解决好运行方案的制定、设备的设计与连接、组态王软件的设计等问题。
二设计方案
（一）系统说明
我们的水箱设计分为两个系统，一个是进水系统（用水箱），一个是出水系统（储水箱）。
在我们这个设计中，高立体型为用水箱，长立体型为储水箱。
假定环境为一家用户的日常用水，我们可以将自来水管和家里的用水管道接入水箱中。
根据用户的不同用水情况，我们的自动控制水箱会通过它的电接点来实现自动控制水位，当用户的用水过多时，用水箱的水位会不断下降，当下降到我们预定的水位点时，由我们原本所设定的编程指令，储水箱的水会自动加到用水箱里面去，直到水位达到我们预设的水位点才会自动停止进水，这样可以保证用户的用水需要。
我们还通过用热电偶测温和压力变送器来监控水的压力和温度等数据，以便更好地采集水资料。
因为本次毕业设计的条件限制，我们的设计只限制于水箱内部的自动调节与控制。
我们的长远设计理想是，水箱在普通用户家庭、居民小区和校舍区等领域的运用，通过与自来水管道和用户用水管道的连接。
可以保证在特定停水时期或外部自来水管道故障时期，用户不必因为没有用水而忧虑。
我们的储水箱是由外部自来水直接输送，长期处于满载状态的，在紧急时候会有充足的水来补充用水箱，以保证用户的用水需求。
本次毕业设计通过PLC226、继电器、按钮、水泵、模拟量模块、电脑、热电偶、压力变送器、24V直流电源和PLC编程软件、组态王软件来实现水箱的自动控制，以及手自动的运行工作。
组态王软件即可实现手动和自动界面控制和方案的换取控制，通过组态画面可以形象的观看水箱的运行，起到监控的作用，若水箱出现故障，从组态界面或PLC编辑程序中都可以寻找得出具体的故障点，这也是我们在该领域工作不必事必躬亲的懒人做法，不必逐个排查原因，从编程上或组态界面即可快速准确地寻找原因，有效并迅速地将故障处理。
在电脑系统崩溃或出现故障的情况下，我们有外部的手动控制按钮，通过软件外的硬件控制按钮，我们可以轻松的控制每台泵的运行。
在本次毕业设计中，我们设计了四个自动控制方案，第一个是根据用水量的不同，实现水量控制；第二个是展示进水量情况；第三个是PID控制；第四个是水位的自动控制。
下面我们来描述一下我们的四个方案。
方案一：
根据用水量不同，实现水量控制。
这个方案的进水泵是采用“低水位多进，高水位少进”的循环进出水方法，当水位达到我们预设的最高点时，其进水泵会自动停止运行，两个出水泵便会自动开启运行。
方案二：
展示进水情况，恒定水位。
该方案是自动控制系统。
属于水位恒定的运行方式。
当水位低到我们预设的最低点时，五个进水泵会自动启动进水，直到水位达到预设的最高点时，水泵停止运行，保持该最高水位，此时我们校验其运行方式，我们手动打开出水泵，其进水泵也会自动运行，始终保持该水位值。
方案三：
PID控制系统。
该系统是通过PID程序来实现的，假定我们给定系统一个水位值，系统会自动检测到该水位值与水箱实际水位值的差距，自动启停水泵来达到系统预设的效果。
该系统的出水泵是通过手动控制来实现运行的。
方案四：
水位自动控制。
该水位的进水模式是“低水位少进，高水位多进”，是模拟用户用水需求，多用多储，少用少储。
其进出水泵也是自动控制的，是随着水位增高而启动出水泵的，水位高，两个出水泵就同时运行，水位低，就只有一个出水泵运行。
当水位达到我们预设的最高水位点时，进水泵也会自动停止运行。
（二）工作原理及原理图
工作原理
由上图我们可以很直观地了解到水箱的大概设计和原理。
我们的自动化水箱，在毕业设计的实体中是一个循环的系统，“低进高，高出低”的一个不断循环的过程，初步模拟了真实的一个重视的自动控制系统。
考虑到了各种环境下的方案以及应急预案，不论是从温度还是压力，用水量的多与少，都充分满足了系统控制的要求。
我们在供水箱上截取了14个电接点，最为S7-200系列PLC226的I口输入，其O口输出到继电器的线圈，继电器的常开连接到水泵的电源线另一端与电源的一端，水泵的另一端直接接入电源，当线圈接收到O口的输出信号时，常开闭合，水泵通电运行。
在通过不同的方案，输入不同的信号来控制水泵的启停，这便是我们的系统控制原理。
（三）设备清单及I/O分配表
1.设备清单
设备名称
数量
1电脑
1台
2空气开关
1个
324V直流电源
1个
4接线端子排
2个
5电源排插
1个
6PLCS7-200系列226
1个
7PLC模拟量模块
2个
8潜水泵
7台
9继电器（带座）
7个
10PVC管
3.5米
11PVC管阀
7个
12PVC弯头
20个
13PVC管夹
14个
14不锈钢螺栓
15个
15卡条
1条
16有机玻璃
1.5平方米
17热电偶测温
1个
18压力变送器
1个
2.I/O分配表
I
O
I0.3
Q0.0#1泵进
I0.4
Q0.1#2泵进
I0.5
Q0.2#3泵进
I0.6
Q0.3#4泵进
I0.7
Q0.4#5泵进
I1.0
Q0.5#1泵出
I1.1
Q0.6#2泵出
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I1.6
I1.7
（四）主要设备及编程软件介绍
1.西门子PLC简介
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力好，功能更强，可靠性高等优点。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
1.1详细介绍
1.1.1SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
1.1.2SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：
超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。
具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
1.1.3SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
1.2优点：
1.2.1可靠性：
PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。
它的连线大大减少。
与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
Plc采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。
例如：
冗余的设计。
断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。
PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言。
编程出错率大大降低。
1.2.2易操作性：
PLC有较高的易操作性。
它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。
对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。
PLC有多种程序设计语言可供使用。
用于梯形图与电气原理图较为接近。
容易掌握和理解。
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。
1.2.3灵活性：
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。
操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。
2.V4.0STEP7MicroSP7编程软件简介
STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
2.1基本功能：
STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。
适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。
支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。
具有密码保护功能。
STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。
这些特征包括：
监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
指令向导功能：
PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。
支持TD200和TD200C文本显示界面（TD200向导）。
2.2其他功能：
（1）运动控制
S7-200提供有开环运动控制的三种方式：
脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。
脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制。
EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。
为了简化您应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。
该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。
对于位控模块，STEP7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。
（2）创建调制解调模块程序
使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP7-Micro/WIN的通讯。
该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。
STEP7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助您设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。
（3）USS协议库
STEP7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。
通过USS指令，您可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
当您选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。
（4）Modbus从站协议指令
STEP7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。
使用Modbus从站协议指令，您可以将S7-200组态作为ModbusRTU从站，与Modbus主站通讯。
可以在STEP7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。
通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。
当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到您的项目中。
（5）使用配方
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
配方存在存储卡中，而不是PLC中。
STEP7-Micro/WIN软件和S7-200PLC已经支持配方功能。
STEP7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助您组织配方和定义配方。
所有配方存在存储卡中。
因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。
要查阅关于存储卡的更多信息。
（6）使用数据归档
STEP7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。
将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。
（7）PID自整定和PID整定控制面板
S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。
这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。
可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。
在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。
PID自整定算法向您推荐增益值、积分时间值和微分时间值。
您也可以为您的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。
用PID整定控制面板，您可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。
控制面板会显示所有可能发生的错误和警告信息。
它也允许您将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。
2.3组态王软件简介
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。
该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。
组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。
组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。
组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。
此外，还可以实现值的行列统计功能。
组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：
IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。
组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。
KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。
具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000条记录的强大功能。
能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
三实施过程
（一）水箱制作
水箱的主体材料是由1.5平方米的有机玻璃、3.5米的PVC管、7个PVC管阀、2
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