水塔水位设计.docx
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水塔水位设计
毕业设计（论文）
题目：
水塔水位设计
系部：
电气工程与自动化
专业：
机电一体化
班级：
机电A1003班
姓名：
张超
指导教师：
宋坤伟
山西职业技术学院
毕业设计任务书
开始日期：
2012年月日
完成日期：
2012年月日
答辩日期：
2012年月日
1、设计目的
考核学生对本专业知识的掌握和应用。
2、设计题目
水塔水位设计
3、设计内容和要求
内容:
（一）使用三菱FX系列PLC为控制核心，选择电磁阀YV、交流接触器KM、热继电器FR、按钮、水位检测开关SL等作为外围控制器件，控制水泵启动和停止。
满足水位控制要求。
具体任务：
（1）进水控制。
当水池水位低于低水位界时，SL4为ON，电磁阀YV打开进水；当水位高于水池高水位界时SL3为ON；电磁阀YV关闭。
（2）报警显示。
如果电磁阀打开4s后，SL3不为ON，表示没有进水，出现故障，此时系统关闭电磁阀，指示灯HL按0.5s亮灭周期闪烁。
（3）抽水控制。
当SL4为OFF并且水塔水位低于水位界时，SL2为ON，水泵M启动运转，开始抽水；当水塔水位高于高水位界时，SL1为ON，水泵M停止运行，抽水完毕。
（二）查阅相关资料，要完成系统分析以及PLC和外接设备的选择；PLC的I/O接点分配；系统电路图；系统流程图；系统梯形图和指令表；完成程序的仿真和调试。
4、设计报告要求
（1）设计使用的PLC和外围器件选择与器件介绍。
（2）分析控制要求，绘制系统电路图
（3）确定输入输出设备以及接点分配。
（4）画出程序流程图和梯形图。
（5）指令表清单
（6）写出设计体会与建议.
5、进度要求
第一阶段：
了解工艺，查阅资料（1周）
第二阶段：
元器件选型，绘制电路图（1周）
第三阶段：
设计编程思路，编制程序（1周）
第四阶段：
总结设计中的问题，得出结论（3天）
第五阶段：
撰写论文及准备答辩（3天）
考勤要求：
每周两次讨论共4周
6、任务分配
计划进度表
日期
工作内容
执行情况
指导教师签字
11月5—10日
了解PLC的组成发展前景及应用，查阅相关资料。
11月10—13日
分析PLC的组成、分类、应用及选型规则。
11月14—18日
元器件的选择，绘制相关的电路图，以及相关的表格。
11月19—22日
了解PLC主要性能、作用有关方面的知识
11月23—25日
设计编程思路，列出编程。
11月26—27日
总结设计中的问题以及在设计中的心得体会
11月28—29日
总结并修改论文的不足之处
教师对进
度计划实
施情况
总评
签名
年月日
目录
摘要1
第一章水塔水位的PLC控制系统设计2
1.1概述2
1.2水塔水位..........................................................2
第二章水塔供水自动控制系统方案设计4
第三章水塔水位自动控制系统设计5
3.1水泵电动机控制电路的设计5
3.2水位传感器的选择6
第四章水塔水位自动控制系统的组成7
4.1系统构成及其控制要求8
4.2系统框图9
第五章PLC的设计10
5.1可编程序控制器（PLC）简介10
5.2PLC工作原理10
5.3PLC的工作过程10
5.3.1自诊断10
5.3.2与外设通信10
5.3.3输入现场状态11
5.3.4解算用户逻辑11
5.3.5输出结果11
5.4PLC的编程语言--梯形图12
第六章PLC接线14
6.1分配I/O点14
6.2I／Ｏ分配：
15
6.3程序说明16
6.4梯形图及语句表16
第七章结束语18
7.1系统的优点18
7.2结束语18
参考文献19
摘要
设计和实现了一种采用可编程序控制器为主控制机的供水控制系统。
该控制系统是在传统水塔供水的基础上，加入了PLC、传感器等器件组成，能够实现水塔水位的供水。
详细论述了系统硬件结构、操作流程和控制方法，以及各器件之间的协调控制方法，实现了对水塔水位的自动控制，提高了供水质量。
关键词：
PLC水泵传感器
第一章水塔水位的PLC控制系统设计
1.1概述
我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。
但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。
这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。
在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。
我国的供水自动化系统发展已初有成效。
供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。
我国供水行业是推动水科技产业化的龙头。
给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一。
在体制上，供水企业体制的变革已成为市场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。
优质供水是水工业市场化发展的新增长点，同时要倡导节约用水，提高水的重复利用率，并逐步建立完善的水工业学科体系。
完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。
传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应水工业发展的需要，而水工业学科体系正是在给水排水工程学科体系发展而来。
由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：
水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。
而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主学科。
1.2水塔水位控制器
（1）通过浮球开关来控制水位。
基本上有两种方式：
一种是浮球开关带着一个大的金属球，浸在水中时浮力大，可以控制两个水位，比如水满了，浮球因为浮力而上升，带动球阀运动，使阀门关闭，停止进水，当水少了，浮球下降，阀门打开，又再进水，如此循环。
这种方式较多应用在煮开水器和卫生间的冲水器上。
还有一种是带干簧管的微型浮球开关，由外面的带有磁性小浮球使杆里面的干簧管闭合，从而控制水位，多数应用在清水的水位控制，一般十几块钱就有交易了，但易受污物影响，不适用在污水上。
第二种是电缆式浮球开关，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池水位高低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。
这种水位开关价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用，有一定耐污能力。
但存在这样的问题：
浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。
使用寿命相对短些，而且多数直接接220V存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。
所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：
电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。
（2）通过电子式水位开关和搭配的水位控制器（BZ201、BZ202）来控制，电子式水位开关原理是通过电子探头对水位进行检测，再由水位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，从而实现对液位的控制。
不需浮球和干簧管,外部无机械动作,耐污耐用,不怕漂浮物影响，任意角度安装该种水位控制器有较强的耐污能力和较强的防波浪功能，适宜长时间浸在水中,工作电压是直流5-24V，很安全。
这种方式较实用，耐污，寿命长，安全。
（3）通过非接触式的水位开关来控制，液位控制器的探头产生高频超声波脉冲耦合到容器外壁。
这个脉冲会在容器壁和液体中传播，还会被容器内表面反射回来。
通过对这种反射特性的检测和计算，就可以判断出液位是否达到了液位控制器安装的位置。
液位控制器输出继电器信号，来完成对液位的监控。
主要用于监测储罐液面，实现上下限报警或监测管道中是否有液体存在，储罐材质可以是各类金属或不发泡塑料。
第二章水塔供水自动控制系统方案设计
设水塔、水池初始状态都为空着的，液位指示灯全亮。
当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，电磁阀打开，开始往水池供水，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。
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灭，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，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯灭，电磁阀就关闭，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，则水塔下限指示灯灭，水泵继续工作，在抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯灭，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，水池上限指示灯亮。
此次给水塔供水完成。
第三章水塔水位自动控制系统设计
3.1水泵电动机控制电路的设计
在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向PLC发出信息启动水泵，经过4分钟检测水塔水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向PLC发出信息控制信息停止水泵工作。
供水系统的基本原理如图3.1所示，水位闭环调节原理是：
通过在水塔中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入PLC执行程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。
图3.1水泵的控制回路图和主回路
水泵启动工作：
当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收到PLC的启动水泵指令后，电磁线圈KM2中有电流流过，电磁接触器KM2运行。
当电磁接触器KM2运行时，主电路的主触点KM2闭合，常闭触点KM2-b打开，常开触点KM2-m2闭合，当主触点闭合时，电源电压施加到电动机M上，开始运转。
当常闭触点KM2-b打开时，绿灯GN-L中无电流流过，绿灯熄灭，当常开触点KM2-m2闭合时，红灯RD-L中有电流流过，红灯点亮。
水泵停止工作：
当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收到PLC的停止水泵指令后，电磁线圈KM2中无电流流过，电磁接触器KM2恢复。
当电磁接触器KM2恢复时，主电路的主触点KM2打开，常闭触点KM2-b闭合，常开触点KM2-m2打开，当主触点KM2打开时，电源电压施不再施加到电动机M上，电动机M停止运转。
当常闭触点KM2-B闭合时，绿灯GN-L中有电流流过，绿灯点亮，当常开触点KM2-m2打开时，红灯RD-L中无电流流过，红灯熄灭。
KM1：
配线切断器是把开闭机构、后动装置等统一装到绝缘容器内的部件，它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的。
经常应用于电源电路的开闭中，当发生过载、短路等情况时自动地切断电路。
KM2：
所谓电磁接触器，就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的接触器，主要用于电源电路的开闭。
电磁接触器有主触点和辅助触点构成的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成。
FR:
热敏继电器是由加热器部分和触点机构部分组成的。
当够电流流过加热部分时，双金属片因为受热而发生弯曲，因此触点部分被打开而使电路得到保护。
3.2水位传感器的选择
根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的U9ULS——10/100系列。
U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。
具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。
在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA4/NEMA7防爆且防水的壳体中。
工作原理：
U9ULS系列是给予超声波理论工作的。
当超声波在空气中传播时，会被严重衰减。
相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。
电子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。
当另一端街道有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。
这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。
U9ULS——100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F和压力为1000PSI的情况下良好的工作。
U9ULS——10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。
控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。
输入电压
115/230VAC，50/60HZ或12/24VDC
U9ULS—10系列增益
300：
1
U9ULS—10系列增益
1000：
1
U9ULS—10系列输出
10ADPDA继电器灭火两线制，4mA-干；20mA-湿
U9ULS—10系列输出
10ADPDT继电器
延时
0.5s
重复性
2mm
外壳
NEMA4/NEMA7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。
表3.2主要技术指标
第四章水塔水位自动控制系统的组成
4.1系统构成及其控制要求
图4.1水塔水位面板图
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。
水塔水位原理：
在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号，PLC根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出，PLC在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止水泵的工作。
4.2系统框图
如下图整个系统由一个水位传感器，一台PLC和一台水泵以及若干部件组成。
安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成1-5伏的电信号；电信号到达PLC将控制控制水泵的开关。
水箱水位自动控制系统由PLC核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给PLC水泵电动机控制电路PLC控制启停及主备切换。
图4.2系统组成框图
在水塔水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信号输入PLC中，在通过PLC控制水泵的启动或关闭。
在系统运行中当水为低于最低值时PLC将启动水泵向水塔中加水，当水塔中的水达到最高值时PLC使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水。
等到水塔水位再次达到控制最低水位时系统再次重复这个过程。
第五章PLC的设计
5.1可编程序控制器（PLC）简介
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点充分利用微处理器的优点。
5.2PLC工作原理
PLC的工作方式:
采用循环扫描方式。
在PLC处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作。
5.3PLC的工作过程
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。
除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。
因此，PLC工作过程分为以下五步:
5.3.1自诊断
自诊断功能可使PLC系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。
5.3.2与外设通信
自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。
在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。
在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。
5.3.3输入现场状态
完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。
这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。
5.3.4解算用户逻辑
即执行用户程序。
一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。
解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。
在一个扫周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。
5.3.5输出结果
将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果，也称为输出刷新。
解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。
驱动用户输出设备即PLC的实际输出。
在依次完成上述五个步骤操作后PLC又开始进行下一次扫描。
如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现故障。
5.4PLC的编程语言--梯形图
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是PLC中普遍采用的一种编程方式。
梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。
不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。
梯形图有如下特点:
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个继电器为一个逻辑行，称为梯形。
每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。
（2）梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。
（3）梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。
（4）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。
所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。
（5）能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。
（6）简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。
（7）可靠性高，平均故障间隔时间（MTBF）超过20000小时。
（8）编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。
（9）体积小，价格低。
（10）可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。
（11）可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。
（12）有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。
（13）系统化，有标准外围接口模块。
（14）系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。
第六章PLC接线
6.1分配I/O点
图6.1PLC的外部接线图
S1:
水塔水位上限
S2:
水塔水位下限
S3:
水槽水位上限
S4:
水槽水位下限
M:
抽水泵
Y:
电磁阀
图6.1水塔水位系统流程图
（1）输入COM端和电源24V连接输入端和水塔水位自动控制系统输入端连接。
（2）输出COM端串联连接和电源24V连接（COM0－COM1－COM2－COM3－COM4－COM5－COM6－COM7－COM8－电源24V）输出端（OUT端）和水塔水位自动控制系统试验模板输入端相连（OUTO1－Y，OUTO2－M）。
6.2I／Ｏ分配：
输入端口
S1:
水塔水位上限
X000
输出端口
M:
抽水泵
Y000
S2:
水塔水位下限
X001
Y:
电磁阀
Y001
S3:
水槽水位上限
X002
S4:
水槽水位下限
X003
图6.2I/O分配表
6.3程序说明
（1）进水控制。
当水池水位低于低水位界时，SL4为ON，电磁阀YV打开进水；当水位高于水池高水位界时SL3为ON；电磁阀YV关闭;
（2）报警显示。
如果电磁阀打开4s后，SL3不为ON，表示没有进水，出现故障，此时系统关闭电磁阀，指示灯HL按0.5s亮灭周期闪烁;
（3）抽水控制。
当SL4为OFF并且水塔水位低于水位界时，SL2为ON，水泵M启动运转，开始抽水；当水塔水位高于高水位界时，SL1为ON，水泵M停止运行，抽水完毕。
.
6.4梯形图及语句表
图6.4梯形图
图6.4梯形图
第七章结束语
7.1系统的优点
PLC各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
针对不同的工业现场信号。
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化。
编程多采用类似继电器控制线路的梯形图形式。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，各种模块上均有运行和故障指示装置。
7.2结束语
本课题研究的主要内容是“水塔水位自动控制系统”。
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。
然后主控室再开动电机进行给排水。
很显然上述重复性的工作无论从人
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