燕山大学水塔水位PLC自动控制系统.docx
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燕山大学水塔水位PLC自动控制系统
电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：
水塔水位PLC自动控制系统
系别：
电气工程及自动化系
年级专业：
11级应用电子
学号：
学生姓名：
指导教师：
郭忠南等
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
电气控制与PLC课程设计
基层教学单位：
电气工程及自动化系指导教师：
郭忠南等
学号
学生姓名
（专业）班级
11应电1班
设计题目
水塔水位PLC自动控制系统
设
计
技
术
参
数
采用PLC构成水塔水位电气控制系统。
控制要求查阅相关文献。
设
计
要
求
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制PLC控制程序
3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。
参
考
资
料
1、《PLC电气控制技术》漆汉宏主编机械工业出版社2008
2、图书馆各类期刊文献相关数据库
3、相关电气设计手册
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
完成全部方案设计：
周一、二：
查、阅相关参考资料
周二至周五：
方案设计
周六、日：
设计方案完善
周一、二：
完成设计说明书
周三、四：
绘制A1设计图纸
周五：
答辩考核
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科
摘要
随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。
PLC的一般特点：
抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。
PLC总的发展趋势是：
高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。
目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。
利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。
后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。
因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。
本课题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。
该控制系统是一种PLC控制的自动调节控制系统，在传统水塔供水的基础上，采用PLC为控制核心、变频器等器件组成，利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示，同时具备开启和全部停止功能，能够实现水塔水位的供水，应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。
[关键词]水位控制、PLCfx2n自动控制
目录
摘要1
第一章绪论3
1.1概述3
1.2可编程序控制器（PLC）简介3
1.3PLC工作原理3
1.4PLC特点4
1.5PLC选择5
第二章水塔水位系统PLC硬件设计6
2.1水塔水位控系统构成及其控制要求6
2.1.1水塔水位系统控制装置图6
2.1.2水塔水位系统的输入/输出设备6
2.2水塔水位系统电机控制电路的设计7
2.3水塔水位系统水位传感器的选择8
2.4水塔水位系统PLC的输入/输出分配10
2.4.1水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表10
2.4.2水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口接线图11
2.5水塔水位系统的元件器件12
第三章水塔水位控制系统PLC软件设计13
3.1工作过程13
3.2程序流程图14
3.3梯形图15
第四章总结16
参考文献17
第一章绪论
1.1概述
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。
其中，水位控制越来越重要。
在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。
因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。
传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。
不利于长远发展。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。
比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。
但其原理都大同小异。
特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。
因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
1.2可编程序控制器（PLC）简介
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.3PLC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。
1.4PLC特点
（一）高可靠性
1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离
2.各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10-20ms.
3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰
4.采用性能优良的开关电源
5.对采用的器件进行严格的筛选
6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大
7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高
（二）丰富的I/O接口模块
1.PLC针对不同的工业现场信号如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
2.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀。
3.直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（三）采用模块化结构
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均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（四）编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
（五）安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.5PLC选择
目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。
通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类：
小型机：
256点以下（无模拟量）；
中型机：
256~2048点（64~128路模拟量）；
大型机：
2048点以上（128~512路模拟量）。
本实验选择FX2N系列PLC。
由于输入、输出触点数较少，只需选用一般中小型控制器即可。
最终选择FX2N-32MR。
拥有16个输入点与16个输出点,适合本次课题使用。
第二章水塔水位系统PLC硬件设计
2.1水塔水位控系统构成及其控制要求
2.1.1水塔水位系统控制装置
2.1.2水塔水位系统控制要求：
1）保持水池的水位在S3——S4之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池水位仍然没有超过水池下限液位开关S3时，则系统发出警报,水池故障灯点亮；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S3为OFF，表示水位高于下限水位。
当液面高于上限水位S4时，则S4为ON，电磁阀关闭。
2）保持水塔的水位在S1——S2之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S2时，则水塔下限液位开关S2为ON，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。
当4S以后，若水塔水位仍然没有超过水塔下限液位开关S2时，则系统发出警报；当S2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开关S1时，则S1为ON，电机M停止抽水。
3）当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动,
水塔出水电磁阀关闭。
2.2电机控制电路的设计
给排水工程中常使用三相异步电动机，水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。
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发出信息启动电机，经过1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。
水塔水位系统控制主电路图：
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，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。
QF:
电源总开关，即可完成主电路的短路保护，又起到分段三相交流电源的作用，使用和维修方便。
FU1-3：
熔断器，实现对负载回路的短路保护。
KM：
电磁接触器，控制电机M的启动与关闭。
KA1:
电磁接触器，控制水池进水电磁阀的启动与关闭。
KA1:
电磁接触器，控制水塔出水电磁阀的启动与关闭。
FR:
热敏继电器实现过载保护。
2.3系统硬件元器件选择
1）PLC的选择
可编程控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。
本系统为单体控制系统，对控制功能无特殊要求，同时本次设计所需输入输出总点数介于16点与32点之间，因此选用三菱公司生产的的FX2N-32MR-001型PLC，其具结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统的特点，该型号PLC为继电器输出型，输入输出点数各为16个点，多余的端子作为备用。
2）水泵的选择
选择水泵的一般原则为
1、满足流量和扬程的要求；
2、水泵机组在长期运行中，水泵工作点的效率最高；
3、按所选的水泵型号和台数设计的水泵站，要求设备和土建的投资最小；
4、便于操作维修，管理费用少。
而一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，同时因两水泵互为备用，故综合考虑后将两水泵电机额定功率都选为11KW，型号为Y2-160L-6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。
水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。
3）熔断器的选择
因为熔断器熔体电流应大于等于两倍的电机额定电流，因此电动机供电回路选用熔体电流为50A的熔断器。
4）电子液位位开关的选择
因为本次设计中水池及水塔中各有3处需要检测水位信号，因此选用欧姆龙公司生产的61F-GN–G型电极式液位开关，该种类型的液位开关作为电气性液位检测方式，被广泛用于以大厦、集中住宅的上下水道为主及钢铁、食品、化学、药品、半导体等各种工业、农业水、净水场、污水处理等的液面控制。
一旦电极接触到液体，通过液体可以闭合电路，根据流过的电流检知液位控制的动作原理，是以所谓的导电性液体为控制对象的液位开关。
进行检测时，直接检测液体的电极间电阻，根据大于或小于已设定的电阻值，来判断有无液面,61F-GN–G型电极式液位开关含有三个电极正好用于本系统水位的检测，同时其ON电流在4.5mA以下且OFF电流1.5mA以下满足所选PLC的输入性能指标，故较为合适。
5）热继电器的选择
因为电机额定电流为24.23A，因此选用JR20-25/5T型热继电器，整合电流为21—25A。
6）接触器的选择
同理，根据电机额定电流，并查手册后选择G20-25型接触器。
2.4水塔水位系统PLC的输入/输出分配
2.4.1水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
输入
继电器
输入变量名
输出
继电器
输出变量名
X0
水池下限液位开关
Y0
电机M
X1
水池上限液位开关
Y1
水池进水电磁阀
X2
水塔下限液位开关
Y2
水塔出水电磁阀
X3
水塔上限液位开关
Y3
L1水池下限指示灯
X4
主控开关
Y4
L2水池上限指示灯
X5
系统停止开关
Y5
L3水塔下限指示灯
X6
电机热继电器
Y6
L4水塔上限指示灯
X7
水池电磁阀热继电器
Y7
水塔故障提示灯
X10
水塔电磁阀热继电器
Y10
水池故障提示灯
2.4.2水塔水位控制系统PLC的输入/输出设备接线图
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有9个开关量，开关量输出触点数有9个，输入、输出触点数共有18个，只需选用一般中小型控制器即可。
据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线图如下：
2.5水塔水位系统的元件器件
根据设计方案选择电气元件，编制原理图的元器件目录表
水塔水位系统元器件目录表
序号
文字符号
名称
数量
规格型号
备注
1
M
电动机
1
立式离心泵LS40-32.1
扬程30M,3KW
三相交流异步电动机
2
FR
热继电器
1
JB16B-20/3
参照电动机整定电流
3
FU
熔断器
3
RL1-15
熔体2—10A
4
QF
断路器
1
C45AD
脱扣电流10A
5
TC
隔离变压器
1
BK-100
电压比1:
1AC220V
6
SB0
主控开关
2
LAY37
自保持开关
7
SQ1-SQ4
超声波液位传感器
4
U9ULS——100
24VDC输入
8
L1-6
指示灯
6
AD16-22
LED显示AC220V
9
KM1
交流接触器
1
DJX-9
线圈电压：
AC220V
10
kA1-2
中间继电器
2
DC24V
11
YA
电磁阀
2
ZCT-50A
AC220V
13
PLC
可编程序控制器
1
FX2N-32MR
继电器输出
第三章水塔水位控制系统PLC软件设计
3.1工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的。
当执行程序是，检测到水池液位低于水池下限位时，水池低水位指示灯L1点亮，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过4s，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,水池故障指示灯L6点亮。
若4s内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L1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，电机M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L2点亮，水池电磁阀关闭，如果水池水位超过水池上限液位开关，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水池高水位报警指示灯L2点亮，水池故障指示灯L6点亮。
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L3灭，电机M继续工作，在水池抽水向水塔供水，如果进水超过4s，而水塔液位没有超过水塔下限位，说明系统出现故障，水塔电磁阀关闭，系统自动报警,水塔下限位指示灯点亮，水塔故障指示灯L5点亮。
水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限液位。
水塔上限指示灯L4亮，若水塔水位超过水塔上限液位开关，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水塔故障指示灯L5点亮。
3.2程序流程图
水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求控制流程图如下：
3.3梯形图
根据程序流程图设计的梯形图如下
第4章总结
通过这次课程设计所谓受益匪浅，使我学到很多很多的东西，不仅巩固了以前PLC课上所学过的知识，同时学习了一些老是没有讲的知识，更学到了很多书本上所没有学到过的知识。
此次课程设计使我懂得了理论与实际相结合很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实践动手能力和独立思考的能力和独立思考的能力。
同时让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在设计的过程中遇到的问题，可以说是困难重重，电动机的选择，I/O端口接线图的绘制，水塔循环过程的编程都让我无从下手，但通过自己的努力，和同学老师们的帮助，这些问题都得到了解决。
让我认识到自己还有很多不足之处需要改进，不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好，古人说：
三人行必有我师、思而不学则殆。
所以说学习要善于向别人请教，学思结合。
短暂而又忙碌的PLC课程设计结束了，在此向给予我帮助的老表示由衷的感谢，感谢老师不厌其烦的为我们解答问题，再次向您说一声您辛苦了！
在接下来的学习生活中定会加倍努力！
参考文献
[1]漆汉宏.《PLC电气控制技术》北京：
机械工业出版社2006.12
[2]洪志育.《例说PLC》北京:
人民邮电出版社,2006.1
[3]贾德胜.《PLC应用开发使用子程序》北京：
人民邮电出版社,2006.1
[4]王阿根.《PLC控制程序精编108例》北京：
电子工业出版社，2009.1
[5]杨后川.《三菱PLC应用100例》北京：
电子工业出版社，2011.1
致谢
短暂而又忙碌的PLC课程设计结束了，在此向给予我帮助的老表示由衷的感谢，感谢老师不厌其烦的为我们解答问题，再次向您说一声您辛苦了！
在接下来的学习和生活中我定会加倍努力！
谢谢！
！
！
同时，也感谢我的同学们，我们一起学习，一起探讨问题、解决问题。
当我遇到困难时，他们给了我许多好的建议和无私的帮助。
在此，对所有给予我帮助的同学表示衷心的感谢。
，感谢你们在我课程设计过程中给予我的鼓励、关心和帮助。
电气工程学院课程设计评审意见表
指导教师评语：
（1）、学习态度及平时表现（出勤等）□A□B□C□D□E
（2）、查阅资料，分析、解决问题的能力□A□B□C□D□E
平时成绩：
2014年7月5日
图面及其它成绩：
（1）、结构合理、层次分明，书写规范：
□A□B□C□D□E
（2）、基本概念正确，分析与论述清楚：
□A□B□C□D□E
（3）、图纸（插图）简明清晰、电气符号规范：
□A□B□C□D□E
图面及其它成绩：
2014年7月5日
答辩小组评语：
（1）、语言叙述思路清晰、表达清楚：
□A□B□C□D□E
（2）、基本概念正确、设计方案合理：
□A□B□C□D□E
（3）、基础知识扎实、回答问题准确：
□A□B□C□D□E
答辩成绩：
2014年7月5日
课程设计综合成绩：
答辩小组成员签字：
郭忠南阚志忠魏艳君王德玉
2014年7月5日
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