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计控王悦
计算机控制技术
题目:
基于PLC的水塔水位控制系统设计
系（部）：
电气工程与自动化
专业：
电气工程及其自动化
姓名：
王悦
学号：
B10040106
时间：
2013年5月21日
基于PLC的水塔水位控制系统设计
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。
在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。
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，因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。
本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。
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，使水位保持在适当的位置。
关键词：
水位控制，PLCfx2n，自动控制
目 录
第1章绪论………………………………………………………4
1.1课题研究的背景及意义………………………………4
1.1.1课题研究的背景…………………………………..4
1.1.2课题研究的意义…………………………………..5
第2章系统总体设计…………………………………………..6
2.1方案的选择..……………………………………………6
2.1.1水塔水位控制装置图......................6
2.1.2水塔水位系统控制要求……………………………………..6
2.2系统总体设计…………………………………………...7
2.2.1总体工作流程……………………………………7
第3章硬件设计………………………………………………….8
3.1水塔水位系统的元件器件…………….…………………8
3.2PLC的选型………………………………………………8
3.2.1PLC的输入/输出分配表………………………….9
3.2.2PLC的输入/输出设备接线图……………………10
3.3电机控制电路的设计……………………………………………………11
3.4水位传感器的选择……………………………………..12
3.5断路器的选型…………………………………………..14
3.6热继电器的选型………………………………………..14
3.7熔断器的选型…………………………..………………14
3.8隔离变压器的选型……………………………………..15
3.9电磁阀的选型…………………………………………..15
第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
可编程控制器（PLC）从上世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统，随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现状PLC已经发展成不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种功能，是名副其实的多功能控制器。
由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置[16]。
整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。
设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。
设计原则主要包括：
工作条件、工程对电气控制线路提供的具体资料。
系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、适用、减小设备成本。
在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。
控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。
采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的课移植性和可维护性。
对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景，用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。
1.1.2课题研究的意义
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。
目前，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。
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员、时间和资金上都将造成很大的浪费。
同时也容易出差错。
因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。
水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
设计安装一台控制水塔的供电泵电动机的控制电路，使水塔水位保持在规定范围内。
使其能自动控制在规定水位线内，并且可通过PLC进行自动控制。
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。
而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好,具有结构简单，使用寿命长，可靠性高，操作维修方便，经济实用的优点是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。
第2章系统总体设计
2.1方案的选择
2.1.1水塔水位控制装置图
水塔水位控制装置图如图2-1：
图2-1水塔水位系统控制装置图
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60S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；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60S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。
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。
当水塔水位高于水塔超高水位时，系统发出警报，当水池水位高于水塔超高水位时系统发生警报。
报警时间超过2分钟后，系统自动关闭电动机和电磁阀。
2.2系统总体设计
2.2.1总体工作流程
设水塔、水池初始状态都为空着的。
执行程序是，扫描到水池液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过60s，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,水池低水位报警指示灯L5点亮。
同时报警蜂鸣器工作。
若60s后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常工作，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，电磁阀就关闭，如果水池水位超过水池超高液位开关，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L7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，从水池抽水向水塔供水，如果进水超过60s，而水塔液位没有超过水塔下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水塔报警指示灯L6点亮，同时报警蜂鸣器工作。
当水塔抽满时，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超高水位液位开关，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水塔高水位报警指示灯L8点亮，同时报警蜂鸣器工作。
当系统报警时间超过2分钟，系统自动关闭电动机和电磁阀。
第3章硬件设计
3.1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3-1.
表3-1水塔水位系统元器件目录3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
1
LAY37
自保持开关
7
S1-S6
超声波液位传感器
6
U9ULS——100
24VDC输入
8
L1-8
指示灯
8
AD16-22
LED显示AC220V
9
KM1
交流接触器
1
DJX-9
线圈电压：
AC220V
10
kA
中间继电器
1
DC24V
11
YA
电磁阀
1
ZCT-50A
AC220V
12
HA
报警蜂鸣器
1
13
PLC
可编程序控制器
1
FX2N-32MR
继电器输出
3.2PLC的选型
本设计选用三菱FX2N-32MR型号PLC。
三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25
点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
特点：
1）系统配置即固定又灵活；
2）编程简单；
3）备有可自由选择，丰富的品种；
4）令人放心的高性能；
5）高速运算；
6）使用于多种特殊用途；
7）外部机器通讯简单化；
8）共同的外部设备。
FX2N产品说明：
FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；
FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；
FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方面都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。
时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
3.2.1水塔水位系统PLC的输入/输出分配表
水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表见3-2：
水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表3-2
输入
继电器
输入变量名
输出
继电器
输出变量名
X0
主控开关
Y0
电机M
X1
水塔上限液位开关
Y1
电磁阀
X2
水塔下限液位开关
Y2
水池下限指示灯L1
X3
水池上限液位开关
Y3
水池上限指示灯L2
X4
水池下限液位开关
Y4
水塔下限指示灯L3
X5
水池水位超高液位开关
Y5
水塔上限指示灯L4
X6
水塔水位超高液位开关
Y6
水池低水位报警指示灯L5
Y7
报警蜂鸣器
Y10
水塔低水位报警指示灯L6
Y11
水池高水位报警指示灯L7
Y12
水塔高水位报警指示灯L8
3.2.2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7个开关量，开关量输出触点书有11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接线图如图3-1：
图3-1水塔水位控制系统的I/O接线图
3.3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如图3-2。
图3-2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。
FU：
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。
FR:
热敏继电器实现过载保护。
3.4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。
U9ULS具有以下特点：
1）可应用于多种液体中
2）可承受高达1000psi的压力
3）不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。
4）可安装在侧面、顶部或底部
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。
U9ULS系列产品主要技术指标见表3-3：
表3-3主要技术指标
输入电压
115/230VAC，50/60HZ或12/24VDC
U9ULS—10系列增益
300：
1
U9ULS—100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—100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。
3.5断路器的选型
本设计选用C45系列小型断路器C45AD，脱口电流10A。
C45系列小型断路器具有过载与短路双重保护功能，适用于交流50Hz，额定电压240/415，额定电流63A的电路中，作线路的过载和短路保护之用，亦可用于线路的不频繁通断操作。
该产品具有体积小、重量轻、分断能力高、阻燃、耐冲击、导轨安装、安全可靠等特点，适宜非专业人员使用，广泛的应用于工矿企业，高层建筑，商业及家庭等场所。
断路器的类型
（1）按额定电流分，1A、3A、6A、10A、16A、20A、25A、32A、40A、50A、63A。
（2）按极数分，单级，二级，三级，四级共四种。
（3）按瞬时脱扣电流分：
B型，C型，D型。
3.6热继电器的选型
本设计选用JB16B—20/3型热继电器。
相关主要技术参数如下：
1）额定电流为20Ａ；
2）热元件额定电流5Ａ；
3）电流调节范围：
3.5~5.0Ａ；
4）在本设计中将其调为3.9Ａ。
3.7熔断器的选型
在本设计中选用RL1-15型熔断器，额定电流10A。
正常工作条件：
1）周围空气温度不超过40℃，24h测得的平均值不超过35℃，一年内测得的平均值低于该值。
周围空气温度最低值为-5℃；
2）海拔：
安装地点的海拔不超过2000m；
3）大气条件：
空气是干净的，它的相对湿度在最高温度为40℃时不超过50%；在较低温度下可以有较高的相对湿度，例如，在20℃下，相对湿度可达90%；在这些条件下，由于温度变化，中等的凝露可能偶然发生。
注：
若熔断器在不同于1，2和3规定条件下使用，尤其是在无防护的户外条件使用，应与制造厂协商。
若熔断器用在有烟雾或不正常的工业沉积物的场所，亦应与制造厂协商。
4）电压 :
系统电压的最大值不超过熔断器额定电压的110%；
注：
应注意到若熔断体在大大低于额定电压下熔断，熔断指示器或熔断撞击器可能不动作。
3.8隔离变压器的选型
本设计选用BK-100隔离变压器。
此种变压器是适用于50～60Hz电压至500V的电路中，通常用作机床机床,机械设备,输配电糸统设备控制电器或局部照明灯及指示灯的电源之用,采用的都是全新铜线的变压器.但若长期负载使用,总功率不得超过额定容量80%
使用环境：
1）周围空气温度-50℃至+40℃，24小时的平均值不超过+35℃。
2）安装地点海拔不超过2000m；
3）大气相对湿度在周围空气温度为+40℃时不超过50%，在较低温度下可以有较高的相对湿度，最湿月的平均最大湿度为90%，同时该月的月平均最低温度为+25℃,并考虑到因温度发生在产品表面的凝露。
3.9电磁阀的选型
本设计选用ZCT系列不锈钢电磁阀，ZCT-50A。
ZCT系列不锈钢电磁阀阀体和主要部件采用不锈钢材料制作。
具有耐腐蚀、寿命长等优点。
广泛应用于化工、食品、机械行业等对管道中的液体、气体的自动启闭和远程控制，采用电源控制，代替了手动球阀，具有启闭迅速、性能稳定、使用方便等特点。
ZCT型电磁阀工作原理：
ZCT型电磁阀采用反冲式结构，它具有一次开阀和二次开阀的特点。
电磁阀处于闭状态，当电磁线圈通电，产生磁场吸起动铁芯，打开阀塞导阀口，使阀塞上、下腔产生压力差，将阀塞向上移动，电磁阀处于开状态。
当介质压力，压差小于0.05MPa（甚至为零）时、动铁芯直接带动阀塞，打开主阀口，电磁阀也可呈通路。
断电时，电磁阀靠复位弹簧，自重和压力差关闭主阀口，电磁阀呈闭状态。
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