水塔水位设计 毕业论文设计.docx
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水塔水位设计毕业论文设计
毕业设计〔论文〕
题目：
水塔水位
系部电气工程与自动化
专业机电一体化
班级机电A1004班
姓名贾国飞
指导教师宋坤伟
山西职业技术学院
摘要
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。
在社会经济飞速开展的今天，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，轻那么给人民生活带来极大的不便，重那么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根底设施之一。
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根本要求。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为根本储水设备，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。
可编程控制器〔PLC〕是根据顺序逻辑控制的需要而开展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。
同时，又有PID控制技术的开展，因此，如何建立一个可靠平安、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
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〕进展自动控制。
比方自动控制水塔、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。
但其原理都小异。
特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的根本要求。
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。
采用PLC技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。
关键词：
PLC，控制，储水设备
第一章PLC的概述
1.1PLC简介
随着时代的开展,当今的技术也日趋完善、竞争愈演愈烈;单靠人工的操作已不能满足于目前的制造业前景,也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象.
人们在生产实践中看到,自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证,同时也减轻了人员的劳动强度,减少了人员上的编制.在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最正确决策等,熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作,可以获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为,通过人脑与计算机协调工作,以人机结合的模式,为解决十分复杂的问题寻找最正确的途径
我们在各种场合看到了继电器连接的控制，那已经是时代的过去，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到；而PLC的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。
PLC的最大特点在于：
电气工程师已不再电气的硬件上花费太多的心计，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入点上就能解决问题，通过输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就可以。
PLC的部包含了具有中央处理器的CPU，并带有外部I/O口扩展的I/O接口地址和存储器三大块组成，CPU的核心是由一个或者多个累加器组成，它们具有逻辑的数学运算能力，并能读取程序存储器的容通过计算后去驱动相应的存储器和I/O接口；I/O口将部累加器和外部的输入和输出系统连接起来，并将相关的数据存入程序存储器或者数据存储器中；存储器可以将I/O口输入的数据存入存储器中，并在工作时调转到累加器和I/O接口上，存储器分程序存储器ROM和数据存储器RAM,ROM可以将数据永久的存入存储器中，而RAM只能作为CPU计算时临时计算使用的缓冲空间。
PLC的抗干扰是极其优秀的，我们根本不用去关心它的使用寿命和工作场合的恶劣，这些所有的问题已不再成为我们失败的主题，而留给我们的是关心如何来利用PLC的部资源为我们加强设备的控制能力，使我们的设备更加的柔性。
PLC的语言并不是我们所想象的汇编语言或C语言来进展编程，而是采用原有的继电器控制的梯形图，使得电气工程师在编写程序时很容易就理解了PLC的语言，而且很多的非电气专业人士也对PLC很快认识并深入。
以上仅仅是PLC的优点之一，这也是人们比拟容易理解的一局部，在很多的设备中，人们已不再希望看到太多的控制按钮，它们不但容易损坏而且极易产生人为的失误，小的并不是主要的失误也许你还能够承受；但过大的甚至是致命的失误是我们无法容忍的。
新的技术总是为了给我们带来更平安和便捷的操作，使得我们面临的一大堆问题一扫而光，你有了解过HMI吗？
这里说HMI你根本不清楚它是什么，也没有兴趣了解，换一个中文把它说明为触摸屏或者人机界面你就知道了，它和PLC的结合给了我们更大的空间。
HMI控制不仅仅是减少了控制按钮，增加控制的灵活性，更主要的它是可顺序性的，而且在能够改变数据输入和数据输出反应，在温度控制曲线的模拟也能直观的显示出来。
并且能够通过编写功能帮助程序来提供各种力所能及的帮助，使得操作者减少不必要的失误。
HMI的厂商目前也越来越多，功能也越来越强，价格也越来越低，使用的面越来越广。
HMI的前景可以说十分的看好。
在很多场合，单靠单机的控制是无法保证设备的顺畅运行，而通过设备与设备的信息交流到达我们想要的效果。
比方在前包装和后工序的检测，我们就要将包装的信息反应到检测处，而检测处的信息也要反应到包装来。
这样通过信息共享来使得两者之间起来，形成一个共体，从而使的两者间的配合更加的严密，在彼此间到达映影相挥的效果。
PLC的通信已经愈来愈表达它的价值，在PLC与PLC之间的通信，能够通过信息的沟通和数据的共享来保证设备之间的相互协调，已到达互补的效果。
PLC之间的数据转换采用RS232接口来传送数据，而RS232接口只能保证10米的传输距离，如果在1000米的距离我们可以通过RS485来进展通信，更长的距离只能通过MODEL来进展传输。
PLC的数据传送只是将部的数据传送到对方的一块连续的地址中，我们把它称为一个表，对方的PLC通过读取表中的数据来进展操作。
如果表中的数据是一个一般设置的数据的话，那只是一般的数据传送，比方今天的油价上升了，我要把油价的价格传送到所有的输油机上，那就是数据的共享；而当表中的数据是一段控制PLC的指令程序，那就很有难度了，比方你要控制一台机器人来按你想象的动作工作，你会给它编制一段程序并以数据的形式发送过去。
信息输送的形式有单工位、半双工位和全双工位的分别。
单工位的意义也就是说两者之间，一个只能发送，而一个只能接收，比方一个特务他只能接收上司的指示，而无法给上司回复；半双工位也就是两个能都能发送和承受数据，但不能同时发送和承受，比方你打时是不能接,对方也一样；而全双工位是两者之间都能发送和承受数据，并可同时发送和承受。
像互联网就是典型的例子。
信息输送的过程也有同步和异步之分：
同步的意义在于发送数据时数据线和时钟线是同步的，也就是数据信号和时钟信号同时由CPU进展发送，这需要彼此都要专门的时钟信号来进展传送和接送，并且是强制性的，这种方法的特点在于它的速度极快、但相应占用CPU的工作时间也相对的要长、同时技术难度也非常的大。
它的要求在于在一帧的数据传送中不能有一位的误差，不然的话整个数据将发生错误，这在硬件上是一个比拟大的难度。
在一些专用的设备中应用的越来越广泛，像专用的医疗设备、数字信号设备等，在比拟单一数据的传输中，它的效果非常的好。
而异步是应用围最广泛的，这得益于它的技术难度相对要小、同时不需要配制专门的时钟信号、它的特点在于，它的数据是间隔性的，离散性的发送和承受，当CPU太忙的时候可以停顿性去工作，在硬件上也减少了难度，同时数据的丧失相对要少，我们可以通过数据的检测来观察我们发送的数据是否有错误，像奇偶法、累加法和八位效验法等，都可以用来帮助我们检测发送的数据是否有错误发生，通过反应来进展区分。
信息的传送口线有串口和并口之分：
通常的PLC是8位机，当然也有16位机。
我们在发送数据的时候可以是一位一位的发送给对方，也可以8位8位的将数据发送到对方，一位和8位区别也就是我们所说的串口发送数据和并口发送数据。
串口速度比拟慢，但只要两条或者三条口线就能解决问题，并能借用线来进展远程控制。
而并口的传送速度是极快的，它是串口的256倍，在短距离占有优势，由于是TTL电平，一般限于1米的围，它并不适用于长距离的数据传送，这样本钱太昂贵了。
很多的情况下我们总喜欢采用串并转换芯片来进展传输，这种情况下不需要我们进展过于复杂的存放器设置了，而直接通过数据传送指令进展数据交流，但在通信中并不是一个十分可行的方法，因为在发送数据的时候对方的PLC必须一直等待你的数据输出，它不能去做其他的工作。
当你在看书的时候，你听到有人敲门、你停下手上的事情、去翻开门、并同敲门者对话、这个时候响了、你示意接个、在接完后、回过头来同敲门者继续对话、对话完毕后、你再继续看你的书，这种情况我们把它称为中断，它具有权威性，也具有优先性，PLC具备了这样的功能。
它的特点在于我们在设备的操作过程中可能会遇到紧急的突发事件，我们要立刻的停下手上的工作，去处理更重要的事情，这种情况是我们经常所遇到的，PLC在去执行紧急的任务时，总会先保存目前的状态，比方程序的地址，CPU的累加器数据等，就像我们去开门时要记下我们看的书在第几页了或者干脆作个记号，因为我们待会还要继续接着看后面的书。
CPU总是按照我们的意愿去做应该做的事情，但你错误的给它一件事情，它也会同样的去做，这一点我们必须注意。
中断并不是只有一个，有时会同时存在几个中断，中断具有优先的级别，他们会根据人的要求去执行更高级别的中断。
这种中断中的中断也就形成了中断嵌套。
当然中断的级别根据各种PLC部CPU的资源有关，同时也跟堆栈的容量大小也有关系。
中断的容有很多种，比方外部中断、通信中的发送和承受中断、定时和计数的时钟中断、还有WDT复位中断等，它们丰富了CPU在处理各种事务时响应种类。
这样讲也许你并不能完全理解中断的部构造和操作顺序，我们做一个小小的例子来说明.
每一个设备总是不会忘记有一个按钮，它也是在我们遇到紧急情况时使用的，那就是急停按钮。
当我们遇到人身事故和意外情况时我们只要按下它，机器立即停顿所有的操作，并等待处理完意外后再恢复操作。
急停按钮连接PLC部CPU的部I/O接口上，当按钮给CPU一个外部触发信号时，CPU对I/O进展再次检测，当确认有外部触发信号时，CPU保护现场并将程序计数器自动转到相应的外部I/O中断程序中去，当外部中断程序处理完毕，程序计数器返回到主程序继续工作。
有一点可以说明的是我们一般会把急停按钮的外部中断升至最高级别，从而保证平安。
当我们在工作完一个工件时，给PLC一个信号，将PLC的部计数器加1来计算我们一天的工作量时，一个简单的计数器能解决问题，当然它们也能够在掉电的情况下保持数据，促使数据不丧失，这也是我们所渴望的。
PLC还具有高级计数器的功能，当我们在承受一些高速的数据时，这里所说的高速是在在微秒级的数据，比方条码扫描机在不断的扫描数据，数据处理器DSP计算的高速信号等，我们就要采用到高级计数器来帮助我们进展计数。
它在PLC执行程序时一旦发现高级计数器对应的中断，就会立即放下手上的工作。
经过再次编程的梯形图程序说明我们在执行程序时高级计数器会自动的执行对应的工作，从而将高级计数器的级别升至高一级别。
你也许听过太多的这个词:
“死机〞，大致的意思是CPU工作量过大，部资源缺乏等情况造成程序无法运行。
PLC也有类似的情况，在PLC部有一个看门狗WDT，我们可以设置WDT一个程序运行的时间，当程序运行过程中出现程序跳转错误时或者程序繁忙时，程序的运行时间超过WDT的设置时间，CPU转而WDT复位状态。
程序重新开场运行，但对中断不会进展破坏。
PLC的开展已经从单一的模式进入了通信的网络时代，并同其它的工控网板和I/O卡板轻易的进展共享。
组态软件可以将所有的这些硬件连接起来，通过更直观的动画图片来进展控制，并可以通过互联网在异地进展控制，像神舟五号的发射就是采用这种方法来使飞船升空。
更高层次的开展需要我们不断的努力来取得。
PLC的出现已经足足影响了几代人，我们也从上一辈的经历中获取了更多的知识和教训，来不断的开展PLC技术，将它推向更高浪潮。
1.2PLC的根本构造
PLC是以微处理器为核心的计算机控制系统。
如图1.3所示
图1.3
（1）中央处理单元〔CPU〕
PLC的中央处理器与一般的计算机系统一样，是PLC的控制中枢，其性能决定了PLC的性能。
它按PLC中程序赋予的功能有条不紊地进展工作。
（2）存储器〔RM/ROM〕
存储器是具有记忆功能的半导体电路，主要用来存放系统程序、用户程序和工作数据等。
PLC中使用的存储器由只读存储器（ROM）、只读存储器（ROM）及可擦除只读存储器〔EPROM〕组成。
存储器是衡量PLC性能的一个重要指标。
（3）I/O接口
输入接口一般由数据输入存放器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，负责微处理器及外部设备交换信息。
它承受来自现场检测不见〔如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关〕以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量〔要通过模数变换进入机〕等各种状态控制信号，并存入输入映像存放器。
输入接口采用光电耦合电路将PLC与现场设备隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。
输入接口电路通常有两类：
一类为直流输入型，另一类是交流输入型。
输出接口模块是PLC与现场设备之间的连接部件，用来将输出信号送给控制对象。
其作用是将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号并输出，以驱动电磁阀、接触器、电动机等被控设备的执行元件。
（4）I/O扩展接口
小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的。
为了满足被控设备输入输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A转换模块等。
I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。
（5）通讯接口
通讯接口用于PLC与编程器、计算机、变频器、触摸屏以及其他PLC等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。
（6）编程器
编程器主要有两种。
一种是PLC专用编程器，有手持式和台式等。
另一种是基于个人计算机系统的PLC编程器。
（7）电源
电源部件将交流电源转换成供PLC部需要的直流电源。
它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大局部PLC均采用开关式稳压电源供电，同时还向各种扩展模块提供24V直流电源。
第二章水塔水位控制系统PLC硬件设计
2.1水塔水位控制系统设计要求
水塔水位控制装置如图2.1所示：
图2.1水塔水位控制装置图
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，电磁阀翻开，开场往水池里注水，定时器开场定时，当4S以后，假设水池液位没有超过水池下限液位开关时，那么系统发出报警，假设系统正常，此时水池下限液位开关S1为OFF,表示水位高于下限水位。
当水位液面高于上限水位，那么S2为ON，电磁阀关闭。
当水塔水位低于水塔下限水位时，那么水塔下限水位开关S3为ON，水泵开场工作，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，那么水塔上限水位开关S4为ON，水泵停顿。
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。
2.2外部接线与控制列表
图2-2水塔水位控制电气接线图
表2.1水塔水位模拟控制接线列表
名称
PLC端子
说明
灯M
Q0.0
模拟水塔提水水泵电动机运行动作
灯Y
Q0.1
模拟地面水池的进水阀门的开关动作
开关S1
I0.0
模拟水池水位低限报警信号
开关S2
I0.1
模拟水池水位高限报警信号
开关S3
I0.2
模拟水塔水位低限报警信号
开关S4
I0.3
模拟水塔水位高限报警信号
2.3I/O接口分配
2.3.1列出水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
表2.3.1水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
输入信号
输入变量名
输出信号
输出变量名
X000
启动开关
Y000
水阀M1
X001
停顿开关
Y001
水泵M2
X002
水池下限位
Y002
水池下限指示灯A1
X003
水池上限位
Y003
水池水位报警指示灯A2
X004
水塔下限位
Y004
水池上限指示灯A3
X005
水塔上限位
Y005
水塔下限指示灯A4
Y006
水塔水位报警指示灯A5
Y007
水塔上限指示灯A6
2.3.2水塔水位控制系统的I/O设备
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有6个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有14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。
第三章水塔水位控制系统PLC软件设计
3.1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，控制流程如图3-1所示
图3.1水塔水位控制系统的PLC控制流程图
这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开场，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序完毕。
每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开场扫描，并周而复始。
3.2梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又参加了许多功能强而又使用灵活的指令，它比拟直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被承受。
继电器梯形图多半适用于比拟简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
梯形图编程的一般规那么有：
〔1〕梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。
梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效围。
〔2〕梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。
但为了读图方便，常用“有电流〞、“得电〞等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流〞，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的改变也只能自上而下。
〔3〕梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态〞，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点翻开，反之为“O态〞。
梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位存放器、状态器等的线圈以及各种比拟、运算的结果。
〔4〕梯形图息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
〔5〕继电器线圈在一个程序中不能重复使用:
而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
〔6〕PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进展的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。
所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
3.2.1工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。
当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀翻开，开场往水池里进水；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，水池报警灯A2亮。
假设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A1亮，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，水泵开场工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔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，水塔报警灯A5亮。
当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A3亮，水阀就关闭。
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，那么水塔下限指示灯A4亮，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A6亮。
但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水池液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A3灭。
此次给水塔供水完成。
3.2.2水塔水位控制系统梯形图
水塔水位控制系统梯形图，如图3.2.2所示：
图3.2.2水塔水位控制系统梯形图
（1）启停程序：
图1启停程序梯形图
（2）水阀控制程序：
图2水阀控制程序梯形图
（3）水池下限水位指示程序：
图3水池下限水位指示程序梯形图
（4）水池水位报警程序：
图4水池水位报警程序梯形图
（5）水池水位上限指示程序：
图5水池水位上限指示程序梯形图
（6）水泵启停控制程序：
图6水泵启停控制程序梯形图
（7）水塔水位下限指示程序：
图7水塔水位下限指示程序梯形图
（8）水塔水位报警程序：
图8水塔水位报警程序梯形图
（9）水塔水位上限指示程序：
图9水塔水位上限指示程序梯形图
第四章水塔水位控制系统的组态设计
4.1组态软件概述
“组态〞的概念是伴随着集散型控制系〔简称DCS〕的出现才开场被广阔的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断开展和应用过程中，PC〔包括工控机〕相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要表达在：
PC技术保持了较快的开展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有本钱；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI〔人机接口软件，HumanMachineInterface〕的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购置专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进展数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速开展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要容，随着技术的开展，监控组态软件将会不断被赋予新的容。
4.2组态软件在我国的开展
组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。
但在90年代中期
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