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1、精选优质文档-倾情为你奉上编号：_商丘科技职业学院毕业论文（设计）题 目 基于PLC的水塔水位自动控制的设计 系 别 机电工程系 专 业 电子信息工程与技术 学生姓名 姚抗 成 绩 指导教师 高善坤 专心-专注-专业目录概述可编程控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动化控制装置,它的功能性强,可靠性高,编程简单,使用方便,体积小巧,近年来在工业生产中得到广泛的应用,被誉为当代工业自动化主要支柱之一。现今社会，自动化装置无所不在，在控制技术需求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。水塔水位的监测和控制，再也不需要人工进行操作。实践证明，自动化操作，具有不可替代的应用价值。水塔水位自动
2、控制器，具有适应各种液体液位的检测和控制的功能，设计中分析了利弊，考虑了各种液体的阻值大小，是可以投入实际生产的产品。关键词: 可编程逻辑控制器（PLC） 自动控制系统 水塔水位 AbstractIn the modern time, the Full-automatic washer is entering every family. The article introduces a new decelerating clutch, which is used in fully-auto washing machine, it can improve the current technolo
3、gy, simplify structure, it is also helpful to reduce cost and increases reliability.The thesis simply discusses the application research on water tower water level auto control system. It analyzes the limitation on the pre-designation of water tower water level auto control system, and devises the a
4、dvanced plan. To be proved in the practice, the water tower water level auto control system is compatible for all kinds of liquids, and can throw into the effective production.Keywords: programmable logic controllers (PLC) Auto Control System, Water Level Water Tower 前言传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或增压设备，用水泵高出实
5、际用水高度的扬程来“提升”水位高度，以保证有足够的用水量。随着科学技术的不断发展，自动控制技术在我国的日新月异，继电器控制系统已跟不上时代的发展要求，取而代之的是可编程控制器，以PLC构成的自动控制水塔系统已在住宅小区中广泛应用。可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业、农业、商业、交通运输领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制核心产品。正在向更加可靠、操作简单、通用性强、价格低廉的方向发展，使自动控制实现起来更容易。在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的
6、水压供用户使用,另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟,因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。一、可编程控制器可编程控制器是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。1.1 PLC的定义及分类可编程逻辑控制器，简称PLC (Programmable logic Controller)，,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装，一种数字运算操作的电子系统，专门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
7、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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。1）按结构形式分类PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有
8、不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。 整体式PLC：整体式PLC的CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。 组合式PLC：组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式PLC所必需的。其他的模块根据PLC的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。组合式PLC安装完成后
9、，需进行登记，使PLC对安装在个总线上的模块进行确认。组合式PLC的总线板又称为基版。组合式PLC的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的PLC；价格较高。2）按控制规模分类 输入输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。小型PLC：I/O点数较少，在256点以下的PLC。 中型PLC：I/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC。大型PLC：I/O点数较多，在2048点以下的PLC。3）按实现的功能分类按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中
10、档、和高档机三类。低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。一般地，低档机多为小型PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC多采用组合式结构；高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。1.2
11、 PLC的结构及其各部分的作用PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。1.主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系
12、统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。2输入接口/输出（I/O）I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3电源 电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开
13、关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。4编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备编程器分为两种，一种是手持编程器，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。5输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。6外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。1.3 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户
14、存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存
15、器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作1.4 PLC的特点及发展方向PLC的特点1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比
16、，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通
17、信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设
18、备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备PLC的发展方向随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代己经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向
19、高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下阶：1.可编程控制技术的标准化2. CPU处理速度进一步加快3.可编程控制技术的智能化4.系统的开放性和兼容性5.通用性和专业化的结合6.可靠性进一步提高7.控制系统分散化8.控制与管理功能一体化二、PLC对水塔水位的控制水塔水位控制系统是在我国的住宅小区中广泛使用的供水系统，传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，用水泵高出实际用水高度的扬程“提升”水位高度，以保证有足够的用水量。2.1水塔水位控制要求水塔水位控制系统如图1所示。主要由蓄水池、蓄水池进水阀门Y、蓄水池液压传感器S3及S4、水泵电机M、水塔水箱以及水塔水箱液压传
20、感器S1和S2组成。蓄水池的作用主要是存储有自来水公司提供的水源并供给水塔水箱进水。液压传感器用来检测蓄水池和水塔水箱中的水位高低。水泵的作用主要是把蓄水池中的水输送到水塔水箱中，以保证水塔水箱中的水位一定，满足用户的需要。 图1 水塔水位模拟控制图2.1.1 蓄水池的水位控制要求当蓄水池水位低于下限水位即液压传感器S4为ON时，进水口阀门Y自动打开。当进水口阀门Y打开一定时间后，液压传感器S4仍然没有变为OFF，表明进水口阀门Y出现故障或水塔无水，蓄水池水位故障报警。当蓄水池水位达到上限水位即液压传感器S3为ON时，进水口阀门Y自动关闭。2.1.2 水塔水箱的水位控制要求水塔水箱的水位主要是
21、保证用户有一定的用水量，所以其水位不能太低，不然就不能满足用户的要求。当水塔水箱水位低于下限水位即液压传感器S2为ON时，如果蓄水池水位不低于下限水位即S4为OFF,水泵电机M自动启动。当水泵电机M自动启动一定时间后，液压传感器S2仍然没有变为OFF，表明水泵电机M出现故障，水塔水箱水位故障报警。当水塔水箱水位达到上限水位即液压传感器S1为ON时，水泵电机M自动停车。2.2 选择机型根据控制系统的设计要求，考虑到扩展和功能，选用一台晶体管输出结构的CPU224小型PLC作为控制中心，CPU224的I /O点数为24点（14入10出）。2.3 PLC输入 /输出信号及地址分配根据上述水塔水位控制
22、要求的分析，PLC的输入信号有蓄水池水位上下限液位传感器信号，水塔水箱水位上下限液位传感器信号。PLC的输出信号有进水口阀门控制电磁阀、水泵电机控制接触器、蓄水池和水塔水箱水位故障报警信号灯。由上述PLC输入 /输出信号分析可知，选择S7-200系列的PLC即可满足控制要求，其输入 /输出地址分配如表1所示。 表1 I /O分配表 输入信号 输出信号 名 称 地 址进水口阀门控制电磁阀Q0.0 系统启动按钮 I0.0水泵电机控制接触器Q0.1水塔水位上限液压传感器S1 I0.1蓄水池水位故障报警灯Q0.2水塔水位下限液压传感器S2 I0.2水塔水箱水位故障报警灯Q0.3蓄水池水位上限液位传感器
23、S3I0.3蓄水池水位下限液位传感器S4I0.4 系统停止按钮I0.5 蓄水池水位故障报警复位按钮 I0.6水塔水箱水位故障报警复位按钮I0.72.4电气连接图依照PLC的地址分配表，结合系统的控制要求。PLC控制电气接线图如图2所示。 图2 电气连接图2.5 PLC水塔水位的控制程序1）系统控制程序为了便于系统控制，在系统中设置了一个系统启动按钮和一个系统停止按钮。只有当按下系统启动按钮后，系统的信号才能起作用，系统正常控制；当按下系统停止按钮后，整个系统处于停止状态，此时只有系统启动按钮有效。系统控制程序如图3所示。图3 系统控制程序图2） 闪烁报警程序系统中设置了两个报警灯，为了引起操作
24、员的注意，报警灯在出现报警现象时闪烁，其闪烁因子可以应用PLC中的特殊存储器（SM）的时钟脉冲，如SM0.4、SM0.5等；也可以应用定时器来设计闪烁因子，其梯形图如图4所示。 图4 闪烁报警程序3） 蓄水池水位控制程序蓄水池保持一定的水位是整个系统正常工作的保证，因此蓄水池水位控制程序功能的好坏是整个控制系统的关键。蓄水池水位控制程序如图5所示。 图5 蓄水池水位控制程序图4）水塔水箱水位控制程序水塔水箱水位是整个系统的核心部分。从上面的控制要求分析可知，它的控制思想与蓄水池水位控制程序的方法基本相同。程序如图6所示。 图6 水塔水箱水位控制程序图 2.6系统调试根据电气接线图安装接线，用编
25、程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行、直至运行成功。结束语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，用PLC控制水塔水位，实现远程控制和就地控制， PLC的可靠性高、抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自检功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，人们使用更加方便， 参考文献 1 孙 平；可编程控制器原理及应用（第2版）；高等教育出版社；2008年4月版2 谢又成、章兢; PLC在恒压供水自动控制系统的应用; 电工技术杂志; 2003年02期3 林小峰；可编程控制器原理及应用 北京：高等教育出版社；19944 蒲玉兴、李广兵; 可编程控制器（PLC）教学实践; 长沙航空职业技术学院学报; 2003年01期 5 于庆广；可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社；2004