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1、精选优质文档-倾情为你奉上成都电子机械高等专科学校成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： PLC水塔水位控制及应用系统设计教 学 点： 指导老师： 职 称： 学生姓名： 学 号: 专 业： 成都电子机械高等专科学校成教院制二零一三 年 四 月 二十五 日专心-专注-专业成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书题目： PLC水塔水位控制及应用系统设计任务与要求： 1. 2. 3.时间： 年 1 月 日 至 年 月 日 共 周教 学 点： 学生姓名： 学 号： 专业： 指导单位或教研室： 指导教师： 职 称： 成都电子机械高等专科学校成教院制毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内
2、 容执 行 情 况指导教师签 字2013.3.1-2013.3.182013.4.11-2013.4.25教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘 要随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置可编程控制器。随着科技的发展和现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，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中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控
3、制、机电控制等。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，主控台应用MCGS组态软件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、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。关键词：PLC、自动化、水塔水位AbstractWith the development of modern social production and the progress of technology, the modern industrial automation level increas
4、ing, the rapid development of microelectronic technology, an industrial control - the programmable controller device model is generated in the relay control system based on. With the development of science and technology and the reality of some of the problems exposed, in order to be more efficient
5、and more convenient to complete some task, in the industrial and agricultural production process, often need to measure and control the water level. Water level control in their daily lives in a wide range of applications, such as the water level of the water tower, water, hydropower station under t
6、he condition of control. The water level detection can achieve a variety of methods, such as mechanical control, logic control, electrical control.This paper uses PLC for the main control, the installation of an automatic water tank level measuring device. Variation of conductivity of water use cont
7、inuously all-weather water level measurement, the measurement of water level to change into a corresponding electrical signal, the console application of MCGS configuration software for data processing of the received signal, complete the corresponding water level display, fault alarm information di
8、splay, real-time curve and history curve shows, make water conservation in the proper position.Key words: PLC、 Automation、water level目 录第一章 绪论第一节中央处理单元(CPU)PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元(CPU)，如图1-1所示。系统程序存储器电源输入电路中央处理单元（CPU）编程器输出电路系统程序存储器图1-1 硬件结构中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它将PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程
9、器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算术运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。第二节存储器存放系统软件存储器称为
10、系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。一、PLC常用存储器类型（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。二、PLC
11、存储空间分配各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。（4）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段
12、才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。（5）系统软设备存储区 ：除I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电
13、时，数据被清零。用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。第三节 输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感器输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的
14、数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅
15、输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构，有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器与PLC的I/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。另外还有：0somV、05V、5+5V、10+10V，010mA等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号
16、转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。第二章 PLC的工作原理与特点第一节 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： （1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的那个位置上都会立即同时动作。 （2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的
17、差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。一、扫描技术 当PLC投入
18、运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图2-1。图2-1 PLC 扫描周期（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户
19、程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面
20、的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。二、PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般
21、微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。如图3-2：上电RUN自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新故障图2-2 PLC扫描周期示意图第二节PLC特点一、 高可靠性（1）抗干扰能力强，适合于在恶劣的生产环境下运行，它完全不需要一般计算机所要求的环境。且所有的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1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰（4）
22、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、 系统采用了分散的模块化结构（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，可针对各类不同控制需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而大大提高了效率。（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
23、部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。三、 采用了大规模集成电路技术和微处理器技术为了实现机电一体化，将其设计得紧凑、坚固、小体积，易于装入机械设备内部，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的编程大多使用面向控制操作的控制逻辑语言。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
24、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。第三章水塔水位的硬件设计第一节水塔水位系统PLC硬件设计与调试1、保持水池的水位在S3S4之间，当水池水位低于下限液位开关S4，此时S4为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，超过水池下限液位开关S4时，此时水池下限液位开关S4为OFF，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S3时，则S3为ON，电磁阀关闭。2、保持水塔的水位在S1S2之间，当
25、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。图3-1 水塔水位控制装置图第二节 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表如表3-1所示：表3-1 水位系统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控制开关Y1电磁阀YX1水塔上限液位开关Y0电机M1X2水塔下限液位开关X3水池上
26、限液位开关X4水池下限液位开关S1表示水塔的水位上限，S2表示水塔水位下限，S3表示水池水位上限，S4表示水池水位下限，M1为抽水电机，Y为水阀。2、水塔水位系统的输入/输出设备这是一个单体控制小系统，只需选用一般中小型控制器即可。第四章 水塔水位控制系统PLC软件设计第一节 水塔水位控制系统工作过程设水塔、水池初始状态都为空着的当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障，S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运
27、转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。此次给水塔供水完成水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表如表4-1所示：表4-1 水塔水位系统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控制开关Y1电磁阀YX1水塔上限液位开关Y0电机M1X2水塔下限液位开关X3水池上限液位开关X4水池下限液位开关S1表示水塔的水位上限，S2表示水塔水位下限，S3表示水池水位上限，S4表示水池水位下限，M1为抽水电机，Y为水阀。第二节水塔水位控制系统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图4-1所示：开始水池水位低于下限吗电磁阀打开水池水位高于下
28、限？水池继续加水电磁阀关闭水池水位高于上限水塔水位低于下限吗水泵启动 供水水塔水位高于下限水塔水位高于上限水池水位低于下限水泵停止结束否是否是是图4-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图第三节 水塔水位控制系统梯形图根据程序流程图设计的梯形图如图4-2所示：图4-2 水塔水位控制系统梯形图结束语在毕业之际，要用我所学的知识作出一个设计，来给予我这三年所学知识的一个肯定。我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在此时对以前学习的知识的挑战与突破。在对这个设计的材料的搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用
29、操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。通过这次设计实践。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。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也
30、明白了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。如今毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，是这次设计让我明白了人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。谢 辞首先感谢我有这样一次学习和锻炼的机会，感谢带领我们这次培训的领导和师傅对我们各方面的关心和照顾，同时也感谢工作地的员工们，尤其是作业班长对我们的悉心指导和帮助。总得来说在实习期间，虽然很辛苦，但是，在这艰苦的工作中，我却倍感值得。我明白，今后的工作还会遇
31、到许多新的东西，这些东西会给我带来新的体验和新的体会。因此，我坚信：只要我用心去发掘，勇敢地去尝试，一定会能更大的收获和启发的。经过这次实践，虽然时间很短。可我学到的却是我在学校难以了解的。自己的虚心求教，使得这期间的实习更加有意义。此次的毕业实习为我深入社会，体验生活提供了难得的机会，让我在实际的社会活动中感受生活，了解在社会中生存所应该具备的各种能力。为以后自己的奠定了坚实的基础。这次毕业设计能够顺利完成除了我个人的努力外，还和老师、同学和朋友们的帮助是分不开的，尤其感谢我的指导教师李峰老师，感谢他对我的悉心教导和谆谆教诲。在此，对给过我帮助和支持过的老师和同学致以忠诚的感谢参考文献1廖常初.PLC基础及应用.北京 机械工业出版社，20042王兆义.可编程序控制器教程.北京机械工业出版社 ,20053吕景泉.可编程控制器技术教程.北京：高等教育出版社，20004张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，20015李俊季、赵黎明.可编程控制应用技术实训指导.北京：化学工业出版社，20016张桂香.电气控制与PLC应用. 北京：化学工业出版社，20037钟肇新.可编程控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2003