水塔水位控制系统PLC设计文档格式.docx
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水塔水位控制系统设计
摘要
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(MonitorandControlGeneratedSystem)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。
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,是节约水源,方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置.
关键词:
水位;
自动控制系统;
调试;
可编程控制器(PLC)
插图清单
表格清单
摘要
Abstract
第一章绪论……………………………………………………………………………1
1。
1水塔水位控制系统设计的重要性………………………………………………………1
1.2控制理论的发展及应用概况………………………………………………………1
3本文的主要工作……………………………………………………………………2
第二章水塔水位控制系统方案设计…………………………………………………3
2.1PLC的工作原理……………………………………………………………………3
2。
2PLC选型……………………………………………………………………………5
2.3水位传感器的选择…………………………………………………………………………6
4水塔水位控制方案…………………………………………………………………8
第三章水塔水位控制系统硬件设计…………………………………………………9
3。
1水塔水位控制系统主电路…………………………………………………………9
3.2控制系统与PLC的输入/输出接口分配表………………………………………10
3.3水塔水位控制系统的I/O接线图…………………………………………………11
第四章水塔水位控制系统PLC软件设计…………………………………………12
4。
1系统工作过程………………………………………………………………………12
4.2程序流程图…………………………………………………………………………13
3梯形图与具体分析…………………………………………………………………14
4.4水塔水位控制系统梯形图对应指令………………………………………17
总结…………………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………20
2—1PLC运行方式图……………………………………………………………………3
2—2PLC扫描周期示意图…………………………………………………………………4
2-6水塔水位控制系统方案设计图……………………………………………………………8
3—1电机主电路图…………………………………………………………………………9
3-2系统接线图……………………………………………………………………………11
3—3程序流程图……………………………………………………………………………13
4-1程序流程图的梯形图…………………………………………………………………15
第一章绪论
1水塔水位控制系统设计的重要性
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,是依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定来满足用水要求,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,是节约水源,方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。
不论社会经济如何飞速,水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。
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,从而对供水系统提出了更高的要求,满足及时、准确、安全充足的供水.如果仍然使用人工方式,劳动强度大,工作效率低,安全性难以保障,由此必须对其进行自动化控制系统的改造。
从而实现提供足够的水量、平稳的水压、低成本的设计、高实用价值的控制器。
该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,既达到节能的目的,又提高了供水系统的质量。
2PLC控制理论的发展及应用概况
2.1PLC控制理论的发展
可编程控制器(ProgrammableController),也称可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置,是计算机家族的一名成员,简称PC,为了避免与个人电脑(也简称为PC)相混淆,通常将可编程控制器简称为PLC[1]。
早期的PLC——虽然PLC问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步,PLC也迅速发展,其发展过程大致可分为三个阶段:
可编程逻辑控制器[2]。
这时的PLC多少由继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器.另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指示,能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言-梯形图一直沿用至今。
在七十年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。
这样,使PLC的功能大大增强。
在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能.在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量,是各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC的应用范围得以扩大.
进入八十年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。
我国在八十年代初才开始使用PLC,目前从国外引进的PLC使用较为普遍是由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
2PLC控制理论的应用
PLC初始时针对工业顺序控制发展而研制的。
经过近40年的发展,PLC技术已大大超过其出现时的技术水平,其定位在低成本自动化项目和作为大型DistributedControlSystem(DCS)或FieldbusControlSystem(FCS)系统的I/O站。
现在PLC的应用已遍布国民经济的各个领域,并几乎涉及到工业界所有领域的中、大型设备的自动控制中,形成了满足各种需要的PLC应用系统。
3本文的主要工作
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、逻辑电路控制、机电控制等[8]。
本文采用PLC进行主控制,在水箱上安装一个自动测量水位装置。
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(MonitorandControlGeneratedSystem)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.并对水塔水位系统进行I/O分析和梯形图设计,充实设计内容,方便更清楚的了解设计内容。
第二章水塔水位控制系统方案设计
2.1PLC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哪个位置上都会立即同时动作[6]。
(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[8]。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异,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[5]。
2.1.1扫描技术
当PLC投入运行后,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所示.
图2-1PLC运行方式图
(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[11]。
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存储区中对应的状态;
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应的状态;
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[7]。
(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。
2.1.2PLC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)[11]。
以上两个主要原因,使得PLC的I/O响应比一般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2—2所示。
图2-2PLC扫描周期示意图
2.2PLC选型
随着PLC的推广普及,PLC产品的种类和数量越来越多。
近年来,从国外引进的PLC产品、国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列,上百种型号,PLC种类繁多,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同,适用场合也各有侧重。
因此,合理选择PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标起重要作用[11]。
S7—300PLC是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用[3]。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值;
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内,人机对话的编程要求大大减少.SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中取得数据,S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据.S7-300操作系统自动地处理数据的传送;
CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如:
超时,模块更换,等等);
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密,防止未经允许的复制和修改;
S7-300PLC设有操作方式选择开关,操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出,当钥匙拔出时,就不能改变操作方式,这样就可防止非法删除或改写用户程序.
本次设计使用的是西门子S7—300PLC,就是因为它的实用性,所以在这里有必要介绍一下它的硬件基本结构,如图2—3和图2-4所示。
1接口模块②电源
图2—4S7-300PLC的模块图
图2—3S7—300PLC的实物图
如上图示:
除了电源、CPU和接口模块(IM)外,S7-300可以选择的其他主要模块有:
DI(数字量数入)、DO(数字量输出)、AI(模拟量输入)、AO(模拟量输出)、FM(功能模块)和CP(通信模块)[3].
S7—300的组件及其功能如下:
电源(PS)-将电网电压(120/230V)变换为S7-300所需的24VDC工作电.
中央处理单元(CPU)-执行用户程序,附件:
存储器模块,后备电池。
接口模块(IM)—连接2个机架的总线。
信号模块(SM)—把不同的过程信号与S7-300相匹配,附件:
总接线器,前接线器。
功能模块(FM)—完成地位、闭环控制等功能。
通讯处理器(CP)—连接可编制控制器,附件:
电缆、软件、接口模块。
其中,图2-4中的八个信号模块即是信号模块(SM)的八个模拟量,可随意搭配。
2.3水位传感器的选择
EchoPod超声波液位传感器集非接触开关,控制器,变送器三种功能于一身,适用于小型储罐.EchoPod超声波液位传感器灵活的设计可以应用于综合系统或者替代浮球开关、电导率开关和静压式传感器,也适用于流体控制和化工供料系统的综合应用,超声波液位传感器对于机器,刹车等设备的小储罐的应用也是很好的选择,PVDF的传感器可以适用于泥浆,腐蚀性介质,超声波液位传感器广泛应用于各种常压储罐,过程罐,小型罐和小型容器,泵提升站,废水储槽等。
图2—5EchoPod超声波液位传感器
EchoPodDL14超声波液位传感器的产品特点:
□量程1。
25米
□输出4~20mA+4个继电器
□探头材质PVDF,耐酸碱腐蚀
□窄声束角0度,支持静管技术
□WebCal软件标定,防护等级IP67
工作原理:
EchoPod超声波液位传感器是根据超声波理论工作的。
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.当另一端接到有效信号时,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。
以下是FLOWLINEEchoPodDL14超声波液位传感器的技术参数:
量程:
1。
25m
精度:
3mm
分辨率:
0。
5mm
声束宽度:
5cm
死区:
供电电压:
24vdc(环路)
温度补偿:
全量程自动
环绕阻抗:
400ohms@24vdc
信号输出:
DL14:
4~20mA,4*SPST继电器
标定:
WebCalPC软件,USB标定
失效诊断:
4mA,20mA,21mA,22mA,或者保持当时数据
过程温度:
-20℃to60℃
压力:
大气压
防护等级:
NEMA4X(IP65)
外壳材料:
PC/ABSFR
探头材料:
PVDF
过程连接:
1"
NPT(1”G)螺纹
电缆长度:
2米
电缆材料:
PVC
延时:
可选
类别:
普通
认证:
CE
4水塔水位控制方案
图2—5水塔水位控制系统方案设计图
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5S以后,若水池水位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)在控制系统启动后,若水池水位低于水池最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号,PLC根据此信号打开电磁阀向水池补水,当水位达到水池最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号关闭电磁阀的工作,当水塔水位达到最低水位时,液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出,PLC在收到信号后启动电磁阀向水塔加水,当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号关闭电磁阀的工作.
4)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。
第三章水塔水位控制系统硬件设计
1水塔水位控制系统主电路
给排水工程中常使用三相异步电动机Y90L-4,功率为1.5KW[4]。
水泵上的电动机一般是单向旋转,并有以下控制:
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发出信息启动水泵,经过5S检测水塔水位是否提高,从而来控制水泵的工作,当水位达到最高水位时向PLC发出控制信息,停止水泵工作[9].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,执行程序,通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制.
图3-1电机的主电路图
2PLC的输入/输出接口分配表
系统的输入信号:
控制开关1个,液位开关4个,共5个输入信号;
系统的输出信号有:
电磁阀1个,电机1台,指示灯5个,共7个输出点。
西门子S7-300型PLC,它有8个输入点,16个输出点,交流供电,满足本例要求[8]。
如:
X400为水位控制开关的地址输入继电器,X401为水塔上限液位开关S1的地址输入继电器,X402为水塔下限液位开关S2的地址输入继电器,X403为水池下限液位开关S3的地址输入继电器,X404为水池上限液位开关S4的地址输入继电器,即,在PLC中,通过X400、X401、X402、X403、X404来进行对水塔水位进行液位控制.Y430为电磁阀的地址输出继电器,Y431为电机M的地址输出继电器,Y432为水池下限指示灯a1的地址输出继电器(到水池下限时灯亮),Y433为水池上限指示灯a2的地址输出继电器(到水池上限时灯亮),Y434为水塔上限指示灯a3的地址输出继电器(到水塔下限时灯亮),Y435为水塔上限指示灯a4的地址输出继电器(到水塔上限时灯亮),Y436为报警指示灯a5的地址输出继电器(警报时灯亮),即,PLC中,通过Y430、Y431、Y432、Y433、Y434、Y435、Y436对液位进行合理控制,方便与输入设备协调搭配。
由此,PLC输入/输出接口分配表如下:
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表3—1水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表
输入
继电器
现场器件
输出
X400
启动按钮
Y430
电磁阀
X401
水塔上限液位开关S1
Y431
电机M
X402
水塔下限液位开关S2
Y432
水池下限指示灯a1
X403
水池下限液位开关S3
Y433
水池上限指示灯a2
X404
水池上限液位开关S4
Y434
水塔下限指示灯a3
X405
停止按钮
Y435
水塔上限指示灯a4
Y436
报警指示灯a5
3水塔水位控制系统的I/O接线图
据输入输出分配表,再加上西门子S7-300设备的要求,对输入、输出地址进行分配,水塔水位控制系统的I/O接线图如图3-2所示。
图3—2系统I/O接线图
第四章水塔水位控制系统PLC软件设计
1系统工作过程
当执行程序是,检测到水池为液位低于水池下限液位时,电磁阀打开,开始往水池里进水,如果进水超过5S,而水池液位没有超过水池下限液位,说明系统出现故障,系统就会自动报警。
若5S只有水池液位按预定的超过水池下限液位,说明系统在正常的工作,水池下限液位的指示灯a1灭.此时,水池的液位已经超过了下限液
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