1、基于PLC的水塔水位自动控制系统样本课程设计 设计题目： 基于PLC水塔水位控制系统 院 系： 电气工程系 专 业： 电子信息工程 年 级： 级 姓 名： 李 飞 指引教师： 西南交通大学峨眉校区 年 月 日 课 程 设 计 任 务 书专 业 电子信息工程 姓 名 李 飞 学 号 8092 开题日期： 年 月 日 完毕日期： 12月 15日题 目 简易漏电报警器 一、设计目 二、设计内容及规定 三、指引教师评语 四、成 绩 指引教师 (签章) 年 月 日 摘要当前，大量高位生活用水和工作用水逐渐增多。因而，不少单位 自建水塔储水来解决高层楼房用水问题。最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时
2、每刻对水位进行准拟定位监测，很难精确控制水泵起停。要么水泵关停过早，导致水塔缺水；要么关停过晚，导致水塔溢出，挥霍水资源，给顾客导致不便。运用人工控制水位会导致供水时有时无不稳定供水状况。日后，使用水位控制装置使供水状况有了变化，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置故障多，可靠性差，给维修带来很大麻烦。因而为更好保证供水稳定性和可靠性，老式供水控制办法已难以满足当前规定。本文采用是西门子S7-200PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统功能性进行了需求分析。重要实现办法是通过传感器检测水塔实际水位，将水位详细信息传至PLC构成控制模块，来控制水泵电机动作
3、，同步显示水位详细信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警信号，最后实现对水塔水位自动。核心词：水位自动控制、西门子S7-200PLC、水泵 、传感器 第一章 绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是惯用重要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大不便，重则也许导致严重生产事故及损失。因而给水工程往往成为高层建筑或工矿公司中最重要基本设施之一。任何时候都能提供足够水量、平稳水压、合格水质是对给水系统提出基本规定。就当前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、
4、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。老式控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺陷。可编程控制器（PLC）是依照顺序逻辑控制需要而发展起来，是专门为工业环境应用而设计数字运算操作电子装置。鉴于其种种长处，当前水位控制方式被PLC控制取代。同步，又有PID控制技术发展，因而，如何建立一种可靠安全、又易于维护给水系统是值得咱们研究课题。在工农业生产以及寻常生活应用中，经常会需要对容器中水位进行自动控制。例如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中蓄水量，生活中抽水马桶自动补水控制、自动电热水器、电开水机自动进水控制等。虽然各种水位控制技术规定不同，精度不同。但其原理都
5、大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统基本规定。因而如何设计一种精度高、稳定性好水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能较好解决以上问题，使水位控制在规定位置。 第二章 可编程器简介2.1可编程控制器产生 可编程控制器是60年代末在美国一方面浮现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等长处和继电器控制系统简朴易懂、操作以便、价格便宜等长处结合起来，控制器硬件是原则、通用。依照实际应用对象，将控制内容编成软件
6、写入控制器顾客程序存储器内。控制器和被控对象连接以便。可编程控制器产生和继电器-接触器控制系统有很大关系。继电器-接触器控制已有百年历史，它是一种弱电信号控制电信号电磁开关，具备构造简朴、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修等长处。对于工作模式固定，规定比较简朴场合非常合用，至今仍有广泛用途。但是当工作模式变化，就必要变化系统硬件接线，控制柜中物件及接线都要作相应变动，改造工期长、费用高，顾客宁愿扔掉旧控制柜，另做一种新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。随着工业生产迅速发展，市场竞争激烈，产品更新换代周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换。继电器-接触器控制难以满足市场需
7、求，此问题一方面被美国通用汽车公司提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号不断翻新，满足顾客对产品多样性需求，公开对外招标，规定制作一种新工业控制装置取代老式继电器-接触器控制，对其新装置提出规定就是知名GM10条，即：1. 编程以便，可在现场修改程序；2. 维修以便，采用模块化构造；3. 可靠性高于继电器控制柜；4. 体积不大于继电器控制柜；5. 可将数据直接送入管理计算机；6. 在成本上可与继电器控制竞争；7. 输入可以是交流115V；8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；9. 在扩展时，原有系统只要很小变更；10. 顾客程序存储容量至少能扩展到4K字节。1969年美国数字设备
8、公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司汽车自动装配线上初次使用并获得成功。接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进这项技术，不久研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出她们第一台可编程控制器。国内从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着微电子技术发展，特别是PLC采用通讯微解决器之后，这种控制器就不在不局限于当时逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术迅猛发展，以16位和少数32位
9、微解决器构成微机化PLC，使PLC功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，以便。PLC虽然问世时间不长，但随着微解决器发展，大规模、超大规模集成电路不断浮现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。90年代后来，工业控制几户所有被PLC占领。国外专家预言，PLC将在工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAC/CAM）中跃居首位。2.2 PLC发展 随着半导体技术，特别是微解决器和微型计算机技术发展，到70年代中期后来，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微解决器作为中央解决器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模集成电
10、路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面均有了新突破。这时PLC已不但仅是逻辑判断功能，还同步具备数据解决、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为适当，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）简称PC相区别，普通仍将它简称为PLC（Programmable Logic Controller）。 PLC是微机技术与老式继电器-接触器控制技术相结合产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等长处和继电器控制系统简朴易懂、操作以便、价格便宜等长处结合起来，控制器硬件是原则、通用。依照实际应用对象
11、，将控制内容编成软件写入控制器顾客程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统控制办法，在复杂继电器控制系统中，故障查找和排除困难，耗费时间长，严重地影响工业生产。在工艺规定发生变化状况下，控制柜内元件和接线需要作相应变动，改造工期长、费用高，以至于顾客宁愿此外制作一台新控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差缺陷，充分运用微解决器长处，并将控制器和被控对象以便连接起来。由于PLC是由微解决器、存储器和外围器件构成，因此应属于工业控制计算机中一类。 对顾客来说，可编程控制器是一种无触点设备，变化程序即可变化生产
12、工艺，因而如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简朴容易。从制造生产可编程控制器厂商角度看，在制造阶段不需要依照顾客订货规定专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世后来不久受到工业控制界欢迎，并得到迅速发展。当前，可编程控制器已成为工厂自动化强有力工具，得到了广泛应用。 国内从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。当前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器新型设备。掌握可编程序控制器工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统能力，已经成为当代工业对电
13、气技术人员和工科学生基本规定。2.3 PLC基本构造 PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件构造基本与微型计算机相似，如图2-1所示： 2-1 PLC硬件构造2.4 PLC工作原理循环扫描PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程普通涉及五个阶段：内部解决、与编程器等通信解决、输入扫描、顾客程序执行、输出解决，其工作过程如图所示。当PLC方式开关置于RUN（运营）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信解决，如对PLC联机或离线编程。对于不同型号PLC，图中扫描过程中各步顺序也许不同，这是由PLC内部系统程序决定。1）内部解决：在这一阶段，CPU
14、检测主机硬件，同步也检查所有I/O模块状态。在RUN模式下，还检测顾客程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常继续向下扫描。2）解决通信祈求：在CPU扫描周期信息解决阶段，CPU自动检测并解决各通信端口接受到任何信息。即检查与否有编程器、计算机等通信祈求，若有则进行相应解决，在这一阶段完毕数据通信任务。3）输入解决：在这一阶段，对各数字量输入点当前状态进行输入扫描，并将各扫描成果分别写入相应映像寄存器中。4）执行顾客程序：在PLC中，顾客程序按先后顺序存储。在这一阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点状态，每条指
15、令执行是对各数据进行自述或逻辑运算，然后将运算成果送到输出映像寄存器中。执行顾客程序过程与计算机基本相似。5）输出解决：在这一阶段，CPU用输出映像寄存器中数据几乎同步集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受电压或电流信号，以驱动被控设备。可编程序控制器输入解决、执行顾客程序和输出解决过程原理如图所示：PLC执行五个阶段，称为一种扫描周期，PLC完毕一种周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期长短重要取决于程序长短，它对于普通工业设备普通没有什么影响，但对控制时间规定较严格，响应速度规定快系统，为减少扫描周期导致响应延时等不良影响，普通在编程时应对扫描周期精准计
16、算，并尽量缩短和优化程序代码。2.5 PLC重要应用 最初，PLC重要用于开关量逻辑控制。随着PLC技术进步，它应用领域不断扩大。如今，PLC不但用于开关量控制，还用于模仿量及数字量控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范畴、跨地区控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一种重要角色。1、用于开关量控制 PLC控制开关量能力是很强。所控制入出点数，少十几点、几十点，多可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不论多少点都能控制。2、用于模仿量控制 模仿量，如电流、电压、温度、压力等等，它大小是持续变化。工业生产，特别是持续型生产过程，常要
17、对这些物理量进行控制。作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大局限性。为此，各PLC厂家都在这方面进行大量开发。当前，不但大型、中型机可以进行模仿量控制，就是小型机，也能进行这样控制。PLC进行模仿量控制，要配备有模仿量与数字量互相转换AD、DA单元。它也是I/O单元，但是是特殊I/O单元。A/D单元是把外电路模仿量，转换成数字量，然后送入PLC。D/A单元，是把PLC数字量转换成模仿量，再送给外电路。作为一种特殊I/O单元，它仍具备I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存一种区。可读写）互换信息等等特点。这里A/D中A，多为
18、电流，或电压，也有为温度。D/A中A，多为电压，或电流。电压、电流变化范畴多为05V，010V，420mA。有还可解决正负值。这里D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。 A/D、D/A有单路，也有多路。3、用于数字量控制 实际物理量，除了开关量、模仿量，尚有数字量。如机床部件位移，常以数字量表达。数字量控制，有效办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国基于计算机控制技术。当今已很普及，并也很完善。当前，先进国家金属切削机床，数控化比率已超过4080，有甚至更高。 PLC也是基于计算机技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。4、用于数据采集 随着PLC技术发展
19、，其数据存储区越来越大。如OMRON公司PLC，前期产品C60PDM区仅64个字，而日后C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。这样庞大数据存储区，可以存储大量数据。数据采集可以用计数器，合计记录采集到脉冲数，并定期地转存到DM区中去。数据采集也可用A/D单元，当模仿量转换成数字量后，再定期地转存到DM区中去。PLC还可配备上小型打印机，定期把DM区数据打出来。PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区数据读出，并由计算机再对这些数据作解决。这时，PLC即成为计算机数据终端。5、用于进行监控 PLC自检信号诸多，内部器件也诸多，多数使用者未充分发挥其作用。其实，完全可运用它进行
20、PLC自身工作监控，或对控制对象进行监控。这里简介一种用PLC定期器作看门狗，对控制对象工作状况进行监控思路。如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。详细作法是在施加控制同步，令看门狗定期器计时。如在规定期间内动作完毕，即定期器未超过警戒值状况下，已收到动作完毕信号，则阐明控制对象工作正常，无需报警。若超时，阐明不正常，可作相应解决。如果控制对象各重要控制环节，都用这样某些看门狗看着，那系统工作将了如指掌，浮现了问题，卡在什么环节上也较好查找。尚有其他某些监控工作可做。对一种复杂控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要。它可减少系
21、统故障，出了故障也好查找，可提高合计平均无端障运营时间，减少故障修复时间，提高系统可靠性。6、用于联网、通讯 PLC联网、通讯能力很强，不断有新联网构造推出。PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参加编程及对PLC进行控制管理，使PLC用起来更以便。为了充分发挥计算机作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多可达32台。也可一台PLC与两台或更多计算机通讯，互换信息，以实现多地对PLC控制系统监控。PLC与PLC也可通讯。可一对一PLC通讯。可几种PLC通讯。可多到几十、几百。PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，互换数据，互相操作。可联接成远程控制系统，系统范
22、畴面可大到10公里或更大。可构成局部网，不但PLC，并且高档计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万PLC、计算机、智能装置组织在一种网中。网间结点可直接或间接地通讯、互换信息。联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展需要。它可使工业控制从点（Point）、到线（Line）再到面（Aero），使设备级控制、生产线控制、工厂管理层控制连成一种整体，进而可创造更高效益。这个无限美好前景，已越来越清晰地呈当前咱们这一代人面前。 以上几点应用是着重从质上讲。从量上讲，PLC有大、有小。因此，它控制范畴也可大、可
23、小。小只控制一种设备，甚至一种部件，一种站点；大可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说，工业控制大小场合，都离不开PLC。普通讲，工业生产过程可分为两种类型；持续型生产过程（如化学工业）及非持续型，即离散型生产过程（如机械制造业）。前者生产对象是持续，分不出件；后者为离散，一件件。由于PLC有上述几种方面应用，并且，控制规模又可大、可小，因此，这两种类型生产过程均有其用武之地。事实上，PLC已广泛应用于工业生产各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它。不但工业生产用它，某些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。农业大棚环境参数调控，水利灌溉
24、也用到它。 PLC能有上述几种范畴广泛应用，是PLC自身特点决定，也是PLC技术不断完善成果。2.6 西门子S7-200系列PLC编程元件 plc通过程序运营实行控制过程其实质就是对存储器中数据进行操作或解决过程，依照使用功能不同，把存储器分为若干个区域和种类，这些由顾客使用每一种内部存储单元统称为软元件。各元件有其不同功能，有固定地址。软元件数量决定了可编程控制器规模和数据解决能力，每一种PLC软元件是有限。为了理解以便，把PLC内部许多位地址空间软元件定义为内部继电器（软继电器）。但要注意把这种继电器与老式电气控制电路中继电器区别开来，这些软继电器最大特点就是其线圈通断实质就是其相应存储器
25、位置位与复位，在电路（梯形图）中使用其触点实质就是对其所相应存储器位读操作，因而其触点可以无限次使用。编程时，顾客只需要记住软元件地址即可。每一软元件均有一种地址与之一一相应，其中软继电器地址编排采用区域号加区域内编号方式。即PLC内部依照软元件功能不同，提成了许多区域，如输入输出继电器、辅助继电器、定期器区、计数器区、顺序控制继电器、特殊标志继电器区等，分别用I、Q、M、T、C、SM等来表达。1、数字量输入继电器（I）输入继电器也就是输入映像寄存器，每个PLC输入端子都相应有一种输入继电器，它用于接受外部开关信号。输入继电器状态唯一地由其相应输入端子状态决定，在程序中不能浮现输入继电器线圈被
26、驱动状况，只有当外部开关信号接通PLC相应输入端子回路，则相应输入继电器线圈“得电”，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用数量（次数）不受限制。2、数字量输出继电器（Q）输出继电器也就是输出映像寄存器，每个PLC输出端子相应均有一种输出继电器。当通过程序使得输出继电器线圈“得电”时，PLC上输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载开关信号。同步在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。3、通用辅助继电器（M）通用辅助继电器犹如电器控制系统中中间继电器，在PLC中没有输入输出端与之相应，因而通用辅助继电器线圈不直接受输
27、入信号控制，其触点也不能直接驱动外部负载。因此，通用辅助继电器只能用于内部逻辑运算。通用辅助继电器用“M”表达，通用辅助继电器区属于位地址空间，范畴为M0.0M31.7，可进行位、字节、字、双字操作。4、特殊标志继电器（SM）有些辅助继电器具备特殊功能或存储系统状态变量、关于控制参数和信息，咱们称为特殊标志继电器。顾客可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间信息，如可以读取程序运营过程中设备状态和运算成果信息，运用这些信息用程序实现一定控制动作。顾客也可通过直接设立某些特殊标志继电器位来使设备实现某种功能。特殊标志继电器用“SM”表达，特殊标志继电器区依照功能和性质不同具备位、字节、字和双字
28、操作方式。其中SMB0、SMB1为系统状态字，只能读取其中状态数据，不能改写，可以位寻址。系统状态字中某些惯用标志位阐明如下：SM0.0：始终接通；SM0.1：初次扫描为1，后来为0，惯用来对程序进行初始化；SM0.2：当机器执行数学运算成果为负时，该位被置1；SM0.3：开机后进入RUN方式，该位被置1一种扫描周期；SM0.4：该位提供一种周期为1分钟时钟脉冲，30秒为1，30秒为0；SM0.5：该位提供一种周期为1秒钟时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0；SM0.6：该位为扫描时钟脉冲，本次扫描为1，下次扫描为0；SM1.0：当执行某些指令，其成果为0时，将改位置1；SM1.1：当执行某些
29、指令，其成果溢出或为非法数值时，将改位置1；SM1.2：当执行数学运算指令，其成果为负数时，将改位置1；SM1.3：试图除以0时，将改位置1；其她惯用特殊标志继电器功能可以参见S7-200系统手册。5、变量存储器（V）变量存储器用来存储变量。它可以存储程序执行过程中控制逻辑操作中间成果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务有关其她数据。变量存储器用“V”表达，变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，但更多是用于字节、字、双字操作。变量存储器也是S7-200中空间最大存储区域，因此惯用来进行数学运算和数据解决，存储全局变量数据。6、局部变量存储器（L）局部变量存储器用来存储局部变量。局部变量
30、与变量存储器所存储全局变量十分相似，重要区别是全局变量是全局有效，而局部变量是局部有效。全局有效是指同一种变量可以被任何程序(涉及主程序、子程序和中断程序)访问；而局部有效是指变量只和特定程序有关联。S7200 PLC提供64个字节局部存储器，其中60个可以作暂时存储器或给子程序传递参数。主程序、子程序和中断程序在使用时都可以有64个字节局部存储器可以使用。不同程序局部存储器不能互相访问。机器在运营时，依照需要动态地分派局部存储器：在执行主程序时，分派给子程序或中断程序局部变量存储区是不存在，当子程序调用或浮现中断时，需要为之分派局部存储器，新局部存储器可以是曾经分派给其她程序块同一种局部存储
31、器。局部变量存储器用“L”表达，局部变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。7、顺序控制继电器（S）顺序控制继电器用在顺序控制和步进控制中，它是特殊继电器。关于顺序控制继电器使用请阅读本章后续关于内容。顺序控制继电器用“S”表达，顺序控制继电器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。8、定期器（T）定期器是可编程序控制器中重要编程元件，是合计时间增量内部器件。自动控制大某些领域都需要用定期器进行定期控制，灵活地使用定期器可以编制出动作规定复杂控制程序。 定期器工作过程与继电器接触器控制系统时间继电器基本相似。使用时要提前输入时间预置值。当定期器输入条件满足且开始计时，当前值从0开始按一定期间单位增长；当定期器当前值达到预置值时，定期器动作，此时它常开触点闭合，常闭触点断开，运用定期器触点就可以按照延时时间实现各种控制规律或动作。9、计数器（C） 计数器用来合计内部事件次数。可以用来合计内部任何编程元件动作次数，也可以通过输入端子合计外部事件发生次数，它是应用非常广泛编程元件，经惯用来对产品进行计数或进行特定功能编程。使用时要提前输入它设定值(计数个数)。当输入触发条件满足时，计数器开始合计其输入端脉冲电位跳变(上升沿或下降沿)次数；当计数器计数达到预定设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。模仿量输入映像寄存器(AI)、模仿量
