1、基于单片机的水塔水位自动控制系统摘 要在工业和农业生产过程中，经常需要测量和控制水位。在日常生活中水位控制应用也相当广泛，如水塔、地下水、水电站的控制。然而，随着世界人口不断增长，增加了人们的生活用水，过去由于频繁操作使用的继电器使水位自动控制系统会产生机械磨损，即不方便维护和更新，也不能满足实际需求。本论文使用的是西门子系列可编程控制器作为一个小水塔水位自动控制系统的核心，涉及到需要分析水塔水位功能的自动控制系统。主要方法是通过水塔中的液位传感器来检测实际的水位，并通过的的智能扩展模块将得到的信息通过模拟量的转换传送给变频器，以控制水泵电动机的操作。完成整个系统的自动供水过程。如果水位低于或
2、高于设定值时，危险警告信号将被发出。本论文给出设计的基础上很好地执行塔液位控制系统的具体过程。并使用组态王软件画出水塔自动供水的动态流程。关键字：水塔水位控制系统，液位传感器，组态王 , . , , , . , , , , , . , , . , . . , . . .: , , , . 引言 设计背景及意义 国内外研究现状 主要研究内容. 水塔水位控制系统方案设计设计方案对比传统的水位控制方案控制水塔液位的概述对比的结果基于的供水方案设计 系统控制要求 设计分析示意图 确定设计方案 .水塔控制系统硬件设计 简述的定义 可编程控制器的分类 控制系统设计的一般步骤 可编程控制器的工作原理的选型
3、应用介绍 扩展模块的选择交直流输出模块模拟量输出模块系统的分配表 电机及驱动线路 检测元件应用设计. 控制系统软件设计 控制程序流程图 程序流程图分析： 控制程序设计 .组态王仿真的设计 组态软件概述系统监控界面设计新建工程 定义变量调用器件 画面部署报警窗口的设计总结.结论本课题研究结论 课题存在问题与展望致谢参考文献附录附录. 引言 设计背景及意义在社会经济飞速发展的今天，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。随着国民经济的发展，人们的居住条件日益改善，楼房正在向高层发展，由于地理位置等各种原因，无法依靠自
4、来水厂供水，因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。不少单位自建水塔储水来解决自动供水的问题。最初，水塔的供水过程必须通过人为的控制才可以实现，但是如果是人工在控制则无法每时每刻都关注到水量的变化，无法根据水量的适时变化做出相应的操作。如果水泵关停过早，会造成水塔缺水；如果要么关停过晚，会造成水塔溢出，既不方便控制也对资源是一种浪费。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求，如何设计一个精度高、稳定性好的水位控
5、制系统就显得日益重要。我们的水供应业是推动水技术行业的领导者。供水业是城市基础设施投资的主要方向之一。在该系统中，改变在企业级市场的供水系统已成为必然的发展;技术上，水利行业面临严峻的供水设备国产化，技术设备迫切需要现代化的自动控制技术。优质水是水行业市场发展新的增长点，而应促进节约用水，提高水的重复利用率，逐步建立和完善水工业的学科体系。节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题，水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一。水位控制不仅要求控制系统在满足用水要求的同时，又要实现系统效率最优，采用传统的控制策略很难获得简便、实用的解决方法。本文结合水位
6、控制类系统的特点，运用水位控制理论与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，采用和变频器技术设计一种水位控制以改善这类系统的控制策略与运行方式。该水塔水位控制系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 国内外研究现状随着国民经济的发展,乡村的居住条件日益提高,新农村的建设蓬勃发展人民生活水平跟住宅楼一样越来越高,但有些地方地处偏僻之处交通不便,人民使用不到社会主义建设带来的水厂自来水。为了能用上干净卫生的生活用水,许多社会主义新农村家
7、庭自建属于自己的供水设施,用自己安装的供水设施将水送上水塔来解决自己的的用水问题。但是,那些供水设施多为手工操作,通过操作人主观的感觉来估测抽水量。这就产生了人眼无法直观的观察到水塔的水位的变化，在水泵开启和关闭的时间的处理上带来很多的麻烦,一则水泵关停过早,产生供水不足而且必须多次开启水泵来抽水给水泵带来不必要的压力;二来忘记关闸,水从水塔溢出,这样就会造成水资源和能源的浪费。设计用于这种自动电子液位控制装置，水位检测元件安装在不同的高度在水塔并通过水的导电性进行工作，并根据水位的不同来决定这两组电极的工作状态，用电信号来代替水位变化的信号，然后控制所电机水泵进行水的补充。这意味着拥有了更好
8、的控制性能，更简单的结构，更方便的维修方式，但无法检测到任一时刻水塔的水位的准确数值，而且电极长时间使用会带来氧化，腐蚀，污垢附着等影响，造成控制失效。水塔控制有多种自动控制装置，如施密特触发器组成定时器来控制水位检测电路， 水位自动检测系统也可以通过单片机的设计来实现，这些方法都不是十全十美的都有自身的一些问题，使用时如检测在水塔中的水位探测失败时，施密特触发器控制电路无法确定失败原因，从而导致操作错误;通过单片机来控制的话设计上又存在着的复杂性等不好的因素影响，不仅需要软件方面程序的设计，在硬件方面电路的处理上也要下一定的功夫，当系统在外界干扰下，系统本身的稳定性会变差，因此设计一种在条件
9、不好使也能正常工作的液位自动控制系统就显得十分重要和必须了。 主要研究内容在现有的水塔水位控制研究的基础上，通过对比首先确立研究设计的方向。了解控制塔的原理，通过的研究，设计塔完成必要的液位控制系统，并在设计功能的运行实验中，使实验得到正确的结果。用做控制器，完成对水塔水位的智能控制，从而提高系统的自动化程度。该系统应具有根据液位传感器完成自动供水的自动控制功能。主要研究内容应包括监测水位，当水位低于警报水平的下限。控制系统会发出水位下限报警信号。水塔此时泵自动开启功能。只有当泵工作正常运行灯点亮。当水位到达上极限水平标志着完成水供给泵的自动停止的过程。如果此时水泵电机仍然持续供水使水位超过最
10、大液位上限，那么控制系统将会发出高水位报警。并且会有手动紧急停止功能。为了适应在不同水位水压下都能正常高效的使水塔供水，本设计还在电机以及驱动电路设计方面加入了变频器控制电机的设计。旨在使系统在不同条件下都能发挥出应有的作用，便捷、快速、高效、安全的达到人们对水位自动控制的要求。为了使监测方面更加准确耐用。在设计中还应该在检测元件型号的选择上详细查阅资料。选取适当的检测元件使之达到以下的要求：外壳采用优质不锈钢，机械强度高、密封性好，电缆采用特种材质，耐油、酸、碱，抗蚀能力优越，输出稳定可靠的“”、“”开关控制信号，无任何误动作，可靠性高，安装简捷，调试方便，上下移动定位重块，即可随意调节液面
11、控制范围。熟悉检测元件在不同水压情况下的工作状态从而使设计更加贴近现实，更具实用性。电源的选取和应用。 的外部工作电源一般为单相 交流电源，也有采用直流电源的。使用单相交流电源的，往往还能同时提供直流电源，提供直流输入使用。对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许左右。所以，这次设计采用的是单相交流电源供电的。为了水塔使设计更加直观形象的被人们所接受，使人们更加清晰这次设计的思路，更加准确的开始本次设计的使用。在本次设计大体完成之后还加入了组态仿真软件的在水塔液位控制设计报警方面的模拟动画以及系统运行时的监控画面。因此在本次设计中研究采用了组态王软件来实现系统运行控制的监控画面，使整个设计
12、更加形象直观，也使得对液位的控制更加明确。也是通过对组态的学习使得设计更加合理的呈现在现实的工业应用之中，为将来在实际的日常工作之中早日与生产建设技术接轨做好初期的理论学习。. 水塔水位控制系统方案设计设计方案对比传统的水位控制方案机电控制式水位控制设计设计示意图如图所示图机电控制式水位结构示意图系统控制分析：漂浮在水面上的浮球与控制器中的“检测机构”通过连杆机构相连，当水位发生变化时，浮球上下运动带动“检测机构”产生位移，这个位移可以直接用来驱动阀门动作，关闭或者开启进水口，调节水位。如果需要控制的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电
13、控制驱动装置。具体控制过程为：“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；位移开关控制电机的转动；电机驱动水阀门。这种控制方式结构比较复杂，而且不适合在户外气候条件不佳时使用。整个系统在故障检测以及故障维护等方面存在比较复杂，维修费用大，费时费力等问题。因此这个系统已经不适应对居民生活生产供水的要求，必须建立更加高效使用的控制系统。控制水塔液位的概述水塔供水作为现代化生产生活建设的重要工具与人们的工作和生活日益紧密联系。作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在水塔液位控制中得到广泛应用，从而使水塔液位控制由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前水塔液位控制和技术
14、改造的热点之一。是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。自年代后期引入我国水塔液位控制以来，由组成的水塔液位控制系统被各地人民的生产生活普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中，系统一直是主流控制系统。 水塔液位控制系统分为检测部分和水泵电机控制部分。检测部分的性能对水塔液位能否顺利自动控制有着重要影响，而水泵电机控制部分则是水塔液位控制能否实现运行的关键。为了改善水塔液位的调节准确性和运行的可靠性，现在都改为用来控制水泵的运行，以及检测液位的反馈。这样大大提高了水塔水位自动控制的性能
15、。对比的结果综上所述考虑到，在实际生产生活中为了解决水塔供水的稳定性、高效性、省时性等问题。采用基于控制的水塔液位的方式。更容易实现生产生活中的机械化、自动化。降低认为操作的频繁次数，而且使整个控制系统更易于操控和维护，这将大大增加工业和生产生活的自动化，为居民生活质量的提高，工业现代化的快速发展产生极大的帮助。所以应当设计一种基于使水塔可以自动控制的设计系统。基于的供水方案设计 系统控制要求水塔水位控制示意图如图所示：图水塔水位控制示意图给排水工程中常使用三相异步电动机， 水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。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发
16、出信息启动水泵，当水位达到最高水位时向发出信息控制信息停止水泵工作。供水系统的基本原理如图所示，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，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。控制要求如下：.当水池水位低于低水位界限时（为时表示），报警灯报警，补水泵打开给水池注水；后，如果继续保持状态,表示补水泵没有工作，出现了故障，报警灯继续报警；如果为状态,表示水池水位开始升高,报警灯解除。.当水塔水位低于低水位界限时（为时表示），报警灯报警，水泵开始从水池中抽水；后，如果继续保持状态，表示水泵没有抽水，出现了故障，报警灯继续报警；如果为状态,表示水塔水位
17、开始升高,报警灯解除。.当水塔水位低于时,水泵运行并开始抽水,直到水位到达高水位界限。由于水塔要供水,所以水位会下降,当水塔水位介于和之间,不需要水泵运行,避免了水泵频繁启停。当水塔水位再一次低于时,水泵运行并开始抽水,直到水位到达高水位界限时,水泵停止运行。.当供水池水位低于时，补水泵打开并开始进水，直到水位到达高水位界限。由于水塔要抽水,所以供水池水位会下降,当供水池水位介于和之间,不需要补水泵打开,避免了补水泵频繁开关。当水塔水位再一次低于时补水泵开始工作，直到水位到达高水位界限，时补水泵关闭。设计分析示意图基于的水塔水位控制系统是一个自动控制系统，根据系统要求，设计分析分析如下：当电源
18、启动时，水池和水塔的水位有以下几种情况：水池的水位在之下，如图（）所示，则电磁阀打开，水泵启动，开始向水池供水，待后，若水池水位没有超过，则水池蜂鸣器报警。当水池水位高于时，如图（）所示，水泵停止，电磁阀关闭。水池的水位在与之间，如图（）所示，则电磁阀不会打开，水泵不会启动，保持待命状态。水塔的水位在之下，如图（）所示，并且水池水位在与之间，则电磁阀打开，水泵启动，开始向水塔供水，待后，若水塔水位没有超过，则水塔蜂鸣器报警。当水塔水位高于时，如图（）所示，水泵停止，电磁阀关闭。水塔的水位在之下，并且水池水位在之下，则电磁阀不会打开，水泵不会启动，等待水池水位高于。水塔水位在与之间，如图（）所示
19、，则电磁阀不会打开，水泵不会启动，保持待命状态。水塔设计分析示意图如图所示：图水塔设计分析示意图 确定设计方案通过比较传统水塔液位控制系统和基于控制的水塔液位系统的优缺点。确定使用来控制水塔的液位。经过资料的查阅之后确定了以系列的做主机，输入端口的数目为个，输出端口的数目也为个。以作为智能扩展模块，为个数字量输出模块。并通过置于容器内的液位传感器来作为感测水塔系统水位的元件，再加上作为数字量输出模块经过扩展之后将电流电压信号传给变频器，通过变频器来控制驱动水泵。水塔系统的总体框图如图所示。图水塔设计总体框图.水塔控制系统硬件设计简述的定义可编程逻辑控制器（ ，），它采用一类可编程的存储器，用于
20、其内部存储程序，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。 可编程控制器的分类（一） 小型小型的点数是在点一下，它的体积较小、结构还比较紧凑，整体和硬件还融洽的比较紧凑。除了开关量以外，还可以连接模拟量点数，还可以连接其他特殊的功能模块。它能执行的运算也很多，其中有逻辑运算，计时、计数，算数，运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。适合于控制单机设备和开发机电一体化设备。（二） 中性中型的点数在至点之间，不仅具有极强的开关量逻辑控制功能，而且其他的通信量联网功能和模拟量处理能力更强大。中型机的指令比小型机的指令更丰
21、富，中型机更适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。（三） 大型大型的点数在点以上，程序和数据存储容量最高分别可达到，其性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算，控制和调节功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些大型还具有沉余能力。他的监视系统能够表示过程中的动态流程，记录各种曲线，调节参数等；它配备多种智能板，构成多功能的控制系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量监控系统。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和过程监控系统。 控制系统设计的一般步骤设计系统时，首先要进行应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能设
22、计和工艺要求。明确系统要做的工作要求和因此必备的条件，然后时进行应用系统的功能分析。即通过分析系统的功能，提出控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，下面是系统设计步骤：.被控的对象要清楚，要详细的研究被控的对象的工作特点和设计要求的工艺特点，设计的方案。 .确定端口，结合要控制的系通的要求，明确设计者所要用的输入，最后确定的点数。.选择时包括 的机型、容量、模块、和电源。.分配的地址。 .根据硬件设计软件设计来进行的程序设计。.联机调试。 可编程控制器的工作原理的工作过程可以分为三部分，第一部分是上电处理。机器上电后对系统进行一次初始化，包括硬件初始化，配置和检查模块，断电保护，系统通信参
23、数配置等。正常运行时，扫描周期长短与的性能、点的多少、与设计者所设计的程序有关。不同的指令执行的时间是不同的。如果用于高速系统要缩短扫描周期时间，可在软硬件上同时考虑。考虑到现在速度高，所以想过去编程那样从用户软件使用指令上来精打细算的来节省扫描时间已是不可能的了。概括而言，是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式工作的。每一次扫描所用的时间称扫描周期或工作周期。图为扫描周期示意图。图 扫描周期示意图本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的控制系统的实际步骤和的硬件配置、外部电路设计、以及的控制器设计的参数的整定。的选型在系统设计时，应首先确定控制方案，下一步就是工程设计选型。
24、工艺特点和应用需求的设计选型主要依据。和相关设备应综合的，基于标准，易于跟踪和工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能选择在相关工业的选用原则应投产的表现领域，成熟可靠的系统，的大小和控制系统的硬件，软件和设备的配置和功能应符合要求。熟悉可编程逻辑控制器，有利于减少编程时间的菜单计划和相关的编程语言，所以当工程设计选型和估算应该是过程的特点进行详细分析，控制要求，明确任务，并确定所需的控制的操作和动作，并根据控制要求的范围，估算输入输出点数，所需存储器容量确定的功能，外部设备的特性，最后选择了更高的性价比和设计相应的控制系统。综合了输入输出（）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价
25、比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了 一台。 系列的有、等类型。个有种工作方式的高速计数器和两点高速计数器和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量模块、有着先进的程序结构、寻址方式灵活多变以及程序化的编程控制。便宜使用的价格使它能够被广泛的应用到生产生活的方方面面。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。此系统选用的 集成输入输出共个数字量 点。可连接个扩展模块，最大扩展至路数字量 点或路模拟量 点。字节程序和数据存储空间。个独立的高速计数器，路独立的高速脉冲输出，具有控制器。图为外部电路连接图。图外部电路连接图应用介绍如图所示的外部接线图输入端接直
26、流来驱动的来进行工作输入接口分别是启动、停止按钮，报警确认，水池下限液位检测，水池上限液位检测，水塔下限液位检测，水塔上限液位检测，以及热继电器来保护电路。输出端接交流来驱动实际工作中的电路器件分别有启动指示灯，两个水泵，水池高低水位报警灯，水塔高低水位报警灯，水池和水塔的蜂鸣器报警装置以及分别给水池和水塔供水的两个电磁阀。其中输出端的电路器件会在相应的输入端的信号的作用下来进行设计好的动作，以保证整个系统的正常工作。确保自动供水的实现。 扩展模块的选择交直流输出模块的交直流输出模块有个输出点，分成两组，是每组输出点内部电路的公共端。每组需用户提供一个外部电源。交直流输出模块是继电器输出方式。
27、当有信号输出时，输出接口电路使继电器线圈激励，继电器触点的闭合使负载回路接通，同时状态指示发光二极管导通点亮。根据负载性质（直流负载或交流负载）来选用负载回路的电源（直流电源或交流电源）。本次设计中、输出端接蜂鸣器，、输出端接电磁阀，及其接线如图所示。图 模块数字量连线示意图模拟量输出模块如电动阀门、液压电磁阀等执行机构当它们应用于工业控制之中时，这些设备在现场的控制是通过连续的变化的模拟量信号来驱动或者控制的。为了实现这些控制就应该使输出模拟量以代替数字量，只有这样这些设备才能正常工作。模拟量输出模块的作用就是把输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制的要求。模拟量输出模块一
28、般由光电耦合器、数模（）转换器和信号驱动等环节组成。模拟量输出模块（）具有个模拟量输出通道。输出的可以使电流或者电压信号这些模拟量，存储器区域提供字节给每一个输出通道。输出信号的范围：电压输出为，电流输出为。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为位和位，对应的数字量分别为和。电压输出的设置时间为。用户程序无法读取模拟量输出值。该模块需要供电，可由模块的传感器电源供电，也可由用户提供外部电源。本次设计中采用的模块如图所示图模块接线为模拟量输出模块，为扩展模块，有两组模拟量输出，每组可作为路模拟量输出（电压或电流信号），它与变频器的接线图如图所示。其中、和、分别输出模拟量来控制两个变频器，并通过
29、变频器来控制电机的运转。系统的分配表控制系统的分配表如表所示表 分配表输入信号输入变量名输出信号输出变量名启动开关启动指示灯停止开关水泵报警确认水泵水池下限位水池低水位指示灯水池上限位水池高水位指示灯水塔下限位水塔低水位指示灯水塔上限位水塔高水位指示灯热继电器水池报警指示灯热继电器水塔报警灯水池蜂鸣器水塔蜂鸣器电磁阀电磁阀 电机及驱动线路电机采用卧式离心泵，是根据离心力原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出，从而达到输送的目的。离心泵有好多种，从使用上可以分为民用与工业用泵；从输送介质上可以分为清水泵、杂质泵、耐腐蚀泵等。主要优点：结构简单、维修方便、固定安装无震动、密封较好、噪音
30、低、维护方便、价格便宜；生活加压给水系统的水泵机组应设置备用泵，备用泵的供水能力应大于最大一台运行水泵的供水能力，水泵宜自动切换，交替运行。驱动电路如图所示图液位控制系统驱动电路变频器调速控制方式控制方式因为电动机的电磁转矩（）(),所以保持恒定时，电磁转矩恒定，电动机带负载的能力不变。大多数负载适用这种调压控制方式。变频器的输出电压与输出频率呈二次曲线关系，适用于风机，水泵类负载。当变频器的输出频率较低时，其输出电压也比较低。此时，电机定子绕组电阻的影响已不能忽略，流过定子绕组的电流下降，电磁转矩下降。为改善变频器的低频转矩特性，可采用电压补偿的方法，即适当提高低频时的输出电压。通过的扩展模
31、块将液位传感器所检测到的液压信号经过其内部的转换将其转换为模拟的电压和电流信号，、和、分别输出模拟量来控制两个变频器，并通过变频器来控制电机的运转。当液位低于液面下限时变频器控制电机已工频运转。随着水塔内液面的不断升高液位检测器所检测到的压力值也随之不断变化，继而扩展模块输出同样变化着的模拟量值，以此来传输给变频器并通过变频器调节水泵电机的频率。是水泵电机可以稳定高效的运转从而完成整个水塔自动供水系统的自动运行过程。检测元件应用设计检测元件采用液位传感器，它的特点为：、外壳采用优质不锈钢，机械强度高、密封性好。、电缆采用特种材质，耐油、酸、碱，抗蚀能力优越。、输出稳定可靠的“”、“”开关控制信号，无任何误动作，可靠性高。、安装简捷，调试方便，上下移动定位重块，即可随意调节液面控制范围。液位传感器的接线及工作原理如图所示。图液位传感器接线图在水塔底部和水塔顶部的液位传感器分别检测不同水位状态下的情况，并把检测结果传输到中使根据不同的信息来控制不同情况下的
