1、燕山大学 水塔水位PLC自动控制系统摘 要 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及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。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。使水位保持在适当的位置。关键词 水位控制、PLC fx2n 自动控制目录摘 要 1第一章 绪论 31.
2、1概述 31.2可编程序控制器(PLC)简介 41.3 PLC工作原理 41.4 PLC特点 41.5PLC选择 5第二章 水塔水位系统PLC硬件设计 62.1水塔水位控系统构成及其控制要求 62.1.1水塔水位系统控制装置图 62.1.2 水塔水位系统的输入/输出设备 62.2水塔水位系统电机控制电路的设计 72.3水塔水位系统水位传感器的选择 92.4水塔水位系统PLC的输入/输出分配 112.4.1水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表 112.4.2水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口接线图 122.5水塔水位系统的元件器件 13第三章 水塔水位控制系统PLC软件设计 143.
3、1工作过程 143.2程序流程图 163.3梯形图 16第四章 课程设计总结 18参考文献 19第一章 绪论1.1 概述我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前，我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自
4、动化两个方面。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。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。设计安装一台控制水塔的供电泵电动机的控制电路，使水塔水位保持在规定范围内。使其能自动控制在规定水位线内，并且可通过PLC进行自动控制。
5、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,具有结构简单，使用寿命长，可靠性高，操作维修方便，经济实用的优点是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。1.2 可编程序控制器(PLC)简介可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的
6、输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点充分利用微处理器的优点。1.3 PLC工作原理PLC的工作方式:采用循环扫描方式.在PLC处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.1.4 PLC特点(一) 高可靠性1. 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. 采用性
7、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) 丰富的I/O 接口模块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如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀。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; 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等
8、等。(三) 采用模块化结构为了适应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的编程大多采用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
9、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。1.5PLC选择目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：小型机：256点以下（无模拟量）； 中型机：256 2048点（64 128路模拟量）； 大型机：2048点以上（128 512路模拟量）。 本实验选择FX2N系列PLC。由于输入、输出触点数较少，只需选用一般中小型控制器即可。最终选择FX2N-32M。拥有16个输入点与16个输出点。适合本次课题使用。第二章 水塔水位系统PLC硬件设计2.1水塔水位控系统构成及其控制
10、要求 2.1.1水塔水位系统控制装置2.1.2水塔水位系统控制要求：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，若水池水位仍然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S1S2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5S以后，若水塔水位仍然没有超过水塔下限液位开关S2时，则系统发出警报；当S2为OF
11、F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。 当水塔水位高于水塔超高水位时，系统发出警报，当水池水位高于水塔超高水位时系统发生警报。报警时间超过2分钟后，系统自动关闭电动机和电磁阀。2.2 电机控制电路的设计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PLC发出信息启动电机，经过1分钟检测水塔水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向PLC发出信息
12、控制信息停止水泵工作。水塔水位系统控制主电路图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，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。QF:电源总开关，即可完成主电路的短路保护，又起到分段三相交流电源的作用，使用和维修方便。FU：熔断器，实现对负载回路的短路保护。KM：电磁接触器，控制电机M的启动与关闭 。FR: 热敏继电器 实现过载保护。2.3水位传感器的选择根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的 U9ULS10/100系列。U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范
13、围非常广。具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的壳体中。U9ULS具有以下特点：可应用于多种液体中 可承受高达1000psi的压力不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。长度达121in(303.3cm)可安装在侧面、顶部或底部工作原理：U9ULS系列是给予超声波理论工作的。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
14、播。当另一端街道有效信号时，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。 U9ULS100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F和压力为1000PSI的情况下良好的工作。 U9ULS10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。特点：10A的继电器输出115/230V AC，12V DC或24V DC输入高增益。无需效准，工作温度可达300 长度可达151.5CM 主要技术指标输入电压115/230V AC，50/60HZ或12/24V DCU9ULS10系列增益300：1U9ULS
15、100系列增益1000：1U9ULS10系列输出10 A DPDA继电器灭火两线制，4mA-干；20 mA- 湿U9ULS100系列输出10 A DPDT继电器延时0.5s重复性2mm外壳NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。2.4水塔水位系统PLC的输入/输出分配2.4.1水塔水位控制系统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主控开关Y0电机MX1水塔上限液位开关Y1电磁阀X2水塔下限液位开关Y2水池下限指示灯L1X3水池上限液位开关Y3水池上限指示灯L2X4水池下限液位开关Y4水塔下限指示灯L3X5水池水位超高液位开关Y5水塔上限指示灯L
16、4X6水塔水位超高液位开关Y6水池低水位报警指示灯L5Y7报警蜂鸣器Y10水塔低水位报警指示灯L6Y11水池高水位报警指示灯L7Y12水塔高水位报警指示灯L82.4.2水塔水位控制系统PLC的输入/输出设备接线图这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有7个开关量，开关量输出触点书有11个，输入、输出触点数共有18个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线图如下：2.5水塔水位系统的元件器件根据设计方案选择电气元件，编制原理图的元器件目录表水塔水位系统元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注1M电动机1立式离心泵LS40-32
17、.1扬程30M,3KW三相交流异步电动机2FR热继电器1JB16B-20/3参照电动机整定电流3FU熔断器3RL1-15熔体210A4QF断路器1C45AD脱扣电流10A5TC隔离变压器1BK-100电压比1:1 AC220V6SB0主控开关1LAY37自保持开关7S1-S6超声波液位传感器6U9ULS10024V DC输入8L1-8指示灯8AD16-22LED显示 AC220V9KM1交流接触器1DJX-9线圈电压：AC220V10kA中间继电器1DC24V11YA电磁阀1ZCT-50AAC 220V12HA报警蜂鸣器113PLC可编程序控制器1FX2N-32MR继电器输出第三章 水塔水位控
18、制系统PLC软件设计3.1 工作过程设水塔、水池初始状态都为空着的。当执行程序是，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过60s，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水池低水位报警指示灯L5点亮。同时报警蜂鸣器工作。若60s只有水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯L1灭。此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机M开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯L2点亮，电磁阀就关闭，如果水池水位超过水池超高液位开关，说明系统
19、出现故障，系统就会自动报警，水池高水位报警指示灯L7点亮。水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯L3灭，电机M继续工作，在水池抽水向水塔供水，如果进水超过60s，而水塔液位没有超过水塔下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水塔报警指示灯L6点亮，同时报警蜂鸣器工作。水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限液位。水塔上限指示灯L4亮，若水塔水位超过水塔超高水位液位开关，说明系统出现故障，系统就会自动报警,水塔高水位报警指示灯L8点亮，同时报警蜂鸣器工作。当系统报警时间超过2分钟，系统自动关闭电动机和电磁阀3.2程序流程图水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计
20、要求控制流程图如下： 3.3梯形图根据程序流程图设计的梯形图如下 第四章课程设计总结紧张又忙碌的PLC课程设计结束了，两个星期的时间说长不长，说短不短。在这两星期里有过懊恼，有过欣慰，有过开心，有过焦急，但更多的是感慨。通过这次课程设计所谓受益匪浅，使我学到很多很多的东西，不仅巩固了以前PLC课上所学过的知识，同时学习了一些老是没有讲的知识，更学到了很多书本上所没有学到过的知识。通过起此次课程设计使我懂得了理论与实际相结合很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实践动手能力和独立思考的能力和独立思考的能力。同
21、时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。在设计的过程中遇到的问题，可以说是困难重重，电动机的选择，I/O端口接线图的绘制，水塔循环过程的编程都让我无从下手，但通过自己的努力，和同学老师们的帮助，这些问题都得到了解决。让我认识到自己还有很多不足之处需要改进，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。短暂而又忙碌的PLC课程设计结束了，在此向给予我帮助的老表示由衷的感谢，感谢老师不厌其烦的为我们解答问题，再次向您说一声您辛苦了！ 在接下来的学习生活中定会加倍努力！参考文献1 漆汉宏.PLC电气控制技术北京：机械工业出版社 2006.122 洪志育.例说PLC北京:人民邮电出版社, 2006.13 贾德胜. PLC应用开发使用子程序北京：人民邮电出版社,2006.14 王阿根. PLC控制程序精编108例北京：电子工业出版社， 2009.15 杨后川.三菱PLC应用100例北京：电子工业出版社， 2011.1
