1、 中 国 地 质 大 学 长 城 学 院PLC 结 课 设 计题 目 : 水塔水位控制装置院 别 工程技术学院学 生 姓 名 楠 哥专 业 电 气 工 程 及 其 自 动 化学 号 04314XXXX指 导 教 师 XXX职 称 高 级 工 程 师2017 年 05 月 24 日摘 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。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
2、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：水位控制、PLCABSTRACTIn the process of industrial and agricultural production, water level measurement and control are often needed. Water level control is widely used in daily life, such as water tower, groundwate
3、r, hydropower stations and other water level control. And water level detection can have a variety of implementation methods, such as mechanical control, logic circuit control, mechanical and electrical control. In this paper, PLC is used for main control, and an automatic water level measuring devi
4、ce is installed on the water tank. Changes in conductivity of water use continuously all-weather water level measurement, the measured water level changes into a corresponding electrical signal, the console application of MCGS configuration software for data processing of the received signal, comple
5、te the corresponding water level display, fault alarm information display, real-time and historical curve display, to maintain the water level in the proper position Key words：Water level control, PLC目 录绪 论 .11.1 设计背景及意义 .11.2 国内外研究现状及发展 .11.3 PLC 的发展 .21.4 PLC 的基本结构 .31.4.1 中央处理单元（CPU） .31.4.2 存储器
6、.31.4.3 输入/输出模块 .31.4.4 扩展模块 .41.4.5 编辑器 .41.5 PLC 特点 .41.6 PLC 的工作原理 .51.7 梯形图程序设计及工作过程分析 .52 水塔水位系统 PLC 硬件设计 .62.1 水塔水位控制 PLC 系统设计与调试 .62.3 输入/输出分配 .72.3.1 列出水塔水位控制系统 PLC 的输入/输出接口分配表 .72.3.2 水塔水位系统的输入/输出设备 .73.水塔水位控制系统 PLC 软件设计 .73.1 工作过程 .73.2 程序流程图 .83.3 梯形图 .93.4 实物连接图 .114.总结 .14致 谢 .15参考文献 .1
7、6中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 1 页 共 16 页绪 论1.1 设计背景及意义中国水资源总量居世界第六位，但人均占有量仅为世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，长江以北的广大地区，特别是北方大、中城市大部分地区处于缺水状态，水资源短缺已成为制约我国经济发展的一个重要因素。合理的利用水资源已成为我国现在急需解决的一个重要问题。为了达到水资源的合理利用，我们可以充分应用新的信息技术实现水位智能控制。 在日常生产生活中，人们经常要对水位、液位进行控制。水塔水位控制系统是我国住宅小区普遍应用的供水系统。而住宅小区用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时
8、有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在用水高峰期和低谷期，即用水多而供水少，给水塔水位低；用水少而供水多，则给水塔水位高。为保证住宅小区用户用水量的供应，必须实现对水塔水位的智能控制。近几十年来，随着生产和科学技术的发展，自动控制技术己渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。不论当今社会经济如何飞速发展，水在人们正常生活和生产中依然起着不可替代的重要作用。一旦断水，轻则给人们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。传统的水塔供水是直接采用水泵，供水过程中只能通过人为判断水塔水位及水井水位，人为控制水泵何时工作，何时停止，这样的供水系统，不但自动化程度
9、低、劳动强度大，工作效率低，而且安全性难以保障，因此必须对供水系统进行自动化控制的改造。水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。在实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测测量水位变化，从而控制电动机的启停，保证水位正常。因此，设计一套成本低，安装方便，灵敏性好，节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想控制装置具有十分重要的意义。1.2 国内外研究现状及发展目前，控制水塔水位的方法较多。其中较为常用的是由单片机控制的智能水位控制系统，它实现了水位的自动控制、实时显示、故障报警等功能，使水塔内水位保持恒定，从而提高
10、了水塔供水系统的可靠性和稳定性。本研究课题给出了以 Atmel 公司 AT89C5l 单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计。它可以实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在 Proteus 软件环境下实际仿真。该系统具有良好的实时检测控制功能，具有较高的使用价值。根据测量水位的感应元件与被测水位是否接触，水位测量控制系统通常分为接触型和非接触型两大类。由于接触型水位测量系统的感应元件与被测水位接触，且都存在着与被测水位相接触的测量部件大多带有可动部件，因此存在着一定的磨损且容易被水玷污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装与检修。非接触型水位测量系
11、统的感应元件与被测水位不接触，测量部件不会受被测介质的影响，也不影响被测介质，因而其应用范围更加广泛。在水塔供水系统中，水塔必须满足两个前提：第一，保证水塔内水量，不能造成缺水现象；第二，中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 2 页 共 16 页保证水塔内蓄水不溢塔，造成水资源浪费。而现阶段的水塔智能控制系统常采用三种手段可实现上述功能。一、PLC 水塔水位控制系统：利用液位传感器，量取水塔内水位的高低，并把传输的数据传往PLC（可编程逻辑控制器），然后经由 PLC 进行数据处理、比较，最后输出控制水泵和电磁阀。系统通过 PLC 启动后，当水位低于水塔传感器下限液位时，电磁阀打开，开始
12、往水塔内注水，当水位液面达到上限水位时，电磁阀关闭停止注水；当水塔水位高于水塔液位上限或低于水塔液位下限时，系统发出警报。待水位开始下降或上升后并被相应的液位传感器检测到时自动熄灭报警。若水位正常，此时水塔传感器下限液位向 PLC 输入一个固定值，表示现在水位高于下限水位。二、单片机智能水塔水位控制：该系统中，单片机是控制的核心模块，进行分析处理传感器检测的数据、接收或发送数据等。除此之外，该系统还包括了以差压传感器为主的信号采集模块，以水泵为主的注水启停驱动模块及报警、显示模块等。首先通过传感器实时检测水塔水位，然后把水位数据传送到单片机，单片机把数据与所设定的水位上下限作比较，如果水位低于
13、下限，则启动抽水机抽水，保证水塔的水足够，如果水位达到了上限，则及时停止抽水，防止“溢塔”而浪费水，并且水位的上下限随时可以根据实际情况由拨码开关进行调整；同时该单片机控制无线发送器把水位数据发送到中央控制室的单片机处显示，实现实时监测目的。三、光纤传感器在水塔水位检测中的应用研究：该方案的检测系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单(或数据采集单元 )组成。现场采集单元对水塔的水位信号进行数据的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控
14、单元的命令。其现场采集单元由单片机 8C552 及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成，每个现场采集单元可与光纤液位传感器及光纤液位报警器等 16 个设备相接。之所以应用 CAN 总线网络结构是由于 CAN 网络具有方便灵活、突出特性，抗干扰性、可靠性、实时性等特点。所有的光纤液位传感器及光纤液位报警器都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。 单片机智能水塔水位控制系统结构简单，成本低，安装方便，可靠性高，灵敏性好，可实现自动控制，实时监测水位，实现了安全、充足、自动化的供水，因而得到了广泛的应用。1.3 PLC 的发展虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模
15、，超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各阶段：早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这是的 PLC 多少由电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。装置种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
16、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中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 3 页 共 16 页采用微处理器作为 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。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、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
17、，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，由于插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。1.4 PLC 的基本结构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)1.4.1 中央处理单元（CPU）中央处理单元(CPU)是 PLC 控制中枢。它 PLC 系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数
18、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数运算结果送入 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。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。1.4.2 存储
19、器存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。 1、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
20、很容易对其所存储内容进行修改。 1.4.3 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借口。现场的输入信号，如中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 4 页 共 16 页按钮开关，行程开关、限位开关以及传感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
21、等执行机构。1.4.4 扩展模块当一个 PLC 中心单元的 I/O 点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能 I/O 接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA 控制模块、数字位基于PLC 的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能 I/O 模块等。1.4.5 编辑器它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视
22、。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入 PLC。1.5 PLC 特点（1) 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
23、成表决系统,使可靠性更进一步提高（2）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等。 中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 5 页 共 16 页（3） 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
24、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。 （4） 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。 （5） 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
25、。1.6 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哪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
26、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。1.7 梯形图程序设计及工作过程分析梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数 PLC 用户都首选使用梯形图编程。
27、 指令是用英文名称的缩写字母来表达 PLC 的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。状态转程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。中国地质大学长城学院 2018 届结课设计第 6 页 共 16 页这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于 BACIC 语言、C 语言等，它们在某些厂家的 PLC 中应用。通常微、小型 PLC 主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有
28、：（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC 的有效范围内。（2）梯形图是 PLC 形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l 态”，表示该继电器线圈通电，其动合触
29、点闭合，动断触点打开，反之为“o 态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过。（6）PLC 在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯
30、形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。（7）当 PLC 运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但 CPU 是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为 CPU 对程序的扫描。扫描从0000 号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。2 水塔水位系统 PLC 硬件设计2.1 水塔水位控制 PLC 系统设计与调试（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 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。当页面高于上限水位 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
