1、第 1 页 共 26 页水塔水位控制设计摘 要随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高,城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作,也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统的传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点。在水资源日益匮乏的今天，节
2、约用水、提高水资源的利用率就显得十分必要。传统的水塔水位控制为粗放式的，基本没有对水泵的合理控制且多为人为控制工作强度大、危险。所以除了浪费电能外还造成了人力资源的浪费。采用新型的 PLC 控制供水方式与过去旧的控制方式相比在运行中的经济性、可靠性、稳定性、等方面有显著优势，特别是在提倡低碳的情况下有很好的节能效果，且由于 PLC 强大的扩展性可以适应今后城市供水建设的。关键词 PLC 水位 控制 第 2 页 共 26 页前 言在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来
3、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。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。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、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。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器 PLC 是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。同时，又有 PID 控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的
4、给水系统是值得我们研究的课题。 在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位水位，进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中、稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用 PLC控制技术能很好的解决以上问题 使水位控制在要求的位置。第 3 页 共 26 页第一章 水塔水位的介绍1.1水塔水位 PLC控制系统基本原理本文所设置的水塔水位控制系统由水位传感器，
5、一台 PLC 和水泵以及若干部件组成。安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成 1-5 伏的电信号，电信号到达 PLC 将控制控制水泵的开关。水池水位自动控制系统由 PLC 核心控制部件高低位水池的水位检测电路高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路 PLC 控制启停。如下图整个系统由水位传感器，一台 PLC 和水泵以及若干部件组成。安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成 1-5 伏的电信号 电信号到达 PLC 将控制控制水泵的开关。水箱水位自动控制系统由 PLC 核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给PLC 水泵电动机控制电路 PLC 控制启停及主备切换。 PLC 水塔水
6、位检测系统水泵及指示灯 图 1-1 基于 PLC 的供水系统原理框图 在水塔水位检测系统中通过液位传感器将水位信号转换为电信号输入 PLC 中 在通过 PLC 控制水泵的启动或关闭。在系统运行中当水为低于最低值时 PLC 将启动水泵向水塔中加水 当水塔中的水达到最高值时 PLC 使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次达到控制最低水位时 系统再次重复这个过程。图 1-1 1.2 水泵的概述泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和第 4 页 共 26 页旋涡泵等。在此次的水
7、位控制系统中，采用了 ISG 系列的单级单吸立失管道离心泵，如图1-2 所示。图 1-2 ISG 系列单级单吸立式管道离心泵ISG 系列单级单吸立式管道离心泵，是上海虹兴泵业制造有限公司科技人员联合国内水泵专家选用优秀水力模型，采用 IS 型离心泵之性能参数，在一般立式泵的基础上进行巧妙组合设计而成。同时根据使用温度、介质等不同在 ISG 型基础上进行巧妙组合设计而成。同时根据使用温度、介质等不同在 ISG 型基础上派出适用热水、高温、腐蚀性化工泵、油泵。该系列产品具有高效节能、噪音低、性能可靠等优点。1.2.1 离心泵的主要部件离心泵主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。（1） 叶轮叶轮的作用是将
8、原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。叶轮一般有 612 片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种。开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。（2） 泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故从
9、叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流第 5 页 共 26 页速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。（3）轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。12.2 离心泵的工作原理叶轮安装在泵壳 2 内，并紧固在泵轴 3 上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入 4 与吸入管 5 连接。液体经底阀 6 和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口 8 与排出管 9 连接，如图 1-3。
10、图 1-3 离心泵装置简图在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。第 6 页 共 26 页1.2.3 气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小
11、的离心力。从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。1.3传感器的概述此次水位控制系统中选传感器作为检测设备。传感器通常是指按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理与传输的电量（少数为其他物理量，如光信号）的器件或装置。传感器包含两个必不可少的内容：一是拾取信息，二是将拾取到的信息进行变换，使之变成为一种与被测量有确定函数关系且便于处理与
12、传输的物理量，多数为电量。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。1.3.1传感器的特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。1.3.2 传感器的分类液位传感器有很多种，有侧装式磁翻柱，顶装式磁翻柱，浮球连杆式，静压式液位计，浮球液位开关等。如图 1-4 所示。本课题运用的是浮子液位传感器。UHZ/Q 型系列浮子液位计适用工业生产中各种高位、低位容器中各种液
13、体介质的液面位置的测量。它的接收部份采用优质不锈钢材料，利用干簧受磁性吸合的原理，把液面位置的变化转变为电信号的变化，并可附加液位计上下越位报警器及远距离信号变送器，将液位变化转换成 4-20mA 直流信号，与组合仪表配套使用，达到液位的远距离指示检测与第 7 页 共 26 页监控。本课题中水池选用长度 5m 的 UHZ/Q 型系列 浮子液位计水塔选用 3m 的 UHZ/Q 型系列浮子液位计。 图 1-4 浮子液位传感器1.3.4 传感器的组成一般是由敏感元件、转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测非电量，并将其送到“转换元件”转换成电量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件
14、感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。因为课题用于水中因此选用液位传感器，利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮式力。自由状态下的浮子能跟随液面升降，这是人尽皆知的水涨船高规律。当浮子的升降程度到达设定的刻度时，行程开关开始工作。并将采集到的信号传送给 PLC。浮子式水位传感器是选用 JZB 系列绝对编码器，配用线轮、不锈钢绳、重锤、防浪锤和浮子等构成。此传感器安装在测井口上方，连接浮子和重锤的测绳挂在挂轮上。当水位变化时浮子随之上升或 F 降，测绳便带动线轮作旋转运动，传感器输出与水位相应
15、的编码数字量。适用于水库、水电站、水文站、水厂、江河、湖泊等水位测量。传感器以绝对编码的方式，输出并行循环参码供仪表采集，配以变送装置可输出 4-20mA 或 RS485 供 PLC 或微机采集，该传感器性能稳定可靠，适应性强，具有绝对编码器的突出优点，深受广大水文、水利工程技术人员的好评。1.3.5 主要技术参数测量范围： 5m 10m 20mm 40mm 80mm分辨率： 1cm 1mm第 8 页 共 26 页精度：1cm回差：1cm使用环境：温度-5-+50相对湿度95%（RH40）第 9 页 共 26 页第二章 可编程控制器2.1基础知识简介可编程控制器（Programmable Lo
16、gic Controller）于 1969 年面世，发展到现在已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。PLC 是 20 世纪 70 年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的 各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在 PLC 技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用 PLC
17、 控制系统取代传统的继电接触控制系统。国产化的小型 PLC 性能也基本达到国外同类产品的技术指标。因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握 PLC 及其控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气控制技术的发展需要。在一般住宅或大楼楼顶常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用，另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器（PLC）技术已日渠成熟，因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。2.2可编程序控制器概述目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简单、运行可靠等优点，本课题选用三
18、菱可编程序控制器。可编程序控制器（简称 PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，PLC 是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。PLC 作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解 PLC 的结构、工作原理等。以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统。可编程控制系统可分为硬件和软件。PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU） 、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信
19、接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。第 10 页 共 26 页对于整体式 PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图 2-1 所示；对于模块式 PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图 2-2 所示。无论是哪种结构类型的 PLC，都可根据用户组需要进行配置与组合。图 2-1 整体式组成框图图 2-2 模块式组成框图2.3可编程序控制器的工作原理PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然
