1、畢業設計水塔水位的 PLC 控制的設計摘要(Programmable Logic Controller)一 概述 1二 水塔供水自動控制系統方案設計2.設計方案 2三 水塔水位自動控制系統設計3.1 水泵電動機控制電路的設計 3.2 水位傳感器的選擇 5.四 水塔水位自動控制系統的組成 6.1、系統構成及其控制要求6.2 系統框圖 7五 PLC 的設計 8.1可編程序控制器（PLC）簡介 8.2 PLC工作原理 8.3 PLC的編程語言-梯形圖 104 SYSMAC-C 系列P 型機概述 1.15 水塔水位自動控制系統的軟件設計 1.2六 結束語（系統總結分析） 1.71 系統的優點 1.7.

2、2 結束語 1.7.參考文獻 1.9.致 謝 2.0.水塔水位的PLC控制系統設計一 概述我國的水工業科技發展較快，與國際先進水平的差距正在不斷縮小，水工業科技體系已初步形成，擁有一支從事水工業基礎科學研究、應用研究、產品研制和工程化產業化開發的科技隊伍。但是，在水工業科技領域普遍存在著實用性差、轉化率低的情況。這已成為制約我國水工業產業化發展的關鍵。 在水工業科技產業化大潮到來之際， 認真分析我國水工業科技發展歷程，總結我國水工業科技的特點和特長是尋找水工業產業化突破口的關鍵。 目前，我國的供水自動化系統發展已初有成效。供水自動化系統主要包括水廠自動化和供水管網調度自動化兩個方面。我國供水行

3、業是推動水科技產業化的龍頭。給水行業是城市基礎設施投資的主要方向之一。在體制上，供水企業體制的變革已成為市場化發展的必然；在技術上，供水行業則面臨著關鍵給水裝備國產化、工藝技術成套設備化、自動控制現代化的迫切的技術要求。優質供水是水工業市場化發展的新增長點，同時要倡導節約用水，提高水的重復利用率，并逐步建立完善的水工業學科體系。完善的水工業學科體系是水工業產業發展的必要保證。傳統的給水排水工程學科體系已難以包還水工業的豐富內涵，已不能很好地適應水工業發展的需要，而水工業學科體系正是在給水排水工程學科體系發展而來。由水工業的社會性所決定，水工業的學科體系由多個相互關聯的學科組成，包括：水質與水處

4、理技術、水工業工程技術、水處理基礎科學、水社會科學、水工業設備制造技術等，它們共同支撐著水工業的工業體系。而在這些學科中水質與水處理技術和水工業工程技術是水工業學科體系中的主導學科。二 水塔供水自動控制系統方案設計設計方案設水塔、水池初始狀態都為空著的，液位指示燈全亮。當執行程序時，掃描到水池為液位低于水池下限液位時，電磁閥打開，開始往水池離境稅， 如果進水超過 4 秒， 而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統出現故障， 系統就會自動報警。若 4 秒之后水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統在正常的工作，水池下限位的指示燈滅，此時， 水池的液位已經超過了下限位了， 系統檢測到此信號時，由于水

5、塔液位低于水塔水位下限，水泵開始工作，向水塔供水，當水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈滅，電磁閥就關閉， 但是水塔現在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈滅， 水 泵繼續工作，在抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限，水塔上限指示燈滅，但剛剛給水塔供水的時候， 水泵已經把水池的水抽走了， 此時水塔 液位已經低于水池上限，水池上限指示燈亮。此次給水塔供水完成。三 水塔水位自動控制系統設計1 水泵電動機控制電路的設計給排水工程中常使用三相異步電動機， 水泵上的電動機一般都是單向旋轉有以下控制。在水塔水位檢測系統中通過水位傳感器檢測實際水位的高度，當水

6、位低于最低水位時向PLC發出信息啟動水泵，經過4分鐘檢測水塔水位是否提高 控制水泵的工作，當水位達到最高水位時向PLC發出信息控制信息停止水泵 工作。供水系統的基本原理如圖 所示，水位閉環調節原理是：通過在水塔中的水位傳感器，將水位值變換為電流信號進入PLG執行較后程序，通過水泵的開關對水塔中的水位進行自動控制。水泵啟動工作：當投入作為主電路電源開關的配線切斷器KM1時，在收到PLC的啟動水泵指令后，電磁線圈 KM2中有電流流過，電磁接觸器 KM21 行。當電磁接觸器KM21行時，主電路的主觸點KM2閉合，常閉觸點KM2-b 打開，常開觸點KM2-m初合，當主觸點閉合時，電源電壓施加到電動機M

7、上，開始運轉。當常閉觸點 KM2-b打開時，綠燈GN-L中無電流流過，綠燈 熄滅，當常開觸點KM2-m2閉合時，紅燈RD-L中有電流流過，紅燈點亮。水泵停止工作：當投入作為主電路電源開關的配線切斷器KM1時，在收到PLC的停止水泵指令后，電磁線圈 KM2中無電流流過，電磁接觸器 KM2恢 復。當電磁接觸器KM2恢復時，主電路的主觸點KM2打開，常閉觸點KM2-b 閉合，常開觸點KM2-m2丁開，當主觸點KM才丁開時，電源電壓施不再施加 到電動機M上，電動機M停止運轉。當常閉觸點KM2-B閉合時，綠燈GN-L 中有電流流過，綠燈點亮，當常開觸點 KM2-m2丁開時，紅燈RD-L中無電流 流過，紅

8、燈熄滅。KM1配線切斷器是把開閉機構、后動裝置等統一裝到絕緣容器內的部 件，它是利用操作手柄對通常使用狀態的電路進行開閉控制的。經常應用于 電源電路的開閉中，當發生過載、短路等情況時自動地切斷電路。KM2： 所謂電磁接觸器，就是應用電磁鐵對負載電流進行開閉控制的接 觸器，主要用于電源電路的開閉。電磁接觸器有主觸點和輔助觸點構成的觸 點和電磁線圈與鐵心構成的靠做電磁鐵部分組成。FR: 熱敏繼電器是由加熱器部分和觸點機構部分組成的。當夠電流流過加熱部分時，雙金屬片因為受熱而發生彎曲，因此觸點部分被打開而使電路得到保護。2 水位傳感器的選擇根據本設計的要求所選傳感器要求在水面和水底都可以使用，且要考

9、慮到對水質的影響，所以選擇超聲波液位傳感器U9UL繇列的U9ULS10/100系列。U9ULS8列超聲波液位傳感器開關使用范圍非常廣。具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，另外沒有易損的活動部件，它不會受溫度、壓力、密度和液體類型等參數的影響。在大多數情況下，電子設備放在鑄鋁的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的殼體中。U9ULSM有以下特點：可應用于多種液體中可承受高達1000psi 的壓力不受氣泡、蒸汽、雜質后湍流等因素的影響。長度達 121in(303.3cm)可安裝在側面、頂部或底部工作原理：U9ULS(列是給予超聲波理論工作的。當超聲波在空氣中傳播時，會被嚴重衰減 相反地

10、，如果在液體中傳播時，超聲波的傳播會被大大增強。電子控制單元發出一系列的電信號，傳感器將其轉化為超聲能量脈沖，并在被探測區內傳播。當另一端街道有效信號時，就發出數據有效的信號，表明有液體存在。這個信號輸送到繼電器，從而產生輸出信號。U9ULS100系列產品具有性能優異的傳感器探頭，可在溫度為300F和壓力為 1000PSI 的情況下良好的工作。U9ULS10系列產品為更靠近池底，將頂端的探頭設計成缺口形狀。控制電路設計成小型，密封的結構，可安裝在遠程的控制地點。特點：10A的繼電器輸出115/230V AC, 12V DC或 24V DC輸入高增益。無需效準，工作溫度可達 300長度可達151

11、.5CM表5.1主要技術指標輸入電壓115/230V AC, 50/60HZ 或 12/24V DCU9ULS-10系列增益300: 1U9ULS-10系列增益1000: 1U9ULS-10系列輸出10 A DPDA昧電器滅火兩線制，4mA-F; 20 mA-濕U9ULS-10系列輸出10 A DPDT繼電器延時0.5s重復性2mm外殼NEMA 4/NEMA的水防爆罩，環氧涂層，鑄鋁。四水塔水位自動控制系統的組成1、系統構成及其控制要求（圖5-1水塔水位自動控制系統）水塔水位的工作方式：當水池液位低于下限液位開關 S1, S1此時為ON電磁閥打開，開始往水池里注水，當4s以后，若水池液位沒有超

12、過水池下限液位開關時，則系統發出報警，若系統正常，此時水池下限液位開關S4為OFF表示水位高于下限水位。當水位液面高于上限水位，則 S2為ON電磁閥關閉。當水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開關S3為ON水泵開始工作，向水塔供水，當S3為OFFW,表示水塔水位高于水塔下限水位。 當水塔液面高于水塔上限水位時，則水塔上限水位開關S4為OFF水泵停止。 當水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時， 水泵不能啟動。 原理：在控制系統啟動后，若水槽水位低于水槽最低水位時液位傳感器將水位 信號轉化為電信號向PLC發出信號，PLC根據此信號打開補水泵向水槽補水， 當水位達到水槽最高水位時

13、液位傳感器將水位信號轉化為電信號向PLC發出信號停止補水泵的工作，當水塔水位達到最低水位時，液位傳感器將水位信 號轉化為電信號向PLC輸出，PLC在收到信號后啟動水泵向水塔加水，當水 塔水位達到最高水位時傳感器將水位信號轉化為電信號向PLC發出信號停止水泵的工作。2系統框圖如下圖整個系統由一個水位傳感器，一臺PLC和一臺水泵以及若干部件 組成。安裝于水塔上的傳感器將水塔的水位轉化成 1-5伏的電信號；電信號 到達PLC將控制控制水泵的開關。水箱水位自動控制系統由PLC核心控制部 件高低位水箱的水位檢測電路高低水位信號傳送給 PLC水泵電動機控制電路 PLC控制啟停及主備切換（圖5-2系統組成框

14、圖）在水塔水位檢測系統中通過超聲波液位傳感器將水位信號轉換為電信 號輸入PLC中，在通過PLC控制水泵的啟動或關閉。在系統運行中當水為低 于最低值時PLC將啟動水泵向水塔中加水，當水塔中的水達到最高值時PLC使水泵停止運轉即水泵停止向水塔供水。 等到水塔水位再次達到控制最低水 位時 系統再次重復這個過程。五 PLC 的設計1 可編程序控制器(PLC) 簡介可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC

15、是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電器接觸控制系統中觸點的接線復雜、 可靠性低、 功耗高、 通用性和靈活性差的缺點充分利用微處理器的優點。2 PLC 工作原理PLC 的工作方式:采用循環掃描方式.在 PLC 處于運行狀態時,從內部處理,通信操作,程序輸入,程序執行,程序輸出,一直循環掃描工作.PLC的工作過程PLC 的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執行過程，是在系統軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態，按用戶程序解算控制邏輯， . 然后順序向各個輸出點發出相應的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時的接收外來的控制命令，每個掃描周期還要進行故障自診斷和處理與編程

16、器、計算機的通信。因此，PLC工作過程分為以下五步：(1) 自診斷自診斷功能可使PLC系統防患于未然，而在發生故障時能盡快的修復， 為此PLC每次掃描用戶程序以前都對 CPU存儲器、輸入輸出模塊等進行故 障診斷，若自診斷正常便繼續進行掃描，而一旦發現故障或異常現象則轉入 處理程序， 保留現行工作狀態， 關閉全部輸出， 然后停機并顯示出錯的信息。(2) 與外設通信自診斷正常后PLC即掃描編程器、上位機等通信接口，如有通信請求便響應處理。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數發送給主機，主機把要顯示的狀態、數據、錯誤碼進行相應指示，編程器還可以向主機發送運行、停止、清內存等監控命令。在與上位

17、機通信過程中PLC將接收上位機發出的指令進行相應的操作，把現場工作狀態、PLC的內部工作狀態、各種數值參數發送給上位機以及執行啟動、停機、修改參數等命令。(3) 輸入現場狀態完成前兩步工作后PLC便掃描各個輸入點，讀入各點的狀態和數據，如開關的通斷狀態、形成現場的內存映象。這一過程也稱為輸入采樣或輸出刷新，在一個掃描周期內內存映象的內容不變，即使外部實際開關狀態己經發生了變化也只能在下一個掃描過程中的輸入采樣時刷新，解算用戶邏輯所用的輸入值是該輸入值的內存映象值而不是當時現場的實際值。(4) 解算用戶邏輯即執行用戶程序。 一般是從用戶出現存儲器的最低地址存放的第一條程序開始，在無跳轉的情況下按

18、存儲器地址的遞增方向順序的掃描用戶程序，按用戶程序進行邏輯判斷和算術運算，因此稱之為解算用戶邏輯。解算過程中所用的計數器、 定時器， 內部繼電器等編程元件為相應存儲單元的即時值，而輸入繼電器，輸出繼電器則用的是內存映象值。在一個掃周期內，某個輸入信號的狀態不管外部實際情況是否己經變化，對整個用戶程序是一致的，不會造成結果混亂。(5) 輸出結果將本次的掃描過程中解算最新結果送到輸出模塊取代前一次掃描解算的結果，也稱為輸出刷新。解算用戶邏輯到用戶程序為止，每一步所得到的輸出信號被存入輸出信號寄存表并未發送到輸出模塊，相當于輸出信號被輸出門阻隔，待全部解算完成后打開輸出門一并輸出，所用輸出信號由輸出

19、狀態表送到輸出模塊，具相應開關動作。驅動用戶輸出設備即PLC的實際輸出。在依次完成上述五個步驟操作后PLC又開始進行下一次掃描。如此不斷的反復循環掃描，實現對全過程及設備的連續控制，直至接收到停止命令、停電、或出現故障。(6) PLC 的編程語言 - 梯形圖梯形圖在形式上類似于繼電器控制電路圖， 它簡單， 直觀， 易讀， 好懂，是PLC中普遍采用的一種編程方式。梯形圖中沿用了繼電器線路的一些圖形 符號，這些圖形符號被稱為編程元件，每一個編程元件對應有一個編號。不同廠家的PLG其編程元件的多少及編號方法不盡相同，但是基本的元件及 功能很相近。梯形圖有如下特點。梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列

20、。每一個繼電器為一個邏輯行，稱為梯形。每一個邏輯行起始于左母線，然后是觸點的各種聯接，最后是線圈，整個圖形呈梯形。梯形圖中的繼電器不是繼電器控制電路中的物理繼電器，它實質上是變量存儲器中的位觸發器，因此稱為軟繼電器，相應的某位觸發器為真態，表示該繼電器通電，其常開觸點閉合，常閉觸點打開。梯形圖中的繼電器的線圈的定義是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器以外，還包括定時器、計數器等。梯形圖中，一般情況下某個編號的繼電器線圈只能出現一次，而繼電器的觸點是可以被無限制的引用，既可是常開觸點也可以是常閉觸點。梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側的母線不接任何電源，因而圖中各個支路也沒有真實的電流通

21、過，但是為了方便，常用有電流來形象的描述解算中滿足輸出線圈的動作條件。所以僅僅是概念上的電流，而且認為它只能從左向右流動，層次的改變只能是先上后下。 3.4 可編程序控制器PLC的優點能適應工業現場的惡劣環境， 不要求空調， 能抗電磁干擾與電壓沖擊。簡單，易于使用，不必要求微機軟硬件方面的知識，編程不需要高級 語言。可靠性高，平均故障間隔時間（MTBF溜過20000小時。編程或修改程序容易，程序可以保存和固化。體積小，價格低。可直接將數據送入處理器中，可直接連接到現場。可在基本系統上擴展，系統容易配置，與負載最遠距離可達10000英尺，內存可以擴展。有很強的通訊功能，可與多種支持設備連接。系統

22、化，有標準外圍接口模塊。系統在一種現場不需要時，仍可改在另一種現場上使用等一系列優 點。(7) SYSMAC-C 系列 P 型機概述本原理圖是采用 CP20 實現的，基于原理圖所用 I/O 接口點數較少，無需擴展單元，快速響應輸入點與外部中斷輸入點公用，實現單循環控制，不需要有可選擇輸入時間常數的過濾器，配置簡單，經濟適用，可使用個人計算機進行輔助設計。C20P 的通道分配： 是指對 PLC 內的每個通道及每個繼電器都分配給一個地址號，以便CPU 能夠識別。在OMRON 公司 C 系列的 PLC 中，每個通道由 16 位組成，或者說在一個通道中包含 16 個“繼電器” 。（1）輸入 /輸出繼電

23、器通道（I/O ）的分配P型機的輸入/輸出繼電器通道（CH）分配是固定的，0004CH是輸入繼電器通道， 0509CH 是輸出繼電器通道， 不同型號的 PLC 機的基本單位和擴展單位所能使用的通道號是不同的。每個輸入/輸出繼電器的編號為四位十進制數，前兩位表示通道號，后兩位表示位號，即該通道中的某一位。對C20P基本單元，輸入繼電器（輸入點）為12個，占用的輸入點是00CH 的 00000011；輸出繼電器（輸出點）共8 個，占用的輸出點是05CH 的05000507。（2）內部輔助繼電器（IR）通道的分配在P型機中共有136個內部輔助繼電器，其通道號為1018CH,占用的地址 為 10001

24、807，注意，內部輔助繼電器不能接負載。（3）定時器和計數器通道（TIM/CNT ）在P型機中的定時器（TIM ），高速定時器（TIMH ）,計數器（CNT）,可逆 計數器（CNTR）,共計48個，編號為0047,它們即可用于定時器，用可用 于計數器，但如果已經用作定時器（如TIM01 ）,則這個編號就不能再用作計 數器（如CNT01）。如果程序中使用高速計數器，則 TIM/CNT47作為專用存 放高速計數器當前值的計數器，不能再作它用。當電源斷電時，定時器被復位，而計數器不能被復位，其計數的當前值 保持不變。5水塔水位自動控制系統的軟件設計確定PLC所需的各類繼電器，對各元件編號，如下表所示

25、。表6.1輸入/輸出端口地址分配輸入輸出定時器名稱地址名稱地址名稱地址S11000M05004秒延時TIM02S21001Y0501產生1秒時鐘TIM00S31002TIM01S410035.1 PLC的外部輸入輸出電路（圖6-1PLC的外部輸入輸出電路）S1:水塔水位上限S2:水塔水位下限S3:水槽水位上限S4:水槽水位下限M:抽水泵Y:補水泵(圖6-2水塔水位系統流程圖)(1 )輸入CO閥和電源0 V連接輸入端和水塔水位自動控制系統輸入 端連接(2 )輸出CO函串聯連接和電源2 4 V連接(COM COM COM COM COM - COM COM COM COM 電源 2 4 V)輸出端

26、(OUT端)和水塔水位自動控制系統試驗模板輸入端相連 (OUTO1 Y, OUTO2- M)5.2 I/O 分配：輸入調試單元 PLC 內部 說明I000 000 CH 00啟動按鈕I001 S1 000 CH 01水塔水位上限I002 S2 000 CH 02水塔水位下限I003 S3 000 CH 03水槽水位上限I004 S4 000 CH 04水槽水位下限輸出調試單元 PLC內部 說明O001 010CH01 Y0 002 010CH02 M5.3 程序說明當啟動按鈕（IN I0） 打開，若水槽水位低于水位下限時時，補水閥（Y）抽水。若水槽水位高于水位上限時，補水閥（Y）關閉，停止抽水

27、。同時， 當水塔水位低于水位下限時，并且水槽水位高于水位下限時時, 抽水泵 （M）抽水（即M燈亮）。當水塔水位高于水位上限時時，抽水泵（M）關閉，停止抽 水。若水塔水位低于水位下限，水槽水位低于水槽水位下限時, 抽水泵（M）不抽水。5、4梯形圖及語句表TIMOO05020503（圖5-3梯形圖）.5.5語句表_JJE先令一00ED1AHB2ANDNOT3TIM14LD5TIM36LD7OR8AHBHOT9OUT510LD11TIM612LD13AND14AHDNOT15LD16AHDNOT17ORLD18LD19ANDNOT20ORLD21ANDHOT22OUT723LD24OR25AHDKO

28、T26AHDNOT27OUT噪作數 TIM002 0.03 TIM001 000 #0005 TIMOOO OGI #0005 0.030501 0.020501 0500002 #0040 TIM002 003 TIMOOO 0501 TIM002TIM002 0. 0322OO5 .OO13 0 3 o o o o , 5 o o o o35 o六結束語1系統的優點（一）高可靠性各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（二）豐富的I/O接口模塊PLC十對不同的工業現場信號。（三）采用模塊化結構為了適應各種工業控制需要，除了單元式的小型PLCZ外，絕大多數PLC 均采用模塊化。（四）編程簡單易

29、學編程多采用類似繼電器控制線路的梯形圖形式。（五）安裝簡單，維修方便使用時只需將現場的各種設備與PLC1應的I/O端相連接，各種模塊上均 有運行和故障指示裝置。2結束語現代傳感技術、電子技術、計算機技術、自動控制技術、信息處理技術 和新工藝、新材料的發展為智能檢測系統的發展帶來了前所未有的奇跡。在 工業、國防、科研等許多應用領域，智能檢測系統正發揮著越來越大的作用。 檢測設備就像神經和感官，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信 息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。本課題研究的主要內容是“水塔水位自動控制系統”。水位控制在日常 生活及工業領域中應用相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水 位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候地對水位的變 化進行監測，用有線電話及時把水位變化情況報知主控室。然后主控室再開 動電機進行給排水。很顯然上述重復性的工作無論從人員、時間和資金上都 將造成很大的浪費。同時也容易出差錯。因此急需一種能自動檢測水位，并 根據水位變化的情況自動調節的自動控制系統，我所研究的就是這方面的課 題。水位檢測可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本設計采用傳感器檢測進行主控制，在水池上安裝超聲波傳感