1、水塔水位檢測控制系統的設計摘要： 本文采用PLC進行主控制，在水箱上安裝一個自動測水位裝置。利用水的導電性連續地全天候地測量水位的變化，把測量到的水位變化轉換成相應的電信號，主控臺對接收到的信號進行數據處理，完成相應的水位顯示、故障報警信息顯示、實時曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適當的位置。關鍵詞： 可編程邏輯控制器（PLC） 自動控制系統 水塔水位 Abstract In the modern time, the Full-automatic washer is entering every family. The article introduces a new deceleratin

2、g clutch, which is used in fully-auto washing machine, it can improve the current technology, simplify structure, it is also helpful to reduce cost and increases reliability.The thesis simply discusses the application research on water tower water level auto control system. It analyzes the limitatio

3、n on the pre-designation of water tower water level auto control system, and devises the advanced plan. To be proved in the practice, the water tower water level auto control system is compatible for all kinds of liquids, and can throw into the effective production. Keywords: programmable logic cont

4、rollers (PLC) Auto Control System, Water Level Water Tower 摘要： - 1 -關鍵詞：- 1 -Abstract- 1 -前言2第 1 章 水塔水位控制系統方案設計31.1 方案設計原則31.2 系統的整體設計要求31.3 控制系統的設計41.3.1繼電器控制系統41.3.2單片機控制41.3.3工業控制計算機控制41.3.4可編程序控制器控制4第 2 章 水塔水位控制系統的硬件設計 62.1 PLC的基本結構62.2 PLC 機型選擇82.3PLC 容量選擇92.4 I/O 模塊的選擇102.5 電源模塊的選擇112.6水塔水位的工作

5、流程：12第3章 水塔水位控制系統軟件設計133.1PLC輸入 /輸出信號及地址分配143.2主電路的設計- 16 -3.3水塔水位控制系統的PLC控制流程圖- 16 -3.6系統調試- 17 -總結- 19 -參考文獻20 前言 可編程控制器(PLC)是以計算機技術為核心的通用自動化控制裝置,它的功能性強,可靠性高,編程簡單,使用方便,體積小巧,近年來在工業生產中得到廣泛的應用,被譽為當代工業自動化主要支柱之一。現今社會，自動化裝置無所不在，在控制技術需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進步。水塔水位的監測和控制，再也不需要人工進行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應用價值。水塔

6、水位自動控制器，具有適應各種液體液位的檢測和控制的功能，設計中分析了利弊，考慮了各種液體的阻值大小，是可以投入實際生產的產品。 第 1 章 水塔水位控制系統方案設計1.1 方案設計原則 整個設計過程是按工藝流程設計，為設備安裝、運行和保護檢修服務，設計的編寫按照國家關于電氣自動化工程設計中的電氣設備常用基本圖形符號（GB4728）及其他相關標準和規范編寫。設計原則主要包括：工作條件：工程對電氣控制線路提供的具體資料，系統在保證安全、可靠、穩定、快速的前提下，盡量做到經濟、合理、合用，減小設備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術、新產品。控制由人工控制到自動控制，由模擬控制到微機控

7、制，使功能的實現由一到多而且更加趨于完善。 對于本課題來說，液體混合系統部分是一個較大規模工業控制系統的改適升級，控制裝置需要根據企業設備和工藝現況來構成并需盡可能的利用舊系統中的元器件。對于人機交互方式改造后系統的操作模式應盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。從企業的改造要求可以看出在新控制系統中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關量。系統的可靠性要高。人機交互界面友好，應具備數據儲存和分析匯總的能力。 要實現整個液體混合控制系統的設計，需要從怎樣實現多個電磁閥的開關以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現在就這個問題的如何實現以及選擇怎樣的方法來確定系統方案。 1.2 系統的整體設

8、計要求 在水塔水位控制過程中，整體控制要求如下：當水池液體位于下限液位開關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OFF時，則水塔上限水位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。1.3 控制系統的設計 1.3.1繼電器控制系統 控制功能是用硬件繼電器實現的。繼

9、電器串接在控制電路中根據主電路中的電壓、電流、轉速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現電力拖動裝置的自動控制及保護。系統復雜，在控制過程中，如果某個繼電器損壞，都會影響整個系統的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應速度慢。 1.3.2單片機控制 單片機作為一個超大規模的集成電路，機構上包括 CPU、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為功控領域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計算機之一。但是，單片機是一片集成電路，不能直接將它與外部 I/O信號相連。 要將它用

10、于工業控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O接口電路，硬件設計、制作和程序設計的工作量相當大。 1.3.3工業控制計算機控制 工控機采用總線結構，各廠家產品兼容性強，有實時操作系統的支持，在要求快速、實用性強、功能復雜的領域中占優勢。但工控機價格較高，將它用于開關量控制有些大材小用。 且其外部I/O接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、 插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 1.3.4可編程序控制器控制 可編程控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬件配制和設計外部接線圖，同時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統中的觸點和接

11、線，通過修改程序適應工藝條件的變化。 可編程控制器(PLC)從上個世紀 70 年代發展起來的一種新型工業控制系統，起初它主要是針對開關量進行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時間繼電器等構成開關量控制系統。隨著30 多年來微電子技術的不斷發展，PLC也通過不斷的升級換代大大增強了其功能。現在 PLC 已經發展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運動控制功能和數據處理功能、連網通訊功能等多種性能，是名符其實的多功能控制器。由PLC為主構成的控制系統具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優點，是目前工業自動化的首選控制裝置。故選擇PLC來實施本次設計。 1 開關量的邏輯控制 這是

12、PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。 2 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制， 世界上各主要 PLC 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 3 閉環過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID 調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等

13、場合有非常廣泛的應用。 4 數據處理 現代 PLC 具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算） 、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。 5 通信及聯網 PLC通信含 PLC間的通信及 PLC與其它智能設備間的通信。 隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視 PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 根據本控制系統的控制要求應該選擇可編程序控制器控制。

14、 第 2 章 水塔水位控制系統的硬件設計 2.1 PLC的基本結構PLC是以微處理器為核心的計算機控制系統。如圖2.1.2所示1、中央處理單元（CPU）PLC的中央處理器與一般的計算機系統一樣，是PLC的控制中樞，其性能決定了PLC的性能。它按PLC中程序賦予的功能有條不紊地進行工作。2、 存儲器（RM/ROM）存儲器是具有記憶功能的半導體電路，主要用來存放系統程序、用戶程序和工作數據等。PLC中使用的存儲器由只讀存儲器(ROM)、只讀存儲器(ROM)及可擦除只讀存儲器（EPROM）組成。存儲器是衡量PLC性能的一個重要指標。3、I/O接口輸入接口一般由數據輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電

15、路構成，負責微處理器及外部設備交換信息。它接受來自現場檢測不見（如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關）以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量（要通過模數變換進入機內）等各種狀態控制信號，并存入輸入映像寄存器。輸入接口采用光電耦合電路將PLC與現場設備隔離起來，以提高PLC的抗干擾能力。輸入接口電路通常有兩類：一類為直流輸入型，另一類是交流輸入型。輸出接口模塊是PLC與現場設備之間的連接部件，用來將輸出信號送給控制對象。其作用是將中央處理單元送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號并輸出，以驅動電磁閥、接觸器、電動機等被控設備的執行元件。4、I/O擴展接口小型的PLC輸入輸出接口都是與中央

16、處理單元CPU制造在一起的。為了滿足被控設備輸入輸出點數較多的要求，常需要擴展數字量輸入輸出模塊；為了滿足模擬量控制的需要，常需要擴展模擬量輸入輸出模塊，如A/D、D/A轉換模塊等。I/O擴展接口就是為連接各種擴展模塊而設計的。5、通訊接口通訊接口用于PLC與編程器、計算機、變頻器、觸摸屏以及其他PLC等智能設備之間的連接，以實現PLC與智能設備之間的數據傳送。6、編程器編程器主要有兩種。一種是PLC專用編程器，有手持式和臺式等。另一種是基于個人計算機系統的PLC編程器。7、電源 電源部件將交流電源轉換成供PLC內部需要的直流電源。它的好壞直接影響PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC均采

17、用開關式穩壓電源供電，同時還向各種擴展模塊提供24V直流電源。 2.2 PLC 機型選擇 機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統工作可靠、維護使用方便及最佳的性能價格比。具體應考慮的因素如下所述。 1結構合理 對于工藝過程比較固定、環境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結構的 PLC；否則，選用模塊式結構的 PLC，物料混合控制系統的設計選用整體式結構的 PLC 能夠達到要求。 2功能強、弱適當 對于開關量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的 PLC，西門子公司的 S7-200 系列機或歐姆龍公司的 COM1。 3機型統一 PLC 的結構分為整體式和模塊式兩

18、種。整體式結構把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一塊印刷電路板上，并封裝在一個殼體內，省去了插接環節，因此體積小、價格便宜。但由于整體式結構的 PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡單的系統。一般大型的控制系統都使用模塊式結構，這樣功能易擴展，比整體式靈活。一個大型企業選用 PLC 時，盡量要做到機型統一。由于同一機型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理；另外，功能及編程方法統一，有利于技術人員的培訓；其外部設備通用也有利于資源共享。若配備了上位計算機，可把各獨立系統的多臺 PLC 聯成一個多級分布式控制相互通信，集中協調管理。物料混合控制系統控制要求比較簡單選擇整體式結

19、構的 PLC。 4是否在線編程 PLC 的特點之一是使用靈活。當被控設備的工藝過程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產帶來很大方便。PLC 的編程分為離線編程和在線編程兩種。離線編程的 PLC，其主機和編程器共用物料混合控制系統采用離線編程。 5PLC 的環境適應性 由于 PLC 是直接用于工業控制的工業控制器，生產廠家都把它設計成能在惡 劣的環境條件下可靠地工作。盡管如此，每種 PLC 都有自己的環境技術條件，用戶在選用時，特別是在設計控制系統時，對環境條件要進行充分的考慮。一般 PLC及其外部電路（I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環境條件下可靠工作： 溫度：工

20、作溫度 055，最高為 60 儲存溫度： -4085 濕度：相對濕度 5%95%(無凝結霜) 振動和沖擊： 滿足國際電工委員會標準 電源：交流 220V，允許變化范圍為-15%15%，頻率為 4753Hz 瞬間停電保持 l0ms 環境：周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體 對于需要應用在特殊環境下的 PLC，要根據具體的情況進行合理的選擇。 2.3PLC 容量選擇 PLC 容量包括兩個方面：一是 I/O 的點數；二是用戶存儲器的容量（字數） 。PLC容量的選擇除滿足控制要求外，還應留有適當的裕量，以做備用。根據經驗，在選擇存儲容量時， 一般按實際需要的10%25%考慮裕量。 對于開關量控

21、制系統，存儲器字數為開關量 I/O乘以 8；對于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲器字數為模擬內存單元數乘以100。通常，一條邏輯指令占用存儲器一個字。計時、計數、移位及算術運算、數據傳輸等指令占用存儲器兩個字。各種指令占存儲器的字數可查閱PLC產品使用手冊。 I/O點數也應留有適當裕量。由于目前I/O點數較多的 PLC價格也較高，若備用的 I/O點的數量太多，將使成本增加。根據被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數，并考慮到今后的調整和擴充，通常I/O點數按實際需要的10%15%考慮備用量。 2.4 I/O 模塊的選擇 PLC 是一種工業控制系統，它的控制對象是工業生產設備或工業生產過程，它

22、的工作環境是工業生產現場。 它與工業生產過程的聯系是通過I/O接口模塊可以檢測被控生產過程的各種參數，并以這些現場數據作為控制器對被控制對象進行控制的依據。 同時控制器又通過 I/O接口模塊將控制器的處理結果送給工業生產過程中的被控設備，驅動各種執行機構來實現控制。外部設備或生產過程中的信號電平各種各樣，各種機構所需的信息電平也是各種各樣的，而PLC的 CPU所處理的信息只能是標準電平，所以 I/O接口模塊還需實現這種轉換。PLC 從現場收集的 信息及輸出給外部設備的控制信號都需經過一定距離。為了確保這些信息的正確無誤，PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據實際需要，PLC

23、相應有許多種 I/O接口模塊，包括開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，可以根據實際需要進行選擇使用。 1確定 I/O點數 I/O點數的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對功能進行擴展。對一個控制對象，由于采用不同的控制方法或編程水平不一樣，I/O點數就可能有所不同。 2開關量 I/O 標準的 I/O接口用于同傳感器和開關（如按鈕、限位開關等）及控制（開/關）設備（如指示燈、報警器、電動機起動器等）進行數據傳輸。典型的交流I/O信號為 24240V（AC） ，直流I/O信號為 524V（DC） 。 3選擇開關量輸入模塊主要從下面兩方面考慮：一是根據現場輸入信號與PLC

24、輸入模塊距離的遠近來選擇電平的高低。一般 24V 以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠。如 12V 電壓模塊一般不超過 10m，距離較遠的設備選用較高電壓模塊比較可靠。二是高密度的輸入模塊，如32 點輸入模塊，能允許同時接通的點數取決于輸入電壓和環境溫度。一般同時接通的點數不得超過總輸入點數的 60%。 4選擇開關量輸出模塊時應從以下三個方面來考慮：一是輸出方式選擇。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出。其中，繼電器輸出價格便宜，使用電壓范圍廣，導通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力強，且有隔離作用。但繼電器有觸點，壽命較短，且響應速度較慢，適用于動作不頻繁的交直流負載。

25、當驅動電感性負載時，最大開閉頻率不得超過 1Hz。晶閘管輸出（交流）和晶體管輸出（直流）都屬于無觸點開關輸出，適用于通斷頻繁的感性負載。感性負載在斷開瞬間會產生較高反電壓，必須采取抑制措施。二是輸出電流的選擇。模塊的輸出電流必須大于負載電流的額定值，如果負載電流較大，輸出模塊不能直接驅動時，應增加中間放大環節。對于電容性負載、熱敏電阻負載，考慮到接通時有沖擊電流，要留有足夠的余量。三是允許同時接通的輸出點數。在選用輸出點數時，不但要核算一個輸出點的驅動能力，還要核算整個輸出模塊的滿負荷負載能力，即輸出模塊同時接通點數的總電流值不得超過模塊規定的最大允許電流值。 2.5 電源模塊的選擇 電源模塊

26、的選擇一般只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、I/O模塊、專用模塊等消耗電流的總和。以下步驟為選擇電源的一規則： 1確定電源的輸入電壓； 2將框架中每塊 I/O 模塊所需的總背板電流相加，計算出 I/O 模塊所需的總背板電流值； 3I/O模塊所需的總背板電流值再加上以下各電流： 1） 框架中帶有處理器時，則加上處理器的最大電流值； 2） 當框架中帶有遠程適配器模塊或擴展本地I/O適配器模塊時，應加上其最大電流值。 4如果框架中留有空槽用于將來擴展時，可做以下處理； 1） 列出將來要擴展的 I/O模塊所需的背板電流； 2） 將所有擴展的 I/O模塊的總背板電流值與步驟。

27、5在框架中是否有用于電源的空槽，否則將電源裝到框架的外面。 6根據確定好的輸入電壓要求和所需的總背板電流值，從用戶手冊中選擇合適的電源模塊。 具體應考隨著 PLC 技術的發展，PLC 產品的種類越來越多，而且功能也日益完善。PLC 的種類繁多，其結構、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等各有不同，當然使用場合也有所不同。因此選擇合理的PLC對提高 PLC控制系統技術經濟指標意義重大。 因此在選擇機型時不僅要滿足其功能要求及維護等方面的慮： 1）合理的結構形式 2）安裝方式的選擇 3）相當的功能要求 4）系統可靠性的要求 綜上所述，根據控制系統要求選擇 S7-200 系列 PLC，S7-200

28、 系列 PLC屬于小型整體式結構的 PLC，本機自帶 RS¾485 通信接口，內置電源和 I/O 接口，它的結構小巧，運行速度快，可靠性高，具有極其豐富的指令系統和擴展模塊，實時性和通信能力強大，便于操作，易于掌握，性價比高，是中小規模控制系統的理想控制設備。2.6水塔水位的工作流程：當水池液體位于下限液位開關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

29、開關S3為ON，水泵開始工作，向水塔供水，當S3為OFF時，則水塔上限水位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。如圖2.1. 第3章 水塔水位控制系統軟件設計3.1PLC輸入 /輸出信號及地址分配 根據上述水塔水位控制要求的分析，PLC的輸入信號有蓄水池水位上下限液位傳感器信號，水塔水箱水位上下限液位傳感器信號。PLC的輸出信號有進水口閥門控制電磁閥、水泵電機控制接觸器、蓄水池和水塔水箱水位故障報警信號燈。 由上述PLC輸入 /輸出信號分析可知，選擇S7-200系列的PLC即可滿足控制要求，其輸入 /輸出地址分配如表1所示。表1 I/O分配

30、圖輸入信號 輸出信號名稱地址進水口閥門控制電磁閥Q0.0系統啟動按鈕I0.0水泵電機控制接觸器Q0.1水塔水位上限液壓傳感器S1I0.1蓄水池水位故障報警燈Q0.2水塔水位下限液壓傳感器S2I0.2水塔水箱水位故障報警燈Q0.3蓄水池水位上限液位傳感器S3I0.3蓄水池水位下限液位傳感器S4I0.4 系統停止按鈕I0.5蓄水池水位故障報警復位按鈕I0.6水塔水箱水位故障報警復位按鈕I0.713.2主電路的設計3.3水塔水位控制系統的PLC控制流程圖根據設計要求，控制流程圖如圖所示3.6系統調試 保持水池的水位在S3S4之間，當水池水位低于下限液位開關S3，此時S3為ON，電磁閥打開，開始往水池

31、里注水，當5S以后，若水池水位沒有超過水池下限液位開關S3時，則系統發出警報；若系統正常運行，此時水池下限液位開關S3為OFF，表示水位高于下限水位。當頁面高于上限水位S4時，則S4為ON，電磁閥關閉。2）保持水塔的水位在S1S2之間，當水塔水位低于水塔下限水位開關S2時，則水塔下限液位開關S2為ON，則驅動電機M開始工作，向水塔供水。當S2為OFF時，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開關S1時，則S1為ON，電機M停止抽水。當水塔水位低于下限水位時，同時水池水位也低于下限水位時，電機M不能啟動。總結這一周的設計實習就這樣結束了，在這短暫的實訓時間里，經過老師、同學的指導，我獲益匪淺，學習了不少關于自己專業方面的知識。在完成項目期間，我們組的分工明確，有負責編程的，有負責報告找資料，有負責畫電路圖的雖說分工明確，但在完成項目過程中遇到些麻煩的話組員之間還是相互配合相互幫助盡量讓每