基于plc的水塔水位自動控制設(shè)計(jì)

1、目錄 摘要I第1章 緒論11.1選題的背景與意義11.2可編程邏輯控制器簡述1第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)22.1水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.2水塔水位控制系統(tǒng)基本工作原理32.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)4第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 硬件選型5 3.1.1 PLC的選擇5 3.1.2水泵的選擇6 3.1.3液位開關(guān)的選擇6 3.1.4電氣保護(hù)器件選擇73.2 I/O口的分配及PLC外圍接線8第4章 軟件設(shè)計(jì)12第5章 仿真14結(jié)論18參考文獻(xiàn)19附錄20摘要目前，大量的高位生活用水和工作用水逐漸增多。因此，不少單位自建水塔儲水來解決高層樓房的用水問題。最初，大多用人工進(jìn)行控制，由于人工無法每時每刻對

2、水位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位監(jiān)測，很難準(zhǔn)確控制水泵的起停。要么水泵關(guān)停過早，造成水塔缺水；要么關(guān)停過晚，造成水塔溢出，浪費(fèi)水資源，給用戶造成不便。利用人工控制水位會造成供水時有時無的不穩(wěn)定供水情況。后來，使用水位控制裝置使供水狀況有了改變，但常使用浮標(biāo)或機(jī)械水位控制裝置，由于機(jī)械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。因此為更好的保證供水的穩(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的供水控制方法已難以滿足現(xiàn)在的要求。本文采用的是三菱FXZN型PLC可編程控制器作為水塔水位自動控制系統(tǒng)核心，對水塔水位自動控制系統(tǒng)的功能性進(jìn)行了需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至PLC構(gòu)成的控制模塊，來

3、控制水泵電機(jī)的動作，同時顯示水位具體信息，若水位低于或高于某個設(shè)定值時，就會發(fā)出危險報警的信號，最終實(shí)現(xiàn)對水塔水位的自動。關(guān)鍵詞：水位自動控制、三菱FX2N 、傳感器I 第1章 緒論1.1選題的背景與意義在社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補(bǔ)給

4、。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時，又有PID控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進(jìn)行自動控制。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用PLC控制技術(shù)能

5、很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。1.2可編程邏輯控制器簡述可編程控制器（為了與個人計(jì)算機(jī) (personal computer)區(qū)別，一般將可編程控制器稱為邏輯控制器(Programmable Logic Controller)）是集微處理器、儲存器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各個行業(yè)。計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通行能力上的飛速發(fā)展，大大加強(qiáng)了可編程控制器通信能力，豐富了可編程控制器編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了PLC過程控制能力。PLC之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程方

6、便、價格低、壽命長等特點(diǎn)。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個系統(tǒng)由水位檢測系統(tǒng)，一臺PLC和水泵以及若干部件組成，如圖2-1所示。安裝于水塔上的傳感器將水塔的水位轉(zhuǎn)化成1-5伏的電信號；電信號到達(dá)PLC將控制控制水泵的開關(guān)。水箱水位自動控制系統(tǒng)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(jī)控制電路 PLC 控制啟停及主備切換。圖2-1 基于PLC的供水系統(tǒng)原理框圖在水塔水位檢測系統(tǒng)中通過液位傳感器將水位信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入PLC中，在通過PLC控制水泵的啟動或關(guān)閉。在系統(tǒng)運(yùn)行中當(dāng)水為低于最低值時PLC將啟動水泵向水塔中加水，當(dāng)水塔中的水達(dá)到最高值

7、時PLC使水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次達(dá)到控制最低水位時系統(tǒng)再次重復(fù)這個過程。2.2水塔水位控制系統(tǒng)基本工作原理圖2-2 水塔水位控制裝置圖1）水塔供水系統(tǒng)的一般裝置如圖2-2所示，應(yīng)當(dāng)保持水池的水位在S2S3之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān)S3，此時S3為OFF，控制電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)10S以后，若水池水位沒有超過水池下限液位開關(guān)S3時，則系統(tǒng)發(fā)出警報；若系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時水池下限液位開關(guān)S3為ON，表示水位高于下限水位。當(dāng)液面高于上限水位S2時，則S2為ON，電磁閥關(guān)閉,同時檢測水池液面是否會超過超上S1處，若超過，則水池水將溢出，S1液位開關(guān)為ON,向

8、PLC發(fā)出信號啟動上限報警，提醒工作人員立即排除故障。2）保持水塔的水位在S5S6之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S6時，則水塔下限液位開關(guān)S6為OFF，則驅(qū)動電機(jī)M開始工作，向水塔供水，電機(jī)啟動10秒后，若S6仍舊為OFF，則發(fā)出水塔下限無水報警。當(dāng)S3為ON時，表示水塔水位高于水塔下限水位水泵繼續(xù)抽水給水塔。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)S5時，則S5為ON，水泵停止抽水，同時檢測水塔液面是否會超過超上S4處，若超過，則水塔水將溢出，S4液位開關(guān)為ON,向PLC發(fā)出信號啟動上限報警，提醒工作人員立即排除故障。3）當(dāng)水池水位也低于下限水位時，水塔水位是否低于下限，電機(jī)M都不能啟動。282

9、.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖2-3 水塔水位控制系統(tǒng)主電路1）本次設(shè)計(jì)使用了兩個水泵，通過程序控制當(dāng)水塔下限無水且水池下限有水時同時啟動將水池中的水抽向水塔，并通過定時在兩水泵同時運(yùn)行一段時間后停止其中一個水泵，通過這種工作方式可以在較大地減少用戶缺水的情況，提高了供水的可靠性及效率，同時停止的水泵作為繼續(xù)工作水泵的暗備用，在另一水泵出現(xiàn)故障之后，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)手動切換，這樣既保證供水系統(tǒng)有備用水泵, 又有效地防止因?yàn)閭溆秒姍C(jī)長期不用發(fā)生銹堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 提高了設(shè)備的綜合利用率, 降低了維護(hù)費(fèi)用，整個供水系統(tǒng)性能得到極大提高。2）本次設(shè)計(jì)選用的水泵額定功率大，初始運(yùn)行時的起動電流較大，故在

10、主電路中設(shè)置Y減壓起動，以防止起動時過電流，通過軟件自動實(shí)現(xiàn)電路切換。此外在水泵電機(jī)供電回路中通過熱繼電器及熔斷器設(shè)置必要的熱繼電保護(hù)及過電流保護(hù)，保護(hù)電機(jī)的同時減小電機(jī)故障的影響范圍。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件選型本系統(tǒng)用到的部件：核心器件plc，水泵，液位檢測開關(guān)及電氣保護(hù)器件。3.1.1 PLC的選擇可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同，基本組成如圖3-1所示。圖3-1 Plc結(jié)構(gòu)示意圖本系統(tǒng)為單體控制系統(tǒng)，對控制功能無特殊要求，同時本次設(shè)計(jì)所需輸入輸出總點(diǎn)數(shù)介于32點(diǎn)與48點(diǎn)之間，因此選用三菱公司生產(chǎn)的FX2N

11、-48MR-001型PLC，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，該型號PLC為繼電器輸出型，輸入輸出點(diǎn)數(shù)各24個點(diǎn)，多余端子作為備用。3.1.2水泵的選擇選擇水泵的一般原則為：1、滿足流量和揚(yáng)程的要求；2、水泵機(jī)組在長期運(yùn)行中，水泵工作點(diǎn)的效率最高；3、按所選的水泵型號和臺數(shù)設(shè)計(jì)的水泵站，要求設(shè)備和土建的投資最??；4、便于操作維修，管理費(fèi)用少。而一般的水塔供水系統(tǒng)中水塔高度都在30米以上，所用水泵電機(jī)在向水池抽水時消耗的能量較大，同時因兩水泵互為備用，故綜合考慮后將兩水泵電機(jī)額定功率都選為11KW，型號為Y2-160L-6，其重要參數(shù)有額定電流為24.23A，額

12、定轉(zhuǎn)速為970r/min。水泵揚(yáng)程為40米，流量為35立方米/小時。技術(shù)參數(shù)如表3-1：表3-1 Y2-160L-6型號水泵技術(shù)參數(shù)品牌/型號：WTL/Y2-160L-6額定電壓：220-400（V）額定功率：11KW型號：Y2-160L-6級數(shù)：6級產(chǎn)品類型：三相異步電動機(jī)品牌：微特利WTL額定轉(zhuǎn)速：1000（rpm）r/min應(yīng)用范圍：農(nóng)業(yè)機(jī)械，水塔機(jī)械等3.1.3液位開關(guān)的選擇因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中水池及水塔中各有3處需要檢測水位信號，因此選用歐姆龍公司生產(chǎn)的61F-GN-G型電極式液位開關(guān)。一旦電極接觸到液體，通過液體可以閉合電路，根據(jù)流過的電流檢測可知液位控制的動作原理，是以所謂的導(dǎo)電性液體

13、為控制對象的液位開關(guān)。進(jìn)行檢測時，直接檢測液體的電極間電阻，根據(jù)大于或小于已設(shè)定的電阻值，來判斷有無液面,61F-GN-G型電極式液位開關(guān)含有三個電極正好用于本系統(tǒng)水位的檢測，同時其ON電流在4.5mA以下且OFF電流1.5mA以下滿足所選PLC的輸入性能指標(biāo)，故較為合適。61F-GN-G型電極式液位開關(guān)（緊湊式嵌入型）節(jié)省空間，設(shè)計(jì)維護(hù)簡單，高49.4mm×寬38mm×厚84mm，帶有LED動作顯示，工作狀態(tài)一目了然。61F-GN-G型電極式液位開關(guān)的技術(shù)參數(shù)如下：表3-2 歐姆龍61F-GN型開關(guān)技術(shù)參數(shù)表控制對象一般的凈水，污水使用環(huán)境溫度/濕度-10-+5545-8

14、5%RH額定電壓AC100/200V、50/60HZ級間電壓AC8V允許電壓范圍額定電壓的85%-110%級間電流AC約1mA以下使用電纜長度/輸出1KM以下AC200V 30A(阻性負(fù)載)功率消耗GN型為3VA以下耐壓AC2000V 50/60HZ 1min電氣壽命/機(jī)械壽命25萬次以上1000萬次以上3.1.4電氣保護(hù)器件選擇1、熔斷器的選擇采用熔斷器熔體作為三相異步電動機(jī)的短路保護(hù)裝置，只有在熔體容選擇適當(dāng)?shù)那闆r下，才能起到保護(hù)作用。如果所選熔體的額定電流太小(如等于電動機(jī)的額定電流)，則電動機(jī)啟動時，熔體會因電流較大而很快熔斷，使電動機(jī)無法啟動。如果所選熔體的額定電流過大(如等于電動機(jī)

15、的啟動電流)，雖電動機(jī)啟動時熔體不會燒斷，但在電動機(jī)運(yùn)行中發(fā)生短路故障時，熔體起不到保護(hù)作用(不熔斷)。因此,必須合理地選用熔斷器的熔體。選用熔體和熔斷器應(yīng)遵循電動機(jī)的啟動電流，因?yàn)槿蹟嗥魅垠w電流應(yīng)大于等于兩倍的電機(jī)額定電流，因此電動機(jī)供電回路選用熔體電流為50A的熔斷器。2、熱繼電器的選擇電機(jī)額定電流為24.23A，故選JR20-25/5T型熱繼電器，整合電流2125A。3、接觸器的選擇同理，根據(jù)電機(jī)額定電流，并查手冊后選擇CJ20-25接觸器。表3-3接觸器型號參數(shù)型號CJ20-25品牌CHINT接觸器額定電壓AC(DC):24v/36v48v110v/220v/380v額定電流25A執(zhí)行

16、標(biāo)準(zhǔn)GB14048.4和EN60947-4-1證書認(rèn)證CCC 3.2 I/O口的分配及PLC外圍接線序號輸入信號符號輸入端子口1起動按鈕SB1X0002停止按鈕SB2X0013手動操作旋鈕SC1-1X0024自動操作旋鈕SC1-2X0035水池高水位開關(guān)信號S1X0046水池中水位開關(guān)信號S2X0057水池低水位開關(guān)信號S3X0068水塔高水位開關(guān)信號S4X0079水塔中水位開關(guān)信號S5X01010水塔低水位開關(guān)信號S6X011111#泵手動旋鈕SC2X012122#泵手動旋鈕SC3X01314電磁閥手動旋紐SC4X01415電動機(jī)熱保護(hù)報警KA1X01516報警確認(rèn)旋鈕SC5X0161、PL

17、C的輸入接口分配表表3-4 PLC的輸入接口分配表 2、PLC的輸出接口分配序號輸出信號符號輸出端子口11#泵接觸器1KM1Y00022#泵接觸器1KM2Y0013水池低水位指示燈HL1Y0024水池中水位指示燈HL2Y0035水池高水位指示燈HL3Y0046水塔高水位指示燈HL4Y0057水塔中水位指示燈HL5Y0068水塔低水位指示燈HL6Y0079電磁閥繼電器KA2Y01010電機(jī)熱保護(hù)報警指示燈HL7Y01111水池高水位報警HL8Y01212水池低水位報警HL9Y01314水塔高水位報警HL10Y01415水塔低水位報警HL11Y015161#泵接觸器2KM3Y016171#泵接觸器

18、3KM4Y017182#泵接觸器2KM5Y020192#泵接觸器3KM6Y021 表3-5 PLC的輸出接口分配表3、水塔水位控制器外觀圖如下圖3-3水塔水位控制器外觀圖4、系統(tǒng)I/O硬件接線圖根據(jù)PLC輸入、輸出點(diǎn)地址分配表，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如下:圖3-4 系統(tǒng)I/O接線圖第4章 軟件設(shè)計(jì)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，得出水塔水位控制系統(tǒng)流程圖如下所示：圖4-1水位控制系統(tǒng)流程圖假設(shè)系統(tǒng)初始運(yùn)行時水塔、水池中都完全無水，6個液位指示燈全滅。系統(tǒng)啟動后程序的執(zhí)行是，先由PLC判斷操作人員選擇的是手動操作還是自動操作，若為手動操作，則由工作人員由控制按鈕自行選擇兩個水泵電機(jī)以及電磁閥的開啟與關(guān)

19、閉，當(dāng)其中一個電機(jī)出現(xiàn)故障時工作人員可方便地自行切換電機(jī)。若選擇自動操作，則水池為液位低于水池下限位時，電磁閥打開，開始往水池里進(jìn)水，如果進(jìn)水超過10S，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警。若10S內(nèi)水池液位按預(yù)定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈HL3亮。此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，電機(jī)M1及M2開始同時工作并在兩電機(jī)開啟后10秒并延時2秒后實(shí)現(xiàn)星形電路與三角形電路的切換，電機(jī)全壓運(yùn)行向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈HL2亮，電磁閥就關(guān)閉，同時檢測水池液位

20、是否超過上限，若超過，則報警，水泵電機(jī)開啟后定時10S，若水塔下限液位開關(guān)無信號輸入，則發(fā)出水塔無水報警，水塔下限有水后，水塔下限液位指示燈亮，水泵繼續(xù)供水給水塔，同時時時檢測水塔超上限液位開關(guān)是否有信號輸入，若有，則啟動水塔水位超上限報警，當(dāng)兩水泵一起運(yùn)行半小時后，水泵電機(jī)M2停止，另一水泵繼續(xù)工作，直至水池水位低于下限或者水塔水位高于上限，若水泵因水池水位低于下限而停止，則在自動工作的模式下重復(fù)以上工作過程直到水泵因水塔水位高于上限而停止，至此系統(tǒng)的整個工作過程結(jié)束。第5章 仿真通過梯形圖設(shè)計(jì)，下面三菱PLC編程軟件GX Developer 7.08版與仿真軟件GX Simulator 6

21、 對程序的各個部分進(jìn)行了仿真及調(diào)試結(jié)果如下:（1）系統(tǒng)的啟動停止程序 圖5-1系統(tǒng)的啟動停止程序 此設(shè)計(jì)為了方便，在系統(tǒng)啟?？刂浦杏昧艘粋€輔助繼電器M0，如圖5-1所示。當(dāng)按下啟動按鈕X0時，M0帶電，M0的輔助觸點(diǎn)動作，既長開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。（2）手動模式自動模式選擇模式圖5-2手動模式自動模式選擇模式本水塔水位自動控制系統(tǒng)考慮到會發(fā)生故障，故設(shè)置了手動控制，此程序采用手動自動互鎖，如圖5-2所示。當(dāng)啟動按鈕X0閉合，M0帶電，其觸點(diǎn)動作，常開觸點(diǎn)閉合。按下X3按鈕，則系統(tǒng)執(zhí)行自動控制，相應(yīng)輔助繼電器M2帶電動作；按下X2按鈕，執(zhí)行手動控制，相應(yīng)輔助繼電器M3帶電，其觸點(diǎn)動作。（3）

22、水池、水塔超上限及電機(jī)過熱報警程序圖5-3 水池、水塔超上限及電機(jī)過熱報警程序 當(dāng)液位到達(dá)水池上限時，液位開關(guān)（X4）閉合，Y12動作，此時系統(tǒng)發(fā)出報警提示；當(dāng)液位到達(dá)水塔上限時，Y14動作，此時系統(tǒng)發(fā)出報警提示；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會使繼電器動作即X15閉合，Y11動作，發(fā)出報警，提示工作人員處理故障。（4）液位顯示模式圖5-4液位顯示模式 當(dāng)液位到達(dá)水池下限液位開關(guān)時，液位開關(guān)相應(yīng)觸點(diǎn)閉合，即X6閉合，相應(yīng)指示燈Y2亮，我們能夠清晰的看到水池水位的位置。同理，當(dāng)液位到達(dá)水池中水位（X5）、水池高水位（X4），及水塔高水位（X7）、中水位（X10）、低水位（X11）相應(yīng)的指示燈都會亮，

23、這樣我們就很清晰地看到水池及水塔液位，以便于控制。（5）電磁閥控制及水池?zé)o水報警程序圖5-5電磁閥控制及水池?zé)o水報警程序當(dāng)自動控制系統(tǒng)啟動后，電磁閥繼電器Y10動作閉合，水池開始注水，按預(yù)設(shè)10S后水池水位未達(dá)到下限，則Y13動作，即水池低水位報警，提示工作人員處理。（6）水塔無水報警程序圖5-6水塔無水報警程序當(dāng)水池水位高于下限，水泵開始往水塔里面抽水即Y0動作，如圖5-6所示。按預(yù)設(shè)10S后水塔水位未達(dá)到下限，則Y15動作，即水塔低水位報警，提示工作人員處理。（7）電機(jī)M1控制程序圖5-7電機(jī)M1控制程序本次設(shè)計(jì)選用的水泵額定功率大，初始運(yùn)行時的起動電流較大，故在主電路中設(shè)置Y減壓起動，當(dāng)

24、水池達(dá)到低水位后，水泵先以星型運(yùn)行即Y16動作，20s后以三角型方式運(yùn)行，即Y17動作。（8）電機(jī)M2控制程序圖5-8電機(jī)M2控制程序M2與M1的啟動方式一致，當(dāng)兩水泵一起運(yùn)行半小時后（此由于時間關(guān)系，仿真時用30s），水泵電機(jī)M2停止。通過以上各部分的仿真及調(diào)試，此梯形圖能符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，并能實(shí)現(xiàn)水塔水位自動控制、電磁閥手動控制、電機(jī)熱保護(hù)、液位顯示及報警功能。結(jié)論通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐，我更熟練的掌握了三菱的PLC軟件的簡單編程方法，對于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理論的運(yùn)用中，也提高了我的工程素質(zhì)。剛開始設(shè)計(jì)編寫程序時，我把自己想出來的一些認(rèn)為是對的程序進(jìn)行梯形圖編輯，問題出現(xiàn)了。轉(zhuǎn)換成指令表后則顯示出很多不正確的指令程序，這主要是因?yàn)槲覜]有把理論和實(shí)踐相