电气自动化专科 毕业论文

成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）
论文题目：PLC控制水塔供水系统的设计
教学点：
指导老师：职称：讲师
学生姓名：学号:
专业：电气自动化技术
成都电子机械高等专科学校成教院制
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成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书
题目：PLC控制水塔供水系统的设计
任务与要求：
供水是一个关系国计民生的重要产业。

随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。

时间：年月日至年月日共周
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专业：电气自动化技术
指导单位或教研室：电气自动化教研室
指导教师：职称：讲师
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本表作评定学生平时成绩的依据之一。

摘要
供水是一个关系国计民生的重要产业。

随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。

可编程控制器( PLC) 因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。

本文针对目前比较流行的控制技术，利用PLC和传感器构成了水塔恒水位的控制系统。

改造后的水塔水位自控系统，实现水塔水位自动控制系统，远程监控，实现无人值守。

关键词：可编程逻辑控制器（PLC）水塔水位自动控制
Abstract
The water supply is a relations national economy and the people's livelihood important industry. Along with society's development and living standards' enhancement, proposed to the urban water supply a higher request, needs to satisfy promptly, accurate, the security guarantees sufficient water supply, if still continued to use the artificial way, the labor intensity is big, the working efficiency is low, the security safeguards with difficulty, for this reason must make the water tank water monitor automated system's transformation. Because the programmable controller (PLC) its redundant reliability and the high performance-to-price ratio obtains the widespread application in the industrial control. This article in view at present the quite popular control technology, constituted the water tank permanent water level control system using PLC and the sensor. After the transformation water tank water level autonomous system, realizes the water tank water level automatic control system, the long-distance monitoring, realizes unattended.
key word: Programmable logical controller (PLC) water tank water level automatic control
目录
第一章绪论 (1)
第一节可编程控制器的产生 (1)
第二节PLC的发展 (1)
第三节PLC的基本结构 (2)
一、中央处理单元（CPU） (2)
二、存储器 (2)
三、输入/输出模块 (3)
四、扩展模块 (3)
五、编程器 (4)
六、电源 (5)
第四节PLC的特点 (5)
一、高可靠性 (5)
二、丰富的I/O接口模块 (5)
三、采用模块化结构 (6)
四、编程简单易学 (6)
第五节PLC的工作原理 (6)
第二章水塔水位控制系统PLC硬件设计 (9)
第一节水塔水位控制系统设计要求 (9)
第二节水塔水位控制系统主电路 (10)
第三节I/O接口分配 (10)
二水塔水位控制系统的I/O设备 (11)
第三章水塔水位控制系统PLC的软件设计 (12)
第一节程序流程图 (12)
第二节梯形图程序设计及工作过程分析 (13)
一工作过程 (16)
二水塔水位控制系统梯形图对应的指令表 (16)
第四章设计总结 (17)
谢辞 (18)
参考文献 (19)
第一章绪论
第一节可编程控制器的产生
可编程控制器是20世纪70年代发展起来的控制设备，是集微处理器、存储器、输入输出输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。

计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单片机还是多机控制，是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技巧对提高我国工业自动化水平及生产效率都有十分重要的意义。

可编程控制器（Programmable Controller）,也称可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,是以微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC，为了避免与个人电脑（也简称PC）相混淆，通常将可编程控制器简称PLC。

1969年，第一台可编程控制器PDP-14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用并取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。

PLC进入90年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。

国外专家预言,PLC将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）中跃居首位。

第二节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、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段：
早期PLC一般称为可编程逻辑控制器。

这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物含义，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。

但它的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗小，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70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大变化。

美国、日本、德国等一些厂家先后采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

这样，使得PLC 功能大大增加，PLC的应用范围大大得到推广。

进入80年代中、后期，由于超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下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器档次普遍提高，研制开发了专用逻辑处理芯片。

使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

第三节PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机
图1-1 PLC基本结构
相同。

如图1-1所示：
一、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序所赋予的功能接受并存储从编程器件输入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场个输入装置的状态和数据，并分别存入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，最后将如此循环，直到停止运行。

二、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

1、PLC常用的存储器类型
（1）RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存储速度最快，有锂电池支持。

（1）EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。

（在紫外线连续照射下可擦出存储器内容）。

（3）EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一
种电可擦除的只读存储器。

使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

2、PLC存储空间的分配
根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
系统程序存储区
系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
用户程序存储区
三、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接口。

现场的输入信号，如按钮开关、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，都要通过输入模块传到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，所以输入模块好需将这些信号转换成PLC能够接受或处理的数字信号。

输出模块的作用是接受中央处理器处理过的数字信号，把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。

这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块,部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。

数字量输入模块带有光电祸混合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。

数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。

模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。

由于工业控制系统中由传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。

模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电混合器和输入锁存缓冲器与PLC的I/O总结先连接。

模拟量输出模块D/A转换前的二进制数字量，经光电混合器和输出锁存器与PLC的I/O 总接线连接。

现在标准两成的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种，模拟电流主要是0—Z0mA和4—Z0mA两种。

模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后把它转换成8位、10位或12位的二进制数字信号，送给中央处理器处理。

模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。

四、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扩展中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。

智能I/O接口模块种类很多，例如高速技术模块、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、中断控制模块、智能存贮模块以及智能I/O模块等。

用扩展模块来扩展系统具有以下优点：
用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。

当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所有的工作仅仅是替换或增加扩展模块和修改相应的控制软件。

特殊的模块及智能模块的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模块的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。

五、编程器
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磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。

目前编程器主要有以下三种类型：便携式编程器（也叫简易编程器）；图形编程器；用于IBM—PC及其兼容机的编程器。

便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。

图形编程器以液晶显示器（PCD）或阴极射线管（CRT）作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。

使用图形编程器可以用多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。

图形编程器还可以与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。

但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。

编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序或者对自己已有的程序予以编辑和修改。

监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。

因此编程器的监控方式对控制器件中新输入程序的调试与运行是非常有用和方便的。

编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。

显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况
及系统工作状态等。

键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中的一种方式工作。

六、电源
1、+5V、+15V、-15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；
2、供输出接口使用的高压打电流的功率电源；
3、锂电池及其充电电源。

考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模块不断涌现。

通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类：
小型机：256点以下（无模拟量）；
中型机：256~2048点（64~128路模拟量）；
大型机：2048点以上（128~512路模拟量）。

具体实现时，通常采用模块式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。

但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU,甚至两者都作了热备份。

第四节PLC的特点
一、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）个输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

（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，一但电源或其他软、硬件发生遗异常情况，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构成表决系统，是可靠性更进一步提高。

二、丰富的I/O接口模块
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；电压或电源；脉冲或电位；强点或弱点等。

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；控制阀等直接连接。

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。

三、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外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，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。

四、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电气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。

五、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以再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，因此一但某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

第五节PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的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机算计的运行方式——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。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序
执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运
行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

如图1-2所示：
图1-2 PLC扫描周期图
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入时脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经输出电路驱动相应的外设备。

这时，才是PLC的真正输出。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图1-3所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

图1-3 一个完整的扫描周期图
第二章水塔水位控制系统PLC硬件设计
第一节水塔水位控制系统设计要求
水塔水位控制装置如图2-1所示
图2-1 水塔水位控制装置
水塔水位的工作方式：
当水池液位低于下限液位开关S1，S1此时为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统发出报警，若系统正常，此时水池下限液位开关S4位OFF，表示水位高于下限水位。

当水位液面高于上限水位，则S2位ON，电磁阀关闭。

当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3位ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3位OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。

当水塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S4位OFF，水泵停止。

当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。

第二节水塔水位控制系统主电路
水塔水位控制系统主电路如图2-2所示：
图2-2 水塔水位控制系统主电路
第三节I/O接口分配
一列出水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表，见表2-1。

表2-1 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表输入信号输入变量名输出信号输出变量名
I0.1 水塔上限位Q0.1 电磁阀
I0.2 水塔下限位Q0.2 水泵
I0.3 水池上限位Q0.3 水池下限指示灯a1
I0.4 水池下限位Q0.4 水池上限指示灯a2
I0.0 控制开关Q0.5 水塔下限指示灯a3
Q0.6 水塔上限指示灯a4
Q0.7 报警指示灯a5
二水塔水位控制系统的I/O设备
这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有5个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有13个，只需选用一般小型控制器即可。

因此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的I/O接线图
图2-3 水塔水位控制系统的I/O接线图
第三章水塔水位控制系统PLC的软件设计
第一节程序流程图
水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图如图3-1所示：
第二节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，他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。

梯形图编程的一般规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左往右的顺序排列。

每一个逻辑行起始于左母线然后是触电的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯型。

梯形图所使用的元件编号地址必须在使用PLC的有效范围内。

图3-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图
（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，它仅仅是概念虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右但方向流，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“1“态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为”0“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）梯形图中的信息流程从左到右，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，而继电器的触点在编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。

（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后吮吸运行的，即按扫描方式执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的连锁电路，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、从左向右的顺序，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。

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，在无中断货跳转控制的情况下，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。

根据控制要求，设计的梯形图程序如图3-2所示。