水塔供水自动控制系统的设计

水塔水位的PLC控制的设计PLC课程设计说明书
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专业机电一体化技术
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日期 2012.1.10
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目录
一概述 (1)
二水塔供水自动控制系统方案设计 (2)
设计方案 (2)
三水塔水位自动控制系统设计 (2)
1水泵电动机控制电路的设计 (2)
2水位传感器的选择 (4)
四水位自动控制系统的组成 (6)
1、系统构成及其控制要求 (6)
2系统框图 (7)
五 PLC的设计 (8)
1可编程序控制器(PLC)简介 (8)
2PLC工作原理 (8)
3PLC的编程语言--梯形图 (9)
4SYSMAC-C系列P型机概述 (11)
5水塔水位自动控制系统的软件设计 (12)
六结束语（系统总结分析） (17)
1系统的优点 ............................................................................ 错误!未定义书签。

2结束语 .................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 (19)
致谢 (20)
水塔供水自动控制系统的设计
一概述
水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位S2时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号，PLC根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位S4时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位S2时，液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出，PLC在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位S1时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止水泵的工作。

二水塔供水自动控制系统方案设计
设计方案
PLC和传感器构成的水塔水位恒定的控制系统原理。

在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号，PLC根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出，PLC在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止水泵的工作。

本文主要阐述利用PLC和传感器构成的水塔水位恒定的控制系统。

三水塔水位自动控制系统设计
1水泵电动机控制电路的设计
给排水工程中常使用三相异步电动机，水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。

在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向PLC发出信息启动水泵，经过5分钟检测水塔水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向PLC发出信息控制信息停止水泵工作。

供水系统的基本原理如图5.1 所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入PLC，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。

当PLC出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。

手动控制采用交流接触器。

（图4-1 水泵电动机控制图）
水泵启动工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收
到PLC的启动水泵指令后，电磁线圈KM2中有电流流过，电磁接触器KM2运行。

当电磁接触器KM2运行时，主电路的主触点KM2闭合，常闭触点KM2-b 打开，常开触点KM2-m2闭合，当主触点闭合时，电源电压施加到电动机M 上，开始运转。

当常闭触点KM2-b打开时，绿灯GN-L中无电流流过，绿灯熄灭，当常开触点KM2-m2闭合时，红灯RD-L中有电流流过，红灯点亮。

水泵停止工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收到PLC的停止水泵指令后，电磁线圈KM2中无电流流过，电磁接触器KM2恢复。

当电磁接触器KM2恢复时，主电路的主触点KM2打开，常闭触点KM2-b 闭合，常开触点KM2-m2打开，当主触点KM2打开时，电源电压施不再施加到电动机M上，电动机M停止运转。

当常闭触点KM2-B闭合时，绿灯GN-L 中有电流流过，绿灯点亮，当常开触点KM2-m2打开时，红灯RD-L中无电流流过，红灯熄灭。

KM1：配线切断器是把开闭机构、后动装置等统一装到绝缘容器内的部件，它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的。

经常应用于电源电路的开闭中，当发生过载、短路等情况时自动地切断电路。

KM2：所谓电磁接触器，就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的接触器，主要用于电源电路的开闭。

电磁接触器有主触点和辅助触点构成的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成。

FR: 热敏继电器是由加热器部分和触点机构部分组成的。

当够电流流过加热部分时，双金属片因为受热而发生弯曲，因此触点部分被打开而使电路得到保护。

2水位传感器的选择
根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的 U9ULS——
10/100系列。

U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。

具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。

在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的壳体中。

U9ULS具有以下特点：
可应用于多种液体中
可承受高达1000psi的压力
不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。

长度达121in(303.3cm)
可安装在侧面、顶部或底部
工作原理：U9ULS系列是给予超声波理论工作的。

当超声波在空气中传播时，会被严重衰减相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。

电子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。

当另一端街道有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。

这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。

U9ULS——100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F 和压力为1000PSI的情况下良好的工作。

U9ULS——10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。

控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。

特点：10A的继电器输出
115/230V AC，12V DC或24V DC输入
高增益。

无需效准，工作温度可达300 长度可达151.5CM
表5.1 主要技术指标
四水位自动控制系统的组成
1、系统构成及其控制要求
水塔水位自动控制系统
水塔水位的工作方式：
S1: 水塔水位上限当水塔水位达到此位置时液位传感器将向PLC 发出最高水位信号请求停止水泵工作
S2: 水塔水位下限当水塔水位达到此位置说液位传感器将向PLC 发出最低水位信号请求开启水泵工作
S3: 水槽水位上限当水塔水位达到此位置时液位传感器将向PLC 发出最高水位信号请求停止水泵工作
S4: 水槽水位下限当水塔水位达到此位置说液位传感器将向PLC 发出最低水位信号请求开启水泵工作
M: 抽水泵当水塔水位达到最低水位时PLC将开到抽水泵向水塔供水
Y: 补水泵当水槽水位达到最低水位时PLC将开到抽水泵向水塔供水
原理：
在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号，PLC根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止补水泵的工作，当水塔水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出，PLC在收到信号后启动水泵向水塔加水，当水塔水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止水泵的工作。

2系统框图
如下图整个系统由一个水位传感器，一台PLC和一台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。

（图5-2 系统组成框图）
在水塔水位检测系统中通过超声波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。

五 PLC的设计
1可编程序控制器(PLC)简介
可编程序控制器(Programmable Logic Controller))简称PLC。

所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

随着PLC的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、数字量的算术运算。

2 PLC工作原理
PLC的工作方式:采用循环扫描方式.在PLC处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.
PLC的工作过程：
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，.然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。

除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。

因此，PLC工作过程分为以下五步:
(1)自诊断
自诊断功能可使PLC系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。

(2)与外设通信
自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。

在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送
运行、停止、清内存等监控命令。

在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。

(3)输入现场状态
完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。

这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。

(4)解算用户逻辑
即执行用户程序。

一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。

解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。

在一个扫周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。

(5)输出结果
将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算
的结果，也称为输出刷新。

解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。

驱动用户输出设备即PLC的实际输出。

在依次完成上述五个步骤操作后PLC又开始进行下一次扫描。

如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现故障。

3 PLC的编程语言--梯形图
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，
是PLC中普遍采用的一种编程方式。

梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。

不同厂家的PLC，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。

梯形图有如下特点。

①梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

每一个继电器为一个逻辑行，称为梯形。

每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。

②梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。

梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。

③梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。

④梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。

所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。

3.4可编程序控制器PLC的优点
①能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。

②简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。

③可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过20000小时。

④编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。

⑤体积小，价格低。

⑥可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。

⑦可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。

⑧有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。

⑨系统化，有标准外围接口模块。

⑩系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。

4 SYSMAC-C系列P型机概述
本原理图是采用CP20实现的，基于原理图所用I/O接口点数较少，无需扩展单元，快速响应输入点与外部中断输入点公用，实现单循环控制，不需要有可选择输入时间常数的过滤器，配置简单，经济适用，可使用个人计算机进行辅助设计。

C20P的通道分配：是指对PLC内的每个通道及每个继电器都分配给一个地址号，以便CPU能够识别。

在OMRON公司C系列的PLC中，每个通道由16位组成，或者说在一个通道中包含16个“继电器”。

(1)输入/输出继电器通道（I/O）的分配
P型机的输入/输出继电器通道（CH）分配是固定的，00~04CH是输入继电器通道，05~09CH是输出继电器通道，不同型号的PLC机的基本单位和扩展单位所能使用的通道号是不同的。

每个输入/输出继电器的编号为四位十进制数，前两位表示通道号，后两位表示位号，即该通道中的某一位。

对C20P基本单元，输入继电器（输入点）为12个，占用的输入点是00CH 的0000~0011；输出继电器（输出点）共8个，占用的输出点是10CH的1000~1007。

（2）内部辅助继电器（IR）通道的分配
在P型机中共有136个内部辅助继电器，其通道号为10~18CH，占用的地址为1000~1807，注意，内部辅助继电器不能接负载。

(3)定时器和计数器通道（TIM/CNT）
在P型机中的定时器（TIM）,高速定时器（TIMH），计数器（CNT），可逆计数器（CNTR）,共计48个，编号为00~47，它们即可用于定时器，用可用于计数器，但如果已经用作定时器（如TIM01），则这个编号就不能再用作计数器（如CNT01）。

如果程序中使用高速计数器，则TIM/CNT47作为专用存放高速计数器
当前值的计数器，不能再作它用。

当电源断电时，定时器被复位，而计数器不能被复位，其计数的当前值保持不变。

5水塔水位自动控制系统的软件设计
确定PLC所需的各类继电器，对各元件编号，如下表所示。

表6.1输入/输出端口地址分配
输入输出定时器名称地址名称地址名称地址S1 1000 M 1003 4秒延时TIM02
S2 1001 Y 1002 产生1秒时
钟TIM00
S3 1002 TIM01 S4 1003
5.1 PLC的外部输入输出电路
（图6-1PLC的外部输入输出电路）
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: 补水泵
（图6-2 水塔水位系统流程图）
（１）输入COM端和电源０Ｖ连接输入端和水塔水位自动控制系统输入端连接
（２）输出COM端串联连接和电源２４Ｖ连接（COM０－COM１－COM２－COM３－COM４－COM５－COM６－COM７－COM８－电源２４Ｖ）输出端（OUT 端）和水塔水位自动控制系统试验模板输入端相连（OUT O1－Y，OUT O2－M，）
5.2 Ｉ／Ｏ分配：
输入
调试单元 PLC内部说明
I000 000ＣＨ00 启动按钮
I001 S1 000ＣＨ01 水塔水位上限
I002 S2 000ＣＨ02 水塔水位下限
I003 S3 000ＣＨ03 水槽水位上限
I004 S4 000ＣＨ04 水槽水位下限
输出调试单元ＰＬＣ内部说明
Ｏ001 010CH01 Y
Ｏ002 010CH02 M
5.3 程序说明
当启动按钮(IN I0)打开，若水槽水位低于水位下限时时，补水阀（Y）抽水。

若水槽水位高于水位上限时，补水阀（Y）关闭，停止抽水。

同时，当水塔水位低于水位下限时，并且水槽水位高于水位下限时时,抽水泵(M) 抽水(即M灯亮)。

当水塔水位高于水位上限时时，抽水泵(M)关闭，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时,抽水泵（M）不抽水。

5、4梯形图及语句表
（图6-3梯形图）
.5.5指令语句表
六、实训总结
做了两周的课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提
出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，机电已经成为当今生活中空前活跃的领域，可以说得是无处不在。

回顾起此次机电课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

通过一个学期的学习，我认为要学好机电控制这门课程，不仅要认真阅读课本知识，更重要的是要通过上机实践才能增强和巩固我的知识。

特别是作为高职生，更要注重实践这一环节，只有这样我们才能成为合格的设计人材。

经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。

在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。

从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。