水塔水位控制系统设计

吉林建筑大学

电气与计算机学院

电气控制与PLC应用课程设计报告

设计题目：水塔水位控制系统设计

专业班级：建筑电气与智能化151

学生姓名：卫界岑

学号：201511679（20）

指导教师：张立辉王亚娟

设计时间：2017.7.3——2017.7.14

目录

1 引言 (1)

1.1 课程设计目的与意义 (1)

1.2 课程设计内容 (1)

1.3 课程设计实现的目标 (1)

2 系统总体方案设计 (2)

3 系统硬件设计 (3)

3.1 主电路的设计 (3)

3.2 控制电路的设计 (4)

3.2.1 PLC概述 (4)

3.2.2 PLC选型 (6)

3.2.3 PLC的I/O变量定义及分配表 (7)

3.2.4 PLC的I/O接线图 (8)

4 系统软件设计 (9)

4.1 程序设计思路及流程图设计 (9)

4.2 梯形图程序设计及分析 (11)

6 系统调试及结果分析 (14)

总结 (15)

参考文献 (16)

1 引言

1.1 课程设计目的与意义

《电气控制与PLC应用》课程设计是建筑电气与智能化专业一个重要的实践性教学环节。通过课程设计使学生进一步巩固电气控制技术的基本知识；达到掌握电气控制系统的原理设计、工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、编程等工作，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；撰写设计报告和编制技术资料的能力。

1.2 课程设计内容

1．拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，

它是整个设计的依据。

2．选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；

3．设计电气原理图；

4．选定PLC的型号；

5．编制PLC的输入/ 输出端子接线图；

6．根据系统设计的要求编写相应的PLC程序及人机界面等。

7．设计操作台、电气柜及非标准电器元件；

8．撰写课程设计说明书。

根据具体任务，上述内容可适当调整。

1.3 课程设计实现的目标

通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：

1.掌握电气控制电路和PLC电路得分析和设计的基本方法。

2.培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力。

⑴学会自己分析、找出解决问题的方法。

⑵对设计中遇到的问题，能独立思考，查阅资料，寻找答案。

3.掌握绘制电气控制原理图和PLC梯形图的方法。

4.培养学生的实践能力。

5.电气图的绘制必须符合国家有关规定的标准。

通过严格的科学训练和工程设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

2 系统总体方案设计

图1 水塔水位控制系统方案设计图

1.保持水池的水位在S1——S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S1为OFF，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭。

2.保持水塔的水位在S3——S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关S3为ON，则驱动电机M(水泵)开始工作，向水塔供水。当S3为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开关S4时，则S4为ON，电机M(水泵)停止抽水。

当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M(水泵)不能启动。

图2 设计原理图

3 系统硬件设计

3.1 主电路的设计

给排水工程中常使用三相异步电动机Y90L-4，功率为1.5KW。水泵上的电动机一般是单向旋转，并有以下控制: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5S检测水塔水位是否提高，从而来控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向PLC发出控制信息，停止水泵工作。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，执行程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。

图3 电机的主电路图

3.2 控制电路的设计

3.2.1 PLC概述

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由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计算机的运行方式—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。

2.1.1扫描技术

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4所示。

第（n+1）

第（n-1）

（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映象区中的相应的单元内。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，如果输入是脉冲信号，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存储区中对应的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应的状态；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。

（3）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，再经输出电路驱动相应的外设。这时，