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，
才是PLC的真正输出。

2.1.2 PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间，如图所示。

图5 PLC扫描周期示意图
3.2.2 PLC选型
此电动机选用EJ15-3型电动机。

其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。

相关元件主要技术参数及原理如下：
EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。

1）额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法；
2）电动机运行地点的海拔不超过1000m。

工作温度-15~40℃/湿度≤90%；
3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述：
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC 能够达到要求。

（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子
公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

（3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印
刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于
整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统
都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

一个大型企业选用PLC时，尽量
要做到机型统一。

由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；
另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。

若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。

物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

（4）是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新
修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

PLC的编程分为离线编程和
在线编程两种。

离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

（5）PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的
环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O
模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0～55℃，最高为60℃储存温度 -40℃～＋85℃
湿度相对湿度5%～95%(无凝结霜) 振动和冲击满足国际电工委员会标准
电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz 瞬间停电保持l0ms
环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体
对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

根据设计要求、控制要求，选定PLC的型号为：DVP-40ES00R2
它是台达公司生产的PLC，拥有40点主机，而本例实际只需要6路输入、7路输出，输出留有约1/3的余量，输出所留余量超出1/3，完全满足要求；拥有8K步的内存
容量，而本例用户程序的容量估计在50步左右，完全够用。

3.2.3 PLC的I/O变量定义及分配表
系统的输入信号：控制开关1个，液位开关4个，共5个输入信号；系统的输出
信号有：电磁阀1个，电机1台，指示灯5个，共7个输出点。

台达PLC有8个输入点，16个输出点，交流供电，满足本例要求。

如：X0为水位控制开关的地址输入继电器，
X1为水塔上限液位开关S1的地址输入继电器，X2为水塔下限液位开关S2的地址输入
继电器，X3为水池下限液位开关S3的地址输入继电器，X4为水池上限液位开关S4的地址输入继电器，即，在PLC中，通过X0、X1、X2、X3、X4来进行对水塔水位进行液位控制。

Y0为电磁阀的地址输出继电器，Y1为电机M的地址输出继电器，Y2为水池下限指示灯a1的地址输出继电器（到水池下限时灯亮），Y3为水池上限指示灯a2的地址输出继电器（到水池上限时灯亮），Y4为水塔上限指示灯a3的地址输出继电器（到水塔下限时灯亮），Y5为水塔上限指示灯a4的地址输出继电器（到水塔上限时灯亮），Y6为报警指示灯a5的地址输出继电器（警报时灯亮），即，PLC中，通过Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6对液位进行合理控制，方便与输入设备协调搭配。

由此，PLC输入/输出接口分配表如下：
表1 水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表
输入
继电器现场器件
输出
继电器
现场器件
X0 启动按钮Y0 电磁阀
X1 水塔上限液位开关S1 Y1 电机M
X2 水塔下限液位开关S2 Y2 水池下限指示灯a1
X3 水池下限液位开关S3 Y3 水池上限指示灯a2
X4 水池上限液位开关S4 Y4 水塔下限指示灯a3
X5 停止按钮Y5 水塔上限指示灯a4
Y6 报警指示灯a5
3.2.4 PLC的I/O接线图
据输入输出分配表，再加上设备的要求，对输入、输出地址进行分配，水塔水位控制系统的I/O接线图如7所示。

图7 系统I/O 接线图
4 系统软件设计
4.1 程序设计思路及流程图设计
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8所示。

水泵
报警指示灯a5
X0 X2 X1 X5
X4 X3 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6
图8 程序流程图
4.2 梯形图程序设计及分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言。

它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—接触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。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。

由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它编程方式表达，然后改写成相应的语句表。

通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：
1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

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

梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。

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，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：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“I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“O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，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、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，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联锁电路，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、从左到右的顺序，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一个操作。

扫描从0号存储地址所存放
的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，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。

图9 程序流程图设计的梯形图
图9 所示是满足图8 所示工艺流程的梯形图。

水塔水位控制系统工作时，按如下步骤进行：
（1）压下启动按钮SB1，输入继电器触电X0接通, M200得电自锁；
（2）当水池液位到下限开关S3时，输入继电器X3接通，Y0得电自锁，电磁阀打开；
（3）当水池液位到下限开关S3时，输入继电器X3接通，Y2得电，则水池下限指示灯a1亮；
（4）电磁阀开启，往水池加水，并启动定时器T5，定时5S；
（5）5S后若水池水位没有超过水池下限液位开关S3时，输出继电器Y6接通，报警指示灯a5亮；
（6）当水塔水位低于水塔下限液位开关S2时，输入继电器X2接通，Y1得电自锁，水泵抽水；
（7）当水塔水位低于水塔下限液位开关S2时，输入继电器X2接通，Y4得电，水塔下限指示灯a3亮；
（8）当水塔中的水位达到水塔上限液位开关S1时，输入继电器X1接通，Y5得电，水塔上限指示灯a4亮；
（9）当水塔中的水位达到水塔上限液位开关S1时，输入继电器X1常开触点闭合，则此时常闭触点断开，故Y1失电，水泵停止抽水；
（10）当水池中的水达到水池的上限液位开关S4时，输入继电器X4闭合，Y3得电，水池上限指示灯a2亮；
（11）当水池中的水达到水池的上限液位开关S4时，输入继电器X4常开触点闭合，则此时常闭触点断开，Y0失电，电磁阀关闭，此次供水完成。

水塔水位控制系统指令：
LD X0
OR M200
ANI X5
OUT M200
LD M200
OR Y0
AND X3
ANI X4
OUT Y0
LD Y0
OUT Y2
LD M200
AND Y0
TMR T5 K50
LD M200
AND T5
AND X3
OUT Y6
LD M200
ANI X3
AND X2
ANI X1
OR Y1
OUT Y1
LD X2
OUT Y4
LD X1
OUT Y5
LD X4
OUT Y3
END
6 系统调试及结果分析
图10 梯形图仿真
（1）压下启动按钮SB1，输入继电器触电X0接通, M200得电自锁；
（2）当水池液位到下限开关S3时，输入继电器X3接通，Y0得电自锁；
（3）当水池液位到下限开关S3时，输入继电器X3接通，Y2得电；
（4）电磁阀开启，往水池加水，并启动定时器T5，定时5S；
（5）5S后若水池水位没有超过水池下限液位开关S3时；
（6）当水塔水位低于水塔下限液位开关S2时，输入继电器X2接通，Y1得电自锁；
（7）当水塔水位低于水塔下限液位开关S2时，输入继电器X2接通，Y4得电；
（8）当水塔中的水位达到水塔上限液位开关S1时，输入继电器X1接通，Y5得电；
（9）当水塔中的水位达到水塔上限液位开关S1时，输入继电器X1常开触点闭合，则此时常闭触点断开，故Y1失电；
（10）当水池中的水达到水池的上限液位开关S4时，输入继电器X4闭合，Y3得电；
（11）当水池中的水达到水池的上限液位开关S4时，输入继电器X4常开触点闭合，则此时常闭触点断开，Y0失电，此次仿真完成。

总结
课程设计是我学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的水塔水位的自动控制系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及PLC制作程序等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。

这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的所在。

虽然课程设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。

各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。

和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实践经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通能力和理解能力。

在设计中，首先要对本次设计所需物品进行了解，比如PLC，水塔水位等。

再加上逐步分析PLC各种模拟量，以方便对设计内容建立一个大致的系统方案。

其次，在设计好的系统方案基础上，对系统进行软、硬件分析，进一步对系统能否正常运行做了检查。

最后，把方案实践于PLC上，检测方案能否运行成功，并画出梯形图，让人更清楚的了解系统的运行轨迹。

顺利如期的完成本次课程设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

比如我的设计在节约水能源上就有很大的不足，在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国奉献。

参考文献
[1]史国生.电气控制与可编程控制器技术.化学工业出版社，2004
[2]马小军.建筑电气控制技术.机械工业出版社，2005
[3]陈志新等.电气与PLC控制技术. 北京大学出版社，2006
[4]付家才.电气控制实验与实践. 高等教育出版社，2004
[5]李建兴.可编程序控制器应用技术．北京：机械工业出版社，2004。