水塔水位控制系统PLC设计

2毕业设计（论文）（说明书）题目：姓名：学号：平顶山工业职业技术学院2014年5月8日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书姓名专业班级任务下达日期2014年2月18日设计（论文）开始日期2014年2月25日设计（论文）完成日期2014年4月30日设计（论文）题目：指导教师院（部）主任郭宗跃2014年5月8日4平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录电力工程学院专业，学生于2014年6月10日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：专题（论文）题目：指导老师：答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：，，，，，,。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第页共页学生姓名：专业班级年级毕业设计（论文）题目：评阅人：指导教师：（签字）2014年6月12日成绩：系（科）主任：（签字）2014年6月12日毕业设计（论文）及答辩评语：水塔水位控制系统设计摘要本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。关键词:水位；自动控制系统；调试；可编程控制器（PLC）平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)说明书-1-目录插图清单表格清单摘要Abstract第一章绪论……………………………………………………………………………11.1水塔水位控制系统设计的重要性………………………………………………………11.2控制理论的发展及应用概况………………………………………………………11.3本文的主要工作……………………………………………………………………2第二章水塔水位控制系统方案设计…………………………………………………32.1PLC的工作原理……………………………………………………………………32.2PLC选型……………………………………………………………………………52.3水位传感器的选择…………………………………………………………………………62.4水塔水位控制方案…………………………………………………………………8第三章水塔水位控制系统硬件设计…………………………………………………93.1水塔水位控制系统主电路…………………………………………………………93.2控制系统与PLC的输入/输出接口分配表………………………………………103.3水塔水位控制系统的I/O接线图…………………………………………………11第四章水塔水位控制系统PLC软件设计…………………………………………124.1系统工作过程………………………………………………………………………124.2程序流程图…………………………………………………………………………134.3梯形图与具体分析…………………………………………………………………144.4水塔水位控制系统梯形图对应指令………………………………………17总结…………………………………………………………………………………18参考文献…………………………………………………………………………………19致谢…………………………………………………………………………………20平顶山工业职业技术学院-2-插图清单2-1PLC运行方式图……………………………………………………………………32-2PLC扫描周期示意图…………………………………………………………………42-3S7-300PLC的实物图…………………………………………………………………52-4S7-300PLC的模块图…………………………………………………………………52-5EchoPod超声波液位传感器……………………………………………………………62-6水塔水位控制系统方案设计图……………………………………………………………83-1电机主电路图…………………………………………………………………………93-2系统接线图……………………………………………………………………………113-3程序流程图……………………………………………………………………………134-1程序流程图的梯形图…………………………………………………………………15平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)说明书-3-第一章绪论1.1水塔水位控制系统设计的重要性水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,是依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定来满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须对其进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、低成本的设计、高实用价值的控制器。该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,既达到节能的目的,又提高了供水系统的质量。1.2PLC控制理论的发展及应用概况1.2.1PLC控制理论的发展可编程控制器（ProgrammableController）,也称可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），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（也简称为PC）相混淆，通常将可编程控制器简称为PLC[1]。早期的PLC——虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段：可编程逻辑控制器[2]。这时的PLC多少由继电器控制装置的替代物的含义，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。它在硬件上以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC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，能耗低，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。在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。进入八十年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场平顶山工业职业技术学院-4-价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外引进的PLC使用较为普遍是由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。1.2.2PLC控制理论的应用PLC初始时针对工业顺序控制发展而研制的。经过近40年的发展，PLC技术已大大超过其出现时的技术水平，其定位在低成本自动化项目和作为大型DistributedControlSystem（DCS）或FieldbusControlSystem（FCS）系统的I/O站。现在PLC的应用已遍布国民经济的各个领域，并几乎涉及到工业界所有领域的中、大型设备的自动控制中，形成了满足各种需要的PLC应用系统。1.3本文的主要工作在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等[8]。本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测量水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。并对水塔水位系统进行I/O分析和梯形图设计，充实设计内容，方便更清楚的了解设计内容。平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)说明书-5-第二章水塔水位控制系统方案设计2.1PLC的工作原理最初研制生产的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[6]。（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[8]。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[5]。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2-1所示。图2-1PLC运行方式图（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[11]。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)。在第（n-1）个扫描周期第n个扫描周期第（n+1）个扫描周期输出刷新输入采样用户程序执行输出刷新输入采样平顶山工业职业技术学院-6-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