基于plc的水塔水位自动控制设计

目录摘要.................................................................I第1章绪论..........................................................11.1选题的背景与意义..............................................11.2可编程逻辑控制器简述..........................................1第2章系统总体设计.................................................22.1水塔水位控制系统设计..........................................22.2水塔水位控制系统基本工作原理..................................32.3水塔水位控制系统主电路设计....................................4第3章系统硬件设计..................................................53.1硬件选型......................................................53.1.1PLC的选择...............................................53.1.2水泵的选择...............................................63.1.3液位开关的选择...........................................63.1.4电气保护器件选择.........................................73.2I/O口的分配及PLC外围接线....................................8第4章软件设计.....................................................12第5章仿真.........................................................14结论................................................................18参考文献............................................................19附录................................................................20I摘要目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。因此，不少单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成不便。利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。本文采用的是三菱FXZN型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，来控制水泵电机的动作，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动。关键词：水位自动控制、三菱FX2N、传感器1第1章绪论1.1选题的背景与意义在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。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。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。1.2可编程逻辑控制器简述可编程控制器（为了与个人计算机(personalcomputer)区别，一般将可编程控制器称为逻辑控制器(ProgrammableLogicController)）是集微处理器、储存器、输入/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、通行能力上的飞速发展，大大加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。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。具有可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长等特点。2第2章系统总体设计2.1水塔水位控制系统设计整个系统由水位检测系统，一台PLC和水泵以及若干部件组成，如图2-1所示。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。PLC水塔水位检测系统水泵与电磁阀及指示灯水塔、水箱图2-1基于PLC的供水系统原理框图在水塔水位检测系统中通过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。32.2水塔水位控制系统基本工作原理E-1E-4V-1电磁阀水泵水池S1S2S4S5S6水塔用户S3图2-2水塔水位控制装置图1）水塔供水系统的一般装置如图2-2所示，应当保持水池的水位在S2~S3之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为OFF，控制电磁阀打开，开始往水池里注水，当10S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S3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S3为ON，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,同时检测水池液面是否会超过超上S1处，若超过，则水池水将溢出，S1液位开关为ON,向PLC发出信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。2）保持水塔的水位在S5~S6之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S6时，则水塔下限液位开关S6为OFF，则驱动电机M开始工作，向水塔供水，电机启动10秒后，若S6仍旧为OFF，则发出水塔下限无水报警。当S3为ON时，表示水塔水位高于水塔下限水位水泵继续抽水给水塔。当水塔液面高于水塔上限水位开关S5时，则S5为ON，水泵停止抽水，同时检测水塔液面是否会超过超上S4处，若超过，则水塔水将溢出，S4液位开关为ON,向PLC发出信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。3）当水池水位也低于下限水位时，水塔水位是否低于下限，电机M都不能启动。42.3水塔水位控制系统主电路设计M~M~QFFU1FU2KM1KM2KM4KM6FR1FR2KM3KM5UVWN图2-3水塔水位控制系统主电路1）本次设计使用了两个水泵，通过程序控制当水塔下限无水且水池下限有水时同时启动将水池中的水抽向水塔，并通过定时在两水泵同时运行一段时间后停止其中一个水泵，通过这种工作方式可以在较大地减少用户缺水的情况，提高了供水的可靠性及效率，同时停止的水泵作为继续工作水泵的暗备用，在另一水泵出现故障之后，通过PLC程序实现手动切换，这样既保证供水系统有备用水泵,又有效地防止因为备用电机长期不用发生锈堵转现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用，整个供水系统性能得到极大提高。2）本次设计选用的水泵额定功率大，初始运行时的起动电流较大，故在主电路中设置Y—Δ减压起动，以防止起动时过电流，通过软件自动实现电路切换。此外在水泵电机供电回路中通过热继电器及熔断器设置必要的热继电保护及过电流保护，保护电机的同时减小电机故障的影响范围。5第3章系统硬件设计3.1硬件选型本系统用到的部件：核心器件plc，水泵，液位检测开关及电气保护器件。3.1.1PLC的选择可编程控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同，基本组成如图3-1所示。图3-1Plc结构示意图本系统为单体控制系统，对控制功能无特殊要求，同时本次设计所需输入输出总点数介于32点与48点之间，因此选用三菱公司生产的FX2N-48MR-001型PLC，其具有结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统的特点，该型号PLC为继电器输出型，输入输出点数各24个点，多余端子作为备用。63.1.2水泵的选择选择水泵的一般原则为：1、满足流量和扬程的要求；2、水泵机组在长期运行中，水泵工作点的效率最高；3、按所选的水泵型号和台数设计的水泵站，要求设备和土建的投资最小；4、便于操作维修，管理费用少。而一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，同时因两水泵互为备用，故综合考虑后将两水泵电机额定功率都选为11KW，型号为Y2-160L-6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。技术参数如表3-1：表3-1Y2-160L-6型号水泵技术参数品牌/型号：WTL/Y2-160L-6额定电压：220-400（V）额定功率：11KW型号：Y2-160L-6级数：6级产品类型：三相异步电动机品牌：微特利WTL额定转速：1000（rpm）r/min应用范围：农业机械，水塔机械等3.1.3液位开关的选择因为本次设计中水池及水塔中各有3处需要检测水位信号，因此选用欧姆龙公司生产的61F-GN-G型电极式液位开关。一旦电极接触到液体，通过液体可以闭合电路，根据流过的电流检测可知液位控制的动作原理，是以所谓的导电性液体为控制对象的液位开关。进行检测时，直接检测液体的电极间电阻，根据大于或小于已设定的电阻值，来判断有无液面,61F-GN-G型电极式液位开关含有三个电极正好用于本系统水位的检测，同时其ON电流在4.5mA以下且OFF电流1.5mA以下满足所选PLC的输入性能指标，故较为合适。61F-GN-G型电极式液位开关（紧凑式嵌入型）节省空间，设计维护简单，高49.4mm×宽38mm×厚84mm，带有LED动作显示，工作状态一目了然。61F-GN-G型电极式液位开关的技术参数如下：7表3-2欧姆龙61F-GN型开关技术参数表控制对象一般的净水，污水使用环境温度/湿度-10-+55℃45-85%RH额定电压AC100/200V、50/60HZ级间电压AC8V允许电压范围额定电压的85%-