燕山大學(xué)水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)

1、水塔水位PLC自動控制課程設(shè)計電氣工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書 設(shè)計題目： 水塔水位PLC自動控制系統(tǒng) 系 別： 電氣工程及自動化系 年級專業(yè)： 11級應(yīng)用電子 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 郭忠南等 電氣工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 電氣控制與PLC課程設(shè)計 基層教學(xué)單位：電氣工程及自動化系 指導(dǎo)教師： 郭忠南等學(xué)號學(xué)生姓名（專業(yè)）班級11應(yīng)電1 班設(shè)計題目水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)參數(shù)采用PLC構(gòu)成水塔水位電氣控制系統(tǒng)。控制要求查閱相關(guān)文獻(xiàn)。設(shè)計要求1) 根據(jù)控制要求，進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，包括PLC硬件配置電路。2) 根據(jù)控制要求，編制PLC控制程序3) 按

2、要求編寫設(shè)計說明書并繪制A1幅面圖紙一張。參考資料1、PLC電氣控制技術(shù) 漆漢宏主編 機(jī)械工業(yè)出版社 20082、圖書館各類期刊文獻(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)庫3、相關(guān)電氣設(shè)計手冊周次第一周第二周應(yīng)完成內(nèi)容完成全部方案設(shè)計：周一、二：查、閱相關(guān)參考資料周二至周五：方案設(shè)計周六、日：設(shè)計方案完善周一、二：完成設(shè)計說明書周三、四：繪制A1設(shè)計圖紙周五：答辯考核指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計報告前面。電氣工程學(xué)院 教務(wù)科摘 要 隨著科技的發(fā)展，無論在日常生活中，還是在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中，PLC具有廣泛的應(yīng)用。PLC的一般特點(diǎn)：

3、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程簡單方便、使用方便、維護(hù)方便、設(shè)計、施工、調(diào)試周期短、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。PLC總的發(fā)展趨勢是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強(qiáng)。目前，大量的高位生活用水和工作用水逐漸增多。利用人工控制水位會造成供水時有時無的不穩(wěn)定供水情況。后來，使用水位控制裝置使供水狀況有了改變，但常使用浮標(biāo)或機(jī)械水位控制裝置，由于機(jī)械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。因此為更好的保證供水的穩(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的供水控制方法已難以滿足現(xiàn)在的要求。 本課題設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一種采用可編程序控制器為主控制機(jī)的供水控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是一種PLC控制的自動調(diào)節(jié)控

4、制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)水塔供水的基礎(chǔ)上，采用PLC為控制核心、變頻器等器件組成，利用水的導(dǎo)電性連續(xù)地全天候地測量水位的變化，把測量到的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，主控臺對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成相應(yīng)的水位顯示、故障報警信息顯示，同時具備開啟和全部停止功能，能夠?qū)崿F(xiàn)水塔水位的供水，應(yīng)用此控制系統(tǒng)能顯著提高勞動效率，減少勞動強(qiáng)度。 關(guān)鍵詞 水位控制、PLC fx2n 自動控制目錄摘 要 1第一章 緒論31.1概述31.2可編程序控制器(PLC)簡介31.3 PLC工作原理31.4 PLC特點(diǎn)41.5 PLC選擇5第二章 水塔水位系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計62.1水塔水位控系統(tǒng)構(gòu)成及其控制要求62.1.1水塔

5、水位系統(tǒng)控制裝置圖62.1.2 水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備62.2水塔水位系統(tǒng)電機(jī)控制電路的設(shè)計72.3水塔水位系統(tǒng)水位傳感器的選擇82.4水塔水位系統(tǒng)PLC的輸入/輸出分配102.4.1水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表102.4.2水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口接線圖112.5水塔水位系統(tǒng)的元件器件12第三章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計133.1工作過程133.2程序流程圖143.3梯形圖15第四章 總結(jié)16參考文獻(xiàn) 17第一章 緒論1.1 概述在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟(jì)飛

6、速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點(diǎn)。不利于長遠(yuǎn)發(fā)展。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進(jìn)行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶

7、的自動補(bǔ)水控制、自動電熱水器、電開水機(jī)的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。1.2 可編程序控制器(PLC)簡介PLC可編程序控制器：PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控

8、制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。1.3 PLC工作原理PLC的工作方式:采用循環(huán)掃描方式.在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時,從內(nèi)部處理,通信操作,程序輸入,程序執(zhí)行,程序輸出,一直循環(huán)掃描工作。1.4 PLC特點(diǎn)(一) 高可靠性1. 所有的I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離2. 各輸入端均采用R-C 濾波器其濾波時間常數(shù)一般為10-20ms.3. 各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾4. 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源5. 對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選6. 良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況CPU立即采用有效措施以防止故障擴(kuò)大7. 大型PLC 還可以采用由雙C

9、PU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高(二) 豐富的I/O 接口模塊1. PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。2. 有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥。3. 直接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。(三) 采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數(shù)PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)，PLC 的各個部件包括CPU 電源I/O 等均采用模塊化設(shè)

10、計，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。(四) 編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。(五) 安裝簡單維修方便PLC不需要專門的機(jī)房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行，使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC 相應(yīng)的I/O 端相連接即可投入運(yùn)行，各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。1.5 PLC選擇目前PLC的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能

11、模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其I/O點(diǎn)的數(shù)量將 PLC分為三大類：小型機(jī)：256點(diǎn)以下（無模擬量）； 中型機(jī)：256 2048點(diǎn)（64 128路模擬量）； 大型機(jī)：2048點(diǎn)以上（128 512路模擬量）。 本實(shí)驗(yàn)選擇FX2N系列PLC。由于輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)較少，只需選用一般中小型控制器即可。最終選擇FX2N-32MR。擁有16個輸入點(diǎn)與16個輸出點(diǎn),適合本次課題使用。第二章 水塔水位系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計2.1水塔水位控系統(tǒng)構(gòu)成及其控制要求 2.1.1水塔水位系統(tǒng)控制裝置 2.1.2水塔水位系統(tǒng)控制要求：1）保持水池的水位在S3S4之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān)S3，此時S3為ON，電磁閥打開，開始

12、往水池里注水，當(dāng)4S以后，若水池水位仍然沒有超過水池下限液位開關(guān)S3時，則系統(tǒng)發(fā)出警報,水池故障燈點(diǎn)亮；若系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時水池下限液位開關(guān)S3為OFF，表示水位高于下限水位。當(dāng)液面高于上限水位S4時，則S4為ON，電磁閥關(guān)閉。2）保持水塔的水位在S1S2之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S2時，則水塔下限液位開關(guān)S2為ON，則驅(qū)動電機(jī)M開始工作，向水塔供水。當(dāng)4S以后，若水塔水位仍然沒有超過水塔下限液位開關(guān)S2時，則系統(tǒng)發(fā)出警報；當(dāng)S2為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)S1時，則S1為ON，電機(jī)M停止抽水。3)當(dāng)水塔水位低于下限水位時，同時水池水位也低

13、于下限水位時，電機(jī)M不能啟動,水塔出水電磁閥關(guān)閉。2.2 電機(jī)控制電路的設(shè)計給排水工程中常使用三相異步電動機(jī)， 水泵上的電動機(jī)一般都是單向旋轉(zhuǎn)有以下控制。在水塔水位檢測系統(tǒng)中通過水位傳感器檢測實(shí)際水位的高度，當(dāng)水位低于最低水位時向PLC發(fā)出信息啟動電機(jī)，經(jīng)過1分鐘檢測水塔水位是否提高控制水泵的工作，當(dāng)水位達(dá)到最高水位時向PLC發(fā)出信息控制信息停止水泵工作。水塔水位系統(tǒng)控制主電路圖：水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的水位傳感器，將水位值變換為電流信號進(jìn)入PLC，執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動控制。QF:電源總開關(guān)，即可完成主電路的短路保護(hù)，又起到分段三相交流電源的作用，使用和

14、維修方便。FU1-3：熔斷器，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載回路的短路保護(hù)。 KM：電磁接觸器，控制電機(jī)M的啟動與關(guān)閉 。KA1: 電磁接觸器，控制水池進(jìn)水電磁閥的啟動與關(guān)閉。KA1: 電磁接觸器，控制水塔出水電磁閥的啟動與關(guān)閉。FR: 熱敏繼電器 實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。2.3 系統(tǒng)硬件元器件選擇1) PLC的選擇可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同。本系統(tǒng)為單體控制系統(tǒng)，對控制功能無特殊要求，同時本次設(shè)計所需輸入輸出總點(diǎn)數(shù)介于16點(diǎn)與32點(diǎn)之間，因此選用三菱公司生產(chǎn)的的FX2N-32MR-001型PLC，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于

15、小型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，該型號PLC為繼電器輸出型，輸入輸出點(diǎn)數(shù)各為16個點(diǎn)，多余的端子作為備用。2)水泵的選擇選擇水泵的一般原則為1、滿足流量和揚(yáng)程的要求；2、水泵機(jī)組在長期運(yùn)行中，水泵工作點(diǎn)的效率最高；3、按所選的水泵型號和臺數(shù)設(shè)計的水泵站，要求設(shè)備和土建的投資最??；4、便于操作維修，管理費(fèi)用少。而一般的水塔供水系統(tǒng)中水塔高度都在30米以上，所用水泵電機(jī)在向水池抽水時消耗的能量較大，同時因兩水泵互為備用，故綜合考慮后將兩水泵電機(jī)額定功率都選為11KW，型號為Y2-160L-6，其重要參數(shù)有額定電流為24.23A，額定轉(zhuǎn)速為970r/min。水泵揚(yáng)程為40米，流量為35立方米/小時。3）熔斷器的

16、選擇因?yàn)槿蹟嗥魅垠w電流應(yīng)大于等于兩倍的電機(jī)額定電流，因此電動機(jī)供電回路選用熔體電流為50A的熔斷器。4）電子液位位開關(guān)的選擇因?yàn)楸敬卧O(shè)計中水池及水塔中各有3處需要檢測水位信號，因此選用歐姆龍公司生產(chǎn)的61F-GN G型電極式液位開關(guān)，該種類型的液位開關(guān)作為電氣性液位檢測方式，被廣泛用于以大廈、集中住宅的上下水道為主及鋼鐵、食品、化學(xué)、藥品、半導(dǎo)體等各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)水、凈水場、污水處理等的液面控制。一旦電極接觸到液體，通過液體可以閉合電路，根據(jù)流過的電流檢知液位控制的動作原理，是以所謂的導(dǎo)電性液體為控制對象的液位開關(guān)。進(jìn)行檢測時，直接檢測液體的電極間電阻，根據(jù)大于或小于已設(shè)定的電阻值，來判斷有無液

17、面,61F-GN G型電極式液位開關(guān)含有三個電極正好用于本系統(tǒng)水位的檢測，同時其ON電流在4.5mA以下且OFF電流1.5mA以下滿足所選PLC的輸入性能指標(biāo)，故較為合適。5）熱繼電器的選擇因?yàn)殡姍C(jī)額定電流為24.23A，因此選用JR20-25/5T型熱繼電器，整合電流為2125A。6）接觸器的選擇同理，根據(jù)電機(jī)額定電流，并查手冊后選擇G20-25型接觸器。第 11 頁2.4水塔水位系統(tǒng)PLC的輸入/輸出分配2.4.1水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出接口分配表輸入繼電器輸入變量名輸出繼電器輸出變量名X0水池下限液位開關(guān)Y0電機(jī)MX1水池上限液位開關(guān)Y1水池進(jìn)水電磁閥X2水塔下限液位開關(guān)Y2水

18、塔出水電磁閥X3水塔上限液位開關(guān)Y3L1水池下限指示燈X4主控開關(guān)Y4L2水池上限指示燈X5系統(tǒng)停止開關(guān)Y5L3水塔下限指示燈X6電機(jī)熱繼電器Y6L4水塔上限指示燈X7水池電磁閥熱繼電器Y7水塔故障提示燈X10水塔電磁閥熱繼電器Y10水池故障提示燈2.4.2水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入/輸出設(shè)備接線圖這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有9個開關(guān)量，開關(guān)量輸出觸點(diǎn)數(shù)有9個，輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)共有18個，只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此，可以對輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如下：2.5水塔水位系統(tǒng)的元件器件根據(jù)設(shè)計方案選擇電氣元件，編制原理圖的元器件目錄表水塔

19、水位系統(tǒng)元器件目錄表序號文字符號名稱數(shù)量規(guī)格型號備注1M電動機(jī)1立式離心泵LS40-32.1揚(yáng)程30M,3KW三相交流異步電動機(jī)2FR熱繼電器1JB16B-20/3參照電動機(jī)整定電流3FU熔斷器3RL1-15熔體210A4QF斷路器1C45AD脫扣電流10A5TC隔離變壓器1BK-100電壓比1:1 AC220V6SB0主控開關(guān)2LAY37自保持開關(guān)7SQ1-SQ4超聲波液位傳感器4U9ULS10024V DC輸入8L1-6指示燈6AD16-22LED顯示 AC220V9KM1交流接觸器1DJX-9線圈電壓：AC220V10kA1-2中間繼電器2DC24V11YA電磁閥2ZCT-50AAC 2

20、20V13PLC可編程序控制器1FX2N-32MR繼電器輸出第三章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計3.1 工作過程設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的。當(dāng)執(zhí)行程序是，檢測到水池液位低于水池下限位時，水池低水位指示燈L1點(diǎn)亮，電磁閥打開，開始往水池里進(jìn)水，如果進(jìn)水超過4s，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警,水池故障指示燈L6點(diǎn)亮。若4s內(nèi)水池液位按預(yù)定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈L1滅。此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，電機(jī)M開始工作，向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指

21、示燈L2點(diǎn)亮，水池電磁閥關(guān)閉，如果水池水位超過水池上限液位開關(guān)，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警，水池高水位報警指示燈L2點(diǎn)亮，水池故障指示燈L6點(diǎn)亮。水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈L3滅，電機(jī)M繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，如果進(jìn)水超過4s，而水塔液位沒有超過水塔下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，水塔電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)自動報警,水塔下限位指示燈點(diǎn)亮，水塔故障指示燈L5點(diǎn)亮。水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限液位。水塔上限指示燈L4亮，若水塔水位超過水塔上限液位開關(guān)，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警,水塔故障指示燈L5點(diǎn)亮。3.2程序流程圖水塔水位控制系統(tǒng)的

22、PLC控制流程圖，根據(jù)設(shè)計要求控制流程圖如下：3.3梯形圖根據(jù)程序流程圖設(shè)計的梯形圖如下第4章 總結(jié)通過這次課程設(shè)計所謂受益匪淺，使我學(xué)到很多很多的東西，不僅鞏固了以前PLC課上所學(xué)過的知識，同時學(xué)習(xí)了一些老是沒有講的知識，更學(xué)到了很多書本上所沒有學(xué)到過的知識。此次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)踐動手能力和獨(dú)立思考的能力和獨(dú)立思考的能力。同時讓我更熟練的掌握了三菱的PLC軟件的簡單編程方法，對于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在設(shè)計的過程中遇到的問題，可以說是困難重重，電動機(jī)的選擇，I/O端口接線圖的繪制，水塔循環(huán)過程的編程都讓我無從下手，但通過自己的努力，和同學(xué)老師們的幫助，這些問題都得到了解決。讓我認(rèn)識到自己還有很多不足之處需要改進(jìn)，不是每個問題都能自己解決的，只有通過自己努力以及別人的幫助才能把工作做得更好，古人說：三人行必有我?guī)?、思而不學(xué)則殆。所以說學(xué)習(xí)要善于向別人請教，學(xué)思結(jié)合。短暫而又忙碌的PLC課程設(shè)計結(jié)束了，在此向給予我?guī)椭睦媳硎居芍缘母兄x，感謝老師不厭其煩的為我們解答問題，再次向您說一聲您辛苦了！ 在接下來的學(xué)習(xí)生活