電氣控制與PLC課程設(shè)計(水塔水位PLC自動控制系統(tǒng))

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣控制技術(shù)與PLC 課程設(shè)計 設(shè) 計 題 目 水塔水位PLC自動控制系統(tǒng) 指 導(dǎo) 教 師 院（系、部） 電氣與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 日 期 課程設(shè)計成績評定表學(xué)期2014/2015學(xué)年第2學(xué)期姓名專業(yè)電氣工程及其自動化班級課程名稱電氣控制技術(shù)與PLC設(shè)計題目水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)成績評分項目優(yōu)良中及格不及格設(shè)計表現(xiàn)1.設(shè)計態(tài)度非常認(rèn)真認(rèn)真較認(rèn)真一般不認(rèn)真2.設(shè)計紀(jì)律嚴(yán)格遵守遵守基本遵守少量違反嚴(yán)重違反3.獨立工作能力強較強能獨立設(shè)計完成基本獨立設(shè)計完成不能獨立設(shè)計完成4.上交設(shè)計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設(shè)計說明書5.設(shè)計內(nèi)容

2、設(shè)計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案良好，設(shè)計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容完整，結(jié)果正確設(shè)計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案合理，設(shè)計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容較完整，極少量錯誤設(shè)計思路較清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有少量錯誤設(shè)計思路基本清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有些錯誤設(shè)計思路不清晰，結(jié)構(gòu)方案不合理，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)選擇有錯誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容不完整，有明顯錯誤6.設(shè)計書寫、字體、排版規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，排版有問題較多不規(guī)范、不整潔、

3、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻(xiàn)完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標(biāo)準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)較符合標(biāo)準(zhǔn)基本符合標(biāo)準(zhǔn)個別不符合標(biāo)準(zhǔn)完全不符合標(biāo)準(zhǔn)評定說明： 不及格標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計內(nèi)容一項否決制，即5為不及格，整個設(shè)計不及格，其他4項否決；優(yōu)、良、中、及格標(biāo)準(zhǔn)：以設(shè)計內(nèi)容為主體，其他項超過三分之一為評定標(biāo)準(zhǔn)，否則評定為下一等級；如優(yōu)秀評定，設(shè)計內(nèi)容要符合5，其余九項要有4項符合才能評定為優(yōu)，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：電氣控制技術(shù)與PLC課程設(shè)計任務(wù)書姓名題目水塔水位PLC自動控制

4、系統(tǒng)設(shè)計要求1. 設(shè)計系統(tǒng)的總體方案2. 對控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)分析3. 設(shè)計系統(tǒng)的PLC外部接線圖4. 設(shè)計好程序流程圖5. 設(shè)計好系統(tǒng)的梯形圖 設(shè)計的主要內(nèi)容利用PLC設(shè)計控制水塔水位自動運行，系統(tǒng)啟動后，根據(jù)水池水位，控制進(jìn)水閥進(jìn)水，水位超過水池下限位時，下限位指示燈亮，水泵工作，向水塔供水，根據(jù)水池水位，控制水池上限指示燈與水泵開關(guān)。根據(jù)水塔水位控制水塔下限指示燈與水泵開關(guān)，水塔水位超過水塔上限，水塔上限指示燈亮，此時水池液位低于水池上限，水池上限指示燈滅，此次給水塔供水完成。1.水池和水塔均有二個上下限位；2.剛進(jìn)水時，超過3秒水池液位沒超過水池下限位則系統(tǒng)有故障，系統(tǒng)會自動報警并切斷電

5、源；3.水塔抽滿時，由于剛剛給水塔供水時，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，水池液位已經(jīng)低于水池上限。摘 要隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)水平的日益提高，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在繼電器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一種新型的工業(yè)控制裝置可編程控制器。隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)實暴露的一些問題，以便能更快捷更方便的完成一些任務(wù)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水位進(jìn)行測量和控制。水位控制在日常生活中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而水位檢測可以有多種實現(xiàn)方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。 本文采用PLC進(jìn)行主控制，在水箱上安裝一個自動測水位裝置。利用水的導(dǎo)電性連

6、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，主控臺應(yīng)用MCGS組態(tài)軟件對接收到的信號進(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、實時曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適當(dāng)?shù)奈恢藐P(guān)鍵詞：PLC(Programmable Logic Controller)、自動化、水塔水位目錄1概論11.1 可編程序控制器簡介11.2 PLC的工作原理21.3 PLC的特點21.4 PLC的選擇32 水塔水位自動控制系統(tǒng)方案設(shè)計43 水塔水位自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計要求53.2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路63.3 水泵電機的選擇73.4 水位傳感器的選擇73.5

7、PLC I/O接口分配83.6 PLC控制電路原理圖104 水塔水位自動控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計114.1 程序流程圖114.2 梯形圖程序124.3 指令表13總 結(jié)15參考文獻(xiàn)161概論我國的水工業(yè)科技發(fā)展較快，與國際先進(jìn)水平的差距正在不斷縮小，水工業(yè)科技體系已初步形成，擁有一支從事水工業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用研究、產(chǎn)品研制和工程化產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的科技隊伍。但是，在水工業(yè)科技領(lǐng)域普遍存在著實用性差、轉(zhuǎn)化率低的情況。這已成為制約我國水工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。在水工業(yè)科技產(chǎn)業(yè)化大潮到來之際，認(rèn)真分析我國水工業(yè)科技發(fā)展歷程，總結(jié)我國水工業(yè)科技的特點和特長是尋找水工業(yè)產(chǎn)業(yè)化突破口的關(guān)鍵。目前，我國的供水自動化

8、系統(tǒng)發(fā)展已初有成效。供水自動化系統(tǒng)主要包括水廠自動化和供水管網(wǎng)調(diào)度自動化兩個方面。我國供水行業(yè)是推動水科技產(chǎn)業(yè)化的龍頭。給水行業(yè)是城市基礎(chǔ)設(shè)施投資的主要方向之一。在體制上，供水企業(yè)體制的變革已成為市場化發(fā)展的必然；在技術(shù)上，供水行業(yè)則面臨著關(guān)鍵給水裝備國產(chǎn)化、工藝技術(shù)成套設(shè)備化、自動控制現(xiàn)代化的迫切的技術(shù)要求。優(yōu)質(zhì)供水是水工業(yè)市場化發(fā)展的新增長點，同時要倡導(dǎo)節(jié)約用水，提高水的重復(fù)利用率，并逐步建立完善的水工業(yè)學(xué)科體系。完善的水工業(yè)學(xué)科體系是水工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要保證。傳統(tǒng)的給水排水工程學(xué)科體系已難以包還水工業(yè)的豐富內(nèi)涵，已不能很好地適應(yīng)水工業(yè)發(fā)展的需要，而水工業(yè)學(xué)科體系正是在給水排水工程學(xué)科體系

9、發(fā)展而來。由水工業(yè)的社會性所決定，水工業(yè)的學(xué)科體系由多個相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科組成，包括：水質(zhì)與水處理技術(shù)、水工業(yè)工程技術(shù)、水處理基礎(chǔ)科學(xué)、水社會科學(xué)、水工業(yè)設(shè)備制造技術(shù)等，它們共同支撐著水工業(yè)的工業(yè)體系。而在這些學(xué)科中水質(zhì)與水處理技術(shù)和水工業(yè)工程技術(shù)是水工業(yè)學(xué)科體系中的主導(dǎo)學(xué)科。1.1 可編程序控制器簡介可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電器

10、接觸控制系統(tǒng)中觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點充分利用微處理器的優(yōu)點。1.2 PLC的工作原理 PLC的工作方式:采用循環(huán)掃描方式.在PLC處于運行狀態(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.1.3 PLC的特點 (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1020ms.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

11、況CPU立即采用有效措施以防止故障擴大7. 大型PLC 還可以采用由雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性進(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

12、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)計，由機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不需要專門的機房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行，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行，各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障，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)

13、運行。1.4 PLC的選擇 目前PLC的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其I/O點的數(shù)量將 PLC分為三大類：小型機：256點以下（無模擬量）； 中型機：256 2048點（64 128路模擬量）； 大型機：2048點以上（128 512路模擬量）。 本實驗選擇FX2N系列PLC。由于輸入、輸出觸點數(shù)較少，只需選用一般中小型控制器即可。最終選擇FX2N-32M。擁有16個輸入點與16個輸出點。適合本次課題使用。2 水塔水位自動控制系統(tǒng)方案設(shè)計設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，液位指示燈全滅。當(dāng)執(zhí)行程序時，掃描到水池為液位低于水池下限液位時，進(jìn)水閥打開，開始往水池里進(jìn)水，

14、如果進(jìn)水超過3秒，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)就會自動報警并切斷電源。若3秒之后水池液位按預(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亮，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，水泵開始工作，向水塔供水，當(dāng)水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈亮，進(jìn)水閥就關(guān)閉，但是水塔現(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，則水塔下限指示燈亮，水泵繼續(xù)工作，在抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限，水塔上限指示燈亮，但剛剛給水塔供水的時候，水泵已經(jīng)把水池的水抽走了，此時水塔液位已經(jīng)低于水池上限，

15、水池上限指示燈滅。此次給水塔供水完成。當(dāng)水塔水位低于下限水位時，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能啟動。 當(dāng)水塔水位低于下限位時，出水閥不能打開。第3章 水塔水位自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計要求 水塔水位控制裝置如圖2-1所示圖3-1 水塔水位控制裝置水塔水位的工作方式當(dāng)水池液位低于下限液位開關(guān)S4，S4此時為OFF，進(jìn)水閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)3S以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關(guān)時，則系統(tǒng)發(fā)出報警，若系統(tǒng)正常，此時水池下限液位開關(guān)S4為ON,表示水位高于下限水位。當(dāng)水位液面高于上限水位，則S3為ON，進(jìn)水閥關(guān)閉。當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開

16、關(guān)S2為OFF，水泵開始工作，向水塔供水，當(dāng)S2為ON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時，則水塔上限水位開關(guān)S1為ON，水泵停止。當(dāng)水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能啟動。3.2 水塔水位控制系統(tǒng)主電路圖3-2 水泵控制圖 水泵啟動工作：當(dāng)收到PLC的啟動水泵指令后，線圈KM1、KM2中有電流流過，KM1和KM2的主觸點閉合，電機低速啟動（星啟），當(dāng)電機啟動經(jīng)過一段時間后，PLC控制KM3線圈得電，使KM3主觸點閉合;同時控制KM2線圈失電，使KM2主觸點斷開。使電機高速轉(zhuǎn)動（角轉(zhuǎn)）。水泵停止工作：當(dāng)收到PLC的停止水泵指令后，線圈KM1、

17、KM2、KM3中無電流流過，KM、KM2、KM3的主觸點斷開，電機停止工作。FU：熔斷器，當(dāng)通過熔斷器的電流超過一定數(shù)值并經(jīng)過一定的時間后，電流在熔體上產(chǎn)生的熱量使熔體某處熔化而切斷電路，從而保護電路和設(shè)備。熔體的額定電流IfN（1.52.5）IN，IN為電動機額定電流。3.3 水泵電機的選擇由于本次設(shè)計選用的水泵電機功率較大，初始運行時的啟動電流過大，故主電路中采用星-角變換減壓啟動，啟動時電機的繞組接成星形，進(jìn)而限制啟動電流，當(dāng)反映啟動過程結(jié)束的定時器發(fā)出指令再后將電機的繞組改接成三角形聯(lián)結(jié)實現(xiàn)全壓工作。 一般的水塔供水系統(tǒng)中水塔高度都在30米以上，所用水泵電機在向水池抽水時消耗的能量較大

18、，為了保證水泵能可靠、安全、經(jīng)濟地運行，故綜合考慮后將水泵電機額定功率選為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。水泵揚程為40米，流量為35立方米/小時。3.4 水位傳感器的選擇根據(jù)本設(shè)計的要求所選傳感器要求在水面和水底都可以使用，且要考慮到對水質(zhì)的影響，所以選擇超聲波液位傳感器U9ULS系列的 U9ULS10/100系列。U9ULS系列超聲波液位傳感器開關(guān)使用范圍非常廣。具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，另外沒有易損的活動部件，它不會受溫度、壓力、密度和液體類型等參數(shù)的影響。在大多數(shù)情況下，電子設(shè)備放在鑄鋁的，NEMA

19、 4/NEMA 7防爆且防水的殼體中。U9ULS具有以下特點：可應(yīng)用于多種液體中 可承受高達(dá)1000psi的壓力不受氣泡、蒸汽、雜質(zhì)后湍流等因素的影響。長度達(dá)121in(303.3cm)可安裝在側(cè)面、頂部或底部工作原理：U9ULS系列是給予超聲波理論工作的。當(dāng)超聲波在空氣中傳播時，會被嚴(yán)重衰減 相反地，如果在液體中傳播時，超聲波的傳播會被大大增強。電子控制單元發(fā)出一系列的電信號，傳感器將其轉(zhuǎn)化為超聲能量脈沖，并在被探測區(qū)內(nèi)傳播。當(dāng)另一端街道有效信號時，就發(fā)出數(shù)據(jù)有效的信號，表明有液體存在。這個信號輸送到繼電器，從而產(chǎn)生輸出信號。U9ULS100系列產(chǎn)品具有性能優(yōu)異的傳感器探頭，可在溫度為300

20、F和壓力為1000PSI的情況下良好的工作。U9ULS10系列產(chǎn)品為更靠近池底，將頂端的探頭設(shè)計成缺口形狀。控制電路設(shè)計成小型，密封的結(jié)構(gòu)，可安裝在遠(yuǎn)程的控制地點。特點：10A的繼電器輸出115/230V AC，12V DC或24V DC輸入高增益。無需效準(zhǔn)，工作溫度可達(dá)300 長度可達(dá)151.5CM輸 入 部 分名稱PLC接口 注釋SB1X000啟動SB2X005停止SB3X006出水閥開關(guān)SQ1X001水塔上限位SQ2X002水塔下限位SQ3X003水池上限位SQ4X004水池下限位3.5 PLC I/O接口分配輸出部分輸出部分輸 出 部 分名稱PLC接口注釋KM1Y001水泵M KM2Y

21、015星啟（低速）KM3Y016角轉(zhuǎn)（高速）KM4Y002進(jìn)水閥YKM5Y003出水閥QYL1Y004水泵故障指示燈YL2Y005進(jìn)水閥故障指示燈YL3Y006正常工作指示燈FMY007蜂鳴器S1Y011水塔上限位燈S2Y012水塔下限位燈S3Y013水池上限位燈S4Y014水池下限位燈HL1Y001水泵M工作指示燈HL2Y002進(jìn)水閥指示燈HL3Y003出水閥指示燈3.6 PLC控制電路原理圖根據(jù)設(shè)計要求，PLC控制電路原理圖如圖3-3所示圖3-3水塔水位自動控制系統(tǒng)PLC控制電路原理圖4 水塔水位自動控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計4.1 程序流程圖 水塔水位自動控制系統(tǒng)的PLC控制流程圖，根據(jù)設(shè)計要求，控制流程圖，如圖4-1所示：圖4-1 PLC控制流程圖4.2 梯形圖程序根據(jù)控制要求，設(shè)計的梯形圖程序如圖4-2所示。圖4-2 梯形圖程序4.3 指令表總 結(jié)我做的這個題目是有關(guān)與PLC系統(tǒng)理論與實踐相結(jié)合的設(shè)計。在對這個設(shè)計的材料的搜索進(jìn)行獨立搜索時，對于辦公軟件的應(yīng)用有了進(jìn)一步的提高。同時在對搜集的材料進(jìn)行整核，結(jié)合所學(xué)理論知識，