基于三菱PLC的高层楼宇水箱水位控制系统的设计.docx

1、摘要随着新时代的不断进步, 人们生活以及工业生产等诸多领域涉及到水位的控制问题，比如居民生活用水的供应，食品加工，饮料生产流水线，溶液加工，化学加工，等多种行业加工过程,通常需要使用水箱和蓄水池进行补水，水箱和蓄水池的水位也需要维持合适的高度， 既不能太满溢出来造成浪费，也不能过少无法满足需求。为了解决因为人工的原因造成的水位控制精度比较低，控制的速度很慢，控制的灵敏度效率低的种种问题，可以在自动化控制的工业生产过程中添加可编程控制器来进行水位控制，随着 PLC 技术的不断发展，PLC 水位控制系统日益精确化和自动化，操作人员可以结合实际需求，调整相关参数，进而提高控制系统效率和减小误差， 能

2、让我们的生产变得更便捷，更安全，更智能，此次系统是一个基于PLC 的高层楼宇的水箱水位控制系统，能够实现自控控制水位不足、水位满了的自动加水系统，对于水位故障能自动报警的控制系统，因此，研究 PLC 的水位控制系统可以基于未来更加高效和智能。关键词：高层楼宇水箱，液位，PLCAbstractAlong with the advance of the new era, peoples life and industrial production involves water level control problem, andmany other areas, such as living wa

3、ter supply, food processing, beverage production line, the solution processing, chemical processing, such as a variety of industry process, often need to use the filling water tank and tank, water tank and reservoir water level also needs to maintain the appropriate height, neither too overflow to w

4、asteful, also cannot too little cant meet the demand.In order to solve because human causes of water level control accuracy is lower, the control speed is slow, the problems of low efficiency of the sensitivity of control, can be added in the industrial process automation control programmable contro

5、ller to control the water level, with the continuous development of PLC technology, PLC, water level control system is becoming more and more accurate and automation, the operator can be combined with the actual demand, adjust the relevant parameters, to improve efficiency and reduce the error of co

6、ntrol system, can make our production more convenient, safer, more intelligent, the system is a water tank water level control system based on PLC of high- rise buildings, It can realize the automatic water filling system that can automatically control the insufficient and full water level and the c

7、ontrol system that can automatically alarm the water level failure. Therefore, the research on PLC water level control system can be more efficient andintelligent based on the future.Keywords:Tall building wate1绪论1.1 课题研究意义众人周知，水在我们人类生活中是必不可少的物质，在当今时代下，节约用水已经是时代的特征，目前世界上有很多国家的水资源十分短缺，一旦断了水资源，轻则会给我们正

8、常生活带来很多不便，重则会给一些企业带来严重的影响， 长期以来，在工业供水，高层建筑供水，还有小区供水等方面技术都有一点落后， 其中包含自动化的程度较低。在我国随着社会的发展，在我国其实很早就已经实现了自动控制操作。而且在我国水位的控制系统也在各个生产领域使用的登峰造极，特别是在楼宇水箱液位的控制，还有就是水箱和蓄水池的水位控制。并且，还在黄河，三峡等治水中也用着充分的利用。通过水位控制系统能精准并且快速的检测到黄河和三峡的水位的高低，并且迅速的警告操作人员完成相应的操作，以免水位过高而带来钱财损失和未知危险。所以需要解决这些包括由于人工控制所带来的控制精度不准确，控制的灵敏度不高，还有控制的

9、速度非常慢等一系列难以突破的问题，对此我们国家就引入了工业生产中的自动化控制，并且在工业生产自动化众多控制中，一个最重中之重的参数就是水位的自动化控制，系统的水位的精准度和稳定度，直接影响和决定了楼层居民正常用水的安全保障，水源的有力利用，生产效率的有效提高， 还有能源的也拥有合理的使用等许多类似的问题，因此水位的高度是工业生产过程中最重要的一个参数，尤其是在动态的条件下，使用合理的情况下对水位进行控制，测量都能收到很好的使用效果。1.2 水位控制的发展和趋势在本世纪 50 年代左右，工业生产的控制中大多还是人工进行操作的方式， 当时主要还是依靠工人之间的经验来控制工业生产的过程，人们通一个固

10、定的水位开关来控制水位，当水位达到一定高度是，工人们自动闭合或断开以控制水位。所以当时的生产效率和质量其实都是非常低。在 50 年代之后，工业的生产控制发展开始变得很快，特别是早期，过程控制技术发展突然变得很急速，观察过程控制的发展历史，水位控制大致经历的以下几个阶段的变化。60 年代前后，水位控制开始得到了发展，首先一些大型工厂的企业开始使用仪表化，和局部自动化来测量水位的高低，这是水位自动化发展的第一阶段，这个阶段的最主要特点就是：用于测量和检测水位的仪表普遍都是基地式仪表，由于结构简单，不需要变送器，使用维护方便、防爆。由于安装在现场，因而测量和输出的管线很短。基地式仪表减少了气动仪表传

11、送带滞后的缺点，而后使用是组合仪表，他们的控制结构大多都是单一的输出和输入系统；控制的对象主要是水位，水压力，温度，而且控制的主要目的就是保证这些参数有效的稳点。70 年代左右，由于工业控制开始了迅速发展，水位控制开始了第二阶段，主要是在仪表的使用方面，更替很多组合式仪表并且开始大量采用单元组合的仪表，它能更稳点的测量出水位的高度参数，满足了当时灵活和多功能等多种要求。80 年代以后，微型计算机的开发与应用，使用微型计算机可以进行仪表和硬件的开发，使得工业生产开始进入自动化的发展。可以使用一台或多台微型计算机对工厂的水位高度进行集中控制，生产效率得到了有效的提高，这是水位发展的第三阶段。如今，

12、由于工业控制的要求愈来愈高，以前的一些自动化控制已经不能够满足现在的要求，所以需要用新型技术来弥补这个漏洞，正因如此我国开始引用可编程控制器，借助可编程控制器的优点，使得水位控制更加精准，有效，并且高效。现在我国还有很著名的 PLC 生产的企业，可见水位控制的研究在我国将还还会有加辽阔无比的天地。1.3 本论文章节安排本课题主要研究了基于 PLC 的高层楼宇水箱水位控制系统。对水位控制的要求是多方面的，最后可以总结为三项条件：精准性，稳定性还有安全性。精准性主要在于水位的管控，不能过多产生浪费，也不能过少达不到所需要的要求，稳定性主要在于控制系统的稳定，安全性是在整个控制过程中，确保人身和设备

13、的安全的，需要有警报系统进行提示，这也是最重要的条件。我们通过与 PLC 相结合，可以模拟出水位控制的工作原理和方法，对于认识控制系统有较好的意义和指导作用。本次设计分为以下五章来具体说明。一、绪论。介绍了水位控制系统研究的意义。二、可编程逻辑控制器（PLC）的基本组成及应用。主要介绍PLC 的优点还有模块。三、水位控制系统的硬件设计。本章节主要介绍水位控制系统所需要的硬件，还有选择一下 PLC 的型号以及 PLC 模块的选择，章节的最后完成 I/0 分配表还有系统的外部接线图。四、水位控制系统的软件设计。本章节主要是说明控制系统的逻辑关系并在此之上根据控制要求设计出完整且周密的梯形图也是本次

14、设计的核心。五、水位控制系统的仿真调试，主要是根据编写好的梯形图进行仿真调试， 实现系统的设计需求。六、结束语。说说本次设计的对我个人的提升，还有一些不足。2系统方案的设计2.1 系统设计要求设计一种基于 PLC 的高层楼层水箱水位自动控制系统，当水位低于预设值数值时，水箱会自动加水并发出警报，当蓄水池的水位达到水位预设值时，水箱停止加水并停止警报。此次系统设计的是一个水箱水位自动控制系统，结构是双水箱控制，分为上水箱和下水箱，双水箱，其中液位变送器检测当前的液位，液位变送器把采集到的数值传递到 A/D 模块，然后 A/D 模块再反馈数值给 PLC，PLC 根据捕捉到的数值进行判断比较，以此来

15、调节水箱液位的供水速度。系统有进水阀门控制进水，出水阀门控制出水，水箱的水位由供水泵进行供水控制，供水泵由变频器调节速度，调节模式为 D/A 频率调节，变频器速度调节为 0-10V 电压输出，根据上水箱的液位采集情况进行自动调节。系统具有两个工作模式，1 是自动工作模式，2 是手动工作模式，当处在手动工作模式时，那么系统进行手动调试操作，可以点动控制供水泵，进水阀， 出水阀，当系统处在自动模式时，则按照设计好的程序逻辑自动控制。系统在运行时，有对应的指示灯接通，表示系统当前处在的状态。系统具有报警监控模式，对系统水箱的液位进行实时参数采集，超出最低限位，最高限位，那么会进行报警控制，系统对供水

16、泵电机也进行状态采集，如果电机故障，那么系统进行报警并且停机处理。2.2 系统结构示意图图 2.1 液位控制系统结构示意图如上图 2.1 所示为此次液位控制系统的结构示意图，系统主要是由变频器， 水泵电机，上水箱，下水箱，调节阀，液位传感器组成，控制器采集当前的液位数据，根据液位的变化和当前设定的液位数值进行判断比较，以此来驱动变频器， 再由变频器控制水泵电机，从而实现液位的稳定控制。2.3 系统控制器的选择2.3.1 单片机控制器的选择设计一个合适的、便捷的控制系统涉及到多方面的知识。衡量一个控制系统是否合适，不仅要看控制功能是否能够实现，还要同时兼顾系统运行的可靠性， 采用元器件是否便宜耐

17、用，安装是否方便，故障维修是否方便等方面。因此同时满足上述这些条件的方案才是最合理的方案，单片机控制系统在需要领域中都有应用，其是一个微机系统，单片机处理器芯片都比较小，在制造业中也有广泛的应用，比如在家用电器热水器，空调设备，洗衣机设备，电冰箱设备等小型电气设备中都有应用到，由于单片机控制系统体积小，占用面积小，因此在家电领域中具有很高的地位，单片机在交流电机系统中，系统的特点还是较为明显的，比如单片机处理芯片的体积小，芯片价格便宜，这样就可以使得电机系统的安装位置有很大的空间，并且可以降低很大的成本设计费用，然后单片机控制系统在温度，压力，流量，重量等流体控制过程中具有很大的优势，因为单片

18、机系统本身就具有很多模拟量输入口，无需扩展。2.3.2 PLC 控制器的选择PLC 控制系统专门应用于工业自动化行业里面，PLC 可编程控制器，是一个专门用于自动化控制的控制器，PLC 的结构是由输入输出端口，通讯端口，硬件存储器，硬件 CPU 等部分组成，在 PLC 运行的时候，其内部的 CPU 是通过持续扫描的运行方式来进行程序的控制，输入端口把外部硬件采集的信号传递到PLC 中，比如按钮信号，传感器信号，通讯信号等，然后 PLC 通过编程好的逻辑程序对输出端口进行驱动，这样的动作持续运行，PLC 控制系统是在继电器控制系统的理论上得以开发出来的，因此控制模式在一些地方和继电器控制系统很相

19、似。2.3.3 继电器控制器的选择继电器控制系统是一个由众多低压电器元件组合而成的系统，其控制方式依赖电路的连接，是通过众多电气连线的方式来实现机械的动作的，这种单一的控制风格也导致了继电器系统的控制方式简单，许多系统，比如单片机系统，PLC 控制系统都是在继电器系统上进行研发得出的，继电器控制系统是电气系统里面应用最早的控制系统，一开始主要用于电机设备的控制，后来电气发展越来越快， 越来越多的电气硬件需要控制，因此越来越多的电气设备通过电气接线的方式进行连接，这样继电器系统应用越来越熟练且广泛，不过继电器系统在自动化控制方面有很大的缺陷，比如无法对数据进行可视化，无法对数据进行修改等。2.3

20、.4 控制器方案的确认继电器控制系统这种方法具有较多的弊端，因为继电器系统是通过庞大的低压硬件使用电气连接的方法从而实现的，这样在复杂的系统中会出现电路接线众多的困扰现象，因为该现象会导致故障发生率较高，系统出现问题后检修排查麻烦，同时继电器控制系统不具备模拟量编程的缘故导致电机传动系统方案并不可靠，且继电器控制系统无法实现系统的实时参数监控。单片机控制系统在流体控制上应用出色，且单片机控制系统体积小，使 用成本综合起来较低，但是单片机控制系统在大功率输送电机控制系统上不常见， 主要原因是控制系统抗干扰能力弱，且更改系统逻辑麻烦，因为单片机控制系统 是需要通过焊接电路，烧录程序到电路板的方式进

21、行的，电机系统的输入输出端 口被电路焊接完毕后如果出现更改或者升级系统时将会显得很麻烦，只能分解电 路图进行二次接线。采用 PLC 来对高层楼宇水箱液位系统进行控制，这类方法依靠程序运行，精确度较高，具有广泛的应用。同时，在控制系统内部分别具有一个辅助的起保持作用的继电器。作为系统内的存储单元而单独存在。其使用次数是没有任何限制的。因此与前两类控制方法相比具有较为明显的优势，可靠性更强。因此， PLC 控制是当前电气控制技术中心较为实用，应用度较高，且可靠性最强的一类控制方式，具有明显的优势，可以广泛应用在生产线控制领域的改造和革新方面。因此本次控制系统 PLC 控制方法来进行。3PLC 控制

22、系统的概述3.1 PLC 的概述PLC 别称也叫可编控制器，它则是以非常多细小的微处理作为核心基础，运用到了许多计算机的信号输入、自动控制原理技术和轨道通信技术进行建设的一种自动控制设备。那么其具备许多别的控制器所不具有的优点，首先，它就有强大的安全性与可靠性，安全系数高，发生故障频率低，并且它的体积仅仅是继电器的小部分，正是因为它小而精悍的体积在发生故障时维修也十分简单，利于人们迅速排除故障所在并再次投入使用，优势更加明显的地方在于它能迅速的适应环境恶劣性。如今，PLC 已经广泛应用于国内外的石油、电力、钢铁、化工建材、机械零件制造、轻纺、交通道路、环境保护及娱乐等各个行业。3.2 PLC

23、的组成PLC 的构成并不复杂，其主要是由外部信号单元，处理单元，输出单元等三大部分组成，其中外部处理信号单元主要是对一些变量参数进行采集，比如按钮信号的采集，传感器信号的采集等，这样 PLC 就知道当前运行的内容，运行的位置，可以通过这些外部信号来捕捉到当前需要的信息，处理单元包括存储器和CPU 等部分，存储器用于存储众多复杂的数据以及系统参数，CPU 则是 PLC 的控制核心，输出单元则是 PLC 在程序中对输出接口进行驱动的单元，PLC 得到信号后对输出接口刷新，此时输出接口得到对应的电信号则驱动复杂，下图 3-1 为 PLC 控制系统的组装框架示意图。图 3.1PLC 的结构图3.3 P

24、LC 的工作原理PLC 是一款专门用在自动化控制系统的控制器，PLC 控制设备的逻辑和 PC类似，此章节主要是对 PLC 的运行原理进行概述。PLC 是由用户编写程序后根据采集到的外部信号，然后通过信号来触发程序从而完成外部负载的驱动，在触发的环节里面，PLC 会对内部编写的程序进行持续性扫描，该扫描阶段称之为周期性扫描过程，主要就是 PLC 对内部编程程序进行持续性的扫描检测，这样可以避免采集不到数据从而不触发程序运行的错误情况发生，PLC 在执行程序驱动负载的过程中主要是由以下几大阶段完成：（1） PLC 外部信号采集阶段在 PLC 的工作过程中，PLC 内部会持续刷新外部采集信号的端子，

25、以此来捕捉到输入信息，一些传感器的输入，按钮的输入，外部通信变量的输入均有输入端子采集，PLC 采集到输入端子的数据变化后，从而根据不同的输入信号来触发程序的控制。（2） PLC 程序执行阶段PLC 的程序由用户提前编写好，然后由用户通过串口或者其他端口把程序下载到 PLC 硬件中，PLC 在硬件中的程序被持续性周期扫描，如果程序编写有错，那么系统会进行故障报错，PLC 基本单元上的错误故障灯 ERR 会进行闪烁报警，如果程序扫描无错后，在程序里面开始被执行，执行的过程分顺序控制， 执行规则为梯形图是由上到下进行工作的，如果遇到特殊指令，比如 CJ 跳转指令，那么可以无视该规则，同时程序也是由

26、左到右进行执行的。（3） 程序输出刷新端口阶段程序输出刷新阶段是 PLC 内部工作里面的最后一个阶段，该阶段主要是由外部采集信号传递到 PLC 后，PLC 控制对应的触点导通程序，程序开始对输出口进行刷新，刷新的输出口由 0 变为 1，此时输出端口被用户的程序驱动， 那么对应的输出端口负载则会得到信号，从而导通，也就是负载被激活开始输出运行，当输出口断开时，那么输出口信号断开，外部负载失去动力，负载停止运行。图 3.2PLC 的工作原理图如上图 3.2 所示，外部信号传递到 PLC 输入映像寄存器中，然后信号传递到中央处理单元CPU 进行计算，然后由 PLC 内部程序通过输出映像寄存器从而刷新

27、输出端口，这样以此来控制外部负载。3.4 PLC 的选型市面上有很多不同类型的 PLC，有西门子的，有三菱的，有欧姆龙的，有松下的，有台达系列的等等，不同系列的 PLC 指令不同，且在不同控制场合中各有优点。在此，我们选择三菱的 PLC，首先三菱是日系品牌，编写程序来说比较简单， 通俗易懂，写起来会比较的轻松。其PLC 各种功能齐备，有PLC 的运算操作、系统控制、PLC 的通信交互、PLC 系统程序设计、系统的自我诊断、PLC 系统处理速度等各个方面。三菱系列的 PLC 在定位控制的场合特别突出，所谓运动控制就是针对伺服电机，步进电机，交流电机等电机进行逻辑或者顺序控制技术，同时三菱 PLC

28、 在参数检测系统也具有很大的优势，三菱 PLC 有专用的模拟量采集模块，模块通过电缆接在 PLC 的右侧，由对应的通讯指令直接读取模块的信息，模块信息传递到 PLC 进行捕捉，因此三菱 PLC 在参数检测的过程也很受用户欢迎，同时三菱 PLC 里面又有很多分支，可以分为 FX 系列，Q 系列,L 系列等 PLC，其中FX 系列为小型领域里面控制的 PLC，Q 和 L 系列为中大型领域控制 PLC。本次高层楼宇水箱水位控制系统应用的领域为小型控制领域，属于指示灯逻辑控制，在校学习的是日本三菱FX 系列PLC，此次系统又是动作逻辑控制，那么选择 FX 系列的 PLC 作为此次系统的控制器。根据控制

29、系统需求，设计输入输出不超过 32 个 IO，因此选择了 FX2N- 32MR，FX2N-32MR PLC 满足此次的设计，多余的端口用于后期功能扩展使用。图 3.3PLC 实物示意图3.5 PLC 模块的选型由于 FX2N-32MR 基本单元不具备模拟量检测功能，但是高层楼宇水箱液位控制系统需要检测水箱的液位参数，因此需要额外扩展模拟量模块，经过查阅资料得知三菱 PLC 的 FX0N-3a 模块具有 2 路模拟输入功能和 1 路模拟量输出采集功能，FX2N-2AD 具有 2 路模拟量输入功能，FX2N-4AD 具有 4 路模拟量输入功能，此次系统设计只需要 1 路上水箱液位参数，因此只需要扩

30、展 1 路模拟量采集，因此选择 FX2N-2AD 模块，模块实物示意图如下图 3.4 所示。图 3.4PLC 模块实物示意图4 系统硬件的设计4.1 变频器的选型变频器是一个频率交换器，它可以改变电机的频率。变频器也有很多品牌，比如三菱、西门子、安川等等。变频器按照变换频率可以分为交-直-交变频器、交-交变频器。而在本次设计中我们主要用的是按交换频率工作的变频器，因此我们选择交-直-交变频器，根据查阅资料最终选择了西门子系列的变频器。西门子变频器主打 MM4 系列，有 MM420 变频器、MM430 变频器、MM440 变频器等，而他们的功能及其原理都差不多，主要在于全不全面， MM420 变

31、频器主要用于印刷东西以及包装一些商品等。MM430 变频器主要用于水泵抽水以及风机排气，MM440 变频器是中性能并且功率最全的产品，它适合用于各种变速驱动装置，能满足大部分工业上的需求，因此我们选择了在功能上比较全面的 MM440 变频器，如图 4.1 所示。图 4.1 变频器示意图4.2 调节阀的选型调节阀又叫做控制阀，简单来讲就是控制阀门，按照所用的能源不同可以分为电动调节阀、气动调节阀、液动调节阀。在选择调节阀时我们要考虑几个因素，比如调节阀的结构形式、调节阀的口径、调节阀的开闭形式以及调节阀的流量特性。在本设计中我们的变量是变频器，所以在调节阀上有很多的选择方向，可以选择电动调节阀，也可以选择手动的调节阀，为了让液位监控系统更具有自动化性，还是选择了电动调节阀，电动调节阀由执行机构和调节阀组成。电动调节阀牌子国外的有罗托克、欧码、西门子、西博思等等，国内的有奥脱克、贝斯特、瑞机、首航等等。这里我们选择了首航电动调节阀，如图 4.2 所示，其型号为 Q941F-16C 智能调节型，工作电压为 220V，它能够接受控制系统输出的模拟量的控制信号，其特点是稳定性高、耐腐蚀、寿命长。图 4