基于plc控制系统的水塔水位控制.docx
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基于plc控制系统的水塔水位控制
工业职业技术学院
2010—2011学年
第一学期
毕业设计
课题名称：
基于PLC控制系统的水塔水位设计
设计时间：
2010.09.21～2011.01.10
系部：
电子信息工程系
班级：
0802电气技术
姓名：
周杰
指导教师：
建荣讲师
总目录
第一部分任务书
第二部分开题报告
第三部分毕业设计正文
第一部分
任
务
书
工业职业技术学院
毕业设计任务书
系部
电子信息工程系
指导教师
建荣
职称
讲师
学生
周杰
班级
0802电气技术
学号
0805060247
设计题目
基于PLC控制系统的水塔水位设计
设计
容
目标
和
要求
一、毕业设计容和目标：
1、应用S7-300PLC控制水塔水位系统的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。
通过控制S7－300PLC的定时继电器的功能来实现水塔水位控制的运行。
2、本次毕业设计目标：
（1）通过对工程实例的模拟，熟练地掌握PLC的编程和程序调试方法；
（2）进一步熟悉PLC的I/O连接；
（3）熟悉水塔水位等类似逻辑的工程实际的编程方法。
二、毕业设计论文要求：
1、提出选题的初步设想和研究目的；
2、完成输入和输出分析；
3、完成本毕业设计硬件组态和I/0分配表；
4、完成本毕业设计梯形图控制程序设计；
5、完成程序调试；
6、完成WinCC画面调试；
7、根据本毕业设计的设计、编程、工作过程，形成符合学校规定的毕业设计书面文档。
教研室
审核
系部
审核
第二部分
开
题
报
告
工业职业技术学院电子信息工程系11届
毕业设计（论文）开题报告书（表1）
学生
周杰
专业
电气自动化
班级
0802电气技术
学号
0805060247
题目
基于PLC水塔水位控制系统的设计
指导教师
建荣
职称
讲师
学位
学士
题目类别
□工程设计□基础研究□应用研究□其它
[课题的容与要求]
本次毕业设计容是应用S7-300PLC控制水塔水位系统的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。
通过控制S7－300PLC的定时继电器的功能来实现水塔水位的升降。
要求：
（1）水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。
当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，电磁阀打开，开始往水池离境税，如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。
若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1灭，此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵开始工作，向水塔供水。
（2）当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A2灭，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A3灭，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A4灭，但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A2亮。
此次给水塔供水完成。
[前言]
随着科技的飞速发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。
PLC的一般特点：
抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。
PLC总的发展趋势是：
高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。
[方案的比较与评价]
PLC的应用大减少了操作工人的劳动强度，节省了劳动时间和劳动力。
同时，PLC方便了工厂管理和工人的操作，提高了经济效益。
采用PLC控制系统以后，提高了自动控制的可靠性。
当PLC存在故障时，会自动报警并显示故障原因，安全性能较好，便于维修。
[预期的效果与指标]
通过STEP7仿真软件调试，实现所有的控制任务。
能建立WINCC画面模拟监控，可以看到水位调控的的过程，达到任务的要求。
指标：
系统经过调试后，能稳定正常工作，在故障状态能发出报警。
通过Wincc画面，能控制、监控系统工作全过程，系统报警在Wincc画面能准确与时反应。
[进度安排]
2010年9月21日-2010年9月30日选题、调研、收集资料
2010年10月8日-2010年10月15日论证、开题
2010年10月16日-2010年11月30日设计（写作初稿）
2010年12月1日-2011年1月10日修改、定稿、打印
[参考文献]
[1]胡学林.《可编程控制器原理与应用》..电子工业，2007.
[2]胡学林.《可编程控制器教程（提高篇）》..电子工业，2005.
[3]汪志峰.《可编程控制器原理与应用》..电子科技大学，2004.
[4]廖常初.《S7-300/400PLC应用技术》..机械工业，2005.
[指导教师意见]（有针对性地说明选题意义与工作安排是否恰当等）
□同意提交开题论证□修改后提交□不同意提交（请说明理由）
指导教师签章：
年月日
[系部意见]
□同意指导教师意见□不同意指导教师意见（请说明理由）□其它（请说明）
系（部）主任签章：
年月日
第三部分
毕
业
设
计
正
文
基于PLC控制系统控制的水塔水位
周杰
0802电气技术
[摘要]随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。
PLC的一般特点：
抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。
PLC总的发展趋势是：
高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。
本水塔水位控制系统采用PLC为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种PLC控制的自动调节控制系统。
应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。
[关键词]高集成度通信组网水塔水位PLC
BasedonPLCcontrolsystemcontroltowerswaterlevel
ZhouJie
0802electricaltechnology
Abstract：
Withtechnologicaldevelopment,bothindailylife,ortheindustrialandagriculturaldevelopment,plchavewideapplication.PLCgeneralfeatures:
stronganti-jammingcapability,highreliability,programmingissimpleandconvenient,easyoperationandmaintenanceconvenience,design,construction,commissioningperiodisshort,easytorealizetheelectromechanicalintegration.PLCgeneraldevelopmenttrendis:
highfunction,highspeed,highlevelofintegration,largecapacity,smallvolume,lowcost,communicationnetworkingcapabilityisstrong.ThiswatertowerwaterlevelcontrolsystemadoptsPLCascontrolcore,withopenandfullstopfunctions，thisisakindofPLCautomaticadjustmentofthecontrolsystem.Applicationofthiscontrolsystemcansignificantlyimprovetheworkefficiencyandreduceslaborintensity.
Keywords：
ThehighlevelofIntegrationcommunicationnetworkingtowersWaterlevelPLC
第1章绪论
1.1可编程控制器
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。
可编程控制器的产生与继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已有上百年的历史，它是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的优点。
此种控制系统布局固定，按预先规定的时间、条件、顺序工作。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛的用途。
但是当工作模式改变时，就必须改变控制系统的硬件接线，控制柜的物件和接线都要作相应的变动，改造工期长，费用高，用户改造时宁愿扔掉旧控制柜，另作一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场需要，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。
通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品的多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。
其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即
编程简单，可在现场修改程序。
维护方便，最好是插件式。
可靠性高于继电器控制柜。
体积小于继电器控制柜。
可将数据直接送入管理计算机。
在成本上可与继电器控制柜竞争。
输入可以是交流115V。
输出可以是交流115V、2A以上，可直接驱动电磁阀。
在扩展时，原有系统只要很小变更。
用户程序存储器容量至少能扩展4KB。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。
这样，工作人员不必在编程上发费大量的精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，是控制系统可方便地在需要的地方运行。
所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
1969年，第一台可编程控制器PDP-14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域产生了历史性革命。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。
PLC进入90年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。
国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）中跃居首位。
我国在80年代初才开始使用PLC，目前从国外引进的PLC使用较为普遍的有日本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可编程控制器使用前景
可编程控制器是20世纪70年代发展起来的控制设备，是集微处理器、存储器、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，大大增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。
因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器。
在改革开放最初几年，我国工业生产还处于手动操作阶段，生产效率低，劳动力浪费严重，生产发展缓慢。
而国际工业发展都处于自动化向高度自动化水平前进，生产效率高，节约劳动力和生产成本，社会经济水平也随之提升快。
我国正处于工业发展阶段，工业生产水平急需提高，推广和普与可编程控制器的使用技术对提高我国的工业自动化水平与生产效率都有十分重要的意义。
1.3PLC的发展
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超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三个阶段：
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点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。
它在硬件上以准计算机的形式出现，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立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，采用广大电气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，有故障指使，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70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得功能大大增强。
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，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使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得应用围得以扩大。
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1.4PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机一样，如图1-1所示：
、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以与警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状
态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将
图1-1PLC控制系统示意图
如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型
RAM（RandomAssessMemory） 这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下，存储器的所有容保持不变。
（在紫外线连续照射下可擦除存储器容）。
EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的容进行修改。
PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不一样，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
系统程序存储区
系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
用户程序存储区
系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以与各类软设备，如：
逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
I/O映象区：
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。
因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
系统软设备存储区 ：
除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
用户程序存储区：
主要用来存放用户的应用程序。
所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。
此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。
也可将用户程序存放在EEPROM中。
、输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。
现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以与传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。
由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。
输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。
可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。
这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块，部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。
数字量输入模块带有光电祸合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗千扰能力。
数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。
模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。
由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。
模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电祸合器和输入锁存缓冲器与PLC的1/0总线挂接。
模拟量输出模块D/A转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与PLC的1/0总线挂接。
现在标准量程的模拟电压主要是0一5伏和O一10伏两种，模拟电流主要是0一ZomA和4一ZomA两种。
另外还有。
一somV，o一IV、一5一+SV、一10一+10V，o一10mA等。
模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。
模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。
、扩展模块
当一个PLC中心单元的1/0点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。
模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。
智能1/0接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以与智能1/0模块等。
、编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。
目前编程器主要有以下三种类型:
便携式编程器（也叫简易编程器）;图形编程器;用于IBM一PC与其兼容机的编程器。
便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。
图形编程器以液晶显示器（LCD）或阴极射线管（CRT）作屏幕，用来显示编程容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。
使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。
图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。
但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。
用于IBM一PC与其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。
编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。
监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。
因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。
编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。
显示一般用液晶显示器，主要的显示容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况与系统工作状态等。
键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。
现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。
不同厂家、不同型号的PLC的输入/输出点数也不同，有的大型机输入/输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。
因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。
扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。
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