水塔水位监测设计.docx
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水塔水位监测设计
摘要
随着社会的发展高楼逐渐变成了人们的居所，而高楼供水日渐成为人们日常
生活中的一个问题，而水塔成为人们供水的首要选择。
本文结合水塔的设计，供
给水的需求，主要解决水塔的持续供水和水位、水压的检测。
我们主要用传感器对其信号的收集，转换为相应的电信号。
从而来控制抽水泵和加压水泵的工作来达到给居民楼于恒压不断水的供给。
解决高楼的水压水量不足给人们日常生活带来不便的问题。
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。
本设计采用PLC进行主控制，利用传感器测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，用A/D转换器对接收到的信号进行数据处理，完成水位的检测、控制及故障报警。
该设计主要集合了PLC的应用、传感器的应用和数模转换的应用等；通过对学科知识的一个集合来构造此设计，从而来提高自己的构思能力，同时是对自己所学的知识的一个检阅；对所学科目的一个总体构思。
关键词：
水位、传感器、PLC
Abstract
Withthedevelopmentofbuildingsocietygraduallyintopeople'shomesandbuildings,watersupplyisbecomingaprobleminpeople'sdailylife,andbecomesthefirstchoiceofthepeopleofwatertower.Inthispaper,combinedwiththetowerdesign,thewatersupplydemand,mainlytosolvethecontinuouswatersupplyandwaterleveldetection,thepressureofthewatertower.Wemainlyusedtocollectsensortothesignal,isconvertedtoacorrespondingelectricalsignal.Inordertocontrolthewaterpumpandthepressurepumptoworktogiveresidentsinconstantpressurewatersupply.Tosolvetheproblemofpressurewatertowertopeople'sdailylifeinconvenientproblem.
Waterlevelcontroliswidelyusedindailylifeandindustrialfields,suchasthewaterlevelofthewatertower,water,hydropowerstationundertheconditionofcontrol.Automaticdetectionsystemofwaterlevelcanbeautomaticallyadjustedaccordingtowaterlevelchanges.ThisdesignusesPLCforthemaincontrol,sensorusingthechangewaterlevelmeasurement,themeasuredwaterleveltochangeintoacorrespondingelectricalsignalbyA/Dconverter,thereceivedsignalanddataprocessing,thewaterleveldetection,controlandfaultalarmcompleted.
Thedesignofthemainsetofapplicationsanddatamodelapplication,sensorPLCconversionapplications;throughasetofsubjectknowledgetoconstructthisdesign,soastoimprovetheirthinkingability,alsoisaparadeofhisknowledge;tohaveanoverallideaofthesubject
Keywords:
waterlevel,sensor,PLC
第一章传感器的概述1
第一节传感器的的作用与功能1
第二节传感器的分类1
第三节传感器的主要静态性能指标2
第四节水位传感器的原理及应用3
第二章PLC可编程控制器的介绍5
第一节可编程控制器5
第二节PLC的结构及其各部分的作用错误！
未定义书签。
第三节PLC的工作原理7
第三章模数转换的概述与应用8
第一节模数转换的概念8
第二节模数转换的过程8
第四章水塔水位的检测9
第一节水塔水位的检测的构成和工作过程9
第二节PLC控制器的选择和端口分布10
第三节水塔水位的控制程序11
结束语13
谢辞14
参考文献15
第一章传感器的概述
第一节传感器的的作用与功能
传感器的定义是：
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
其中，敏感元件是指传感器
中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件或响应的被测量转换成适合于传感器或测量的电信号部分。
对于传感器的定义与传感器技术的内涵，传感器应当从三个方面来理解把握，即
（1）传感器的作用一一体现在测量上。
获取被测量，是应用传感器的目的,也是本设计的体现。
（2）传感器的工作原理一一体现在其敏感元件上。
敏感元件是传感器技术的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。
（3）传感器的输出信号形式一一体现在其适于传输或测量的电信号上。
输出信号时需要解决非电量向电信号转换以及不适于传输或测量的微弱电信号向
适于传输与测量的可用的电信号转换的技术问题，，反应了传感器技术在自动化技术领域的时代性。
第二节传感器的分类
一、按工作原理分类
传感器按其敏感的工作原理，一般可分为物理型、化学型、和生物型三大类,如图下图所示。
]—结构型传感器
—物理型传感器一
—物性型传感器
传感器—化学型传感器
生物型传感器
物理型传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。
如利用金属材料在被测量作用下引起的电阻变化的应变效应的应变式传感器；利用半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的压阻效应制成的压阻式传感器；利用电容器在被测量的作用下引起电容值的变化制成的电容式传感器等。
物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。
结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号实现测量的。
例如电容式压力传感器，谐振式压力传感器等；
物性型传感器就是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受（敏
感）别测量，并转换成可用电信号的传感器。
例如压电式压力传感器等。
化学传感器是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。
最常用的是离子敏传感器，即利用离子选择性电极，测量溶液的PH值或某些离子的浓度，如钾离子，钠离子等。
生物传感器是近年来发展很快的一类传感器。
它是利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。
它由两大部分组成。
其一是功能识别物质，其作用是对被测物质进行识别。
其二是电、光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。
二、按被测量分类
按传感器的被测量一一输入信号分类，能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户使用。
按这种分类方法，传感器可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。
生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。
第三节传感器的主要静态性能指标
在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。
传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。
一、反映传感器静态特性的性能指标
静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出和
输入入之间的关系。
主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
（1）线性度：
指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
（2）灵敏度：
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的
增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
灵敏度越大，表示传感器越灵敏•。
（3）重复性：
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度
（4）测量范围
传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。
（5）量程
传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。
⑹精度
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。
（7）稳定性
稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
二、反映传感器动态特性的性能指标
动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之
间的关系。
主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。
第四节水位传感器的原理及应用
前几章我们主要解决了对传感器的认识及讲解，对传感器的工作原理、应用、指标等的详细概况进行了了解和认识，通过对前面的熟悉能更好的对此设计进行阅读。
此章节我们来介绍此设计的核心元件水位传感器。
通过的它的原理及应用
的描述来用它对此设计进行设计。
一、水位传感器原理
容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向
给水电动阀发出"开""关"的指令，保证容器达到设定水位。
二、作用用途
投入式水位传感器适用于石油化工、水利、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的水位测量。
精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。
三、水位传感器的产品介绍
LC-SW1型水位传感器由全密封隔离膜充油传感器和内置高性能微处理器构
成，可对传感器的非线性、温度漂移等进行全范围内的数字化修正处理，并有HART通信协议输出和模拟输出。
具有精度高、稳定性极好的特点，可实现现场诊断过程双向通信，可使用在城市供电、水利水电、冶金、石化等。
如图1-1
图1-1水位传感器
第二章PLC可编程控制器的介绍
第一节可编程控制器
可编程控制器是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。
正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。
可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），,是指
以计算机技术为基础的新型工业控制装，一种数字运算操作的电子系统，专门为
在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程
一、按结构形式分类
PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。
整体式PLC外观上是一
个长方形箱体，又称为箱式PLC组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因
此这种PLC又称为积木式PLC
二、按控制规模分类
输入输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。
因此,按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC
小型PLCI/O点数较少，在256点以下的PLC
中型PLCI/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC
大型PLCI/O点数较多，在2048点以下的PLC
三、按实现的功能分类
按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中档、和高档机三类。
低档机：
具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。
中档机：
除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。
高档机：
除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。
函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。
一、主机
主机部分包括中央处理器（CP）系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
二、输入接口/输出（I/O）
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
四、编程器
编程器是PLC的一种主要的外部设备编程器分为两种，一种是手持编程器，
用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控
五、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。
六、外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作
第三节PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时,
CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
第三章模数转换的概述与应用
第一节模数转换的概念
数转换（ADC）亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。
例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。
通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。
在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。
例如：
图像的数字化等。
信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。
所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这
种量化以bit位单位，可以精细到1/2AN。
时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。
转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ
但两者不可能同时做到。
通常数字位数越多，装置的速度就越慢。
第二节模数转换的过程
模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。
在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fS=2.5fmax。
通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。
要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。
量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。
假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有
关。
编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。
这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。
第四章水塔水位的检测
第一节水塔水位的检测的构成和工作过程
一、水塔水位监测要求
水塔水位控制系统如图4-1所示。
主要由水塔、蓄水池、蓄水池水位传感器
S4和S5、蓄水池电磁阀T、水泵电机M1、水塔水箱以及水塔水箱水位传感器
S1和S2、接用户管道压力传感器S3、加压泵M2、控制器P（数模转换器、PLC控制器以及报警器）。
蓄水池的作用主要是存储有自来水公司提供的水源并供给水塔水箱进水。
水位传感器用来检测蓄水池和水塔水箱中的水位高低。
水泵的作
用主要是把蓄水池中的水输送到水塔水箱中，以保证水塔水箱中的水位一定；加
压泵以保证用户用水的水压，满足用户的需要。
用户
图4-1水塔水位控制系统图
二、蓄水池的水位控制要求
当蓄水池水位低于下限水位即水位传感器S4为ON时，进水口阀门T自动打开。
当进水口阀门T打开一定时间后，水位传感器S4仍然没有变为OFF,表明进水口阀门T出现故障或水塔无水，蓄水池水位故障报警。
当蓄水池水位达到上限水位即水位传感器S5为ON时，进水口阀门T自动关闭。
三、水塔水箱的水位控制要求
水塔水箱的水位主要是保证用户有一定的用水量，所以其水位不能太低，不然就不能满足用户的要求。
当水塔水箱水位低于下限水位即水位传感器S2为ON时，如果蓄水池水位不低于下限水位即S4为OFF,水泵电机M1自动启动。
当水泵电机M1自动启动一定时间后，水位传感器S2仍然没有变为OFF,表明水泵电机M1出现故障，水塔水箱水位故障报警。
当水塔水箱水位达到上限水位即液压传感器S1为ON时，水泵电机M1自动停车。
四、用户用水的水压控制
当用户的水压没有到达设定值即水压传感器S3为ON时，如果水塔水箱的水位不低于下限水位即S2为OFF时，加压泵M2自动启动。
当M2自动启动一定时间后，水压传感器S3仍然没有变为OFF,表明加压泵M2出现故障，水管水压故障报警。
当水管水压达到设定值时即水压传感器S3为ON时，加压泵M2自动停止。
第二节PLC控制器的选择和端口分布
一、PLC的选择
根据设计的要求和需求，我们选择三菱FX2N系列的PLC控制器。
共有48个接口其中输入24个；输出24个。
二、PLC输入/输出信号及地址分配
根据上述水塔水位控制要求的分析，PLC的输入信号有蓄水池水位上下限水位传感器信号，水塔水箱水位上下限水位传感器信号，用户管道水压传感器信号。
PLC的输出信号有进水口阀门控制电磁阀、水泵电机和加压电机控制接触器、蓄水池和水塔水箱水位故障报警信号灯、加压泵故障报警信号灯。
由上述PLC输入/输出信号分析可知，选择FX2N系列的PLC即可满足控制要求，其输入/输出地址分配如表4-1所示。
表4-11/0分配表
输入信号
输出信号
系统启动按钮
X0
水泵电机接触器M1
Y0
水塔水箱上限水位传感器S1
X1
加压电机接触器M2
Y1
水塔水箱下限水位传感器S2
X2
畜水池水位故障报警灯
Y2
用户管道水压传感器S3
X3
加压泵故障报警灯
Y3
蓄水池上限水位传感器S5
X4
水泵电机故障报警灯
Y4
蓄水池下限水位传感器S4
X5
电磁阀（T）阀门接触器
Y5
系统停止按钮
X6
系统供电接触器
Y6
故障报警恢复按钮
X7
第三节水塔水位的控制程序
系统启动程序
为了便于系统控制，在系统中设置了一个系统启动按钮和一个系统停止按钮。
只有当按下系统启动按钮后，系统的信号才能起作用，系统正常控制；当按下系统停止按钮后，整个系统处于停止状态，此时只有系统启动按钮有效。
系统控制程序如图4-2所示。
WM
I［侧］
图4-2系统启动程序梯形图
二、报警系统程序
为了更好的监控水塔的工作，我们设置了报警装置来监控水塔的工作。
当水塔不正常工作是可以给工作人员于提醒，我们给水塔设计如果10S水塔、蓄水池、加压泵不能达到我们的设定值将报警。
其工作控制程序如图4-3所示
图4-3报警系统程序梯形图
三、蓄水池系统程序
蓄水池保持一定的水位是整个系统正常工作的保证，因此蓄水池水位控制程
序功能的好坏是整个控制系统的关键。
蓄水池水位控制程序如图4-4所示
图4-4蓄水池系统程序梯形图
四、水塔水箱及管道水压系统程序
为了更好更快的给用户供水，水塔水箱的水位和放出去的水必须连续并且压力足够，因此水塔水箱的水位控制程序功能的好坏是整个控制系统的关键。
水塔
水箱及管道水压控制程序如图4-5所示
结束语
通过此次的设计加深了我对传感器的理解和认识，同时也了解了PLC的结构
和控制程序的编写。
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传
统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，用PLC控制水塔水位，实现远
程控制和就地控制，PLC的可靠性高、抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
此外，PLC带有硬件故障自检功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障
自诊断保护，人们使用更加方便。
谢辞
在这次机械设计的大作业即水塔水位的设计与实践中我遇到了很多的问题。
但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做水塔水位的
设计时不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题，帮助我很好的完成了这次设计和实践。
在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。
让我在社会实践的道路上有了新的认识和体会，
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