基于PLC的水位控制系统设计与实现.docx

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基于PLC的水位控制系统设计与实现

基于PLC的水位控制系统设计与实现

摘要

随着社会进步和经济的迅速发展，人们对住房条件要求的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。

以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的启停，并且大多数供水系统采集信息数量少、处理慢、传递迟，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。

计算机和自动控制技术不断进步使得高性能的供水系统的开发成为可能。

因此，研究高性能、网络化的供水监控系统，对降低能耗、信息共享具有重要的现实意义。

本设计主要介绍了以可编程逻辑控制器（C20P型PLC）与变频器为核心的控制系统，实现了对水塔水位的远程控制，并且实现了低警戒水位的报警。

本设计对其控制原理、硬件选择、软件设计、报警电路进行重点阐述，使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行，特别是提高了整个系统的稳定性和抗干扰能力。

本系统对传统的供水系统进行改造，可以有效的解决以前供水压力波动大、系统故障率高、能源浪费严重等一系列问题。

同时，系统具有自动和手动两种控制方式，便于对系统进行维护修理，并能通过应用软件对供水系统进行监控和远距离控制，提高效率，实现自动化供水。

关键字：

PLC，变频器，自动控制

ControlsystemdesignandrealizesPLC-basedwaterlevel

ABSTRACT

Withsocialprogressandrapideconomicdevelopment,peoplehaverequestedtheimprovementofhousingconditions,highdomesticwaterandindustrialwatergraduallyincreased,thetraditionalcontrolmethodhaslaggedbehind.Beforeusingartificialcontrolofthereservoirwaterlevel,becauseeverytimethewaterlevelcannotmakeaccuratepositioningmonitoring,andalotofsubjectivity,itisdifficulttoaccuratelycontrolthemotorfromthepumpstopped;mostofthewatersupplysystemandasmallnumberofinformationcollection,processingslow,latedelivery,difficulttoachievebetweendevicesandsystemsandtheexchangeofinformationbetweentheoutsideworld,hasseriouslyhamperedenterpriseinformationintegrationandtherealizationofintegratedautomationbusiness.Computerandautomaticcontroltechnologymakeshigh-performancecontinuousimprovementofthewatersupplysystemforpossible.

Thispaperpresentsaprogrammablelogiccontroller（C20P-PLC）withaninverteratthecoreofthecontrolsystemandrealizedthewatertowersontheremotecontrolandachievedalowwarninglevelofalarm.Inthispaper,itscontrolprinciple,thechoiceofhardware,softwaredesign,focusonalarmcircuits,softwareprogramssimplifythedesign,hardwareinterfacesimpleandfeasible,inparticular,toimprovethestabilityoftheentiresystemandanti-jammingcapabilities.

Tothetraditionalwatersupplysystemreformandeffectivesolutionbeforethewaterpressurefluctuations,thesystemfailurerateishighandtheseriouswasteofenergy,suchasaseriesofproblems.Atthesametime,thesystemhasbothautomaticandmanualcontrolmode,thesystemformaintenancerepairs,andthroughtheapplicationofthewatersupplysystemforremotemonitoringandcontrol,improveefficiency,automatedwatersupply.

KeyWords:

PLC，FrequencyConverter，AutomaticallyControl

1绪论................................................1

研究现状及发展趋势...............................................1

供水方式的发展....................................1

课题研究意义.............................................3

课题研究内容............................................4

论文内容结构安排......................................4

2PLC的概述...........................................5

PLC的来源及概念.......................................5

PLC的来源..............................................5

PLC的定义............................................5

PLC特点及应用..........................................6

PLC的特点...........................................6

PLC的应用.........................................7

PLC的分类及组成........................................8

PLC的分类......................................8

PLC的组成..............................................9

PLC的其它组成部分.....................................12

PLC的工作原理...............................................14

PLC控制系统一般设计步骤...........................17

2小结...................................................19

3水位控制系统中PLC硬件电路设计...........................20

系统控制要求................................20

PLC选型................................................20

系统硬件配置............................................21

欧姆龙C20P系统硬件配置..................................22

变频器的选择.............................................24

系统工作原理......................................26

小结...........................................29

报警电路的设计.......................................33

5系统软件设计..........................................35

编程软件的构成..................................35

编程软件的选择...............................35

系统流程图...............................36

编程说明....................................37

小结...............................................40

6总结.............................................41

1绪论

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。

在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水控制系统，对于提高劳动生产率、降低能耗、信息共享具有重要的现实意义[1]。

可编程控制器与变频器的结合是一种新型的、成熟的技术，它因其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。

特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。

研究现状及发展趋势

1.1.1供水方式的发展

能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。

但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。

究其原因，主要是由于受供水设备和供水方式的限制。

传统的供水系统可分为重力供水和压力供水。

重力供水方式有水箱和水塔供水，压力供水方式有气压供水。

（1）对于气压式供水方式，压力给水系统在地下室或某些空余之处设置水泵机组和气罐等设备，采用压力给水来满足建筑物的供水要求。

气压供水系统是以气压罐利用密闭压力将罐内贮水送到管网中去，其优点是灵活性大，建设快，污染少，有利于抗震，可消除管道中的噪声。

缺点是需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气压缩机充气，维护费用高。

（2）对于水箱供水方式，需要将水箱置于屋顶的最高处，在大型建筑中即使如此，还常常不能满足供水要求，同时由于其存水量较大，增加了结构的承重和占用了楼层的建筑面积，有碍美观。

此外，屋顶水箱必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，投资大，周期长。

（3）对于水塔供水方式，水塔供水在无人值守时，总要开启一个泵运行，而且多个泵不能自动循环使用，不能均衡泵的使用寿命。

此外，水塔供水易造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性投入多。

水塔供水需要专门的泵房，要有人值班，在用水高峰期要开备用泵，而且只能人工调节压力。

该供水方式常造成水压不稳，水量不足。

水塔供水建筑投资和空间占用都比较大，且在火灾时不能很快起动消防压力，不适合对压力有特殊要求的场合[2]。

因此，采用传统的供水方式操作落后，人为因素很大，管理落后，无法建立严格的科学管理体制，在维护和升级系统方面非常昂贵。

供水领域中变频调速技术的运用，改变了上述的供水状况，极大改善了给水管网的供水环境。

变频调速技术的出现是现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术迅速发展的结果。

变频供水系统，实现了水泵电机的无级调速，可根据用水情况，按照管网瞬间压力变化，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的工频变频切换、参与和退出。

根据压力设定值使供水压力保持恒定，有效地防止水路管网湍振而出现管路爆裂现象。

变频恒压供水系统不仅具有供水质量高，灵活性强，占地面积小，设备投资少，噪声低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益[3]。

1.1.2国内外供水控制系统的现状及发展趋势

国外自60-70年代起开始了供水系统自动控制的研究、应用工作。

特别是自80年代以来，电子、计算机技术等现代科技迅速发展，推动供水系统的自动控制技术产生质的飞跃。

国外发达国家雄厚的经济实力与技术基础促使供水系统的自动控制广泛应用。

一些供水企业已实现全自动化，能对工艺的各个环节自动监测、调节、记录、报警等。

这种高度自动化系统取得了较高的经济效益。

国外有相当多的水厂对一些影响处理费用的关键工艺环节实施自动控制，这种经济高效的自动监控方案值得借鉴。

国外的供水系统调度运营普遍利用计算机完成，这一系统称之为监控系统[4]。

其功能是通过遥讯系统，把应保证的供水系统关键点的实际压力值遥测采集到监控中心，利用计算机进行计算、预测和决策，然后遥控调节供水，来保证供水系统的关键点达到水量保证值。

同时在供水系统发生爆管、漏水等事故时，可以自动进行分析做出合理的处理决策，以保证系统安全、经济的运营。

我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的供水企业利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备，但自动控制基本照搬国外模式，投资很大。

现在国内大多数供水企业采取现场手动操作、人工抄表、电话报数等方式调度供水。

采集信息数量少、处理慢、传递迟，遇上爆漏或火灾等突发事故，反应迟钝、损失大。

这类控制方式在用水高峰期要开备用泵，而且只能人工调节压力。

该供水方式常造成水压不稳，水量不足。

水塔供水建筑投资和空间占有都比较大，且在火灾时不能很快起动消防压力，不适合对压力有特殊要求的场合[5]。

供水领域中变频调速技术的运用，改变了上述供水状况，极大地改善了给水管网的供水环境。

变频调速技术的出现是现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术迅速发展的结果。

变频供水系统，实现了水泵电机的无级调速，可根据用水情况，按照管网瞬间压力变化，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的工频变频切换、参与和退出。

根据压力设定值使供水压力保持恒定，有效地防止水路管网湍振而出现管路爆裂现象。

与传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统相比，变频恒压供水系统不仅具有供水质量高，灵活性强，占地面积小，设备投资少，噪声低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益[6]。

课题研究意义

水位控制在日常生活及工业领域的应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。

而以往水位的检测是由人工完成，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室，然后主控室再开电动机进行给排水。

显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费，同时也容易出差错。

因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，本设计说明书所研究的就是这方面的课题。

目前，传统的水位控制器对水位的检测大多采用电导式或机械式。

电导式一般只适用于导电液体，且电极腐蚀严重；机械式则不易调节水位的范围，调试困难。

在传统水位控制中，一般只能实现自动补液，而不能显示塔内水位，更不能对水位问题作出反应。

而逻辑电路液位控制器则能弥补传统水位控制器的不足。

在欧姆龙C20P控制下，它通过REMOTESTART/STOP输入点进行PLC远程启/停变频器，用以控制电机的开、关。

同时结合外围电路，控制水位及对水位问题作出反应，这对于不能导电的液体具有广泛的应用，也适用于一般导电液体，从而实现对水塔水位远程自动控制[7]。

PLC系统由于运行可靠性高，使用维护方便，抗干扰性强，设计可调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在水位控制系统中使用最多的控制方式，也广泛应运于对传统继电器控制系统技术的改造。

课题研究内容

变频恒压供水监控系统主要由变频器、可编程序控制器（PLC）、显示器、传感器等组成，其设计目的是对水位进行微机监控。

通过PLC控制软件编程来实现对水塔水位的控制，系统兼有自动报警功能。

如果突然出现水塔水位超出或不足等紧急危险的问题，系统就会发出铃声报警并自动关闭部分水泵。

本设计采用PLC作为主体，分为水位测量和电气控制两大部分。

以欧姆龙C20P为核心，在硬件基础上配合软件来实现对水塔水位的远程控制，并且实现了低警戒水位的报警。

本设计对PLC作了简要概述，重点以欧姆龙C20P为基础，对浮力式水位传感器测量水位的设计，声光报警系统的设计，外围电路的设计以及相应的软件编程都做了详细描述。

设计说明书的内容结构安排

第一章为绪论，主要介绍了本设计的国内外研究现状及发展趋势、意义、课题研究内容及其安排；

第二章为PLC的概述，主要介绍了PLC的定义、应用、分类、特点以及处理问题的一般设计步骤；

第三章为PLC系统硬件电路设计，详细介绍了本设计的PLC电路原理以及组成，包括系统的控制要求、C20P硬件配置、系统的整体设计流程图和硬件电路图；

第四章为外围电路设计，介绍了系统的水位测量、键盘的设计、显示电路的设计和报警电路的设计；

第五章是系统的软件设计，这部分是程序说明和详细的梯形图设计；

第六章为结论部分，主要阐述了本设计的意义、作用以及发展前景；

最后为参考文献和致谢。

2PLC的概述

作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。

今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用[8]。

PLC的来源及概念

2.1.1PLC的来源

在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫ProgrammableController（PC）。

随着电子技术和计算机技术的发展，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。

上世纪80年代，个人计算机逐渐发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。

现在，仍常常将PLC简称PC[9]。

近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC的增长速度出现渐缓趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

目前，世界上有200多厂家生产300多种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（%）、化学/制药（%）、金属/矿山（%）、纸浆/造纸（%）等行业。

2.1.2PLC的定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都是按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[10]。

”

PLC特点及应用

2.2.1PLC的特点

（1）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，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，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。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及技术的发展，使PLC组成的各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统的设计及建造的周期大为缩短，同时使维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低