水塔水位PLC课设.doc
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电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：
水塔水位PLC自动控制系统
系别：
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
电气控制与PLC课程设计
基层教学单位指导教师：
学号
学生姓名
（专业）班级
10应电班
设计题目
水塔水位PLC自动控制系统
设
计
技
术
参
数
采用PLC构成水塔水位电气控制系统。
控制要求查阅相关文献。
设
计
要
求
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制PLC控制程序
3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。
参
考
资
料
1、《PLC电气控制技术》漆汉宏主编机械工业出版社2008
2、图书馆各类期刊文献相关数据库
3、相关电气设计手册
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
完成全部方案设计：
周一、二：
查、阅相关参考资料
周二至周五：
方案设计
周六、日：
设计方案完善
周一、二：
完成设计说明书
周三、四：
绘制A1设计图纸
周五：
答辩考核
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科
摘要
随着现代社会生产的发展和技术的进步，现代工业自动化生产水平逐步提高，电子技术飞速发展，在继电器控制的基础上产生了一种新型的工业控制装置——可编程控制器。
利用这种新型的工业控制装置能够更快更方便的完成一些任务。
在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。
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。
而以往水位的检测是由人工完成的，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。
本文采用PLC进行主控制，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。
主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，来控制水泵电机的动作，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动控制。
关键词：
水位自动控制、水泵、传感器
目录
摘要...................................................................3
目录...................................................................4
第一章绪论............................................................5
1.1可编程控制器的简介.................................................5
1.2PLC的工作原理.....................................................5
1.3PLC的特点.........................................................5
1.4PLC的选择.........................................................7
第二章水塔水位控制系统PLC硬件设计.....................................7
2.1基于PLC水塔水位控制系统的基本原理.................................7
2.2水塔水位控制系统构成及其控制要求...................................8
2.2.1水塔水位系统控制装置图.........................................8
2.2.2水塔水位系统的控制要求.........................................9
2.3水塔水位系统水位传感器的选择......................................10
2.4水塔水位系统主电路设计...........................................11
2.5水塔水位系统的输入/输出分配.......................................13
2.6水塔水位系统硬件接线图............................................14
2.7系统硬件元器件的选择..............................................15
第三章水塔水位系统PLC软件设计.......................................15
3.1水塔水位系统的具体工作过程.......................................15
3.2水位控制系统的流程图............................................15
3.3PLC控制梯形图....................................................17
第四章课程设计总结...................................................22
参考文献..............................................................23
第一章绪论
1.1可编程序控制器简介
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点充分利用微处理器的优点。
1.2PLC的工作原理
PLC的工作方式:
采用循环扫描方式.在PLC处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.
1.3PLC的特点
（一）高可靠性
1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离
2.各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10~20ms.
3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰
4.采用性能优良的开关电源
5.对采用的器件进行严格的筛选
6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大
7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性
进一步提高。
（二）丰富的I/O接口模块
1.PLC针对不同的工业现场信号如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
2.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀。
3.直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（三）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（四）编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
（五）安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.4PLC的选择
目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。
通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类：
小型机：
256点以下（无模拟量）；
中型机：
256~2048点（64~128路模拟量）；
大型机：
2048点以上（128~512路模拟量）。
本实验选择FX2N系列PLC。
由于输入、输出触点数较少，只需选用一般中小型控制器即可。
最终选择FX2N-32M。
拥有16个输入点与16个输出点。
适合本次课题使用。
第二章水塔水位控制系统PLC硬件设计
2.1基于PLC水塔水位控制系统的基本原理
如下图整个系统由水位传感器，一台PLC和水泵以及若干部件组成。
安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成1-5伏的电信号；电信号到达PLC将控制控制水泵的开关。
水箱水位自动控制系统由PLC核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给PLC水泵电动机控制电路PLC控制启停及主备切换。
在水塔水位检测系统中通过液位传感器将水位信号转换为电信号输入PLC中，在通过PLC控制水泵的启动或关闭。
在系统运行中当水为低于最低值时PLC将启动水泵向水塔中加水，当水塔中的水达到最高值时PLC使水泵停止运转即水泵停止向水塔供水。
等到水塔水位再次达到控制最低水位时系统再次重复这个过程。
2.2水塔水位控制系统构成及其控制要求
2.2.1水塔水位系统控制装置图
2.2.2水塔水位系统控制要求
1）保持水池的水位在S3——S4之间，当水池水位低于下限液位开关S4，此时S3为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当30S以后，若水池水位仍然没有超过水池下限液位开关S4时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S4为OFF，表示水位高于下限水位。
当液面高于上限水位S3时，则S3为ON，电磁阀关闭。
2）保持水塔的水位在S1——S2之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S2且水池水位不低于下限液位开关时，则水塔下限液位开关S2为ON，并驱动电机M开始工作，向水塔供水。
当30S以后，若水塔水位仍然没有超过水塔下限液位开关S2时，则系统发出警报；当S2为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。
当水塔液面高于水塔上限水位开关S1时，则S1为ON，电机M停止抽水。
当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。
当水塔水位高于水塔超高水位时，系统发出警报，当水池水位高于水塔超高水位时系统发生警报。
2.3水塔水位系统水位传感器的选择
根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的U9ULS——10/100系列。
U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。
具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。
在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA4/NEMA7防爆且防水的壳体中。
U9ULS具有以下特点：
可应用于多种液体中
可承受高达1000psi的压力
不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。
长度达121in（303.3cm）
可安装在侧面、顶部或底部
工作原理：
U9ULS系列是给予超声波理论工作的。
当超声波在空气中传播时，会被严重衰减相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。
电子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。
当另一端接到有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。
这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。
U9ULS——100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F和压力为1000PSI的情况下良好的工作。
U9ULS——10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。
控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。
特点：
10A的继电器输出
115/230VAC，12VDC或24VDC输入
高增益。
无需效准，工作温度可达300长度可达151.5CM
输入电压
380/220VAC，50/60HZ或12/24VDC
U9ULS—10系列增益
300：
1
U9ULS—100系列增益
1000：
1
U9ULS—10系列输出
10ADPDA继电器灭火两线制，4mA-干；20mA-湿
U9ULS—100系列输出
10ADPDT继电器
延时
0.5s
重复性
2mm
外壳
NEMA4/NEMA7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。
2.4水塔水位系统主电路设计
排水工程中常使用三相异步电动机，水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。
在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向PLC发出信息启动电机，经过半分钟检测水塔水位是否提高来控制水泵的工作，当水位达到上限水位时向PLC发出信息使水泵停止工作。
水塔水位控制系统主电路图如下
水塔水位调节原理是：
通过在水塔中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入PLC，然后执行程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。
QF:
电源总开关，即可完成主电路的短路保护，又起到分段三相交流电源的作用，使用和维修方便。
FU：
熔断器，实现对负载回路的短路保护。
KM：
电磁接触器，控制电机M的启动与关闭。
FR:
热敏继电器实现过载保护。
2.5水塔水位系统的输入/输出分配
水塔水位控制系统PLC的输入输出接口分配
输入继电器
输入变量名
输出
继电器
输出变量名
X0
主控开关
Y0
电机M
X1
水池上限液位开关
Y1
电磁阀继电器
X2
水池下限液位开关
Y2
水池下限指示灯L1
X3
水塔上限液位开关
Y3
水池上限指示灯L2
X4
水塔下限液位开关
Y4
水塔下限指示灯L3
X5
水池水位超高液位开关
Y5
水塔上限指示灯L4
X10
电机过载保护热继电器
Y6
水池超高液位指示灯L5
X6
水塔水位超高液位开关
Y7
水塔超高液位指示灯L6
X7
停止按钮
Y13
水池低水位报警指示灯L7
Y14
水池超高液位报警指示灯L8
Y10
水塔低水位报警指示灯L9
Y11
水塔超高液位报警指示灯L10
Y12
报警蜂鸣器
2.6水塔水位系统硬件接线图
2.7系统硬件元器件的选择
水塔水位系统元器件目录表
序号
文字符号
名称
数量
规格型号
备注
1
M
电动机
1
立式离心泵LS40-32.1
扬程30M,3KW,380V
三相交流异步电动机
2
FR
热继电器
1
JB16B-20/3
参照电动机整定电流
3
FU
熔断器
3
RL1-15
熔体2—10A
4
QF
断路器
1
C45AD
脱扣电流10A
5
DB
变压器
1
BK-100
电压比1.732:
1AC220V
6
SB0
主控开关
1
LAY37
自保持开关
7
SB1
停止按钮
1
LA23-MT
紧急停止按钮
8
S1-S6
超声波液位传感器
6
U9ULS——100
24VDC输入
9
L1-10
指示灯
10
AD16-22
LED显示DC24V
10
KM
交流接触器
1
DJX-9
线圈电压：
AC220V
11
KA
中间继电器
1
AC220V
12
YA
电磁阀
1
ZCT-50A
AC220V
13
HA
报警蜂鸣器
1
14
PLC
可编程序控制器
1
FX2N-32MR
继电器输出
第三章水塔水位系统PLC软件设计
3.1水塔水位系统的具体工作过程
当水池中的水位传感器检测到水池水位低于下限水位时，打开电磁阀向水池中注水，若30秒后水池水位仍低于下限水位则报警器报警，并且低水位报警显示灯点亮，若水池水位30秒后不低于水池下限，则继续向水池内注水，水池水位到达上限水位后关闭电磁阀，若注水的过程中水池水位高于了水池超高液位，则报警器报警，并且超高液位报警指示灯亮。
在水池水位不低于下限水位时，若此时水塔水位低于下限则开启电动机从水池向水塔内抽水，若30秒后水塔水位低于下限水位则报警器报警，水塔低水位报警指示灯点亮，若水塔水位不低于下限水位则继续注水，到达上限水位后关闭电机，若检测到水塔水位超过超高液位则报警器报警，超高液位报警指示灯点亮。
3.2水位控制系统的流程图
3.3PLC控制流程图
第四章课程设计总结
本次课程设计使我受益良多，由最初看到题目时的茫然到最终做出结果，此期间心理和
身体上的压力是对我的又一次考验。
通过不断查阅资料和认真思考我一步步的把水塔水位控
制系统这个课题设计了出来，这是我的又一次成功，我觉得非常有成就感。
通过这次的实践让我更熟练的掌握了三菱FX的PLC软件编程方法，并从中学会了如何使用Visio画图软件和Developer编程软件，使我的知识面再次拓宽。
在理论运用当中也提高了我的工程素质，在最初使用三菱软件时，由于知识掌握不牢固，我的编程中出现了双线圈输出，导致变换后调试时出现了问题，这是由于我无法做到理论与实践相结合，知识掌握不牢靠，理解不深入，最后通过请教同学才使得问题得到了解决。
此次课程设计是对我专业知识的一次考验，通过本次课程设计我对已学过知识有了进一步的理解和掌握。
短暂而又忙碌的PLC课程设计结束了，虽然每天都在紧张中度过，但是我觉得很充实。
在此过程中每天老师们都前来为我们解决问题和我们共同努力，对于老师们我表示真心的感谢。
参考文献
[1]漆汉宏编《PLC电气控制技术》北京：
机械工业出版社2008
[2]三菱FX2N系列《微型可编程控制器使用手册》
[3]李俊季、赵黎明《可编程控制应用技术实训指导》北京：
化学工业出版社2001
[4]张桂香《电气控制与PLC应用》北京：
化学工业出版社2003
电气工程学院课程设计评审意见表
指导教师评语：
（1）、学习态度及平时表现（出勤等）□A□B□C□D□E
（2）、查阅资料，分析、解决问题的能力□A□B□C□D□E
平时成绩：
2013年7月1日
图面及其它成绩：
（1）、结构合理、层次分明，书写规范：
□A□B□C□D□E
（2）、基本概念正确，分析与论述清楚：
□A□B□C□D□E
（3）、图纸（插图）简明清晰、电气符号规范：
□A□B□C□D□E
图面及其它成绩：
2013年7月1日
答辩小组评语：
（1）、语言叙述思路清晰、表达清楚：
□A□B□C□D□E
（2）、基本概念正确、设计方案合理：
□A□B□C□D□E
（3）、基础知识扎实、回答问题准确：
□A□B□C□D□E
答辩成绩：
2013年7月1日
课程设计综合成绩：
答辩小组成员签字：
2011年7月5日
升级会员 