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1、電氣工程學院設(shè)計題目： 水塔水位PLC自動控制系統(tǒng) 系 別： 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 電氣工程學院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 電氣控制與PLC課程設(shè)計 基層教學單位：電氣工程及自動化系 指導教師： 學號學生姓名（專業(yè)）班級設(shè)計題目水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)參數(shù)采用PLC構(gòu)成水塔水位電氣控制系統(tǒng)?？刂埔蟛殚喯嚓P(guān)文獻。設(shè)計要求1) 根據(jù)控制要求，進行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，包括PLC硬件配置電路。2) 根據(jù)控制要求，編制PLC控制程序3) 按要求編寫設(shè)計說明書并繪制A1幅面圖紙一張。參考資料2、圖書館各類期刊文獻相關(guān)數(shù)據(jù)庫3、相關(guān)電氣設(shè)計手冊周次第一周第二周應完成內(nèi)

2、容完成全部方案設(shè)計：周一、二：查、閱相關(guān)參考資料周二至周五：方案設(shè)計周六、日：設(shè)計方案完善周一、二：完成設(shè)計說明書周三、四：繪制A1設(shè)計圖紙周五：答辯考核指導教師簽字基層教學單位主任簽字摘要目前，大量的高位生活用水和工作用水逐漸增多。因此，不少單位 自建水塔儲水來解決高層樓房的用水問題。最初，大多用人工進行控制，由于人工無法每時每刻對水位進行準確的定位監(jiān)測，很難準確控制水泵的起停。要么水泵關(guān)停過早，造成水塔缺水；要么關(guān)停過晚，造成水塔溢出，浪費水資源，給用戶造成不便。利用人工控制水位會造成供水時有時無的不穩(wěn)定供水情況。后來，使用水位控制裝置使供水狀況有了改變，但常使用浮標或機械水位控制裝置，由

3、于機械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。因此為更好的保證供水的穩(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的供水控制方法已難以滿足現(xiàn)在的要求。本文采用的是三菱FXZN型PLC可編程控制器作為水塔水位自動控制系統(tǒng)核心，對水塔水位自動控制系統(tǒng)的功能性進行了需求分析。主要實現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔的實際水位，將水位具體信息傳至PLC構(gòu)成的控制模塊，來控制水泵電機的動作，同時顯示水位具體信息，若水位低于或高于某個設(shè)定值時，就會發(fā)出危險報警的信號，最終實現(xiàn)對水塔水位的自動。關(guān)鍵詞：水位自動控制、三菱FX2N、水泵 、傳感器 II目錄摘要I目錄II第一章 緒論11.1本課題的選題背景與意義11.2可編程邏輯控制器簡

4、述1第二章 水塔水位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計22.1基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)基本原理22.2水塔水位控制系統(tǒng)要求32.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計42.4 系統(tǒng)硬件元器件選擇52.5 I/O口的分配及PLC外圍接線6第三章 水塔水位系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計103.1 水位控制系統(tǒng)的流程圖103.2 PLC 控制梯形圖113.3 水位控制系統(tǒng)的具體工作過程17第四章 總結(jié)18參考文獻19第一章 緒論1.1本課題的選題背景與意義在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用

5、。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同時，又有PID控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個可靠

6、安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用PLC控制技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。1.2可編程邏輯控制器簡述可編程邏輯控制器簡稱PLC，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微

7、型計算機控制技術(shù)，使之功能不斷增強。逐漸適合復雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強的生命力，在于它更加適應工業(yè)現(xiàn)場和市場要求。具有可靠性高、抗干擾能力強、編程方便、價格低、壽命長等特點。22第二章 水塔水位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)基本原理如下圖整個系統(tǒng)由水位傳感器，一臺PLC和水泵以及若干部件組成。安裝于水塔上的傳感器將水塔的水位轉(zhuǎn)化成1-5伏的電信號；電信號到達PLC將控制控制水泵的開關(guān)。水箱水位自動控制系統(tǒng)由PLC核心控制部件高低位水箱的水位檢測電路高低水位信號傳送給PLC水泵電動機控制電路 PLC 控制啟停及主備切換。圖2-1 基于PLC的供水系統(tǒng)原理框圖在水塔

8、水位檢測系統(tǒng)中通過液位傳感器將水位信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入PLC中，在通過PLC控制水泵的啟動或關(guān)閉。在系統(tǒng)運行中當水為低于最低值時PLC將啟動水泵向水塔中加水，當水塔中的水達到最高值時PLC使水泵停止運轉(zhuǎn)即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次達到控制最低水位時 系統(tǒng)再次重復這個過程。2.2水塔水位控制系統(tǒng)要求圖2-2 水塔水位控制裝置圖1）水塔供水系統(tǒng)的一般裝置如上圖所示，應當保持水池的水位在S2S3之間，當水池水位低于下限液位開關(guān)S3，此時S3為OFF，控制電磁閥打開，開始往水池里注水，當10S以后，若水池水位沒有超過水池下限液位開關(guān)S3時，則系統(tǒng)發(fā)出警報；若系統(tǒng)正常運行，此時水池下限液位開關(guān)

9、S3為ON，表示水位高于下限水位。當液面高于上限水位S2時，則S2為ON，電磁閥關(guān)閉,同時檢測水池液面是否會超過超上S1處，若超過，則水池水將溢出，S1液位開關(guān)為ON,向PLC發(fā)出信號啟動上限報警，提醒工作人員立即排除故障。2）保持水塔的水位在S5S6之間，當水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S6時，則水塔下限液位開關(guān)S6為OFF，則驅(qū)動電機M開始工作，向水塔供水，電機啟動10秒后，若S6仍舊為OFF，則發(fā)出水塔下限無水報警。當S3為ON時，表示水塔水位高于水塔下限水位水泵繼續(xù)抽水給水塔。當水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)S5時，則S5為ON，水泵停止抽水，同時檢測水塔液面是否會超過超上S4處，若超過，

10、則水塔水將溢出，S4液位開關(guān)為ON,向PLC發(fā)出信號啟動上限報警，提醒工作人員立即排除故障。3）當水池水位也低于下限水位時，不論水塔水位是否低于下限，電機M都不能啟動。2.3水塔水位控制系統(tǒng)主電路設(shè)計圖2-3 水塔水位控制系統(tǒng)主電路1）本次設(shè)計使用了兩個水泵，通過程序控制當水塔下限無水且水池下限有水時同時啟動將水池中的水抽向水塔，并通過定時在兩水泵同時運行一段時間后停止其中一個水泵，通過這種工作方式可以在較大地減少用戶缺水的情況，提高了供水的可靠性及效率，同時停止的水泵做為繼續(xù)工作水泵的暗備用，在另一水泵出現(xiàn)故障之后，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)手動切換，這樣既保證供水系統(tǒng)有備用水泵, 又有效地防止因為

11、備用水長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象, 提高了設(shè)備的綜合利用率, 降低了維護費用，整個供水系統(tǒng)性能得到極大提高。2）因為本次設(shè)計選用的水泵額定功率較大，初始運行時的起動電流較大，故在主電路中設(shè)置星三角減壓變換起動電路，以防止起動時的過電流，通過軟件自動實現(xiàn)電路切換，并且設(shè)置互鎖延時程序，防止電路切換時發(fā)生三相短路事故。此外在水泵電機供電回路中通過熱繼電器及熔斷器設(shè)置必要的電機熱保護及過電流保護，保護電機的同時減小電機故障的影響范圍。2.4 系統(tǒng)硬件元器件選擇1) PLC的選擇可編程控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號的PLC，功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同。本系統(tǒng)為單體控制系統(tǒng)，

12、對控制功能無特殊要求，同時本次設(shè)計所需輸入輸出總點數(shù)介于32點與48點之間，因此選用三菱公司生產(chǎn)的的FX2N-48MR-001型PLC，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，有極高的性價比，適用于小型控制系統(tǒng)的特點，該型號PLC為繼電器輸出型，輸入輸出點數(shù)各為24個點，多余的端子作為備用。2)水泵的選擇選擇水泵的一般原則為1、滿足流量和揚程的要求；2、水泵機組在長期運行中，水泵工作點的效率最高；3、按所選的水泵型號和臺數(shù)設(shè)計的水泵站，要求設(shè)備和土建的投資最??；4、便于操作維修，管理費用少。而一般的水塔供水系統(tǒng)中水塔高度都在30米以上，所用水泵電機在向水池抽水時消耗的能量較大，同時因兩水泵互為備用，故綜合考慮

13、后將兩水泵電機額定功率都選為11KW，型號為Y2-160L-6，其重要參數(shù)有額定電流為24.23A，額定轉(zhuǎn)速為970r/min。水泵揚程為40米，流量為35立方米/小時。3）熔斷器的選擇因為熔斷器熔體電流應大于等于兩倍的電機額定電流，因此電動機供電回路選用熔體電流為50A的熔斷器。4）電子液位位開關(guān)的選擇因為本次設(shè)計中水池及水塔中各有3處需要檢測水位信號，因此選用歐姆龍公司生產(chǎn)的61F-GN G型電極式液位開關(guān)，該種類型的液位開關(guān)作為電氣性液位檢測方式，被廣泛用于以大廈、集中住宅的上下水道為主及鋼鐵、食品、化學、藥品、半導體等各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)水、凈水場、污水處理等的液面控制。一旦電極接觸到液體，

14、通過液體可以閉合電路，根據(jù)流過的電流檢知液位控制的動作原理，是以所謂的導電性液體為控制對象的液位開關(guān)。進行檢測時，直接檢測液體的電極間電阻，根據(jù)大于或小于已設(shè)定的電阻值，來判斷有無液面,61F-GN G型電極式液位開關(guān)含有三個電極正好用于本系統(tǒng)水位的檢測，同時其ON電流在4.5mA以下且OFF電流1.5mA以下滿足所選PLC的輸入性能指標，故較為合適。5）熱繼電器的選擇因為電機額定電流為24.23A，因此選用JR20-25/5T型熱繼電器，整合電流為2125A。6）接觸器的選擇同理，根據(jù)電機額定電流，并查手冊后選擇G20-25型接觸器。2.5 I/O口的分配及PLC外圍接線序號輸入信號符號輸入

15、端子口1起動按鈕SB1X0002停止按鈕SB2X0013手動操作旋鈕SC1-1X0024自動操作旋鈕SC1-2X0035水池高水位開關(guān)信號S1X0046水池中水位開關(guān)信號S2X0057水池低水位開關(guān)信號S3X0068水塔高水位開關(guān)信號S4X0079水塔中水位開關(guān)信號S5X01010水塔低水位開關(guān)信號S6X011111#泵手動旋鈕SC2X012122#泵手動旋鈕SC3X01314電磁閥手動旋紐SC4X01415電動機熱保護報警KA1X01516報警確認旋鈕SC5X0161） PLC的輸入接口分配表2） PLC的輸出接口分配表序號輸出信號符號輸入端子口11#泵接觸器1KM1Y00022#泵接觸器1

16、KM2Y0013水池高水位指示燈HL1Y0024水池中水位指示燈HL2Y0035水池低水位指示燈HL3Y0046水塔高水位指示燈HL4Y0057水塔中水位指示燈HL5Y0068水塔低水位指示燈HL6Y0079電磁閥繼電器KA2Y01010電機熱保護報警指示燈HL7Y01111水池高水位報警HL8Y01212水池低水位報警HL9Y01314水塔高水位報警HL10Y01415水塔低水位報警HL11Y015161#泵接觸器2KM3Y016171#泵接觸器3KM4Y017182#泵接觸器2KM5Y020192#泵接觸器3KM6Y021 3）水塔水位控制器外觀圖如下圖2-4 水塔水位控制器外觀圖4）系統(tǒng)

17、I/O硬件接線圖根據(jù)PLC輸入、輸出點地址分配表，水塔水位控制系統(tǒng)的I/O接線圖如下：圖2-5 PLC外部接線圖第三章 水塔水位系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計3.1 水位控制系統(tǒng)的流程圖3.2 PLC 控制梯形圖 本次設(shè)計PLC梯形圖如下所示 各段程序功能如下：1）系統(tǒng)啟動停止程序2）手動模式自動模式選擇程序3）液位顯示程序4）水池、水塔超上限報警及電機過熱報警程序5）電磁閥控制及水池無水報警程序6）電機M1控制程序7）電機M2控制程序8）水塔無水報警程序3.3 水位控制系統(tǒng)的具體工作過程假設(shè)系統(tǒng)初始運行時水塔、水池中都完全無水，6個液位指示燈全滅。系統(tǒng)啟動后程序的執(zhí)行是，先由PLC判斷操作人員選擇的是

18、手動操作還是自動操作，若為手動操作，則由工作人員由控制按鈕自行選擇兩個水泵電機以及電磁閥的開啟與關(guān)閉，當其中一個電機出現(xiàn)故障時工作人員可方便地自行切換電機。若選擇自動操作，則水池為液位低于水池下限位時，電磁閥打開，開始往水池里進水，如果進水超過10S，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警。若10S內(nèi)水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工作，水池下限位的指示燈HL3亮。此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，電機M1及M2開始同時工作并在兩電機開啟后10秒并延時2秒后實現(xiàn)星形電路與三角形電路的切換，電機全壓運行

19、向水塔供水，當水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈HL2亮，電磁閥就關(guān)閉，同時時時檢測水池液位是否超過超上限，若超過，則發(fā)出超上限報警，水泵電機開啟后定時10S，若水塔下限液位開關(guān)無信號輸入，則發(fā)出水塔無水報警，水塔下限有水后，水塔下限液位指示燈亮，水泵繼續(xù)供水給水塔，同時時時檢測水塔超上限液位開關(guān)是否有信號輸入，若有，則啟動水塔水位超上限報警，當兩水泵一起運行半小時后，水泵電機M2停止，另一水泵繼續(xù)工作，直至水池水位低于下限或者水塔水位高于上限，若水泵因水池水位低于下限而停止，則在自動工作的模式下重復以上工作過程直到水泵因水塔水位高于上限而停止，至此系統(tǒng)的整個工作過程結(jié)束。第四章 總

20、結(jié)通過本次的課程設(shè)計，我受益匪淺，也感觸良多。可以說是對以前學習的知識的挑戰(zhàn)與突破。在對這個設(shè)計的材料的搜索進行獨立搜索時，對于辦公軟件的應用有了進一步的提高。同時在對搜集的材料進行整核，結(jié)合所學理論知識，以及實際應用操作的情況下，提高了實際操作和獨立解決問題的能力。通過這次設(shè)計實踐。讓我更熟練的掌握了三菱的PLC軟件的簡單編程方法，對于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理論的運用中，也提高了我的工程素質(zhì)。剛開始學習三菱PLC軟件時，由于我對一些細節(jié)的不加重視，當我把自己想出來的一些認為是對的程序運用到梯形圖編輯時，問題出現(xiàn)了。轉(zhuǎn)換成指令表后則顯示不出很多正確的指令程序，這

21、主要是因為我沒有把理論和實踐相結(jié)合，缺乏動手能力而造成的結(jié)果，最后通過老師的糾正和自己的實際操作，終于把正確的結(jié)果做了出來，同樣也看清了自己的不足之處。設(shè)計過程中得到老師的意見和同學的提醒，再加上上網(wǎng)搜集到的資料，我也明白了不是每個問題都能自己解決的，只有通過自己努力以及別人的幫助才能把工作做得更好，古人說：三人行必有我?guī)?、思而不學則殆。所以說學習要善于向別人請教，學思結(jié)合。然而由于時間倉促，水平有限，本次課題僅僅實現(xiàn)了初步的功能，要運用于實際，還需要很大的完善。主要在調(diào)速問題上的研究，包括水位的有效可靠的自動控制。而且系統(tǒng)只用到了簡單的邏輯開關(guān)的控制，對于PLC的許多高級指令沒有應用到，同時

22、水泵電機的備用不夠合理，沒有使兩臺水泵完全平均地分擔工作量，此外在器件選型方面較為牽強，繪圖粗糙，部分程序及功能未能解釋清楚，這是本次設(shè)計較為明顯的不足，但通過這樣的查缺補漏，為下次的實踐提高了能力與效率。參考文獻1 漆漢宏 編 PLC電氣控制技術(shù) 北京： 機械工業(yè)出版社， 20082 三菱FX2N系列微型可編程控制器使用手冊 3 張萬忠. 可編程控制器應用技術(shù). 北京：化學工業(yè)出版社，2001 4 李俊季、趙黎明. 可編程控制應用技術(shù)實訓指導. 北京：化學工業(yè)出版社，2001 5 張桂香. 電氣控制與PLC應用. 北京：化學工業(yè)出版社，20036 鐘肇新、范建東. 可編程控制器原理及應用（第三版）. 廣州：華南理工大學出版社，20037 呂景泉. 可編程控制器技術(shù)教程. 北京：高等教育出版社，2000