電氣工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書 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(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)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(xué)單位 指導(dǎo)教師： 學(xué)號學(xué)生姓名（專業(yè)）班級10應(yīng)電 班設(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)。控制要求查閱相關(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1、PLC電氣控制技術(shù) 漆漢宏主編 機械工業(yè)出版社 20082、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(yīng)完成內(nèi)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(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報送院教務(wù)科一份。 2、學(xué)生那份任務(wù)書要求裝訂到課程設(shè)計報告前面。電氣工程學(xué)院 教務(wù)科 摘要 隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的進步，現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)水平逐步提高，電子技 術(shù)飛速發(fā)展，在繼電器控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一種新型的工業(yè)控制裝置可編程控制器。利用這種新型的工業(yè)控制裝置能夠更快更方便的完成一些任務(wù)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水位進行測量和控制。水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，因此急需一種能自動 檢測水位，并根據(jù)水位變化的情況自動調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。 本文采用PLC進行主控制，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)對水塔水位的自動控制。 關(guān)鍵詞：水位自動控制、水泵 、傳感器 目錄 摘要.3 目錄.4 第一章 緒論.5 1.1可編程控制器的簡介.5 1.2 PLC的工作原理.5 1.3 PLC的特點.5 1.4 PLC的選擇. .7第二章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計.7 2.1基于PLC水塔水位控制系統(tǒng)的基本原理.7 2.2水塔水位控制系統(tǒng)構(gòu)成及其控制要求.8 2.2.1水塔水位系統(tǒng)控制裝置圖.8 2.2.2水塔水位系統(tǒng)的控制要求.9 2.3水塔水位系統(tǒng)水位傳感器的選擇.10 2.4 水塔水位系統(tǒng)主電路設(shè)計.11 2.5水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出分配.13 2.6水塔水位系統(tǒng)硬件接線圖.14 2.7系統(tǒng)硬件元器件的選擇.15 第三章 水塔水位系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計.15 3.1水塔水位系統(tǒng)的具體工作過程 .15 3.2 水位控制系統(tǒng)的流程圖 .15 3.3 PLC控制梯形圖.17 第四章 課程設(shè)計總結(jié).22 參考文獻.23 第一章 緒論 1.1 可編程序控制器簡介 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電器接觸控制系統(tǒng)中觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點充分利用微處理器的優(yōu)點。1.2 PLC的工作原理 PLC的工作方式:采用循環(huán)掃描方式.在PLC處于運行狀態(tài)時,從內(nèi)部處理,通信操作,程序輸入,程序執(zhí)行,程序輸出,一直循環(huán)掃描工作.1.3 PLC的特點 (一) 高可靠性1. 所有的I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離2. 各輸入端均采用R-C 濾波器其濾波時間常數(shù)一般為1020ms.3. 各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾4. 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源5. 對采用的器件進行嚴(yán)格的篩選6. 良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況CPU立即采用有效措施以防止故障擴大7. 大型PLC 還可以采用由雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性進一步提高。(二) 豐富的I/O 接口模塊1. PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。2. 有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥。3. 直接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。(三) 采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數(shù)PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)，PLC 的各個部件包括CPU 電源I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。(四) 編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。(五) 安裝簡單維修方便PLC不需要專門的機房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行，使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC 相應(yīng)的I/O 端相連接即可投入運行，各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。1.4 PLC的選擇 目前PLC的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其I/O點的數(shù)量將 PLC分為三大類：小型機：256點以下（無模擬量）； 中型機：256 2048點（64 128路模擬量）； 大型機：2048點以上（128 512路模擬量）。 本實驗選擇FX2N系列PLC。由于輸入、輸出觸點數(shù)較少，只需選用一般中小型控制器即可。最終選擇FX2N-32M。擁有16個輸入點與16個輸出點。適合本次課題使用。 第二章 水塔水位控制系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計2.1基于PLC水塔水位控制系統(tǒng)的基本原理 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。在水塔水位檢測系統(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(dāng)水為低于最低值時PLC將啟動水泵向水塔中加水，當(dāng)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(fù)這個過程。2.2 水塔水位控制系統(tǒng)構(gòu)成及其控制要求2.2.1 水塔水位系統(tǒng)控制裝置圖 2.2.2 水塔水位系統(tǒng)控制要求1）保持水池的水位在S3S4之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān)S4，此時S3為ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng)30S以后，若水池水位仍然沒有超過水池下限液位開關(guān)S4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)S4為OFF，表示水位高于下限水位。當(dāng)液面高于上限水位S3時，則S3為ON，電磁閥關(guān)閉。2）保持水塔的水位在S1S2之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S2且水池水位不低于下限液位開關(guān)時，則水塔下限液位開關(guān)S2為ON，并驅(qū)動電機M開始工作，向水塔供水。當(dāng)30S以后，若水塔水位仍然沒有超過水塔下限液位開關(guān)S2時，則系統(tǒng)發(fā)出警報；當(dāng)S2為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān)S1時，則S1為ON，電機M停止抽水。當(dāng)水塔水位低于下限水位時，同時水池水位也低于下限水位時，電機M不能啟動。當(dāng)水塔水位高于水塔超高水位時，系統(tǒng)發(fā)出警報，當(dāng)水池水位高于水塔超高水位時系統(tǒng)發(fā)生警報。2.3 水塔水位系統(tǒng)水位傳感器的選擇 根據(jù)本設(shè)計的要求所選傳感器要求在水面和水底都可以使用，且要考慮到對水質(zhì)的影響，所以選擇超聲波液位傳感器U9ULS系列的 U9ULS10/100系列。U9ULS系列超聲波液位傳感器開關(guān)使用范圍非常廣。具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，另外沒有易損的活動部件，它不會受溫度、壓力、密度和液體類型等參數(shù)的影響。在大多數(shù)情況下，電子設(shè)備放在鑄鋁的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的殼體中。U9ULS具有以下特點：可應(yīng)用于多種液體中 可承受高達1000psi的壓力不受氣泡、蒸汽、雜質(zhì)后湍流等因素的影響。長度達121in(303.3cm)可安裝在側(cè)面、頂部或底部工作原理：U9ULS系列是給予超聲波理論工作的。當(dāng)超聲波在空氣中傳播時，會被嚴(yán)重衰減 相反地，如果在液體中傳播時，超聲波的傳播會被大大增強。電子控制單元發(fā)出一系列的電信號，傳感器將其轉(zhuǎn)化為超聲能量脈沖，并在被探測區(qū)內(nèi)傳播。當(dāng)另一端接到有效信號時，就發(fā)出數(shù)據(jù)有效的信號，表明有液體存在。這個信號輸送到繼電器，從而產(chǎn)生輸出信號。 U9ULS100系列產(chǎn)品具有性能優(yōu)異的傳感器探頭，可在溫度為300F和壓力為1000PSI的情況下良好的工作。 U9ULS10系列產(chǎn)品為更靠近池底，將頂端的探頭設(shè)計成缺口形狀。控制電路設(shè)計成小型，密封的結(jié)構(gòu)，可安裝在遠(yuǎn)程的控制地點。特點：10A的繼電器輸出115/230V AC，12V DC或24V DC輸入高增益。無需效準(zhǔn)，工作溫度可達300 長度可達151.5CM輸入電壓380/220V AC，50/60HZ或12/24V DCU9ULS10系列增益300：1U9ULS100系列增益1000：1U9ULS10系列輸出10 A DPDA繼電器滅火兩線制，4mA-干；20 mA- 濕U9ULS100系列輸出10 A DPDT繼電器延時0.5s重復(fù)性2mm外殼NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，環(huán)氧涂層，鑄鋁。2.4 水塔水位系統(tǒng)主電路設(shè)計 排水工程中常使用三相異步電動機， 水泵上的電動機一般都是單向旋轉(zhuǎn)有以下控制。在水塔水位檢測系統(tǒng)中通過水位傳感器檢測實際水位的高度，當(dāng)水位低于最低水位時向PLC發(fā)出信息啟動電機，經(jīng)過半分鐘檢測水塔水位是否提高來控制水泵的工作，當(dāng)水位達到上限水位時向PLC發(fā)出信息使水泵停止工作。水塔水位控制系統(tǒng)主電路圖如下水塔水位調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的水位傳感器，將水位值變換為電流信號進入PLC，然后執(zhí)行程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進行自動控制。QF:電源總開關(guān)，即可完成主電路的短路保護，又起到分段三相交流電源的作用，使用和維修方便。FU：熔斷器，實現(xiàn)對負(fù)載回路的短路保護。KM：電磁接觸器，控制電機M的啟動與關(guān)閉 。FR: 熱敏繼電器 實現(xiàn)過載保護。2.5 水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出分配 水塔水位控制系統(tǒng)PLC的輸入輸出接口分配輸入繼電器輸入變量名輸出繼電器輸出變量名X0主控開關(guān)Y0電機MX1水池上限液位開關(guān)Y1電磁閥繼電器X2水池下限液位開關(guān)Y2水池下限指示燈L1X3水塔上限液位開關(guān)Y3水池上限指示燈L2X4水塔下限液位開關(guān)Y4水塔下限指示燈L3X5水池水位超高液位開關(guān)Y5水塔上限指示燈L4X10電機過載保護熱繼電器Y6水池超高液位指示燈L5X6水塔水位超高液位開關(guān)Y7水塔超高液位指示燈L6X7停止按鈕Y13水池低水位報警指示燈L7Y14水池超高液位報警指示燈L8Y10水塔低水位報警指示燈L9Y11水塔超高液位報警指示燈L10Y12報警蜂鳴器2.6水塔水位系統(tǒng)硬件接線圖2.7系統(tǒng)硬件元器件的選擇 水塔水位系統(tǒng)元器件目錄表序號文字符號名稱數(shù)量規(guī)格型號備注1M電動機1立式離心泵LS40-32.1揚程30M,3KW,380V三相交流異步電動機2FR熱繼電器1JB16B-20/3參照電動機整定電流3FU熔斷器3RL1-15熔體210A4QF斷路器1C45AD脫扣電流10A5DB變壓器1BK-100電壓比1.732:1 AC220V6SB0主控開關(guān)1LAY37自保持開關(guān)7SB1停止按鈕1LA23-MT緊急停止按鈕8S1-S6超聲波液位傳感器6U9ULS10024V DC輸入9L1-10指示燈10AD16-22LED顯示DC24V10KM交流接觸器1DJX-9線圈電壓：AC220V11KA中間繼電器1AC220V12YA電磁閥1ZCT-50AAC 220V13HA報警蜂鳴器114PLC可編程序控制器1FX2N-32MR繼電器輸出第三章 水塔水位系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計3.1 水塔水位系統(tǒng)的具體工作過程 當(dāng)水池中的水位傳感器檢測到水池水位低于下限水位時，打開電磁閥向水池中注水，若30秒后水池水位仍低于下限水位則報警器報警，并且低水位報警顯示燈點亮，若水池水位30秒后不低于水池下限，則繼續(xù)向水池內(nèi)注水，水池水位到達上限水位后關(guān)閉電磁閥，若注水的過程中水池水位高于了水池超高液位，則報警器報警，并且超高液位報警指示燈亮。在水池水位不低于下限水位時，若此時水塔水位低于下限則開啟電動機從水池向水塔內(nèi)抽水，若30秒后水塔水位低于下限水位則報警器報警，水塔低水位報警指示燈點亮，若水塔水位不低于下限水位則繼續(xù)注水，到達上限水位后關(guān)閉電機，若檢測到水塔水位超過超高液位則報警器報警，超高液位報警指示燈點亮。3.2 水位控制系統(tǒng)的流程圖3.3 PLC控制流程圖 第四章 課程設(shè)計總結(jié) 本次課程設(shè)計使我受益良多，由最初看到題目時的茫然到最終做出結(jié)果，此期間心理和身體上的壓力是對我的又一次考驗。通過不斷查閱資料和認(rèn)真思考我一步步的把水塔水位控制系統(tǒng)這個課題設(shè)計了出來，這是我的又一次成功，我覺得非常有成就感。 通過這次的實踐讓我更熟練的掌握了三菱FX的PLC軟件編程方法，并從中學(xué)會了如何使用Visio畫圖軟件和Developer編程軟件，使我的知識面再次拓寬。在理論運用當(dāng)中也提高了我的工程素質(zhì)，在最初使用三菱軟件時，由于知識掌握不牢固，我的編程中出現(xiàn)了雙線圈輸出，導(dǎo)致變換后調(diào)試時出現(xiàn)了問題，這是由于我無法做到理論與實踐相結(jié)合，知識掌握不牢靠，理解不深入，最后通過請教同學(xué)才使得問題得到了解決。此次課程設(shè)計是對我專業(yè)知識的一次考驗，通過本次課程設(shè)計我對已學(xué)過知識有了進一步的理解和掌握。 短暫而又忙碌的PLC課程設(shè)計結(jié)束了，雖然每天都在緊張中度過，但是我覺得很充實。在此過程中每天老師們都前來為我們解決問題和我們共同努力，對于老師們我表示真心的感謝。 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 李俊季、趙黎明 可編程控制應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)指導(dǎo) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 20014 張桂香 電氣控制與PLC應(yīng)用 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2003電氣工程學(xué)院課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語： (1)、學(xué)習(xí)態(tài)度及平時表現(xiàn) ( 出勤等) A B C D E(2)、查閱資料，分析、解決問題的能力 A B C D E 平時成績： 2013年 7 月 1 日圖面及其它成績：(1)、結(jié)構(gòu)合理、 層次分明， 書寫規(guī)范：A B C D E(2)、基本概念正確， 分析與論述清楚：A B C D E(3)、圖紙(插圖)簡明清晰、電氣符號規(guī)范：A B C D E圖面及其它成績： 2013年 7 月 1 日答辯小組評語：(1)、語言敘述思路清晰、表達清楚：A B C D E(2)、基本概念正確、設(shè)計方案合理：A B C D E(3)、基礎(chǔ)知識扎實、回答問題準(zhǔn)確：A B C D E答辯成績： 2013年 7 月 1 日課程設(shè)計綜合成績：答辯小組成員簽字： 2011年 7 月 5日25