基于PLC的水塔水位控制系统设计.docx

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1、基于PLC的水塔水位控制系统设计 本科毕业设计（论文） 题目基于可编程控制器的水塔 水位控制系统设计 学生姓名 专业班级 学号 院（系） 指导教师 完成时间 本科毕业设计任务书 题目基于可编程控制器的水塔水位控制系统设计 专业学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 水塔是确保生活用水、生产用水的重要装备之一。鉴于此，本课题拟以西门子公司S7-200系列可编程控制器以及水位传感器为核心器件，实现水塔水位的测量、显示以及水位控制。要求如下： 1. 查阅技术资料，研究论证水塔水位控制系统构成方案； 2. 论证并选择水塔水位传感器； 3. 硬件方案、输入/输出点数确定以及相关硬件电路设计； 4

2、. 进行PLC软件设计与调试； 5. 模拟调试； 6. 相关技术文档整理和毕业设计说明书编写。 主要参考资料： 1现代电气控制及可编程控制器技术相关著作教材； 2其他文献资料若干。 完成期限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 年月日 基于可编程控制器的水塔水位控制系统设计 摘要 在恒压无塔供水系统取得较大发展的今天，传统的水塔供水系统以其低廉的价格和操作的简便在工农业生产和日常生活中仍然具有广泛的应用，在对水压要求不高以及水位现场高度较低的情况下，以用水塔进行供水为主。本系统采用西门子公司生产的S7-200系列可编程控制器作为控制核心，用液位传感器采集水塔现场的水位信号，通过文本显示器设定或

3、显示相关参数，利用可编程控制器的继电器输出控制水泵对水塔供水或停水，使水塔水位保持在相对稳定的范围，保证工农业生产的顺利进行和日常生活中对用水的需求。 关键词过程控制PLC 水塔水位 DESIGN OF WATER TOWER LEVEL CONTROLLING SYSTEM BASED ON PLC ABSTRACT In the time of constant pressure without tower water systems have achieved a greater development, the traditional water tower water supply

4、system for its low price and simplicity of operation in industrial and agricultural production and daily life is still widely used,in water pressure less demanding and water level in the scene at low altitudes, the main supply of water with a water tower. This system use Siemens S7-200 series progra

5、mmable controller as its control unit,and use the signal level sensor to collect the water level of the water tower site, then through the text display to setting or display the parameters, the relay output of programmable controller to control pump the water tower water supply start or stop, make t

6、he water tower water level maintained at a relatively stable range, to makesure the smooth progress of the industrial and agricultural production and daily life in the demand for water. KEY WORDS process control PLC water level of tower 目录 中文摘要 . I 英文摘要 . II 绪论. (1) 1 S7-200可编程控制器 (3) 1.1 S7-200可编程控

7、制器的组成 (3) 1.2 S7-200可编程控制器的工作原理 (5) 2 液位传感器的选型 (7) 2.1 液位传感器的分类及选用方法 (7) 2.2 静压投入式液位传感器的工作原理 (7) 3 硬件方案的设计 (9) 3.1 总体方案 (9) 3.1.1 控制方案的分析 (9) 3.1.2 控制系统的I/O点及地址分配 (9) 3.2 PLC系统的选型 (9) 3.2.1 CPU模块 (9) 3.2.2 扩展模块 (10) 3.2.3 文本显示器 (10) 3.3 电源的设计 (11) 3.4 硬件接线图 (11) 3.5 主电路接线图 (11) 3.6 元器件清单 (12) 4 软件的设

8、计 (13) 4.1 程序流程图 (13) 4.2 文本显示器的组态 (13) 4.3 程序设计 (18) 4.3.1 主控制程序 (18) 4.3.2 液位显示程序 (18) 4.3.3 液位上下限值设定程序 (19) 4.3.4 液位上下限设定值限制程序 (20) 结束语 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23) 绪论 (1) PLC控制技术的发展过程 20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和

9、反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，

10、PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 (2) 课题研究现状及意义 我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着

11、实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前，我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动 化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。 我国供水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一。在体制上，供水企业体制的变革已成为市场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。优质供水是水工业市场化发展的新增长点，同时要倡导节约用水，提高水的重复

12、利用率，并逐步建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。 水塔是确保生活用水、生产用水的重要装备之一。水塔供水是将水体置于一定的高度，依靠大气压力将水体通过管道送至需水现场，其过程本身并不复杂，但是实现水位的稳定，并且能够自动调节，是一项重要的任务。本课题之所以选择以水位控制作为研究对象，就是基于我国水工业生产过程中对水位控制的需求，高效并且实用的水位控制系统不仅能为工业生产和日常生活提供良好的用水保证，同时也能起到保护水资源的作用。 (3) 课题研究的主要内容 本课题的研究是以西门子公司生产的S7-200系列PLC及其相关产品为基础的，主要进行两个方面的研究：

13、一是PLC在实际生产中的应用，对模拟信号进行处理及对继电器输出的控制；二是研究水位控制中如何保证水位的稳定，以及通过相关设备对设定的参数进行显示及修改，实现生产过程与人的良好交流。 1 S7-200可编程控制器 1.1 S7-200可编程控制器的组成 S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。 其基本构成为： (1) 电源 可编程控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

14、PLC一般使用220V的交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。 图1-1 PLC的基本结构 (2) 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程控制器的控制中枢。它按照可编程控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然 后从用户程序存储器中逐条读取

15、用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 (3) 存储器 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序，并固化在ROM中，用户不能更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作，。系统程序的内容主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。 用户存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。用户程序存储器用来存

16、储用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM、EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用期间的ON/OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。 (4) 输入/输出单元 PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入/输出接口单元包含两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和

17、处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其他元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行原件。 (5) 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。 (6) 通信模块 为了实现“人机”或“机机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。 PLC通过这些通信接口可以与显示设定单元、触摸屏、打印机相连，提供方便的

18、人机交互途径；也可以与其他的PLC、计算机以及现场总线网络相连，组成多机系统或工业网络控制系统。 1.2 S7-200可编程控制器的工作原理 当可编程控制器投入运行后，其工作过程可分为三部分。第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

19、第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。 PLC工作过程的中心内容包括三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 图1-2 PLC扫描周期示意图 (1) 输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输