水塔水位控制,包括液位调节,组态演示

PLC课程设计(论文)

题目名称: 水塔水位自动控制系统设计 系 别: 电气信息工程学院 专业/班级： 自动化10101 学 号： 43810612 姓 名： 秦海龙 指导教师： 张丽杰

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目录

目录........................................................................................................................................... 2 前言........................................................................................................................................... 3 1.系统方案....................................................................................................................................... 5 2.系统组成....................................................................................................................................... 6

1.1、系统工作原理框图 ................................................................................................. 6 1.2、功能原理 ................................................................................................................. 6

3.系统电源电路设计 ....................................................................................................................... 7

1.1电源电路工作过程 .................................................................................................... 7 1.2液位传感器电路设计 ................................................................................................ 8 1.3报警显示电路设计 .................................................................................................... 9

4.系统电路设计 ............................................................................................................................. 10

1.1系统主干电路 .......................................................................................................... 10 1.2系统手动电路 .......................................................................................................... 10 1.3系统自动电路 .......................................................................................................... 11

5.系统运行总体过程 ..................................................................................................................... 12 6.水塔水位系统PLC硬件设计 ..................................................................................................... 13

1.1、水塔水位系统控制电路 ....................................................................................... 14 1.2、输入/输出分配 ..................................................................................................... 14

7.水塔水位控制系统PLC软件设计 ............................................................................................. 14

1.1、程序流程图 ........................................................................................................... 14 1.2、梯形图 ................................................................................................................... 15 1.3、系统程序的具体分析 ........................................................................................... 17

8. 组态软件概述 ........................................................................................................................... 18

1.1、 建立WINCC组态画面 ......................................................................................... 18 1.2 、画面演示 ............................................................................................................. 19

参考文献......................................................................................................................................... 26 致 谢......................................................................................................................................... 27

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前言

水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点。在水资源日益匮乏的今天，节约用水、提高水资源的利用率就显得十分必要。传统的水塔水位控制为粗放式的，基本没有对水泵的合理控制，且多为人为控制，工作强度大、危险。所以除了浪费电能外，还造成了人力资源的浪费。采用新型的PLC控制供水方式与过去旧的控制方式相比在运行中的经济性、可靠性、稳定性、等方面有显著优势，特别是在提倡低碳的情况下有很好的节能效果，且由于PLC强大的扩展性可以适应今后城市供水建设的发展。

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摘要：本文采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、

高使用的水塔水位控制器。采用电容式液位传感器进行检测，采用独立的电路实现超高、低水位水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液位储存的理想设备。

关键词 可编程逻辑控制器（PLC） 自动控制系统 水塔水位

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1.系统方案

目前在用的水位控制方式主要有以下种： 1）电极式水位控制系统：

使用多个电极线与水面接触，探测水位。 优点：价格便宜。

缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位，探测电极容易腐蚀，安装不便，如有污物粘附在电极上，会使水位失控。

2）浮球水位控制器

分为管式浮球与缆浮球。管式浮球适合清水及粘度不大的液体。缆浮球适合污水。

优点：价格适中，可以做出高、低、超高、超低四点控制。

缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位；浮球上易粘附污物，使浮球不能可靠动作，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象，结果都是系统失控；调整控制点很不方便。

3）液位变送器+智能控制器方式

优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。

缺点：价格高。 4）超声波液位控制器

优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。探头不与待测物质接触，适合污水及有毒有害液体的液位控制。

缺点：价格高。不适合水面有大量气泡的场合

通过以上对不同液位传感器性能的分析和设计任务书的设计要求，本设计选

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择电极式液位传感器组成液位自动控制系统。其特点为，液位自动控制，不溢出，不缺水，无需人值班看守；其工作原理是，通过无缝钢管筒体内所安装预先设定的不同长度的不锈钢电极棒，在水位变化过程中与水接触或脱离，从而传递信号给后续电路，通过后续电路实现液位显示、自控、满水、故障报警等，达到确保安全运行，减轻劳动强度的目的。系统电路简单，低成本，符合国家卫生标准。

2.系统组成

1.1、系统工作原理框图

系统工作原理框图如图1所示：

图1 系统组成框图

由系统框图可以看出水塔水位控制系统中备有水位检测系统，水位低于下限水位时，启动水泵抽水，如果没有启动则开始报警；水位高于上限水位时，水泵停止抽水，如果水泵继续工作则报警，实现水塔水位的自动控制，并能自动完成上水与停水的全部工作循环，保证水塔的水位高度始终处于较理想的范围。 1.2、功能原理

电极式传感器安装在容器的上方，电极插入液体（分高液位、低液位），使高液位电极对准液体的上限，低液位电极对准液体下限。测量时，电极上通有信

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号电压，当水位上升接触到高液位电极时，该电极就把信号电压传输给后续电路，从而控制继电器开关停止蓄水。当水位下降到离开下液位电极时，该电极就没有信号传送给后续电路，继电器开始接通蓄水。因此通过水与电极接触与不接触，便可以正确测量出水位高低位置，控制水位的高低，保证用户能不断用水。水箱示意图如图2：

图2 水箱示意图

1） 采用分立元件实现控制系统； 2） 液位传感器采用电极式液位传感器； 3） 系统电源220V/50Hz市电；

3.系统电源电路设计

1.1电源电路工作过程

电源电路由变压器将220V/50Hz电变为18V，经过二极管整流与C1的滤波作用，再经过w7812稳压、C0的滤波可获得纹波很低的直流（DC）12V电压。 直流稳压电路如图所示：

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1.2液位传感器电路设计

电极式液位传感器的基本原理是利用液体水有一定导电性的物理性质，设置长度不等的三根导体作为具有相应功能的电极，利用液位变化的状态所形成的信号来完成液位变化转换成相应电信号变化的电极式液位传感器的功能。

液位传感器示意图如图所示：

液位传感器示意图

电极式液位传感器具有简单、传递可靠等特点，本设计是由一个绝缘体支架安装在水塔底部，在不同位置放置相应的传感极，最底端为供电电极，为上面的电极提供电信号，当水位到达相应的位置时所形成的电信号，就传递给后续电路，从而控制电动机的转停。

主要技术参数:

1. 使用介质:非腐蚀性液体,比重≤1 2. 工作压力：≤2.5Mpa

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3. 工作温度：≤250℃

4.相对湿度：≤85％ 1.3报警显示电路设计

（1）报警部分：报警电路是一个系统中必不可少的部分，它起到安全警

告、预防祸患的重大作用。

本设计的报警电路结构比较简单，由蜂鸣器与热继电器、交流接触器的触点组成，此报警电路只有在水位处于下限水位以下而电机仍然没有工作和上限水位以上但是电机没有停止工作的情况下报警。具体分析如下：

当水位下降至下限水位以下时，接头G得电（接头E为低电位）如果此时交流接触器KM1没有动作即控制线路出问题或者是电动机出现故障（监测点出自于热继电器FR）,那么报警电路就会被接通，从而开始报警；

当水位上升至上限水位以上时，接头F得电如果此时交流接触器KM1没有复位，那么报警电路也就会被接通，从而开始报警。

报警电路电路图如图所示：

液位传感器示意图

（2）显示部分：此设计的显示部分由发光二极管组成，图示见自动电路原理图，具体分析如下：

当水位在下限水位以上时，则三极管V1导通，从而使发光二极管D1导通，点亮，表示水位处于低水位以上；

当水位超过上限水位时，则三极管V2导通，从而使发光二极管D3导通，点

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亮，表示水位处于高水位以上。

指示灯D1亮，D3不亮表明水位处于正常状态；D1不亮表明处于缺水状态；D3亮表明处于过满状态。

4.系统电路设计

1.1系统主干电路

系统主干电路主要由电动机M、热继电器FR、熔断器FU、交流接触器常开

触点KM1，KM2和开关QS组成。

熔断器FU短路保护，热继电器FR过载保护，交流接触器KM1，KM2控制电路。系统主干电路如图所示：

主干电路原理图

1.2系统手动电路

手动操作是将转换开关SA转换到2号位置，按下按钮SB2，交流接触器KM2得电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；停止时按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电机停止工作。手动电路如图所示：

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手动电路原理图

1.3系统自动电路

在水箱中有两只检测探头"A"和"B"，其中"A"是下限水位探头，"B"是上限水位探头，12V直流电源接到探头"C"，它是水箱中储存水的最低水位。 下限水位探头"A"连接到晶体管V1(BC547)的基极，其集电极连到12V电源，发射极连到继电器K1，继电器Kl接入与非门N1的第①脚。同样，上限水位探头"B"接到晶体管V2的基极(BC547)，其集电极连到12V电源，发射极经电阻R3接地，并接入与非门N2第①、②脚，与非门N3的输出第③脚和与非门N1的第②脚相连，N3第②脚输入端接到N1第③脚输出端，并经电阻R4与晶体管V3的基极相连，与晶体管V3发射极相连的继电器K2用来驱动电动机M。当水箱向水位在探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，N1输出高电平，晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，因而电动机工作，开始将水抽入水箱。当水箱的水位在探头A以上、探头B以下时，水箱中的水给晶体管V1提供了基极电压，使V1导通，继电器Kl得电吸合N1第①脚为高电平，由于晶体管V2并无基极电压，而处于截止状态，N2第①、②脚输入为低电平，第③脚输出则为高电平，而N3第②脚输入端仍为高电平，因而N3第③脚输出则为低电平，最终N1第③脚输出为高电平，电动机继续将水抽入水箱。当水箱的水位超过上限水位B时，晶体管V1仍得到基极电压，继电器Kl吸合。N1第①脚仍为高电平，同时，水

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箱中的水也给晶体管V2提供基极电压使其导通，N2第①、②脚输入端为高电平，第③脚输出端为低电平，N3第③脚输出端为高电平，N1第③脚最终输出低电平，使V3截止 电动机停止抽水。系统自动电路原理图如图所示：

自动电路原理图

若水位下降低于探头B但高于探头A，水箱中的水依然供给晶体管V1的基极电压，继电器Kl继续吸合，使N1第①脚仍为高电平，但晶体管V2不导通，N2第①、②脚输入端为低电平，其第③脚输出端为高电平，N3第②脚为低电平，则N3第②脚输出为高电平，最终N1第②脚输出端继续保持低电平，电动机仍停止工作。若水位降到探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，与非门N1输出高电平，驱动继电器K2 电动机又开始将水抽入水箱。

5.系统运行总体过程

本设计分为手动与自动两个部分。

手动：将转换开关SA转换到2号位置，按下按钮SB2，交流接触器KM2得

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电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；根据需要情况停止供水按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电动机停止工作。

自动：将转换开关SA转换到1号位置，一开始水位比较低处于下限水位A以下，根据控制电路可知，晶体管V1与V2均不导通，在与非门的作用下晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，后继电器K3得电动作，使交流接触器KM1得电，常开触点闭合，电动机工作。如果此时电动机故障使热继电器动作（或交流接触器没有动作），那么报警系统工作，开始报警，提示工作人员水塔出现故障；当水位上升到下限水位A以上时，晶体管V1导通，但由于与非门的作用，晶体管V3仍然处于导通状态，所以电机还是工作，继续给水塔供水。此时显示系统工作指示灯D1点亮，表明水位处于下限水位以上；当水位上升到上限水位以上时，晶体管V1、V2均导通，在与非门的作用下，晶体管V3截止，继电器K2、K3复位，交流接触器KM1失电，常开触点断开，电动机停止工作。如果电动机没有停止工作，那么报警系统开始报警，提示工作人员水塔故障。此时显示系统也工作点亮指示灯D3，表明水位处于上限水位以上。

6.水塔水位系统PLC硬件设计

水塔水位控制系统结构图如图所示

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1.1、水塔水位系统控制电路

水塔水位控制系统电路图 1.2、输入/输出分配

水塔水位控制系统I/O分配表见表。

表3.1 水塔水位自动控制系统I/O分配表

输入

操作功能 启动按钮 停止按钮 液位传感器s4 液位传感器s3 液位传感器s2 液位传感器s1

地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

输出

操作功能 Y阀 故障指示灯 水泵M

地址 10.02 10.03 10.04

7.水塔水位控制系统PLC软件设计

1.1、程序流程图

水塔水位控制系统的流程图，根据设计要求控制流程图如图：

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水塔液位自动控制系统流程图

1.2、梯形图

PLC控制程序用CX-Programmer编程软件开发。CX-Programmer是OMRON公司PLC的软件编程﹑调试的工具程序，其运行在Windows操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足[1]。CX-Programmer编程软件支持模块化设计，在程序编写时可以直接将编写好的程序通过RS-232C传送到PLC来控制现场设备。根据程序流程图设计的梯形图如图

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所示：

水塔水位控制系统梯形图