基于plc的水塔水位自动控制设计

摘要................................................................. I 第1章绪论. (1)

1.1选题的背景与意义 (1)

1.2可编程逻辑控制器简述 (1)

第2章系统总体设计 (2)

2.1水塔水位控制系统设计 (2)

2.2水塔水位控制系统基本工作原理 (3)

2.3水塔水位控制系统主电路设计 (4)

第3章系统硬件设计 (5)

3.1 硬件选型 (5)

3.1.1 PLC的选择 (5)

3.1.2水泵的选择 (6)

3.1.3液位开关的选择 (6)

3.1.4电气保护器件选择 (7)

3.2 I/O口的分配及PLC外围接线 (8)

第4章软件设计 (12)

第5章仿真 (14)

结论 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

摘要

目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。因此，不少单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成不便。利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。

本文采用的是三菱FXZN型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，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。

关键词：水位自动控制、三菱FX2N 、传感器

第1章绪论

1.1选题的背景与意义

在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC控制技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。

1.2可编程逻辑控制器简述

可编程控制器（为了与个人计算机(personal computer)区别，一般将可编程控制器称为逻辑控制器(Programmable Logic Controller)）是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。具有可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长等特点。

第2章系统总体设计

2.1水塔水位控制系统设计

整个系统由水位检测系统，一台PLC和水泵以及若干部件组成，如图2-1所示。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。

图2-1 基于PLC的供水系统原理框图

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水塔水位控制系统基本工作原理

E-4

水池

图2-2 水塔水位控制装置图

1）水塔供水系统的一般装置如图2-2所示，应当保持水池的水位在S2~S3之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为OFF，控制电磁阀打开，开始往水池里注水，当10S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S3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S3为ON，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭,同时检测水池液面是否会超过超上S1处，若超过，则水池水将溢出，S1液位开关为ON,向PLC发出信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。

2）保持水塔的水位在S5~S6之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S6时，则水塔下限液位开关S6为OFF，则驱动电机M开始工作，向水塔供水，电机启动10秒后，若S6仍旧为OFF，则发出水塔下限无水报警。当S3为ON时，表示水塔水位高于水塔下限水位水泵继续抽水给水塔。当水塔液面高于水塔上限水位开关S5时，则S5为ON，水泵停止抽水，同时检测水塔液面是否会超过超上S4处，若超过，则水塔水将溢出，S4液位开关为ON,向PLC发出信号启动上限报警，提醒工作人员立即排除故障。

3）当水池水位也低于下限水位时，水塔水位是否低于下限，电机M都不能启动。

2.3水塔水位控制系统主电路设计

图2-3 水塔水位控制系统主电路

1）本次设计使用了两个水泵，通过程序控制当水塔下限无水且水池下限有水时同时启动将水池中的水抽向水塔，并通过定时在两水泵同时运行一段时间后停止其中一个水泵，通过这种工作方式可以在较大地减少用户缺水的情况，提高了供水的可靠性及效率，同时停止的水泵作为继续工作水泵的暗备用，在另一水泵出现故障之后，通过PLC程序实现手动切换，这样既保证供水系统有备用水泵, 又有效地防止因为备用电机长期不用发生锈堵转现象, 提高了设备的综合利用率, 降低了维护费用，整个供水系统性能得到极大提高。

2）本次设计选用的水泵额定功率大，初始运行时的起动电流较大，故在主电路中设置Y—Δ减压起动，以防止起动时过电流，通过软件自动实现电路切换。此外在水泵电机供电回路中通过热继电器及熔断器设置必要的热继电保护及过电流保护，保护电机的同时减小电机故障的影响范围。

第3章系统硬件设计

3.1 硬件选型

本系统用到的部件：核心器件plc，水泵，液位检测开关及电气保护器件。

3.1.1 PLC的选择

可编程控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同，基本组成如图3-1所示。

图3-1 Plc结构示意图

本系统为单体控制系统，对控制功能无特殊要求，同时本次设计所需输入输出总点数介于32点与48点之间，因此选用三菱公司生产的FX2N-48MR-001型PLC，其具有结构紧凑，价格低廉，有极高的性价比，适用于小型控制系统的特点，该型号PLC为继电器输出型，输入输出点数各24个点，多余端子作为备用。

3.1.2水泵的选择

选择水泵的一般原则为：

1、满足流量和扬程的要求；

2、水泵机组在长期运行中，水泵工作点的效率最高；

3、按所选的水泵型号和台数设计的水泵站，要求设备和土建的投资最小；

4、便于操作维修，管理费用少。

而一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，同时因两水泵互为备用，故综合考虑后将两水泵电机额定功率都选为11KW，型号为Y2-160L-6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。技术参数如表3-1：

表3-1 Y2-160L-6型号水泵技术参数

3.1.3液位开关的选择

因为本次设计中水池及水塔中各有3处需要检测水位信号，因此选用欧姆龙公司生产的61F-GN-G型电极式液位开关。一旦电极接触到液体，通过液体可以闭合电路，根据流过的电流检测可知液位控制的动作原理，是以所谓的导电性液体为控制对象的液位开关。进行检测时，直接检测液体的电极间电阻，根据大于或小于已设定的电阻值，来判断有无液面,61F-GN-G型电极式液位开关含有三个电极正好用于本系统水位的检测，同时其ON电流在4.5mA以下且OFF电流1.5mA以下满足所选PLC的输入性能指标，故较为合适。61F-GN-G型电极式液位开关（紧凑式嵌入型）节省空间，设计维护简单，高49.4mm×宽38mm×厚84mm，带有LED动作显示，工作状态一目了然。

61F-GN-G型电极式液位开关的技术参数如下：

表3-2 欧姆龙61F-GN 型开关技术参数表

3.1.4电气保护器件选择

1、熔断器的选择

采用熔断器熔体作为三相异步电动机的短路保护装置，只有在熔体容选择适当的情况下，才能起到保护作用。如果所选熔体的额定电流太小(如等于电动机的额定电流)，则电动机启动时，熔体会因电流较大而很快熔断，使电动机无法启动。如果所选熔体的额定电流过大(如等于电动机的启动电流)，虽电动机启动时熔体不会烧断，但在电动机运行中发生短路故障时，熔体起不到保护作用(不熔断)。因此,必须合理地选用熔断器的熔体。

选用熔体和熔断器应遵循电动机的启动电流，因为熔断器熔体电流应大于等于两倍的电机额定电流，因此电动机供电回路选用熔体电流为50A 的熔断器。

2、热继电器的选择

电机额定电流为24.23A ，故选JR20-25/5T 型热继电器，整

合电流21—25A 。 3、接触器的选择

同理，根据电机额定电流，并查手册后选择CJ20-25接触器。

表3-3接触器型号参数

3.2 I/O口的分配及PLC外围接线

1、PLC的输入接口分配表

表3-4 PLC的输入接口分配表

2、PLC的输出接口分配

表3-5 PLC的输出接口分配表

3、水塔水位控制器外观图如下

图3-3水塔水位控制器外观图

4、系统I/O硬件接线图

根据PLC输入、输出点地址分配表，水塔水位控制系统的I/O接线图如下:

启动按钮

手动操作

旋钮

自动操作旋

钮

水池开关

信号

水塔

开关

信号

电磁阀手

动旋钮

泵手动旋

钮

图3-4 系统I/O接线图

第4章软件设计

通过系统设计要求，得出水塔水位控制系统流程图如下所示：

图4-1水位控制系统流程图

假设系统初始运行时水塔、水池中都完全无水，6个液位指示灯全灭。系统启动后程序的执行是，先由PLC判断操作人员选择的是手动操作还是自动操作，若为手动操作，则由工作人员由控制按钮自行选择两个水泵电机以及电磁阀的开启与关闭，当其中一个电机出现故障时工作人员可方便地自行切换电机。

若选择自动操作，则水池为液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过10S，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若10S内水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯HL3亮。此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机M1及M2开始同时工作并在两电机开启后10秒并延时2秒后实现星形电路与三角形电路的切换，电机全压运行向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯HL2亮，电磁阀就关闭，同时检测水池液位是否超过上限，若超过，则报警，水泵电机开启后定时10S，若水塔下限液位开关无信号输入，则发出水塔无水报警，水塔下限有水后，水塔下限液位指示灯亮，水泵继续供水给水塔，同时时时检测水塔超上限液位开关是否有信号输入，若有，则启动水塔水位超上限报警，当两水泵一起运行半小时后，水泵电机M2停止，另一水泵继续工作，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，则在自动工作的模式下重复以上工作过程直到水泵因水塔水位高于上限而停止，至此系统的整个工作过程结束。

第5章仿真

通过梯形图设计，下面三菱PLC编程软件GX Developer 7.08版与仿真软件GX Simulator 6 对程序的各个部分进行了仿真及调试结果如下:

（1）系统的启动停止程序

图5-1系统的启动停止程序

此设计为了方便，在系统启停控制中用了一个辅助继电器M0，如图5-1所示。当按下启动按钮X0时，M0带电，M0的辅助触点动作，既长开触点闭合，常闭触点断开。

（2）手动模式自动模式选择模式

图5-2手动模式自动模式选择模式

本水塔水位自动控制系统考虑到会发生故障，故设置了手动控制，此程序采用手动自动互锁，如图5-2所示。当启动按钮X0闭合，M0带电，其触点动作，

常开触点闭合。按下X3按钮，则系统执行自动控制，相应辅助继电器M2带电动作；按下X2按钮，执行手动控制，相应辅助继电器M3带电，其触点动作。

（3）水池、水塔超上限及电机过热报警程序

图5-3 水池、水塔超上限及电机过热报警程序

当液位到达水池上限时，液位开关（X4）闭合，Y12动作，，此时系统发出报警提示；当液位到达水塔上限时，Y14动作，，此时系统发出报警提示；当电机运行时出现过热现象，会使继电器动作即X15闭合，Y11动作，发出报警，提示工作人员处理故障。

（4）液位显示模式

图5-4液位显示模式

当液位到达水池下限液位开关时，液位开关相应触点闭合，即X6闭合，相应指示灯Y2亮，我们能够清晰的看到水池水位的位置。同理，当液位到达水池中水位（X5）、水池高水位（X4），及水塔高水位（X7）、中水位（X10）、低水位（X11）相应的指示灯都会亮，这样我们就很清晰地看到水池及水塔液位，以便于控制。

（5）电磁阀控制及水池无水报警程序

图5-5电磁阀控制及水池无水报警程序

当自动控制系统启动后，电磁阀继电器Y10动作闭合，水池开始注水，按预设10S后水池水位未达到下限，则Y13动作，即水池低水位报警，提示工作人员处理。

（6）水塔无水报警程序

图5-6水塔无水报警程序

当水池水位高于下限，水泵开始往水塔里面抽水即Y0动作，如图5-6所示。按预设10S后水塔水位未达到下限，则Y15动作，即水塔低水位报警，提示工作人员处理。

（7）电机M1控制程序

图5-7电机M1控制程序

本次设计选用的水泵额定功率大，初始运行时的起动电流较大，故在主电路中设置Y—Δ减压起动，当水池达到低水位后，水泵先以星型运行即Y16动作，20s后以三角型方式运行，即Y17动作。

（8）电机M2控制程序

图5-8电机M2控制程序

M2与M1的启动方式一致，当两水泵一起运行半小时后（此由于时间关系，仿真时用30s），水泵电机M2停止。

通过以上各部分的仿真及调试，此梯形图能符合本系统设计的要求，并能实现水塔水位自动控制、电磁阀手动控制、电机热保护、液位显示及报警功能。

结论

通过这次设计实践，我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始设计编写程序时，我把自己想出来的一些认为是对的程序进行梯形图编辑，问题出现了。转换成指令表后则显示出很多不正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，最后通过反复的调试修改，终于把正确的结果做了出来。

本次课题仅仅实现了初步的功能，要运用于实际，还需要很大的完善。而且系统只用到了简单的逻辑开关的控制，对于PLC的许多高级指令没有应用到，同时水泵电机的备用不够合理，没有使两台水泵完全平均地分担工作量，此外绘图粗糙，这是本次设计较为明显的不足。不过设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了每个问题能够得到很好的解决，只有通过自己不断地学习及向别人的学习，古人说：三人行必有我师、思而不学则殆。所以说学习要善于向别人请教，学思结合。这也是我在这次课设中重大收获，同时也感谢老师的指导及同学的帮助。