水箱液位控制系统设计

毕业论文

题目：水箱水位的DCS控制的设计

系部电气工程系

专业名称机电设备维修与管理班级机修 09 姓名孟凡松

学号 20090860 指导教师杨斌山

摘要

设计和实现了一种采用可编程序控制器为主控制机的供水控制系统。该控制系统是在传统水箱供水的基础上，加入了DCS、变频器等器件组成，能够实现水箱水位的供水。详细论述了系统硬件结构、操作流程和控制方法，以及各器件之间的协调控制方法，实现了对水箱水位的自动控制，提高了供水质量。

关键词：DCS(Programmable Logic Controller)

目录

一概述 (1)

二水箱供水自动控制系统方案设计 (2)

设计方案 (2)

三水箱水位自动控制系统设计 (3)

1水泵电动机控制电路的设计 (3)

2水位传感器的选择 (5)

四水箱水位自动控制系统的组成 (6)

1、系统构成及其控制要求 (6)

2系统框图 (7)

五 DCS的设计 (8)

1可编程序控制器(DCS)简介 (8)

2DCS工作原理 (8)

3DCS的编程语言--梯形图 (10)

4SYSMAC-C系列P型机概述 (11)

5水箱水位自动控制系统的软件设计 (12)

六结束语（系统总结分析） (17)

1系统的优点 (17)

2结束语 (17)

参考文献 (19)

致谢 (20)

水箱水位的DCS控制系统设计

一概述

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。传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应水工业发展的需要，而水工业学科体系正是在给水排水工程学科体系发展而来。由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。

二水箱供水自动控制系统方案设计

设计方案

设水箱、水池初始状态都为空着的，液位指示灯全亮。当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，电磁阀打开，开始往水池离境税，如果进水超过4秒，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4秒之后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灭，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，由于水箱液位低于水箱水位下限，水泵开始工作，向水箱供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯灭，电磁阀就关闭，但是水箱现在还没有装满，可此时水箱液位已经超过水箱下限水位，则水箱下限指示灯灭，水泵继续工作，在抽水向水箱供水，水箱抽满时，水箱液位超过水箱上限，水箱上限指示灯灭，但刚刚给水箱供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水箱液位已经低于水池上限，水池上限指示灯亮。此次给水箱供水完成。

三水箱水位自动控制系统设计

1水泵电动机控制电路的设计

给排水工程中常使用三相异步电动机，水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。

在水箱水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向DCS发出信息启动水泵，经过4分钟检测水箱水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向DCS发出信息控制信息停止水泵工作。

供水系统的基本原理如图所示，水位闭环调节原理是：通过在水箱中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入DCS，执行较后程序，通过水泵的开关对水箱中的水位进行自动控制。

图4-1水泵的控制图

水泵启动工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收到DCS的启动水泵指令后，电磁线圈KM2中有电流流过，电磁接触器KM2运行。当电磁接触器KM2运行时，主电路的主触点KM2闭合，常闭触点KM2-b 打开，常开触点KM2-m2闭合，当主触点闭合时，电源电压施加到电动机M 上，开始运转。当常闭触点KM2-b打开时，绿灯GN-L中无电流流过，绿灯熄灭，当常开触点KM2-m2闭合时，红灯RD-L中有电流流过，红灯点亮。

水泵停止工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器KM1时，在收到DCS的停止水泵指令后，电磁线圈KM2中无电流流过，电磁接触器KM2恢复。当电磁接触器KM2恢复时，主电路的主触点KM2打开，常闭触点KM2-b 闭合，常开触点KM2-m2打开，当主触点KM2打开时，电源电压施不再施加到电动机M上，电动机M停止运转。当常闭触点KM2-B闭合时，绿灯GN-L 中有电流流过，绿灯点亮，当常开触点KM2-m2打开时，红灯RD-L中无电流流过，红灯熄灭。

KM1：配线切断器是把开闭机构、后动装置等统一装到绝缘容器内的部件，它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的。经常应用于

电源电路的开闭中，当发生过载、短路等情况时自动地切断电路。

KM2：所谓电磁接触器，就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的接触器，主要用于电源电路的开闭。电磁接触器有主触点和辅助触点构成的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成。

FR: 热敏继电器是由加热器部分和触点机构部分组成的。当够电流流过加热部分时，双金属片因为受热而发生弯曲，因此触点部分被打开而使电路得到保护。

2水位传感器的选择

根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，且要考虑到对水质的影响，所以选择超声波液位传感器U9ULS系列的 U9ULS——

10/100系列。U9ULS系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。在大多数情况下，电子设备放在铸铝的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的壳体中。

U9ULS具有以下特点：

可应用于多种液体中

可承受高达1000psi的压力

不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。

长度达121in(303.3cm)

可安装在侧面、顶部或底部

工作原理：U9ULS系列是给予超声波理论工作的。当超声波在空气中传播时，会被严重衰减相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。

电子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。当另一端街道有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。

U9ULS——100系列产品具有性能优异的传感器探头，可在温度为300F 和压力为1000PSI的情况下良好的工作。

U9ULS——10系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。

控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。

特点：10A 的继电器输出

115/230V AC ，12V DC 或24V DC 输入

高增益。无需效准，工作温度可达300 长度可达151.5CM

表5.1 主要技术指标

四 水箱水位自动控制系统的组成

1、系统构成及其控制要求

水池S2

S1

水塔上限液位开关水塔下限液位开关

（图5-1 水箱水位自动控制系统）

水箱水位的工作方式：

当水池液位低于下限液位开关S1，S1此时为ON ，电磁阀打开，开始往水池里注水，当4S 以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统

发出报警，若系统正常，此时水池下限液位开关S4为OFF,表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S2为ON，电磁阀关闭。

当水箱水位低于水箱下限水位时，则水箱下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水箱供水，当S3为OFF时，表示水箱水位高于水箱下限水位。当水箱液面高于水箱上限水位时，则水箱上限水位开关S4为OFF，水泵停止。当水箱水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。原理：

在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向DCS发出信号，DCS根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向DCS发出信号停止补水泵的工作，当水箱水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向DCS输出，DCS在收到信号后启动水泵向水箱加水，当水箱水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向DCS发出信号停止水泵的工作。

2系统框图

如下图整个系统由一个水位传感器，一台DCS和一台水泵以及若干部件组成。安装于水箱上的传感器将水箱的水位转化成1-5伏的电信号；电信号到达DCS将控制控制水泵的开关。水箱水位自动控制系统由DCS 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DCS水泵电动机控制电路DCS 控制启停及主备切换

（图5-2 系统组成框图）

在水箱水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信

号输入DCS中，在通过DCS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DCS将启动水泵向水箱中加水，当水箱中的水达到最高值时DCS

使水泵停止运转即水泵停止向水箱供水。等到水箱水位再次达到控制最低水位时系统再次重复这个过程。

五 DCS的设计

1可编程序控制器(DCS)简介

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。DCS是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电器接触控制系统中触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点充分利用微处理器的优点。

2 DCS工作原理

DCS的工作方式:采用循环扫描方式.在DCS处于运行状态时,从内部处理,通信操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作.

DCS的工作过程

DCS的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，.然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。因此，DCS工作过程分为以下五步:

(1)自诊断

自诊断功能可使DCS系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此DCS每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。

(2)与外设通信

自诊断正常后DCS即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中DCS将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、DCS的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。

(3)输入现场状态

完成前两步工作后DCS便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。

(4)解算用户逻辑

即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。在一个扫周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。

(5)输出结果

将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算

的结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。驱动用户输出设备即DCS的实际输出。

在依次完成上述五个步骤操作后DCS又开始进行下一次扫描。如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、

停电、或出现故障。

3 DCS的编程语言--梯形图

梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是DCS中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的DCS，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。

梯形图有如下特点。

①梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称为梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个图形呈梯形。

②梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。

梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外，还包括定时器、计数器等。

③梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。

④梯形图是DCS形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右流动，层次的改变只能是先上后下。3.4可编程序控制器DCS的优点

①能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。

②简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。

③可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过20000小时。

④编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。

⑤体积小，价格低。

⑥可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。

⑦可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达10000英尺，内存可以扩展。

⑧有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。

⑨系统化，有标准外围接口模块。

⑩系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。

4 SYSMAC-C系列P型机概述

本原理图是采用CP20实现的，基于原理图所用I/O接口点数较少，无需扩展单元，快速响应输入点与外部中断输入点公用，实现单循环控制，不需要有可选择输入时间常数的过滤器，配置简单，经济适用，可使用个人计算机进行辅助设计。

C20P的通道分配：是指对DCS内的每个通道及每个继电器都分配给一个地址号，以便CPU能够识别。在OMRON公司C系列的DCS中，每个通道由16位组成，或者说在一个通道中包含16个“继电器”。

(1)输入/输出继电器通道（I/O）的分配

P型机的输入/输出继电器通道（CH）分配是固定的，00~04CH是输入继电器通道，05~09CH是输出继电器通道，不同型号的DCS机的基本单位和扩展单位所能使用的通道号是不同的。

每个输入/输出继电器的编号为四位十进制数，前两位表示通道号，后两位表示位号，即该通道中的某一位。

对C20P基本单元，输入继电器（输入点）为12个，占用的输入点是00CH 的0000~0011；输出继电器（输出点）共8个，占用的输出点是05CH的0500~0507。

（2）内部辅助继电器（IR）通道的分配

在P型机中共有136个内部辅助继电器，其通道号为10~18CH，占用的地址为1000~1807，注意，内部辅助继电器不能接负载。

(3)定时器和计数器通道（TIM/CNT）

在P型机中的定时器（TIM）,高速定时器（TIMH），计数器（CNT），可逆计数器（CNTR）,共计48个，编号为00~47，它们即可用于定时器，用可用于计数器，但如果已经用作定时器（如TIM01），则这个编号就不能再用作计数器（如CNT01）。如果程序中使用高速计数器，则TIM/CNT47作为专用存放高速计数器当前值的计数器，不能再作它用。

当电源断电时，定时器被复位，而计数器不能被复位，其计数的当前值保持不变。

5水箱水位自动控制系统的软件设计

确定DCS所需的各类继电器，对各元件编号，如下表所示。

表6.1输入/输出端口地址分配

5.1 DCS的外部输入输出电路

（图6-1DCS的外部输入输出电路）

S1: 水箱水位上限

S2: 水箱水位下限

S3: 水槽水位上限

S4: 水槽水位下限

M: 抽水泵

Y: 补水泵

（图6-2 水箱水位系统流程图）

（１）输入COM端和电源０Ｖ连接输入端和水箱水位自动控制系统输入端连接

（２）输出COM端串联连接和电源２４Ｖ连接（COM０－COM１－COM２－COM３－COM４－COM５－COM６－COM７－COM８－电源２４Ｖ）输出端（OUT 端）和水箱水位自动控制系统试验模板输入端相连（OUT O1－Y，OUT O2－M，）

5.2 Ｉ／Ｏ分配：

输入

调试单元 DCS内部说明

I000 000ＣＨ00 启动按钮

I001 S1 000ＣＨ01 水箱水位上限

I002 S2 000ＣＨ02 水箱水位下限

I003 S3 000ＣＨ03 水槽水位上限

I004 S4 000ＣＨ04 水槽水位下限

输出调试单元ＰＬＣ内部说明

Ｏ001 010CH01 Y

Ｏ002 010CH02 M

5.3 程序说明

当启动按钮(IN I0)打开，若水槽水位低于水位下限时时，补水阀（Y）抽水。若水槽水位高于水位上限时，补水阀（Y）关闭，停止抽水。同时，当水箱水位低于水位下限时，并且水槽水位高于水位下限时时,抽水泵(M) 抽水(即M灯亮)。当水箱水位高于水位上限时时，抽水泵(M)关闭，停止抽水。若水箱水位低于水位下限，水槽水位低于水槽水位下限时,抽水泵（M）不抽水。

5、4梯形图及语句表

（图5-3梯形图）

.5.5语句表

六结束语

1 系统的优点

（一）高可靠性

各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（二）丰富的I/O接口模块

DCS针对不同的工业现场信号。

（三）采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型DCS以外，绝大多数DCS 均采用模块化。

（四）编程简单易学

编程多采用类似继电器控制线路的梯形图形式。

（五）安装简单，维修方便

使用时只需将现场的各种设备与DCS相应的I/O端相连接，各种模块上均有运行和故障指示装置。

2 结束语

现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信

息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。

本课题研究的主要内容是“水箱水位自动控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水箱、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所研究的就是这方面的课题。

水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本设计采用传感器检测进行主控制，在水池上安装超声波传感器水位装置。把测量到的水位变化转换成相应的电信号。

随着科学技术技术的飞速发展，自动控制供水技术在小区已普遍使用。用DCS来实现自动供水，与其它供水方式相比较而言，其优点是非常明显的。节能效果十分显著，启动平稳，启动电流小，避免了电机启动时对电网的冲击，延长了泵和阀门等的使用寿命。供水控制系统提高了小区的供水质量。各项控制指标达到了用户的要求。高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应供水调度和整体规划要求的必然趋势。随着DCS飞速发展，基于DCS的水箱水位自动控制系统以其节能、安全、高品质的供水质量等优点将在供水领域得到更为广泛的应用，使我国供水行业不断向前发展。