20100210410321_杨杰_PLC在水位控制系统中的应用

华东交通大学理工学院

Institute of Technology. East China Jiaotong University

毕 业 设 计

Graduation Design （2010 —2014年）

题 目 PLC在水位控制系统中的应用

分 院： 电气与信息工程分院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电力2010-1 学 号： 20100210410321 学生姓名： 杨杰 指导教师： 李房云 起讫日期： 2013.12——2014.5

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摘 要

在当代社会，世界人口的不断增长和水资源的日益紧缺，日常生活和工农业中的供水问题愈发严峻，故对供水系统的水位进行精确的测量和控制越来越重要。PLC因为有着容易编程、使用简单、方便维修、可靠度高、极强的抗干扰能力和机电一体化等特点，所以利用PLC对水位进行测量和控制有着广阔的前景。

本设计是一个基于PLC控制的供水控制系统，主控制机是PLC可编程控制器。该设计针对性的对水塔水位自动控制系统里各个功能进行了分析，并且文中对系统各个器件的结构、操作流程，以及工作时协调控制的办法都有所讲解。本系统在实现准确自动控制同时，还将供水的质量进行了提高。并且此控制系统相对于传统的供水系统还有着降低劳动强度和提升劳动效率等优点。

关键词：水塔水位控制、PLC、自动控制系统

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杨杰：PLC在水位控制系统中的应用

Abstract

In contemporary society, the world's growing population and the growing scarcity of water resources, the water supply problem in daily life and industrial and agricultural is increasingly severe, so the water level for the water supply system for precise measurement and control of more and more important. PLC with easy programming, simple to use, convenient maintenance, high reliability, strong anti-interference ability and characteristics of electromechanical integration, so the use of PLC to measure and control the water level has a broad prospect.

This design is a water supply control system based on PLC control, the main control unit is PLC programmable controller. The design corresponding to the water tower water level automatic control system in each function is analyzed, and the various devices to the system structure, operation process, and work coordination control method are explained. This system in the realization of the accurate automatic control at the same time, will also improve the quality of the water supply. Compared with the traditional water supply system and the control system and the reduction of labor intensity and improve labor efficiency, etc.

Key words: Water tower water level control, PLC, Automatic control system

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目 录

中文摘要?????????????????????????????????1 英文摘要?????????????????????????????????2 目 录?????????????????????????????????3 1 绪论??????????????????????????????????5 2 可编程控制器??????????????????????????????6 2.1 可编程控制器的简介 ??????????????????????????6 2.2 发展历史与展望 ????????????????????????????6 2.3 PLC的基本结构????????????????????????????7 2．3．1 中央处理单元(CPU) ????????????????????????8 2．3．2 存储器??????????????????????????????8 2．3．3 输入/ 输出 ???????????????????????????9 2．3．4 编程器 ?????????????????????????????10 2．3．4 电源 ??????????????????????????????10 2.4 PLC的运作方式????????????????????????????10 2.5 可编程控制器的选型??????????????????????????11 3 PLC水塔水位控制系统方案设计???????????????????????13 3.1 水塔水位控制系统设计?????????????????????????13 3．1．1 水塔水位控制装置?????????????????????????13 3．1．2 水塔水位的工作要求????????????????????????13 3.2 水塔水位控制系统的电路设计??????????????????????14 3.3 输入/输出接口分设计 ?????????????????????????14 3．3．1 水塔水位控制系统的输入/输出设备 ?????????????????14 3．3．2 水塔水位控制系统的输入/输出借口分配表 ??????????????15 4 PLC水塔水位控制系统工作流程设计????????????????????16 4.1 程序流程图设计????????????????????????????16 4.2 工作过程分析与梯形图程序设计?????????????????????17 4．2．1 工作过程分析???????????????????????????17 4．2．2 梯形图程序设计??????????????????????????17 5 组态仿真????????????????????????????????21 5.1 组态软件???????????????????????????????21 5．1．1 组态软件的概念??????????????????????????21

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5 ．1．2组态软件的发展与展望??????????????????????21 5 ．1．3组态软件的功能?????????????????????????22 5.2 WINCC组态画面仿真??????????????????????????22 总 结?????????????????????????????????29 参考文献?????????????????????????????????30 后 记?????????????????????????????????31

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2．3．4 编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。

编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。

目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

[7]

2．3．5 电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。[8]

2.4 PLC的运作方式

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，大致如下图2-2所示。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。[9]

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图2-2

2.5 可编程控制器的选型

PLC作为时代发展必须的产物，在世界上拥有众多的生产商,比较著名的有德国产的西门子、日本产的三菱与松下，还有美国的GE公司。完成系统的设计主要是选型和程序设计。在不同的系统里，有着不同的工作环境，工艺流程，对控制功能的要求，由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：

（1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数。确定I/O的点数。一般要留有一定裕量（约占10%），满足生产发展和工艺的改进。

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（2）随着PLC功能日益完善，很多小型机也具有中、大型机的功能。对于PLC的功能选择，一般只要满足I/O点数，大多数机型也能满足。目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。

（3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。不应单纯追求大容量，以够用为原则。

（4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性。如果是单机系统控制，I/O点数不多，不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP-M系列，以及OMRON C200H系列等。如果仅有开关量控制，可选择OMRON C系列P型机、西门子S7-200,三菱F1、FX系列等。

（5）一个企业尽量选择同一类型的PLC。同一机型PLC模块可互为利用，便于采购管理；同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员水平的提高；同一机型PLC，其外围设备通用，资源共享，易于联网通信，与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统。

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3 PLC水塔水位控制系统方案设计

3.1 水塔水位控制系统设计

3．1．1 水塔水位控制装置

装置如图3-1所示：

水塔上限液位开关S4水塔下限液位开关S3电磁阀水泵水流水池上限液位开关S2水池下限液位开关S1水塔水池

图3-1 水塔水位控制装置图

3．1．2 水塔水位的工作要求

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。

当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S3为ON，水泵开始工作，向水塔供水，当S3为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S4为OFF，水泵停止。

当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能启动。

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3.2 水塔水位控制系统的电路设计

水塔水位控制系统主电路如图3-2所示：

L1SQFUL2L3KMFR

M3~

图3-2

SQ: 行程开关，依据生产机械的行程发出命令，以空制其运行方向或行程长短的主令电器.

FU: 熔断器也被称为保险丝，是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。

KM： 电磁接触器，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。

3.3 输入/输出接口分设计

3．3．1 水塔水位控制系统的输入/输出设备

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这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有6个开关量，开关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有14个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配。

3．3．2 水塔水位控制系统的输入/输出借口分配表

输入信号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 输入变量名 启动开关 停止开关 水池下限位 水池上限位 水塔下限位 水塔上限位 输出信号 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q4.7 输出变量名 水阀M1 水泵M2 水池下限指示灯A1 水池水位报警指示灯A2 水池上限指示灯A3 水塔下限指示灯A4 水塔水位报警指示灯A5 水塔上限指示灯A6 表3-3 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表

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4 PLC水塔水位控制系统工作流程设计

4.1 程序流程图设计

水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图，如图3-1所示：

开始否 水池水位低于下限吗？是电磁阀打开报警否4S后水池水位高于下限吗？是水池继续进水水池水位高于上限电磁阀关闭水塔水位低于下限吗？否是水泵起动，给水塔供水水塔水位高于下限水塔水位高于上限水泵停止水池水位低于下限结束

图4-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图

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4.2 工作过程分析与梯形图程序设计

4．2．1 工作过程分析

设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀打开，开始往水池里进水；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，水池报警灯A2亮。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A1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，水泵开始工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔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，水塔报警灯A5亮。当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A3亮，水阀就关闭。但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A4亮，水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，水塔上限指示灯A6亮。但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A3灭。此次给水塔供水完成。

4．2．2 梯形图程序设计

梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。[10]

水塔水位控制系统梯形图总图，如图4-2所示：

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图4-2 水塔水位控制系统梯形图

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水塔水位控制系统各环节梯形图如下

启停程序：

水阀控制程序：

水池下限水位指示程序：

水池水位报警程序：

水池水位上限指示程序：

水泵启停控制程序：

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水塔水位下限指示程序：

水塔水位报警程序：

水塔水位上限指示程序：

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5 组态仿真

5.1 组态软件

5．1．1 组态软件的概念

“组态”的概念是伴随着集散型控制系（简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

5 ．1．2组态软件的发展与展望

组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，

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组态软件在我国的应用并不普及。但随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，ManagementInformationSystem）和CIMS（计算机集成制造系统，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。

5 ．1．3组态软件的功能

目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。

5.2 WINCC组态画面仿真

打开WINCC组态软件，建立组态画面，进行水塔水位控制系统仿真。如图5-1所示。

图5-1 WINCC组态画面

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仿真启动，运行WINCC画面。点击绿色的“启动按钮”，“水阀”开始运作，如图5-2与图5-3：

图5-2 启动初始WINCC画面

图5-3 启动初始仿真画面

4秒后，若“水池低水位指示”信号未输入，则“水池低水位”报警灯报警，如图5-4和5-5所示：

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图5-4 水池报警WINCC画面

图5-5 水池报警仿真画面

若“水池低水位”信号输入，则报警不启动，启动“水泵”， 如图5-6和5-7所示：

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图5-6 水泵启动WINCC画面

图5-7 水泵启动仿真画面

4秒后，若“水塔低水位指示”信号未输入，则“水塔低水位”报警灯报警，如图5-7和5-8所示：

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图5-7 水塔报警WINCC画面

图5-8 水塔报警仿真画面

若“水塔低水位”信号输入，则报警不启动，如图5-9和5-10所示：

图5-9 水塔低水位WINCC画面

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图4-10 水塔报警仿真画面

若“水塔高水位指示”信号输入，则关闭水泵，如图5-11和5-12所示：

图5-11 水塔高水位WINCC画面

图5-12 水塔高水位仿真画面

一段时间后，若“水池高水位指示”信号输入，则关闭水阀，如图5-13和5-14所示：

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图5-13 水池高水位WINCC画面

图5-14 水池高水位仿真画面

到此，本次基于PLC控制系统的水塔水位控制任务顺利完成。

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结 论

在华东交通大学理工学院4年的学习时间即将结束，在这毕业之际，用我这四年在大学里所学知识来做这样一个毕业设计，为我大学做一个收尾，更对我四年所学的知识做一个肯定。

本设计是一套由PLC 、液位控制阀、水泵、计算机、通信模块等主要设备构成的水塔水位PLC 控制系统，并通过组态软件对本系统进行了仿真。本系统克服了效率差、可靠性差、自动化程度差等传统供水方式的缺点，使供水高效稳定、耗能少、自动化高、可靠性高、维护简单、管理方便。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1ye6.html