基于PLC及组态王的水塔液位控制系统

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 自建水箱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，造成水箱缺水；要么关停过晚，造成水箱溢出，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箱水位自动控制系统的核心，对水箱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箱的实际水位，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，最终实现对水箱水位的自动。另外在PLC的基础上，运用组态王Kingview工业监控软件，它将PLC过程控制设计、现场操作及资源管理于一体，将水箱控制系统的应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。

关键词：水位自动控制、三菱FX2N、组态王、水泵 、传感器

摘要 .................................................................................................................................................. 1 第一章 绪论 ................................................................................................................................... 1

1.1本课题的选题背景与意义 ................................................................................................. 1 1.2可编程逻辑控制器简述 ..................................................................................................... 1 第二章 水箱水位控制系统硬件设计 ........................................................................................... 2

2.1基于PLC的水箱水位控制系统基本原理 ........................................................................ 2 2.2 水箱控制系统要求 ............................................................................................................ 2 2.3 PLC I/O口的分配 ........................................................................................................... 3 2.4 系统硬件元器件选择 ........................................................................................................ 4 第三章 水箱水位系统的PLC软件设计 ....................................................................................... 5

3.1 水箱水位控制系统的梯形图设计 .................................................................................... 5 第4章 水箱水位控制系统的组态设计 ....................................................................................... 6

4.1 水箱液位控制系统监控界面 ............................................................................................ 6 4.2 组态画面监控运行演示 .................................................................................................... 6 第四章 总结 ..................................................................................................................................... 9 参考文献......................................................................................................................................... 10

附录：组态王命令程序....................................................................10

第一章 绪论

1.1本课题的选题背景与意义

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。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箱、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。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。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

可编程逻辑控制器简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强。逐渐适合复杂的电气控制系统。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。

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第二章 水箱水位控制系统硬件设计

2.1基于PLC的水箱水位控制系统基本原理

如下图整个系统由水位传感器，一台PLC和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。

水泵与电磁阀及指示灯水塔水位检测系统PLC

图2-1 基于PLC的供水系统原理框图

在水箱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将启动水泵向水箱中加水，当水箱中的水达到最高值时PLC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。

2.2 水箱控制系统要求

图2-2 水箱水位控制装置图

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水箱控制系统具体需求如下：

(1) 当水箱水位低于10L时，低水位报指示灯显示红灯，阀门自动关闭，水泵自动开启，向水箱内充水，防止水箱液位过低;

(2) 当水箱液位高于90L时，高水位指示灯显示红灯，水泵自动关闭，防止水箱液位过高；

(3) 当水箱液位由低于10L开始上升到10L与90L之间时，水泵开启，阀门开启，水箱进水量大于出水量，保证水箱中的水位持续上升，达到高水位限时，水泵关闭。

(4) 当水箱液位由高于90L开始下降到10L与90L之间时，水泵关闭，阀门开启，此时只有出水量，水箱中的水位持续下降，达到低水位限时，水泵开启。

2.3 PLC I/O口的分配

表2-3 水箱水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表

输入信号 输入变量名 输出信号 输出变量名 X000 启动开关 Y000 水箱高液位指示灯 X001 停止开关 Y001 水箱低液位指示灯 X002 水箱低位传感器 Y002 模拟水泵电动机运行动作 X003 水箱高位传感器 Y003 模拟进水阀门的开关动作

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2.4 系统硬件元器件选择

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。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少于48点，因此选用三菱公司生产的的FX2N-48MR-001型PLC，其具有结构紧凑，价格低廉，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，输入输出点数各为24个点，多余的端子作为备用。

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。

而一般的水箱供水系统中水箱高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，故综合考虑后将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。

3）熔断器的选择

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。

4）电子液位位开关的选择

因为本次设计中水箱中各有2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，该种类型的液位开关作为电气性液位检测方式，被广泛用于以大厦、集中住宅的上下水道为主及钢铁、食品、化学、药品、半导体等各种工业、农业水、净水场、污水处理等的液面控制。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。 5）热继电器的选择

因为电机额定电流为24.23A，因此选用JR20-25/5T型热继电器，整合电流为21—25A。 6）接触器的选择

同理，根据电机额定电流，并查手册后选择G20-25型接触器。

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第三章 水箱水位系统的PLC软件设计

水箱水位控制系统的梯形图设计

3.1 PLC 控制梯形图

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3.1

第4章 水箱水位控制系统的组态设计

4.1 水箱液位控制系统监控界面

图4.1 水箱液位控制系统监控界面

4.2 组态画面监控运行演示

连接PLC与PC，将PLC程序下载到三菱FX2N-48MR-001型号中，打开组态王软件，设备配置设置好后，就可以进入演示状态了。按下组态中的开始/停止按钮或是按下PLC外围连接X0端口的SB1按钮，组态以及PLC都进入运行状态。运行过程中有如下几种情况： （1）水箱水位低于10L（水位下限）时

图4.2水箱水位低于10L情况图

如图4.2所示，在水箱水位低于10L的情况下，水位下限报警灯显示红色报警，这时水泵开启工作，阀门关闭，防止水箱液位过低。在硬件PLC中，也能看到，Y2（模拟水泵电动机运行动作）输出端口指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。

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(2)水箱水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况时

图4.3 水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况图

如图4.3所示，当水位在10L和90L之间，且水位在上升的情况下，水位下限和水位上限指示均显示绿色（表示水位在安全范围），且水泵工作，阀门打开，在水位上升的过程中一直都是进水量大于出水量，从而保持水位的上升。与此同时，在硬件PLC上，可以看到X2（模拟水位下限传感器）指示灯亮，Y1（低水位指示灯）指示灯量，Y2（模拟水泵电动机运作）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。

(3)水箱水位高于90L（水位上限）时

图4.4 水箱水位高于90L时的情况图

如图4.4所示，水箱水位高于90L（水位上限）的情况下，水位上限报警灯显示红灯（表示水箱液位高于水位的上限），水泵电动机也停止工作。此时，在硬件PLC中，也能看到，X3（水位上限传感器）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。

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(4)水箱水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况时

图4.5 水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况图

如图4.5所示，水箱水位在10L和90L之间，且水位在下降的情况下，水泵停止工作，阀门打开，水位下限和水位上限指示灯均显示绿色，在此过程中，只有出水量，所以水箱水位会逐渐降低。此时，在硬件PLC中，可以看到可以看到X2（模拟水位下限传感器）指示灯亮，还有Y3（模拟阀门打开）指示灯亮。

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第四章 总结

我组成员做的这个题目是有关PLC与组态软件相结合的，这次课程设计给予我们理论与实践相结合的机会，提高了我们实际操作和独立解决问题的能力。

通过这次设计实践。让我们更熟练的掌握三菱PLC的编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的专业基础。在对组态软件的学习当中，体会到了细节决定一切的道理，刚开始做组态的时候，由于我对一些细节不加重视，当我把自己想出来一些以为是对的东西用到组态软件上时，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和我想要的结果不相符合。经过我一次次的实践，最后把正确的结果做出来时，才看到了自己的缺点。

解决实际问题需要的不仅仅是理论知识，而且要求较强的理论联系实际的能力，完成本设计要求理清水箱水箱控制的全过程，才会对软件实现带来方便。纵观整个设计过程，本设计还有很大的扩展空间，相信在未来的学习与发展中会得到更好的应用与改进。

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参考文献

[1] 蔡杏山.PLC、变频器入门.北京：电子工业出版社

[2] 杨后川，张春平，张学民，陶 征.三菱PLC应用100例.北京：电子工业出版社

[3]翟庆一.典型工业过程的组态控制.天津：天津大学出版社

[4]李红萍.工控组态技术及应用—组态王.西安：西安电子科技大学出版社 [5]王善斌.组态软件应用指南.北京:化学工业出版社

附录：组态王命令程序

if(\\\\本站点\\开关==1 || \\\\本站点\\启动==1) {

if(\\\\本站点\\水箱液位<10) {\\\\本站点\\报警2=0; \\\\本站点\\水泵=1; \\\\本站点\\阀门=0; } else{

\\\\本站点\\报警2=1; }

if(\\\\本站点\\水箱液位>10)

{\\\\本站点\\低水位传感器=1;} else

{\\\\本站点\\低水位传感器=0;}

if(\\\\本站点\\水箱液位>90)

{\\\\本站点\\高水位传感器=1; \\\\本站点\\报警1=0; \\\\本站点\\水泵=0; \\\\本站点\\阀门=1; } else{

\\\\本站点\\高水位传感器=0; \\\\本站点\\报警1=1; }

if( \\\\本站点\\水箱液位<=90 && \\\\本站点\\水箱液位>=10 )

10

{

\\\\本站点\\阀门=1; }

if(\\\\本站点\\水泵==1)

{ \\\\本站点\\水泵工作指示灯=1;

\\\\本站点\\水流1=\\\\本站点\\水流1+7; if(\\\\本站点\\水流1>20) {

\\\\本站点\\水流1=0; }

\\\\本站点\\水流2=\\\\本站点\\水流2+7; if(\\\\本站点\\水流2>20) {

\\\\本站点\\水流2=0; }

if(\\\\本站点\\水箱液位<=\\\\本站点\\水箱液位1上限) {

\\\\本站点\\水箱液位=\\\\本站点\\水箱液位+6; } } else

{ \\\\本站点\\水泵工作指示灯=0; \\\\本站点\\水流1=0; \\\\本站点\\水流2=0; }

if(\\\\本站点\\阀门==1)

{ \\\\本站点\\阀门工作指示灯=1;

\\\\本站点\\水流3=\\\\本站点\\水流3+7; if(\\\\本站点\\水流3>20) {

\\\\本站点\\水流3=0; }

\\\\本站点\\水流4=\\\\本站点\\水流4+7; if(\\\\本站点\\水流4>20) {

\\\\本站点\\水流4=0; }

if(\\\\本站点\\水箱液位>=\\\\本站点\\水箱液位1下限) {

\\\\本站点\\水箱液位=\\\\本站点\\水箱液位-3; } }

11

else {\\\\本站点\\水流3=0; \\\\本站点\\水流4=0; } } else {

\\\\本站点\\水流1=0; \\\\本站点\\水流2=0; \\\\本站点\\水流3=0; \\\\本站点\\水流4=0; \\\\本站点\\水泵=0; \\\\本站点\\阀门=0; }

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