基于PLC的水位自动控制系统杨超

基于PLC的水位自动控制系统

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。

本文采用的是西门子S7-200PLC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、西门子S7-200PLC、水泵、传感器

Abstract

At present, a large number of high living water and water gradually increased. Therefore, many units of self built water tower water reservoir to solve the water problem of the high-rise building. Initially, mostly with manual control, the artificial to accurate positioning hour monitoring of water level, it is difficult to accurately control the pump or pump stop. Shut down prematurely, resulting in water tower lack of water; or shut down late, causing water overflow, waste water, causing inconvenience to the users. The use of artificial control of the water level will cause water supply when unstable water. Later, the use of a water level control device so that the water supply situation has changed, but often using buoys or mechanical water level control Because of the failure of the mechanical device, the reliability is poor, which brings great trouble to the maintenance. Therefore, the traditional water supply control method is difficult to meet the present requirements.

This is the SIEMENS S7-200PLC programmable controller as the water level automatic control system of the core function of the automatic control system of water level of demand analysis. The main method is through the actual water level sensor detects the water level, the specific information to the control module is composed of PLC, to control the water pump motor movements, and display the water level specific information, if the water level is below or above a certain value, we will send the hazard warning signal, finally realize the automatic water level.

Key words: water level automatic control, SIEMENS S7-200PLC, water pump, sensor

第一章绪论

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水位进行自动控制。比如自动控制水塔、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。

第二章可编程器简介

2.1可编程控制器的产生

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。

可编程控制器的产生和继电器--接触器控制系统有很大关系。继电器--接触器控制已有百年历史，它是一种弱电信号控制电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修等优点。对于工作模式固定，要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛用途。但是当工作模式改变，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件及接线都要作相应变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧的控制柜，另做一个新的控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换。继电器--接触器控制难以满足市场需求，此问题首先被美国通用汽车公司提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制作一种新的工业控制装置取代传统的继电器--接触器控制，对其新装置提出的要求就是著名的GM10条，即：

1. 编程方便，可在现场修改程序； 2. 维修方便，采用模块化结构； 3. 可靠性高于继电器控制柜； 4. 体积小于继电器控制柜； 5. 可将数据直接送入管理计算机； 6. 在成本上可与继电器控制竞争； 7. 输入可以是交流115V；

8. 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀； 9. 在扩展时，原有系统只要很小变更； 10. 用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。

1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国MODICON公

司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。

PLC虽然问世时间不长，但随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。90年代以后，工业控制几户全部被PLC占领。国外专家预言，PLC将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAC/CAM）中跃居首位。

2.2 PLC的发展

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（Programmable Logic Controller）。

PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差

制继电器、特殊标志继电器区等，分别用I、Q、M、T、C、Ｓ、SM等来表示。 1、数字量输入继电器（I）

输入继电器也就是输入映像寄存器，每个PLC的输入端子都对应有一个输入继电器，它用于接收外部的开关信号。输入继电器的状态唯一地由其对应的输入端子的状态决定，在程序中不能出现输入继电器线圈被驱动的情况，只有当外部的开关信号接通PLC的相应输入端子的回路，则对应的输入继电器的线圈“得电”，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用数量（次数）不受限制。 2、数字量输出继电器（Q）

输出继电器也就是输出映像寄存器，每个PLC的输出端子对应都有一个输出继电器。当通过程序使得输出继电器线圈“得电”时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 3、通用辅助继电器（M）

通用辅助继电器如同电器控制系统中的中间继电器，在PLC中没有输入输出端与之对应，因此通用辅助继电器的线圈不直接受输入信号的控制，其触点也不能直接驱动外部负载。所以，通用辅助继电器只能用于内部逻辑运算。通用辅助继电器用“M”表示，通用辅助继电器区属于位地址空间，范围为M0.0~M31.7，可进行位、字节、字、双字操作。 4、特殊标志继电器（SM）

有些辅助继电器具有特殊功能或存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，我们称为特殊标志继电器。用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息，如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，利用这些信息用程序实现一定的控制动作。用户也可通过直接设置某些特殊标志继电器位来使设备实现某种功能。特殊标志继电器用“SM”表示，特殊标志继电器区根据功能和性质不同具有位、字节、字和双字操作方式。其中SMB0、SMB1为系统状态字，只能读取其中的状态数据，不能改写，可以位寻址。系统状态字中部分常用的标志位说明如下： SM0.0：始终接通；

SM0.1：首次扫描为1，以后为0，常用来对程序进行初始化； SM0.2：当机器执行数学运算的结果为负时，该位被置1； SM0.3：开机后进入RUN方式，该位被置1一个扫描周期；

SM0.4：该位提供一个周期为1分钟的时钟脉冲，30秒为1，30秒为0； SM0.5：该位提供一个周期为1秒钟的时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0； SM0.6：该位为扫描时钟脉冲，本次扫描为1，下次扫描为0； SM1.0：当执行某些指令，其结果为0时，将改位置1；

SM1.1：当执行某些指令，其结果溢出或为非法数值时，将改位置1； SM1.2：当执行数学运算指令，其结果为负数时，将改位置1； SM1.3：试图除以0时，将改位置1；

其他常用特殊标志继电器的功能可以参见S7-200系统手册。 5、变量存储器（V）

变量存储器用来存储变量。它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。 变量存储器用“V”表示，变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，但更多的是用于字节、字、双字操作。变量存储器也是S7-200中空间最大的存储区域，所以常用来进行数学运算和数据处理，存放全局变量数据。 6、局部变量存储器（L）

局部变量存储器用来存放局部变量。局部变量与变量存储器所存储的全局变量十分相似，主要区别是全局变量是全局有效的，而局部变量是局部有效的。全局有效是指同一个变量可以被任何程序(包括主程序、子程序和中断程序)访问；而局部有效是指变量只和特定的程序相关联。S7—200 PLC提供64个字节的局部存储器，其中60个可以作暂时存储器或给子程序传递参数。主程序、子程序和中断程序在使用时都可以有64个字节的局部存储器可以使用。不同程序的局部存储器不能互相访问。机器在运行时，根据需要动态地分配局部存储器：在执行主程序时，分配给子程序或中断程序的局部变量存储区是不存在的，当子程序调用或出现中断时，需要为之分配局部存储器，新的局部存储器可以是曾经分配给其他程序块的同一个局部存储器。 局部变量存储器用“L”表示，局部变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。 7、顺序控制继电器（S）

顺序控制继电器用在顺序控制和步进控制中，它是特殊的继电器。有关顺序控制继电器的使用请阅读本章后续有关内容。顺序控制继电器用“S”表示，顺序控制继电器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。 8、定时器（T）

定时器是可编程序控制器中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。自动控制的大部

分领域都需要用定时器进行定时控制，灵活地使用定时器可以编制出动作要求复杂的控制程序。 定时器的工作过程与继电器接触器控制系统的时间继电器基本相同。使用时要提前输入时间预置值。当定时器的输入条件满足且开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预置值时，定时器动作，此时它的常开触点闭合，常闭触点断开，利用定时器的触点就可以按照延时时间实现的各种控制规律或动作。 9、计数器（C）

计数器用来累计内部事件的次数。可以用来累计内部任何编程元件动作的次数，也可以通过输入端子累计外部事件发生的次数，它是应用非常广泛的编程元件，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。使用时要提前输入它的设定值(计数的个数)。当输入触发条件满足时，计数器开始累计其输入端脉冲电位跳变(上升沿或下降沿)的次数；当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。

模拟量输入映像寄存器(AI)、模拟量输出映像寄存器(AQ)模拟量输入电路用以实现模拟量／数字量(A／D)之间的转换，而模拟量输出电路用以实现数字量／模拟量(D／A)之间的转换，PLC处理的是其中的数字量。 在模拟量输入／输出映像寄存器中，数字量的长度为1字长(16位)，且从偶数号字节进行编址来存取转换前后的模拟量值，如0、2、4、6、8。编址内容包括元件名称、数据长度和起始字节的地址，模拟量输入映像寄存器用AI表示、模拟量输出映像寄存器用AQ表示，如：AIW10，AQW4等。PLC对这两种寄存器的存取方式不同的是，模拟量输入寄存器只能作读取操作，而对模拟量输出寄存器只能作写入操作。 10、高速计数器(HC)

高速计数器的工作原理与普通计数器基本相同，它用来累计比主机扫描速率更快的高速脉冲。高速计数器的当前值为双字长(32位)的整数，且为只读值。 高速计数器的数量很少，编址时只用名称HC和编号，

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