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1、
電氣工程學院
課 程 設 計 說 明 書
設計題目：水塔水位PLC自動控制系統
系 別：
年級專業(yè)：
學 號：
學生姓名：
指導教師：
電氣工程學院《課程設計》任務書
課程名稱： 電氣控制與PLC課程設計
基層教學
2、單位 指導教師：
學號
學生姓名
（專業(yè)）班級
10應電 班
設計題目
水塔水位PLC自動控制系統
設
計
技
術
參
數
采用PLC構成水塔水位電氣控制系統?？刂埔蟛殚喯嚓P文獻。
設
計
要
求
1) 根據控制要求，進行電氣控制系統硬件電路設計，包括PLC硬件配置電路。
2) 根據控制要求，編制PLC控制程序
3) 按要求編寫設計說明書并繪制A1幅面圖紙一張。
參
考
資
料
1、《PLC電氣控制技術》 漆漢宏主編 機械工業(yè)出版社 2008
2、圖書館各類期刊文獻相關數據庫
3、相關電
3、氣設計手冊
周次
第一周
第二周
應
完
成
內
容
完成全部方案設計：
周一、二：查、閱相關參考資料
周二至周五：方案設計
周六、日：設計方案完善
周一、二：完成設計說明書
周三、四：繪制A1設計圖紙
周五：答辯考核
指導教
師簽字
基層教學單位主任簽字
說明：1、此表一式三份，系、學生各一份，報送院教務科一份。
2、學生那份任務書要求裝訂到課程設計報告前面。
電氣工程學院 教務科
摘要
隨著現代社會生產的發(fā)展和技術的進步，現代工業(yè)自動化
4、生產水平逐步提高，電子技 術飛速發(fā)展，在繼電器控制的基礎上產生了一種新型的工業(yè)控制裝置——可編程控制器。利用這種新型的工業(yè)控制裝置能夠更快更方便的完成一些任務。在工農業(yè)生產過程中，經常需要對水位進行測量和控制。水位控制在日常生活及工業(yè)領域中應用相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，因此急需一種能自動 檢測水位，并根據水位變化的情況自動調節(jié)的自動控制系統。
本文采用PLC進行主控制，對水塔水位自動控制系統的功能性進行了需求分析。主要實現方法是通過傳感器檢測水塔的實際水位，將水位具體信息傳至PLC構成的控制模塊，來控
5、制水泵電機的動作，同時顯示水位具體信息，若水位低于或高于某個設定值時，就會發(fā)出 危險報警的信號，最終實現對水塔水位的自動控制。
關鍵詞：水位自動控制、水泵 、傳感器
目錄
摘要...................................................................3
目錄.................
6、..................................................4
第一章 緒論............................................................5
1.1可編程控制器的簡介.................................................5
1.2 PLC的工作原理.....................................................5
1.3 PLC的特點.............................
7、............................5
1.4 PLC的選擇....................................................... ..7
第二章 水塔水位控制系統PLC硬件設計.....................................7
2.1基于PLC水塔水位控制系統的基本原理.................................7
2.2水塔水位控制系統構成及其控制要求...................................8
2.2.1水塔水位系統控制裝置圖.
8、........................................8
2.2.2水塔水位系統的控制要求.........................................9
2.3水塔水位系統水位傳感器的選擇......................................10
2.4 水塔水位系統主電路設計...........................................11
2.5水塔水位系統的輸入/輸出分配......................................
9、.13
2.6水塔水位系統硬件接線圖............................................14
2.7系統硬件元器件的選擇..............................................15
第三章 水塔水位系統PLC軟件設計.......................................15
3.1水塔水位系統的具體工作過程 .......................................15
3.2 水位控制系統的流程圖 ................
10、............................15
3.3 PLC控制梯形圖....................................................17
第四章 課程設計總結...................................................22
參考文獻..............................................................23
11、 第一章 緒論
1.1 可編程序控制器簡介
可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電器接觸控制系統中觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點充分利用微處理器的優(yōu)點。
1.2 PLC的工作原理
PLC的工作方式:采用循環(huán)掃描方式
12、.在PLC處于運行狀態(tài)時,從內部處理,通信操作,程序輸入,程序執(zhí)行,程序輸出,一直循環(huán)掃描工作.
1.3 PLC的特點
(一) 高可靠性
1. 所有的I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現場的外電路與PLC 內部電路之間電氣上隔離
2. 各輸入端均采用R-C 濾波器其濾波時間常數一般為10~20ms.
3. 各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾
4. 采用性能優(yōu)良的開關電源
5. 對采用的器件進行嚴格的篩選
6. 良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況CPU立即采用有效措施以防止故障擴大
7. 大型PLC 還可以采用由雙CPU 構成冗余系統或有三CPU 構
13、成表決系統,使可靠性
進一步提高。
(二) 豐富的I/O 接口模塊
1. PLC針對不同的工業(yè)現場信號如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。
2. 有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥。
3. 直接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡它還有多種通訊聯網的接口模塊等等。
(三) 采用模塊化結構
為了適應各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數PLC 均采用模塊化結構，PLC 的各個部件包括CPU 電源I/O 等均采用模塊化設計
14、，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。
(四) 編程簡單易學
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。
(五) 安裝簡單維修方便
PLC不需要專門的機房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行，使用時只需將現場的各種設備與PLC 相應的I/O 端相連接即可投入運行，各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障，由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統迅速恢復運行。
1.4 PLC的選擇
目前PLC的發(fā)展非
15、常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現。通常根據其I/O點的數量將 PLC分為三大類：
小型機：256點以下（無模擬量）；
中型機：256 ~ 2048點（64 ~ 128路模擬量）；
大型機：2048點以上（128 ~ 512路模擬量）。
本實驗選擇FX2N系列PLC。由于輸入、輸出觸點數較少，只需選用一般中小型控制器即可。最終選擇FX2N-32M。擁有16個輸入點與16個輸出點。適合本次課題使用。
第二章 水塔水位控制系統PLC硬件設計
2.1基于PLC水塔水位控制系統的基本原理
如下圖整個系統由水位傳感器，一臺P
16、LC和水泵以及若干部件組成。安裝于水塔上的傳感器將水塔的水位轉化成1-5伏的電信號；電信號到達PLC將控制控制水泵的開關。水箱水位自動控制系統由PLC核心控制部件高低位水箱的水位檢測電路高低水位信號傳送給PLC水泵電動機控制電路 PLC 控制啟停及主備切換。
在水塔水位檢測系統中通過液位傳感器將水位信號轉換為電信號輸入PLC中，在通過PLC控制水泵的啟動或關閉。在系統運行中當水為低于最低值時PLC將啟動水泵向水塔中加水，當水塔中的水達到最高值時PLC使水泵停止運轉即水泵停止向水塔供水。等到水塔水位再次達到控制最低水位時 系統再次重復這個過程。
2.2 水塔水
17、位控制系統構成及其控制要求
2.2.1 水塔水位系統控制裝置圖
2.2.2 水塔水位系統控制要求
1）保持水池的水位在S3——S4之間，當水池水位低于下限液位開關S4，此時S3為ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當30S以后，若水池水位仍然沒有超過水池下限液位開關S4時，則系統發(fā)出警報；若系統正常運行，此時水池下限液位開關S4為OFF，表示水位高于下限水位。當液面高于上限水位S3時，則S3為ON，電磁閥關閉。
2）保持水塔的水位在S1——S2之間，當水塔水位低于水塔下限水位開關S2且水池水位不低于下限液位開關時，則水塔下限液位開關S2為ON，并驅動
18、電機M開始工作，向水塔供水。當30S以后，若水塔水位仍然沒有超過水塔下限液位開關S2時，則系統發(fā)出警報；當S2為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水塔液面高于水塔上限水位開關S1時，則S1為ON，電機M停止抽水。
當水塔水位低于下限水位時，同時水池水位也低于下限水位時，電機M不能啟動。
當水塔水位高于水塔超高水位時，系統發(fā)出警報，當水池水位高于水塔超高水位時系統發(fā)生警報。
2.3 水塔水位系統水位傳感器的選擇
根據本設計的要求所選傳感器要求在水面和水底都可以使用，且要考慮到對水質的影響，所以選擇超聲波液位傳感器U9ULS系列的 U9ULS——10/100系列。U
19、9ULS系列超聲波液位傳感器開關使用范圍非常廣。具有焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，另外沒有易損的活動部件，它不會受溫度、壓力、密度和液體類型等參數的影響。在大多數情況下，電子設備放在鑄鋁的，NEMA 4/NEMA 7防爆且防水的殼體中。
U9ULS具有以下特點：
可應用于多種液體中
可承受高達1000psi的壓力
不受氣泡、蒸汽、雜質后湍流等因素的影響。
長度達121in(303.3cm)
可安裝在側面、頂部或底部
工作原理：U9ULS系列是給予超聲波理論工作的。當超聲波在空氣中傳播時，會被嚴重衰減 相反地，如果在液體中傳播時，超聲波的傳播會被大大增強。
電子
20、控制單元發(fā)出一系列的電信號，傳感器將其轉化為超聲能量脈沖，并在被探測區(qū)內傳播。當另一端接到有效信號時，就發(fā)出數據有效的信號，表明有液體存在。這個信號輸送到繼電器，從而產生輸出信號。
U9ULS——100系列產品具有性能優(yōu)異的傳感器探頭，可在溫度為300F和壓力為1000PSI的情況下良好的工作。
U9ULS——10系列產品為更靠近池底，將頂端的探頭設計成缺口形狀。控制電路設計成小型，密封的結構，可安裝在遠程的控制地點。
特點：10A的繼電器輸出
115/230V AC，12V DC或24V DC輸入
高增益。無需效準，工作溫度可達300 長度可達151.5CM
輸入
21、電壓
380/220V AC，50/60HZ或12/24V DC
U9ULS—10系列增益
300：1
U9ULS—100系列增益
1000：1
U9ULS—10系列輸出
10 A DPDA繼電器滅火兩線制，4mA-干；20 mA- 濕
U9ULS—100系列輸出
10 A DPDT繼電器
延時
0.5s
重復性
2mm
外殼
NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，環(huán)氧涂層，鑄鋁。
2.4 水塔水位系統主電路設計
排水工程中常使用三相異步電動機， 水泵上的電動機一般都是單向旋轉有以下控制。
在水塔水位檢測系統中通過水位傳感器檢測實際水位的
22、高度，當水位低于最低水位時向PLC發(fā)出信息啟動電機，經過半分鐘檢測水塔水位是否提高來控制水泵的工作，當水位達到上限水位時向PLC發(fā)出信息使水泵停止工作。水塔水位控制系統主電路圖如下
水塔水位調節(jié)原理是：通過在水塔中的水位傳感器，將水位值變換為電流信號進入PLC，然后執(zhí)行程序，通過水泵的開關對水塔中的水位進行自動控制。
QF:電源總開關，即可完成主電路的短路保護，又起到分段三相交流電源的作用，使用和維修方便。
FU：熔斷器，實現對負載回路的短路保護。
KM：電磁接觸器，控制電機M的啟動與關閉 。
FR: 熱敏繼電器 實現過載保護。
2.5 水塔水位系統的輸入/
23、輸出分配
水塔水位控制系統PLC的輸入輸出接口分配
輸入繼電器
輸入變量名
輸出
繼電器
輸出變量名
X0
主控開關
Y0
電機M
X1
水池上限液位開關
Y1
電磁閥繼電器
X2
水池下限液位開關
Y2
水池下限指示燈L1
X3
水塔上限液位開關
Y3
水池上限指示燈L2
X4
水塔下限液位開關
Y4
水塔下限指示燈L3
X5
水池水位超高液位開關
Y5
水塔上限指示燈L4
X10
電機過載保護熱繼電器
Y6
水池超高液位指示燈L5
X6
水塔水位超高液位開關
Y7
水塔超高液位指示燈L6
X7
停止按鈕
24、Y13
水池低水位報警指示燈L7
Y14
水池超高液位報警指示燈L8
Y10
水塔低水位報警指示燈L9
Y11
水塔超高液位報警指示燈L10
Y12
報警蜂鳴器
2.6水塔水位系統硬件接線圖
2.7系統硬件元器件的選擇
水塔水位系統元器件目錄表
序號
文字符號
名稱
數量
規(guī)格型號
備注
1
M
電動機
1
立式離心泵LS40-32.1
揚程30M,3KW,380V
三相交流異步電動機
2
FR
熱繼電器
1
JB16B-20/3
參照電動
25、機整定電流
3
FU
熔斷器
3
RL1-15
熔體2—10A
4
QF
斷路器
1
C45AD
脫扣電流10A
5
DB
變壓器
1
BK-100
電壓比1.732:1 AC220V
6
SB0
主控開關
1
LAY37
自保持開關
7
SB1
停止按鈕
1
LA23-MT
緊急停止按鈕
8
S1-S6
超聲波液位傳感器
6
U9ULS——100
24V DC輸入
9
L1-10
指示燈
10
AD16-22
LED顯示DC24V
10
KM
交流接觸器
1
DJX-9
線圈電壓：AC220V
26、11
KA
中間繼電器
1
AC220V
12
YA
電磁閥
1
ZCT-50A
AC 220V
13
HA
報警蜂鳴器
1
14
PLC
可編程序控制器
1
FX2N-32MR
繼電器輸出
第三章 水塔水位系統PLC軟件設計
3.1 水塔水位系統的具體工作過程
當水池中的水位傳感器檢測到水池水位低于下限水位時，打開電磁閥向水池中注水，若30秒后水池水位仍低于下限水位則報警器報警，并且低水位報警顯示燈點亮，若水池水位30秒后不低于水池下限，則繼續(xù)向水池內注水，水池水位到達上限水位后關閉電磁閥，若注水的過程中水池水位高于了水池超
27、高液位，則報警器報警，并且超高液位報警指示燈亮。在水池水位不低于下限水位時，若此時水塔水位低于下限則開啟電動機從水池向水塔內抽水，若30秒后水塔水位低于下限水位則報警器報警，水塔低水位報警指示燈點亮，若水塔水位不低于下限水位則繼續(xù)注水，到達上限水位后關閉電機，若檢測到水塔水位超過超高液位則報警器報警，超高液位報警指示燈點亮。
3.2 水位控制系統的流程圖
3.3 PLC控制流程圖
28、
第四章 課程設計總結
本次課程設計使我受益良多，由最初看到題目時的茫然到最終做出結果，此期間心理和
身體上的壓力是對我的又一次考驗。通過不斷查閱資料和認真思考我一步步的把水塔水位控
制系統這個課題設計了出來，這是我的又一次成功，我覺得非常有成就感
29、。
通過這次的實踐讓我更熟練的掌握了三菱FX的PLC軟件編程方法，并從中學會了如何使用Visio畫圖軟件和Developer編程軟件，使我的知識面再次拓寬。在理論運用當中也提高了我的工程素質，在最初使用三菱軟件時，由于知識掌握不牢固，我的編程中出現了雙線圈輸出，導致變換后調試時出現了問題，這是由于我無法做到理論與實踐相結合，知識掌握不牢靠，理解不深入，最后通過請教同學才使得問題得到了解決。此次課程設計是對我專業(yè)知識的一次考驗，通過本次課程設計我對已學過知識有了進一步的理解和掌握。
短暫而又忙碌的PLC課程設計結束了，雖然每天都在緊張中度過，但是我覺得很充實。在此過程中每天老師
30、們都前來為我們解決問題和我們共同努力，對于老師們我表示真心的感謝。
參考文獻
[1] 漆漢宏 編 《 PLC電氣控制技術》 北京：機械工業(yè)出版社 2008
[2] 三菱FX2N系列《微型可編程控制器使用手冊》
[3] 李俊季、趙黎明 《可編程控制應用技術實訓指導》 北京：化學工業(yè)出版社 2001
[4] 張桂香 《電氣控制與PLC應用》 北京：化學工業(yè)出版社 2003
31、電氣工程學院課程設計評審意見表
指導教師評語：
(1)、學習態(tài)度及平時表現 ( 出勤等) □A □B □C □D □E
(2)、查閱資料，分析、解決問題的能力 □A □B □C □D □E
平時成績：
2013年 7 月 1 日
圖面及其它成績：
(1)、結構合理、 層次分明， 書寫規(guī)范：□A □B □C □D □E
(2)、基本概念正確， 分析與論述清楚：□A □B □C □D □E
(3)、圖紙(插圖)簡明清晰、電
32、氣符號規(guī)范：□A □B □C □D □E
圖面及其它成績：
2013年 7 月 1 日
答辯小組評語：
(1)、語言敘述思路清晰、表達清楚：□A □B □C □D □E
(2)、基本概念正確、設計方案合理：□A □B □C □D □E
(3)、基礎知識扎實、回答問題準確：□A □B □C □D □E
答辯成績：
2013年 7 月 1 日
課程設計綜合成績：
答辯小組成員簽字：
2011年 7 月 5日
25
水塔水位PLC課設
