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1、摘 要在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。然而随着世界人口的不断增长，人们生活用水的增加，以往采用的继电器水塔水位自动控制系统由于频繁操作会产生机械磨损，不方便维护和更新，已经不能满足人们的实际需求。并且现代人们对供水系统的质量、能耗和可靠性要求越来越高。质量可靠的供水设备和先进的控制技术是保证供水系统安全、高质、节电的前提条件。本文采用的是三菱FX2n系列小型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，经A/D转换后，进行数据比较，来控制水泵电机的动作，且利用主水管道的压力传感器以实时监视配水管道水压
2、随用水量的不同而变化，并将水压信息反馈回PLC控制器，以有级的控制水泵电机的动作，继而构成可调压的闭环水塔水位自动控制系统。本文合理地运用了PLC可编程控制器为控制系统核心和压力变送器为反馈环节，从而构建了可调压的闭环水塔水位自动控制系统，切实有效可行。关键词：可调压的水位闭环自动控制、三菱Fx2n、水泵电机的有级调速 、压力变送器目 录摘 要I第1章 引 言1第3章 水塔水位控制系统方案设计133.1 传统水塔水位控制133.1.1 工作原理133.1.2 外部接线与控制列表133.1.3程序编辑及分析153.2 PID水塔水位控制系统的工作原理153.2.1 设计分析153.2.2 可行性
3、试验163.2.3 可行性分析173.3 水位闭环控制系统17第5章系统硬件开发设计245.1 可编程控制器的选型245.2 EM235模拟量模块255.2.1 EM235的安装使用275.2.2 EM235的工作程序编制275.3 硬件连接图285.4 控制系统I/O地址分配28第6章 系统软件应用设计296.1 水位PID控制的逻辑设计296.2 梯形图编程336.3 控制程序336.4 联机33第7章 结 论357.1本课题研究结论357.2课题存在问题与展望35致 谢36参考文献37附录38第1章 引 言在工业生产中，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
4、。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
5、种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。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。因此如何设计一个可靠性高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。采用PLC和有备用的多水泵电机闭环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。本文采用的是三菱FX2n系列小型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，通过传
6、感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，经A/D转换后，进行数据比较，来控制水泵电机的动作，且利用主水管道的压力传感器以实时监视配水管道水压随用水量的不同而变化，并将水压信息反馈回PLC控制器，以有级的控制水泵电机的动作，继而构成可调压的闭环水塔水位自动控制系统，实现水塔供水且有效节能。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性。一、任务描述（一）水塔水位控制PLC系统设计要求。在自来水供水系统中，为解决高层建筑的供水问题，修建了一个水塔。水塔高为35m，正常水位变化2.5m，为保证水塔的正常水位，需要用水泵为其供水。水泵房用2台三
7、相异步电动机，交流380V，5kW供水。正常运行时，1台电动机运转，1台电动机备用。1 因电动机功率较大，为减少起动电流，电动机采用星形启动。2 为防止某一台电动机长期闲置而产生锈蚀，备用电动机可通过预置开关预先随意设置。如果未设置备用电动机组号，则系统默认为2号电动机组为备用。3 每台电动机都有手动和自动两种控制状态。在自动控制状态下，如果由于故障使某台电动机组停车，而水塔水位又未达到高水位时，备用电动机自动降压起动；同时对发生故障的电动机组根据故障性质发出停机报警信号，提请维护人员及时排除故障。4 当水塔水位达到高水位时，高液位传感器发出停机信号，电动机组停止运行。当水塔水位低于低水位时，
8、低液位传感器自动发出开机信号，电动机自动降压启动。5 液位传感器要有位置状态指示灯。第2章 水塔水位控制系统方案设计2.1传统水塔水位控制系统图3-1 传统水塔水位控制布局图2.1.1 工作原理1）保持水池的水位在S3S4之间，当水池水位低于下限液位开关S3，此时S3为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S3时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S3为OFF，表示水位高于下限水位。当页面高于上限水位S4时，则S4为ON，电磁阀关闭。2）保持水塔的水位在S1S2之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S2时，则水塔下限液位开关S2为ON
9、，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。当S2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开关S1时，则S1为ON，电机M停止抽水。当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。2.2可调压的水塔水位闭环控制系统方案本文采用的是三菱FX2n系列小型PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，经A/D转换后，进行数据比较，来控制水泵电机的动作，且利用主水管道的压力传感器以实时监视配水管道水压随用水量的不同而变化，并将水压信息反馈回PLC控制器，以有级的控制水泵电机的动作，继
10、而构成可调压的闭环水塔水位自动控制系统。三 菱PLC水泵电机有级调速控制回路水压水位故障输入图2、系统方案图可调压的闭环水塔水位自动控制系统的供水部分主要由水泵电机，管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过改变绕组缠绕方式调节水泵电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现可调压供水的。比较器水泵电机主管压力主水管水压力检测传感器给定PLC图3、可调压的水塔水位供水系统方案方框图2.2.1水位传感器装置环节方案设计图4、水位传感器系统设计分析示意图可调水压的水塔水位自闭环自动控制系统的控制对象为水泵，容器为水塔，水位高度正常情况下控制在C、D之间，如图（
11、a）。当水位在低于C点时，水泵开始进水，如图（b）。当水位高于D点时，水泵停止进水，如图（c）。当水位低于C点并到达B点时就报警，采取手动启动水泵，如图（d）。当水位超过D点并到达E点时上限报警，采取强制停止水泵，水位从溢流口流出，如图（e）。水塔水位控制要求，即如上图所示：当水位处于B点之下，指示灯B、C、D、E全亮，报警电路开始报警，即下限报警。当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开始进水。当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持进水。当水位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮，停进状态，即水泵不工作。当水位处于E点之上，指示灯B、C、D、E全灭
12、，水泵不工作，报警电路开始溢出报警，即上限报警。2.2.2水泵电机有级调速环节方案设计 双速电动机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。图4、双速电动机控制回路由上图分析，合上空气开关QF引入三相电源。交流接触器KM1主触头闭合，为电动机引进三相电源，L1接U1、L2接V1、L3接W1;U2、V2、W2悬空。电动机在接法下运行。若想转为高速运转，则接触器KM1线圈断电，同时接触器KM2常开触点闭合，将定子绕组三个首端U1、V1、W1连在一起，并把三相电源L1、L2、L3引入接U2、V2、W2，此时电动机在YY接法下运行。2.2.
13、3报警环节方案设计图5为水塔水位控制器的外观正视图，报警环节由电源指示灯、报警确认灯、水位指示灯、报警指示灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深处于不同位置时，水位指示灯B、C、D、E情况不同。当控制系统中发生不同的故障时，其相应的报警指示灯亮，以提醒工作人员进行检查和维修。报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂鸣声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确认电路复位，恢复其监测故障的功能。图5、水塔水位控制器的外观正视图第3章 系统硬件部分开发设计3.1系统硬件主接线图设计在本可调压的水塔水位闭环自动控制系统中，为保证水塔
14、的正常水位，需要用水泵为其供水。水泵房分别用4台三相异步电动机，交流380V，15kW供水。正常运行时，3台电动机运转，1台电动机备用。且系统硬件主接线图如下所示。图6、系统硬件主接线图电机有两种工作模式即：绕组三角形连接，每相绕组中有两个线圈相串联，呈四个极，水泵电机为低速运行：绕组双星型连接，每相绕组中有两个线圈相并联，呈两个极，水泵电机为高速运行。热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的作为电动机的过载保护。电源开关QF在电路中作为失压、欠压和短路保护。3.2硬件元器件选择3.2.1PLC的选择与设计 PLC选择的基本原则，这是PLC应用设计中很重要的一步，目前
15、，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。（1）规模要适当；（2）功能要相当，结构要合理； （3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；本系统所需的IO点数为25点输入，32点输出，从控制系统功能和信价比考虑，选择PLC为三FX2N一64MR。该型号PLC有32点输入，32点输出，满足本系统的要求.3.2.2电子式液位开关选择电子式液位开关工作原理: 工作电压是DC5V-24V，通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当被测液体的液位到达动作点时，输出DC5V-24V，可以直接与PLC配合使用或者与控制板配合使用，从而实现对液位的控制。 BZ050
16、1三线判断有水时输出5V，无水时0V，可驱动LED灯或蜂鸣器， BZ0504三线判断有水时输出0V，无水时5V，可驱动LED灯或蜂鸣器3.2.3HDP503压力变送器结构:采用不锈钢整体构件,进口弹性体原件,高精度应变计及先进的贴片工艺,具有灵敏度高、性能稳定、良好的抗冲击能力。316不锈钢全封焊接,结构小巧、紧凑,有良好的防潮能力和优异的介质兼容性。其供电电压: 24DCV(936DCV)，输出信号010V(三线制)。3.2.4比较器选择图7、比较器电路图图中Va为设点电压信号7.5V，Vb为压力变送器传送电压信号，Vb大于7.5V时，比较器输出5V电压信号，否则输出0V电压信号。3.2.2
17、水塔水位控制系统PLC的输入/输出分配表一、水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表输入继电器输入变量名输出继电器输出变量名X0电源总开关Y0电磁阀X1报警确认开关Y1电机M1电源开关X2强制启动开关Y2电机M1星形运行X3强制关闭开关Y3电机M1三角形运行X4水塔B下限液位开关Y4电机M2电源开关X5水塔C液位开关Y5电机M2星形运行X6水塔D液位开关Y6电机M2三角形运行X7水塔E上限液位开关Y7水塔B下限液位指示灯a1X10水池F下限液位开关Y10水塔C液位指示灯a2X11水池G上限液位开关Y11水塔D液位指示灯a3X12电机M1检测信号 Y12水塔E下限液位指示灯a4X13电机M2检测
18、信号Y13水池下限指示灯a5X14比较器逻辑值Y14水池上限指示灯a6X15自动模式控制开关Y15水塔下限液位报警指示灯a7X16电机选择开关Y16水塔上限液位报警指示灯a8Y17水池下限液位报警指示灯a7Y20电动机M1故障报警指示灯a9Y21电动机M2故障报警指示灯a93.2.3系统I/O硬件接线图根据PLC输入、输出点地址分配表，水塔水位控制系统的I/O接线图如下：图7、水塔水位系统I/O硬件接线图第4章 系统软件开发与设计4.1系统工作过程设水塔、水池初始状态为手动调节到正常工作状态。当执行程序是，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过5S，而水池
19、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，显示为水池液位下限报警。若5S只有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，然后分两步工作：一是继续往水池里注水，直到水池液位超过上限液位停止注水，电磁阀关闭；二是检测水塔液位，若水塔液位低于水塔水位B下限，系统水塔液位下线报警。当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开始进水。若当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持进水。若水位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮，停进状态，即水泵不工作。若水位处于
20、E点之上，指示灯B、C、D、E全灭，水泵不工作，报警电路开始溢出报警，即上限报警。且在本水塔水位闭环控制系统中水泵电机需要多经历起动、低速运行、高速运行状态。 图8、系统程序流程图4.2系统软件程序设计第5章 课设总结通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好，古人说：三人行必有我师、思而不学则殆。所以说学习要善于向别人请教，学思结合。参考文献1 廖常初PLC基础及应用北京 机械工业出版社，20042 王兆义可编程序控制器教程北京机械工业出版社 2005
