【正文】 基于 PLC 的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 目前，在國內(nèi)的供水系統(tǒng)中，包括水廠、高層建筑生活小區(qū)的供水系統(tǒng)中，仍然采用比較傳統(tǒng)的供水方式，給值班員帶來了不宜調(diào)節(jié)準(zhǔn)確率較低等這些問題。傳統(tǒng)供水方式存在許多缺陷，特別是多臺多臺水泵供水系統(tǒng)尤為嚴(yán)重。 本文通過對 PLC 液位控制的設(shè)計(jì)思想和水塔自動供水系統(tǒng)，有效的解決了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用大，工作量大，壽命短，能耗大等諸多問題， PLC 控制系統(tǒng)具有自動化程度高，節(jié)能，安全等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 : 水塔水位 PLC 液位控制 Based on PLC control system to control the water tower water level Abstract At present,In the domestic water supply system,Including waterworks water supply system of highrise residential district,Still adopts the traditional way of water supply,Brought unfavorable to attendant regulating accuracy lower these problems. There are many defects. Traditional ways of water supply, Especially many sets of more than one pump is particularly acute in the water control based on PLC of design idea and the water tower automatic water supply control system has a high degree of automation, energy saving, safety, etc Key Words: water level of water tower PLC liquid level control 1. 緒 論 課題研究的背景和意義 在工業(yè)生產(chǎn)中，電壓、電流、溫度、壓力、流量，水位和開關(guān)量等都是我們常用的主要被控參數(shù)。其中，水位控制已經(jīng)變得越來越重要了。在現(xiàn)代社會，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，水在人們正常生活和正常生產(chǎn)中起著及其重要的作用。我們設(shè)想一下，一旦沒有了水，會給人們的生活帶來極大的不變，圣旨可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此，給排水工程成為了高層建筑和工礦業(yè)企業(yè)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供平穩(wěn)的水壓、足夠的水量、合格的水質(zhì)是給給水系統(tǒng)提出的最基本的要求。就目前而言，多數(shù)企業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采 用水塔、層頂水箱等作為基本的儲水設(shè)備，有一二級水泵從地下市政水管補(bǔ)給。傳統(tǒng)的控制方法存在控制能耗大、精度低、可靠性差等缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鳎?PLC）是根據(jù)順序邏輯控制的需求發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境條件設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn) ，目前水位控制方式已經(jīng)被 PLC 控制縮取代。 在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一級日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的水位進(jìn)行自動控制。例如自動控制水池 、 水槽 、 水塔 、 鍋爐 、 等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動電熱水器 、 自動補(bǔ)水控制 、 飲水機(jī)的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制系 統(tǒng)的基本技術(shù)要求都是不同的，精度要求也是不同的，但是其原理都大同小異。特別在實(shí)際操作系統(tǒng)中，可靠 、 安全 、 穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個可靠的 、 安全的 、精度高的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。采用 PLC控制技術(shù)能很好的解決以上這些問題，使水位控制在要求的位置。 水塔水位系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀 近年來， 隨著工業(yè)的 快速 發(fā)展 ，計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用的 研究 。水塔水位的研制得到了長足的發(fā)展， 以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。 目 前，水位測量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在日常檢測部門和工業(yè)部門和中。例如，水位測量 技術(shù)在石油、化工、氣象等部門的應(yīng)用。對 測量條件和環(huán)境來說 ，有的測量系統(tǒng)被運(yùn)用在特別 復(fù)雜的條件與環(huán)境中。例如 :有的是高溫高壓 ， 有的是低溫或 者 真空 ；有的需要防腐蝕性，防輻射；有的從安裝上提出苛刻的限制 要求； 有的 從維護(hù)上提出嚴(yán)格的要求等。這些都大大的提高了對水塔水位 的要求。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題主要利用的是三菱公司的，構(gòu)建一個水塔水位控制系統(tǒng) 。 本系統(tǒng)是有 PLC、 PC 機(jī)和組態(tài)王軟件構(gòu)成。 通過自由協(xié)議實(shí)現(xiàn)了 PC 機(jī)與 S7200PLC的串行通信 。把組態(tài)王軟件安裝在 PC 機(jī)上建立水塔水位控制模型 編程控制 程序、建立動態(tài)連接 。就可以實(shí)現(xiàn)水塔水位控制系統(tǒng)在組態(tài)王軟件中實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能為：（ 1） 實(shí)現(xiàn) 水塔水位 的恒定控制 ；（ 2）利用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控作用；實(shí)時報(bào)警（ 3） 實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與 PLC 之間的通訊連接 。 2. 水塔水位控制系統(tǒng)控制方案 水塔水位控制系統(tǒng)的概括 水塔水位控制系統(tǒng) 的工作原理 可編程控制器 ,也稱可編程邏輯控制器， 它 是以微處理器為核心的工業(yè)自動控制通用裝置， 也 是計(jì)算機(jī)家族的一名成員，簡稱 PC，為了避免與個人電腦（也簡稱為 PC）相混淆， 所 以把 可編程控制器 命名 為 PLC。 可編程控制器的產(chǎn)生與繼電器一 接觸器控制系統(tǒng)有非常 大的關(guān)系。繼電器 — 接觸器控制已有 百年歷史，它是一種采用 弱電信號控制強(qiáng)電信號的電磁開關(guān)，具有 電路直觀、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、易于維修 、容易操作 等 優(yōu)點(diǎn)。此種控制系統(tǒng)布局固定，按預(yù)先規(guī)定的 條件、 時間、 順序工作。對于工作模式固定、要求簡單的場合非常適用，至今仍有廣泛的用途。然而 當(dāng)工作模式改變時，就 應(yīng)該改變控制系統(tǒng)的硬件接線，控制柜內(nèi)的物件和接線都要作相應(yīng)的改動，改造工期長，費(fèi)用高，用戶改造時寧愿丟掉 舊控制柜，另作一個新控制柜使用，阻礙了產(chǎn) 品 的 更新?lián)Q代。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場競爭 十分 激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短，工業(yè)生產(chǎn) 需要 從大批量、少品種向小批量、多品種轉(zhuǎn)換， 而繼電器 — 接觸器控制難以滿足市場需要，此類 問題首先被美國通用汽車公司提了出來。通用汽車公司為 了適合汽車型號的不斷翻新，滿足用戶對產(chǎn)品的多樣性 需求，公開對外招標(biāo)，要求制造 出一種新的工業(yè)控制裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器 — 接觸器控制。其對新型 裝置性能提出的要求就是著名的 GM10 條，即 可靠性高于繼電器控制柜 維護(hù)方便，最好是插件式。 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。 可靠性高于繼電器控制柜 。 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)。 在成本上可與繼電器控制柜競爭。 輸入可以是交流 115V。 輸出可以是交流 115V、 2A 以上，可直接驅(qū)動電磁閥。 體積小于繼電器控制柜 。 在擴(kuò)展時，原有系統(tǒng)只要很小變更。 用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展 4KB。 這十項(xiàng)指標(biāo)就是現(xiàn)代 PLC 的 基本功能，值得注意的是 PLC 并不等同于普通 PC，它與有關(guān) 外部設(shè)備，按照“ 便于擴(kuò)充功能 ”和“ 易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體 ”的原則來設(shè)計(jì) 的 。 用可編程控制器代替了繼電器 — 接觸器 控制，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代 替硬接線，減少了重新設(shè)計(jì)，重新接線的工作，此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標(biāo)志性語言是極易為 IT 電器人員掌握的梯形圖語言，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在編程上發(fā)費(fèi)大量的精力，只需集中精力去考慮如何操作并發(fā)揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，是控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運(yùn)行。所以，可編程控制器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。 1969 年，第一臺可編程控制器 PDP14 由美國數(shù)字設(shè)備公司制作成功，并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上使用取得很 好的 效果，可編程控制器由此誕生，在控制領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了歷史性 的 革命。 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的 快速 發(fā)展，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷 地 進(jìn)步， PLC 迅速發(fā)展。 PLC 進(jìn)入 90 年代以后，工業(yè)控制領(lǐng)域幾全部 被 PLC 占領(lǐng)。 有 國外專家預(yù)言， PLC 技術(shù)將在工業(yè)自動化 三大支柱（ PLC、機(jī)器人和 CAD/CAM）中躍居首位。 我國在 80 年代后 才開始使用 PLC，目前從國外引進(jìn)的 PLC 大多使用 的有日本OMRON 公司 C 系列、三菱公司 的 F 系列、美國 GE 公司 的 GE 系列和德國西門子公司的 S 系列等。 可 編程控制器 使用前景 可編程控制器是 在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的控制設(shè)備，是存儲器 、輸入 /輸出接口 、集微處理器 與中斷于一體的器件，已 被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、化工、 冶金、 能源、交通等各個行業(yè)。計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、通行能力 、應(yīng)用軟件 上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了可編程控制器 的 通信能力，豐富了可編程控制器 編程技巧 和編程軟件 ，增強(qiáng)了 PLC 過程 控制能力。所以 ，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、是 過程控制 還是 流水 線控制 ，都可以采用可編程控制器。 PLC 的 發(fā)展 雖然 PLC 問世時間不長，但是微處理器出現(xiàn)后，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技 術(shù) 的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展的過程大致可分為三各階段： 早期的 PLC 一般稱作可編程邏輯控制器。這是的 PLC 多少由電繼電器控制裝置替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它在硬件上是以計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作出了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場要求。裝置中的器件主要采用分離元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上采用廣大電器工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式 — 梯形圖。因此，早期 的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指示，能重復(fù)使用等。其中 PLC 特有的編程語言 — 梯形圖一直沿用至今。 在七十年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元（ CPU）。 這樣，使 PLC 的功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。再硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量快、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、 各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲器的容量，是各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。 進(jìn)入八十年代中、后期，由于插大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商紛紛開發(fā)研制了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC 軟、硬功能發(fā)生了巨大變化 。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同各種 PLC 的組成結(jié)構(gòu)基 本相同，主要有 CPU,電源，儲存器和輸入輸出接口電路等組成 ，中央處理單元（ CPU）， 如圖 11 所示： 一 、中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場 各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象