【文章內(nèi)容簡介】 水塔供水 作為 現(xiàn)代化生產(chǎn)生活建設(shè) 的重要工具與人們的工作和生活日益緊密聯(lián)系。 PLC 作為新一代工業(yè)控制器，以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，在 水塔液位中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 控制中得到廣泛應(yīng)用，從而使 水塔液位控制 由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)重要方向，成為當(dāng)前 水塔液位 控制和技術(shù)改造的熱點(diǎn)之一。 PLC 是一種專門從事邏輯控制的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于 PLC 具有性 能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)配置靈活等特點(diǎn)。因此在工業(yè)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。自80 年代后期 PLC 引入我國 水塔液位控制 以來，由 PLC 組成的 水塔液位 控制系統(tǒng)被 各地人民的生產(chǎn)生活 普遍采用。并形成了一系列的定型產(chǎn)品。在傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)的改造工程中， PLC 系統(tǒng)一直是主流控制系統(tǒng)。 水塔液位 控制系統(tǒng)分為 檢測部分 和 水泵電機(jī) 控制部分。 檢測部分 的性能對 水塔液位能否順利自動(dòng)控制 有著重要影響，而 水泵電機(jī) 控制部分則是 水塔液位控制能否實(shí)現(xiàn) 運(yùn)行的關(guān)鍵。為了改善 水塔液位 的 調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性 和運(yùn)行的可靠性，現(xiàn)在都改為用 PLC 來控制 水泵 的運(yùn)行 ， 以及檢測液位的反饋。 這樣大大提高了 水塔水位自動(dòng)控制 的性能。 綜上所述考慮到，在實(shí)際生產(chǎn)生活中為了解決水塔供水的穩(wěn)定性、高效性、省時(shí)性等問題。采用基于 PLC 控制的水塔液位的方式。更容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)生活中的機(jī)械化、自動(dòng)化。降低認(rèn)為操作的頻繁次數(shù)，而且使整個(gè)控制系統(tǒng)更易于操控和維護(hù)，這將大大增加工業(yè)和生產(chǎn)生活的自動(dòng)化，為居民生活質(zhì)量的提高，工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展產(chǎn)生極大的幫助。所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種基于 PLC 使水塔可以自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 基于 PLC 的供水方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制要求 水塔水位控制示意圖如圖 22 所示： 中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 圖 22 水塔水位控制示意圖 給排水工程中常使用三相異步電動(dòng)機(jī)， 水泵上的電動(dòng)機(jī)一般都是單向旋轉(zhuǎn)有以下控制。 在水塔水位檢測系統(tǒng)中通過水位傳感器檢測實(shí)際水位的高度，當(dāng)水位低于最低水位時(shí)向 PLC 發(fā)出信息啟動(dòng)水泵，當(dāng)水位達(dá)到最高水位時(shí)向 PLC 發(fā)出信息控制信息停止水泵工作。 供水系統(tǒng)的基本原理如圖所示，水位閉環(huán)調(diào)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(hào)進(jìn)入 PLC，執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。 控制要求如下： 位界限時(shí)（ S1 為 OFF 時(shí)表示），報(bào)警燈報(bào)警，補(bǔ)水泵M1 打開給水池注水； 10s 后，如果 S4 繼續(xù)保持 OFF 狀態(tài) ,表示補(bǔ)水泵 M1 沒有工作，出現(xiàn)了故障，報(bào)警燈繼續(xù)報(bào)警；如果 S1 為 ON 狀態(tài) ,表示水池水位開始升高 ,報(bào)警燈 2 解除。 （ S3 為 OFF 時(shí)表示），報(bào)警燈報(bào)警，水泵M2 開始從水池中抽水； 10s 后，如果 S3 繼續(xù)保持 OFF 狀態(tài)，表示水泵沒有抽水，出現(xiàn)了故障，報(bào)警燈繼續(xù)報(bào)警；如果 S3 為 ON 狀態(tài) ,表示水塔水位開始升高 ,報(bào)警燈 1 解除。 S3 時(shí) ,水泵 M 運(yùn)行并開始抽水 ,直到水位到達(dá) 高水位界限S4。由于水塔要供水 ,所以水位會(huì)下降 ,當(dāng)水塔水位介于 S3 和 S4 之間 ,不需要水泵M 運(yùn)行 ,避免了水泵頻繁啟停。當(dāng)水塔水位再一次低于 S3 時(shí) ,水泵 M2 運(yùn)行并開始中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 抽水 ,直到水位到達(dá)高水位界限 S4 時(shí) ,水泵停止運(yùn)行。 S1 時(shí)，補(bǔ)水泵 M1 打開并開始進(jìn)水，直到水位到達(dá)高水位界限 S2。由于水塔要抽水 ,所以供水池水位會(huì)下降 ,當(dāng)供水池水位介于 S1 和S2 之間 ,不需要補(bǔ)水泵打開 ,避免了補(bǔ)水泵頻繁開關(guān)。當(dāng)水塔水位再一次低于 S1時(shí)補(bǔ)水泵 M1 開始工作，直到水位到達(dá)高水位界限 S2，時(shí)補(bǔ)水泵 Y 關(guān)閉。 分析示意圖 基于 PLC 的水塔水位控制系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)分析分析如下： 當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)，水池和水塔的水位有以下幾種情況： 水池的水位在 S1 之下，如圖 （ a）所示，則電磁閥 MB1 打開，水泵 M1啟動(dòng)，開始向水池供水，待 4S 后，若水池水位沒有超過 S1，則水池蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)水池水位高于 S2 時(shí)，如圖 （ c）所示，水泵 M1 停止，電磁閥 MB1 關(guān)閉。 水池的水位在 S1 與 S2 之間，如圖 （ b）所示，則電磁閥 MB1 不會(huì)打開，水泵 M1 不會(huì)啟動(dòng)，保持待命狀態(tài)。 水塔的水位在 S3 之下，如圖 （ d） 所示，并且水池水位在 S1 與 S2 之間，則電磁閥 MB2 打開，水泵 M2 啟動(dòng)，開始向水塔供水，待 4S 后，若水塔水位沒有超過 S3，則水塔蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)水塔水位高于 S4 時(shí)，如圖 （ f）所示，水泵 M2 停止，電磁閥 MB2 關(guān)閉。 水塔的水位在 S3 之下，并且水池水位在 S1 之下，則電磁閥 MB2 不會(huì)打開，水泵 M2 不會(huì)啟動(dòng)，等待水池水位高于 S1。 水塔水位在 S3 與 S4 之間，如圖 （ e）所示，則電磁閥 MB2 不會(huì)打開，水泵 M2 不會(huì)啟動(dòng)，保持待命狀態(tài)。 水塔設(shè)計(jì)分析示意圖如圖 23 所示 ： 中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 圖 23 水塔設(shè)計(jì)分析示意圖 確定設(shè)計(jì)方案 通過比較傳統(tǒng)水塔液位控制系統(tǒng)和基于 PLC控制的水塔液位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。確定使用 PLC 來控制水塔的液位。經(jīng)過資料的查閱之后確定了以 S7200 系列的CPU224 做主機(jī)，輸入端口的數(shù)目為 9 個(gè)，輸出端口的數(shù)目也為 9 個(gè)。以 EM222作為智能擴(kuò)展模塊，為 4 個(gè)數(shù)字量輸出模塊。并通過置于容器內(nèi)的液位傳感器來作為感測水塔系統(tǒng)水位的元件，再加上 EM232 作為數(shù)字量輸出模塊經(jīng)過擴(kuò)展之后將電流電壓信號(hào)傳給 MM430 變頻器，通過變頻器來控制驅(qū)動(dòng)水泵。水塔系統(tǒng)的總體框圖如圖 24 所示 。 圖 24 水塔設(shè)計(jì) 總體框圖 中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 3. 水塔 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 簡述 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller， PLC），它采用一類可編程 的 存儲(chǔ)器 ，用于 其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 [7]。 可編程控制器的分類 （一） 小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)是在 128 點(diǎn)一下，它的體積較小、結(jié)構(gòu)還比較緊湊，整體和硬件還融洽的比較緊湊。除了開關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/點(diǎn)數(shù)O，還可以連接其他特殊的功能模塊。它能執(zhí)行的運(yùn)算也很多，其中有邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)，算數(shù)，運(yùn)算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。適合于控制單機(jī)設(shè)備和開發(fā)機(jī)電一體化設(shè) 備。 （二） 中性 PLC 中型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)在 128 至 2048 點(diǎn)之間，不僅具有極強(qiáng)的開關(guān)量邏輯控制功能，而且其他的通信量聯(lián)網(wǎng)功能和模擬量處理能力更強(qiáng)大。中型機(jī)的指令比小型機(jī)的指令更豐富，中型機(jī)更適用于復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制場合。 （三） 大型 PLC 大型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)以上，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量最高分別可達(dá)到10MB，其性能已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，它具有計(jì)算，控制和調(diào)節(jié)功能，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些大型 PLC 還具有沉余能力。他的監(jiān)視系統(tǒng)能夠表示過程中 的動(dòng)態(tài)流程，記錄各種曲線， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成多功能的控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號(hào)的控制器互聯(lián)，和上位機(jī)相連，組成一個(gè)集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備自動(dòng)化控制，過程自動(dòng)化控制和過程監(jiān)控系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 系統(tǒng)時(shí)，首先要進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對象中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 的功能設(shè)計(jì)和工藝要求。明確系統(tǒng)要做的工作要求和因此必備的條件，然后時(shí)進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析。即通過分析系統(tǒng)的功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的 種類、數(shù)量，下面是 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟： ，要詳細(xì)的研究被控的對象的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì) PLC 的方案。 I／ O 端口，結(jié)合要控制的系通的要求，明確設(shè)計(jì)者所要用的輸入，最后確定 PLC 的 I／ O 點(diǎn)數(shù)。 PLC 時(shí)包括 PLC 的機(jī)型、容量、 I／ O 模塊、和電源。 PLC 的 I／ O 地址。 PLC 的程序設(shè)計(jì)。 。 可編程控制器的工作原理 PLC 的工作過程可以分為三部分，第一部分是上電處理。機(jī)器上電后對 PLC系統(tǒng)進(jìn)行 一次初始化，包括硬件初始化，配置和檢查 I/O 模塊，斷電保護(hù)，系統(tǒng)通信參數(shù)配置等。 PLC 正常運(yùn)行時(shí)，掃描周期長短與 CPU 的性能、 I/O 點(diǎn)的多少、與設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的程序有關(guān)。不同的指令執(zhí)行的時(shí)間是不同的。如果用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時(shí)間，可在軟硬件上同時(shí)考慮?？紤]到現(xiàn)在 CPU 速度高，所以想過去編程那樣從用戶軟件使用指令上來精打細(xì)算的來節(jié)省掃描時(shí)間已是不可能的了。 概括而言， PLC 是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式工作的。每一次掃描所用的時(shí)間稱掃描周期或工作周期。 圖 31 為掃描周期示意圖。 上電RUN自診斷通訊輸入采樣用戶程序執(zhí)行輸出刷新故障 圖 31 PLC掃描周期示意圖 本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)的角度，介紹該項(xiàng)目的 PLC 控制系統(tǒng)的實(shí)際步驟和 PLC 的硬件配置、外部電路設(shè)計(jì)、以及 PLC 的控制器設(shè)計(jì)的參數(shù)中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 的整定。 PLC 的選型 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定控制方案，下一步就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝特點(diǎn)和應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)選型主要依據(jù)。 PLC 和相關(guān)設(shè)備應(yīng)綜合的，基于標(biāo)準(zhǔn)，易于跟蹤和工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能選擇在相關(guān)工業(yè) PLC的選用原則應(yīng)投產(chǎn)的表現(xiàn)領(lǐng)域，成熟可 靠的系統(tǒng)， PLC 的大小和控制系統(tǒng)的硬件，軟件和設(shè)備的配置和功能應(yīng)符合要求。熟悉可編程邏輯控制器，有利于減少編程時(shí)間的菜單計(jì)劃和相關(guān)的編程語言，所以當(dāng)工程設(shè)計(jì)選型和估算應(yīng)該是過程的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，控制要求，明確任務(wù)，并確定所需的控制的操作和動(dòng)作，并根據(jù)控制要求的范圍，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)，所需存儲(chǔ)器容量確定 PLC 的功能，外部設(shè)備的特性，最后選擇了更高的性價(jià)比和設(shè)計(jì)相應(yīng)的 PLC 控制系統(tǒng)。 綜合了輸入輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、各項(xiàng)控制功能和機(jī)型的考慮以及性價(jià)比等各方面的因素，在此我為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了 S7200 PLC 一臺(tái)。 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 等類型。 6 個(gè)有 12 種工作方式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速計(jì)數(shù)器 /和脈沖寬度調(diào)制器、直接讀寫的模擬量 I/O 模塊、 CPU 有著先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu) 、尋址方式 靈活多變 以及程序化的PID 編程控制。 便宜使用的價(jià)格使它能夠被廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)生活的方方面面 。最重要的是它還提供了完善的的網(wǎng)上支持。這些都為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供很好的條件和方便。此系統(tǒng)選用的 S7200 CPU224,CPU224 集成 14 輸入 /10 輸出共 24個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn) ?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35路模