基于PLC的水塔水位设计和实现

1、i基于基于 plc 的水塔水位设计的水塔水位设计摘要摘要:传统方式的水塔水位控制需要消耗的电能比较多、水压变化比较大而且容易引起水体水质的二次污染，在一定程度上，可以说是无法满足现今居民对供水控制系统稳定性和供水质量的要求。把先进的自动化控制技术、变频技术等应用于水位控制系统，不仅可以减少能源的损耗，还可以改善供水过程中出现的问题，在一定程度上，还具有推动社会向前发展的积极作用。水塔水位控制系统是采用变频调速技术和 PLC 技术实现自动控制水位的机电一体化水系统。文章中所讲述的水塔水位控制系统以水塔水位控制压力为研究对象，采用 PID 控制算法，通过 PLC 控制变频器，进而控制水泵机组转速，

2、最终达到恒压水塔水位控制的目的。 本文介绍了自动水塔水位控制系统在本地某小区水塔供水水位控制中的应用。通过 PLC 控制变频器的输出频率，再由变频器控制水泵电机的转速来实现的恒压水塔水位控制系统，并且选择 PID 控制设计中的参数，来达到最优控制的目的。该系统设计的关键在于维持管网水压趋于恒定值，考虑到用户数量较多加之没有固定的用水时间，管网内水压会产生一定的波动，所以选择使用 PID 方法来构建数学模型进行设计，并在实际应用中得到了令人满意的效果。关键词：关键词：恒压供水；可编定程序控制器；PID 控制；变频调速。ii Water level design of water tower ba

3、sed on PLCAbstract： The traditional way of water tower level control needs more power consumption, greater changes in water pressure and easy to cause secondary pollution of water quality. To a certain extent, it can not meet the requirements of the stability and quality of water supply control syst

4、em for the residents. Applying advanced automatic control technology and frequency conversion technology to water level control system can not only reduce energy consumption, but also improve the problems in the process of water supply. To a certain extent, it also plays an active role in promoting

5、social development.The water level control system of water tower is an electromechanical integrated water system which uses frequency conversion and speed regulation technology and PLC technology to realize automatic water level control. The water tower water level control system described in this p

6、aper takes the water tower water level control pressure as the research object, adopts the PID control algorithm, controls the frequency converter through the PLC, and then controls the speed of the pump unit, finally achieves the goal of constant pressure water tower water level control.This paper

7、introduces the application of automatic water tower water level control system in water tower water level control of a local residential area. The output frequency of frequency converter is controlled by PLC, then the speed of pump motor is controlled by frequency converter to realize the constant p

8、ressure water tower water level control system, and the parameters of PID control design are selected to achieve the purpose of optimal control. The key to the design of the system is to maintain the constant water pressure of the pipeline network. Considering the large number of users and the lack

9、of fixed water consumption time, the water pressure in the pipeline network will fluctuate to a certain extent, so the PID method is chosen to construct the mathematical model for the design, and satisfactory results are obtained in practical application.Key Words: Constant pressure water supply; Pr

10、ogrammable controller; PID control; Frequency conversion speed regulation.iii目录前言前言 .4 4绪论绪论 .5 51。1 课题研究背景与研究意义 .512 国内外研发现状及发展.53 研究内容 .6第二章第二章 基于基于 PLCPLC 的设计原理的设计原理 .6 62。1 水位调控原理 .62。2 供水的两种方式 .722. 1 手动方式 .72。2 自动运行方式.72. 3 系统硬件介绍 .7第三章第三章 基于基于 PLCPLC 的水塔水位设计的水塔水位设计 .9 93。1 水塔水位的方案选择 .93。2 系统电

11、流路线设计 .932. 1 水塔水位控制图 .93.2. 2 输入/输出设备及 I/O 点分配 .93.2. 3 系统工作流程 .93. 2. 4 控制系统 .103. 2. 5 执行机构 .103. 2. 6 报警装置 .103. 2. 7 人机界面 .11第四章总结第四章总结 .1111致致 谢谢 .1212参考文献参考文献 .1313附录附录 .15151前言前言众所周知，科学技术正在不断地向前发展，社会也在不停的进步，人口数目也在增长，人们聚居成城市，城市的可以用来使用的空间也在不断减少，这个情况下，高层建筑也就拔地而起。但是由于在市政管网供水压力等因素的限制下，不能做到直接向整栋楼层

12、、高层建筑直接供给自来水，所以，为了满足高层建筑的用水需求，一定要进行二次供水服务。二次供水的意思就是供水单位需要将市政管道的水进行存储和加压操作，以达到将水送上更高楼层的目的。如今的城市二次供水方式主要有恒速泵直接供水方式、恒速泵和水塔共同作用供水方式、恒速泵和高位水箱共同作用供水方式、恒速泵与气压罐共同作用供水方式和变频恒压供水方式。在一般的居民住宅或大楼顶层楼顶常设置水塔或水箱以维持一定且充足的水压来供用户使用,另外准备有地下水槽来储存自来水公司提供的水资源并供给顶楼的水塔进水使用。蓄水水塔是储存水、分配水和调节水压的高耸构筑物。传统的水塔是借助浮球来实现自动控制，但由于该方法测量水面位

13、置只能提供最高点和最低点的水位信息，而且数据的准确度不理想，在用来测量水位的时候有一定的局限性。水塔由于长期储蓄着水，水中的矿物质下沉容易形成积存的污垢、滋养产生细菌且对水塔的系统有腐蚀破坏作用，最为重要的是还会影响水体质量，对饮用水的人的健康造成潜伏存在的危险。在如今可编定程序序控制器 (PLC) 技术已日渐趋于成熟, 因而联想到利用它来实现水塔供水控制。本文主要以水塔供水这种供水方式为研究对象，研究供水过程中的水塔水位控制问题。2绪论绪论1。1 课题研究背景与研究意义课题研究背景与研究意义中国水资源总量居于世界第六位的水平，然而由于人口众多，人均占有量仅为世界人均占有量的 14，而且在地域

14、上却没有平均分布，位于长江以北的大部分地区，还有北方大、中城市等大部分地区处于缺水状态。可以说，水资源短缺已经成为制约我国国家发展的一个重要因素。本着达到水资源合理利用的目的，我们利用 PLC 控制技术来实现水塔水位控制。改革开放的几十年来，随着科学技术的不断完善和发展，PLC 控制技术的应用已经遍地开花，各种科学领域都有它的足迹，不断推进现今社会的生产发展和科技进步。另一方面，不管科技发展到多高深的领域，水在我们生产生活中的作用都不言而喻。如果发生停水事故，不仅会影响我们正常生活，更有可能发生生产事故，带来极为严肃的后果。因此基于 PLC 的水塔水位设计尤为凸显其重要性。把先进的自动化控制技

15、术、变频技术等应用于水位控制系统，不仅可以减少能源的损耗，还可以改善供水过程中出现的问题，在一定程度上，还具有推动社会向前发展的积极作用。12 国内外研发现状及发展国内外研发现状及发展目前，就国内外来说，控制水塔水位的方法相对来说较多。其中较为常用的是由单片机控制的智能水位控制系统，它实现了水位的自动控制、实时显示、故障报警等功能，使水塔内水位基本维持在稳定值，从而提高了水塔供水系统的可3靠性和稳定性。本研究课题给出了 PID 控制和远程管理水塔水位设计。应用这类产品设备成本在一定程度上会减少，安装所花费的调试时间也会减少，生产效率也会得到提高。但它存在的缺点是通讯功能不强，其输出接口的扩展功

16、能比较受限制，没有办法与其他的监控系统和组态软件实现数据互通，并且承受负载能力有限。因此，在实际工程中，能够使用的范围比较受限制。3 研究内容研究内容 由于传统的二次供水方式不能满足人们对供水系统可靠性和供水质量的要求，与建设节约型社会的宗旨相违背。运用先进的自动控制技术、变频技术、通信技术等来设计一套可靠、节能的供水系统，是社会发展的趋势。对基于西门子 PLC 控制的恒压供水系统研究和设计，我主要做了以下几点工作: 1.从研究背景和意义出发，分析了二次供水和基于 PLC 水塔水位控制系统的现状，在此基础上提出本文的研究必要性和需要完成的工作。 2.从课题项目背景出发，设计并合理选择系统最优的

17、控制方案，包括基于PLC 水塔水位控制系统的组成和控制原理，并且对系统的硬件设备如 PLC、变频器、水泵和压力传感器等进行了选型。 3.把西门子 S7-300 系列的 PID 算法应用于水塔水位控制系统中，并通过matlab 仿真，得到 PID 最优参数，使控制达到最佳。 4.对控制系统的计算机硬件进行设计。主要是并对 57-300 的输入/输出接口进行地址分配，设置了一些需要用到的变频器参数。根据所选的计算机硬件设备和控制要求，还设计了控制系统的主电流路线和控制电流路线。5.对控制系统的软件进行设计。主要包括主程序简介和控制程序编定程序，设计了程序的结构，功能等内容。应用 Win CC 软件

18、对系统进行组态，使得系统与用户之间可以进行信息交流，通过现场调试，满足了课题要求。4第二章第二章 基于基于 PLC 的设计原理的设计原理2。1 水位调控原理水位调控原理水位闭环调节控制原理是:通过在水塔中三个液压传感器 SL1SL3,将水位值信号送入 PLC,从而通过水泵开关对水塔中水位进行自动控制。还有一液压传感器 SL0为下水箱缺水报警开关,当下水箱液位低于 SL0 时意味着水泵进水口缺水,此时应自动切断电源并报警。当 PLC 出现故障时,还有一套手动控制来进行对水塔水位控制。手动控制采用继电器、接触器等元件来实现。 2。2 供水的两种方式供水的两种方式22. 1 手动方式手动方式 手动方

19、式是利用继电器、接触器控制,可以在环境比较恶劣条件下继续工作,自动方式是利用 PLC 来控制。手动和自动的切换可专门设计一个转换开关 KK 在控制台上。手动运行方式由交流接触器来控制两台水泵手动运行。当换项开关KK 打到手动时,按下起动钮 SB1,M1 泵运行向水塔注水,由于设置了顺序开启和逆序关闭,在 M1 泵没有开起情况下,M2 泵不能起动运行,而在两个水泵同时运行时,M2 泵在没有停止情况下,M1 泵不能停止。现在 M1 泵运行时,按下起动钮 SB2,M2泵运行向水塔注水。当水箱水位低于 SL3 时,电机 M1、M2 同时工作,且电磁阀 YV打开进水。当液位上升至 SL2 时,电机 M2

20、 先停止工作,YV 相应停止工作,电机 M1继续工作。液位上升至 SL1 时,M1 最终也停止。当用户用水使上水箱放水,同时液位随之下降。当液位又低于 SL1 时 M1 起动工作,如用户用水量较大,下水量大于上水量,使液位继续下降至 SL2 时,M2 起动工作同时 YV 也运行进水,使上水量大幅上升,保持液位。上述过程可通过继电器控制线路来完成。 2。2 自动运行方式自动运行方式自动运行方式由一台可编定程序序控制器来控制两台水泵电机自动运行。当换项开关 KK 打到自动时,系统根据水塔液位传感器传出的信号执行事先编译好程序。程序流程是:在水塔中无水时,M1、M2 两台泵同时开起,对水塔进行注水;

21、水位到达低水位时,控制台上低水位灯点亮;水位到达中水位时,M2泵先停止,M1 泵继续运行,中水位灯点亮;水位到达高水位时,M1 泵停止,高水5位灯点亮。而当下水箱水位到达报警水位时,报警器开始报警,并切换掉两台电机运行。2. 3 系统硬件介绍系统硬件介绍 PLC 即可编定程序序控制器，它是工业自动化中不可缺少的设备之一，广泛地应用于工业生产的各个领域，是整个控制系统的核心。它对输入输出信号的进行有效控制，以及数据运算处理来实现整个控制系统的稳定工作。西门子公司的 57-300 系列属于模块式 PLC，其硬件外观结构如图 2-7所示。其主要组成部分有电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、

22、导轨(RACK)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)以及人机界面(HMI)等。 S7-300 采用背板总线，即将总线集成在每一个模板上，所有的模板通过总线连接器进行级连扩展，使得结构简单;采用标准的 DIN 导轨，方便模板的安装和更换;可以通过 IM360/361,工 M365 进行机架扩展;并且硬件组态灵活。而其中的 CPU 314C-2DP 是一款通用紧凑型 PLC，集成了数字量和模拟量 I/0、自带了闭环控制 PID 功能指令，并且能够在恶劣户外条件下使用。 图 S7-300 模块式 PLC 硬件外观结构6 还有一个不可或缺的硬件即为水泵本控制系统的执行机构是水泵。因此

23、，选择合适的水泵可以使得系统运行稳定，一定程度上还可以节省能源。由于水泵的供水流量的大小取决于离心式水泵消耗功率的多少，而水泵供水流量的大小又受水泵扬程的影响。即扬程增大的话，供水流量会相应的减少，其消耗的功率也会相对的减小。相反若扬程减小的话，供水流量会随之增大，消耗的功率也会相对变大。所以，实际运行水泵扬程不能小于标准扬程的 60，以免电机过载而烧坏。根据水泵的扬程和轴功率最终确定采用 3 台上海熊猫机械有限公司生产的KQL立式离心水泵机组。其额定工况为流量 20L/h，扬程 65m，电机功率 7.5KW，并且该水泵导叶采用不锈钢板，与铸铁导叶相比较，可以提高 596 的效率:电机噪音小，

24、密封性能好，并带有泄压保护装置，使用寿命比较长，性价比高。SFL 型泵还设有国内最先进的电子自动净化装置。第三章第三章 基于基于 PLC 的水塔水位设计的水塔水位设计3。1 水塔水位的方案选择水塔水位的方案选择在刊水塔水位设计的控制方面,可采用方案有:基本电器的控制,单片机微机控制的以及 PLC 控制。综合考虑,选择 PLC 的控制,其原因在于:(l)实时性(2)高可靠性(3)系统配置简单灵活(4)丰富的 I/O 卡件(5)控制系统采用模块化结构(6)价格优势(7)安装简单，维修方便。3。2 系统电流路线设计系统电流路线设计32. 1 水塔水位控制图本系统外部设备分 3 个部分:蓄水池、水泵机

25、组、水箱。蓄水池:由两液位开关(S3、S4)和一个电磁阀（YV2）组成,当蓄水池液位低于低液位开关 S3 时,电磁阀通电 YV2 打开;当蓄水池液位高于高液位开关 S4 时,电磁阀 YV2 断电关闭。7水泵机组:由两台水泵(A、B)组成,当需要快速抽水时,两台水泵同时运行;当需要慢速抽水时,两台水泵交替运行;当不需要抽水时,两台水泵关闭。水箱:由三个液位开关和一个电磁阀 YVl 组成,三个液位开关又分为水箱低液位开关 S1、水箱高液位开关 S2、报警液位开关 S3。由水箱低液位开关 S1 和水箱高液位开关 S2 两个液位开关将水箱分位 3 个液位(低、中、高),当液位处于低液位时,两台水泵同时

26、运行;当液位处于中部液位时,两台水泵交替运行;当液位处于高液位时,两台水泵停止工作。如果液位到达高液位后水泵还在运行,当液位到达报警液位时,报警灯报警铃开启,系统处于急停状态,电磁阀 YV2 断电关闭。3.2. 2 输入输入/输出设备及输出设备及 I/O 点分配点分配本次系统需要用到 12 个数字量输人,10 个数字量输出,输人输出设备列表和I/O 点分配。3.2. 3 系统工作流程系统工作流程系统工作流程控制目的为始终保持水箱水位在泌与斜之间(1)当水箱中水位低于 lS 时,水泵 A 卫同时运作;(2)当水箱中水位在 lS 与 2S 之间时,水豪 A,B 交替运作,每 2 个小时交替一次;(

27、3)当水箱中水位高于 2S 时,水泵 A 卫同时关闭;报警控制(1)当水箱中水位高于泌时,发出报警(报警灯、报警铃),水泵 A 卫同时关闭,水箱进水阀关闭;(2)当水泵该运作时没有运作,产生报擎3. 2. 4 控制系统控制系统 该系统由供水控制器和电气控制设备组成，一般安装在供水控制柜中。 （1)供水控制器是整个控制系统的核心。通常选用可编定程序逻辑控制器，有些也用专用的 PID 控制器作为供水控制器，考虑到本次设计涉及到压力、液位、报警信号，以及需人机通讯接口，因此选用的是可编定程序逻辑控制器。PLC 首先对信息进行采集，然后进行数据运算找出最佳的控制方案，最后通过变频器来控制水泵电机的转速

28、。 (2)电气控制设备主要有空气开关、按钮、交流接触器、热继电器等元件组成。3. 2. 5 执行机构执行机构 水泵机组是其执行机构，主要是通过改变水泵电机的运行频率来调节供水管网的实际压力。这种水泵的功率一般不会太大。其电机转速的快慢取决于用水量的变化，从而确保供水实际压力达到系统期望值，即供水压力恒定。8 在流量和扬程相等的情况下，一台大泵电机运行比两台小泵并联运行的效率高，但是仍然选用水泵机组，是因为在基于 PLC 水塔水位控制系统中，选用此种方法控制水泵机组的具有以下几个优点: (1)把大功率的恒速泵替换为几个小功率的变频泵，容易对水泵进行选型，这种结构比较适用于中、大容量的供水系统;

29、(2)供水系统比较容易进行增容和减容，它不用对水泵进行更换，只需要按要求增加或减少水泵就行; (3)把大功率的变频器替换为小功率的变频器，不但成本降低，而且大大增强了供水系统的稳定性; (4)在用水低谷期，比如深夜，供水系统的小泵运行，这样大大增长了水泵的使用时间，而且可以减少供水系统的能量损耗，达到节能的目的。3. 2. 6 报警装置报警装置 包括故障报警和消防报警。 故障报警是为保证系统能运行可靠、安全、平稳，应当安装报警装置，避免因电机过载、水压超限、变频器报警、电网电压波动较大而造成事故发生。报警装置是必不可缺的，包括变频器发生异常，水泵机组出现过载现象，水压的超限报警等。当系统运行不

30、正常时，系统会提示出错原因，报警装置会发出故障报警信号，同时对应的故障指示灯变亮。维修人员不必在现场随时待命，只有当系统发生故障时，才采取维修措施。解放了部分劳动力，从而降低了公司的运营成本。 消防报警是用来接收消防开关的信号。由于消防用水比较多，对水压的要求比较大，因此所有变频泵全都工频运行，为消防工作提供最大的便利。3. 2. 7 人机界面人机界面 它为用户与系统进行信息交流提供了平台。人机界面主要是对系统的进行远程操作，并实时监控各个工序的运行情况，并反映系统的故障情况。控制系统和监控系统可以利用网络技术通过该接口进行数据交换，以便系统进行远程操作、控制和诊断等。9第五章总结第五章总结

31、由于传统的二次供水方式满足不了人们对供水系统可靠性和供水质量的要求，并且浪费能源，设计了基于 PLC 的基于 PLC 水塔水位控制控制系统。该系统把自动化控制技术和变频应用技术等应用于恒压供水系统，根据实际用水情况设定管网压力，通过 PLC 控制变频器，再由变频器控制水泵，使得供水管网水位能够基本保持稳定，从而提高了供水系统的稳定性，并且能够在较大程度上避免了电力能源的浪费，从而节约了能源，对社会的发展具有积极的意义。本文主要完成的内容如下:1.在基于 PLC 水塔水位控制系统中，通过 PLC 控制变频器的输出频率，再由变频器控制水泵电机的转速。通过分析传统供水和变频调速控制两种方式下管网与水

32、泵运行特性，得出变频调速控制方式具有比较好的节能效果。2.设计并合理选择了系统最优的控制方案，详细介绍了恒压供水系统的组成和控制原理。重点分析了西门子 S7-300 系列的 PID 算法在恒压供水中的应用。3.设计了控制系统的硬件。对硬件设备 PLC、变频器、水泵和压力传感器等进行了选型，并对 S7-300 的输入/输出接口进行地址分配，设置了需要用到的变频器参数。最后对控制系统的主电流路线和控制电流路线进行了设计。4.设计了控制系统的软件。这是论文撰写的重点部分，主要介绍了程序的结构，功能等内容，并进行了梯形图的编写。应用 Win CC 软件对系统进行组态，使得系统与用户之间可以进行信息通讯。致致 谢谢大学生活这几年，真的一晃而过。回首我走过的日日夜夜，我发现我无论身心都感到特别充实。漫漫求学路，有得到满足的快乐，有无数的辛酸，我走的辛10苦，但是也收获良多。尤其是我写完这篇毕业论文的时候，万千感慨一并涌上心头，我的思绪万千，久久不能平静下来。首先，我要感谢我的指导老师，是她，