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供电085马良
毕业设计说明书
作者:
马良学号:
0814480515
系:
输变电技术学院
专业:
供用电技术
题目:
基于组态王的水塔水位控制系统的仿真设计
指导者:
张金果副教授
评阅者:
2011年6月吉林
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。
水位控制在日常生活中应用也相当广泛,比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而水位检测可以有多种实现方法,如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本文采用PLC进行主控制,在水箱上安装一个自动测水位装置。
利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化,把测量到的水位变化转换成相应的电信号,主控台应用组态王对接收到的信号进行数据处理,完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示,使水位保持在适当的位置
设计安装一台控制水塔的供电泵电动机的控制电路,使水塔水位保持在规定范围内。
使其能自动控制在规定水位线内,并且可通过PLC进行自动控制。
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。
而且成本低,安装方便,经过多次实验证明,灵敏性好,具有结构简单,使用寿命长,可靠性高,操作维修方便,经济实用的优点是节约水源,方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。
安装于水塔上的传感器将水塔的水位转化成1-5伏的电信号;电信号到达PLC将控制控制水泵的开关。
水箱水位自动控制系统由PLC!
核心控制部件高低位水箱的水位检测电路高低水位信号传送给PLC水泵电动机控制电路PLC控制启停及切换。
水塔水位控制系统采用交流电压检测水位,在控制系统启动后,若水槽水位低于水槽最低水位S2时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号,PLC根据此信号打开补水泵向水槽补水,当水位达到水槽最高水位S4时液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止补水泵的工作,当水塔水位达到最低水位S2时,液位传感器将水位信号转化为电信号向PLC输出,PLC在收到信号后启动水泵向水塔加水,当水塔水位达到最高水位S1时传感器将水位信号转化为电信号向PLC发出信号停止水泵的工作。
因此需要变频供水,恒压供水,从而实现自动控制。
关键词:
PLC;组态王;水塔水位控制系统
引言
供水是一个关系国计民生的重要产业。
随着社会的发展和人民生活水平的提高,对城市供水提出了更高的要求,要满足及时、准确、安全保证充足供水,如果仍然沿用人工方式,劳动强度大,工作效率低,安全性难以保障,为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。
可编程控制器(PLC)因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。
研究设计的基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统,采用可编程序控制器、变频器以及压力变送器等器件,完成逻辑控制、变频调速和数据采样等功能,使系统实现自动控制,达到节能的目的,提高了供水系统的质量.本文针对目前比较流行的控制技术,利用PLC和传感器构成了水塔恒水位的控制系统。
改造后的水塔水位自控系统,实现水塔水位自动控制系统,远程监控,实现无人值守。
第1章绪论
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛,比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。
本次课题采用PLC进行主控制,把测量到的水位变化转换成相应的电信号,用PLC对接收到的信号进行数据处理,完成水位的检测、控制及故障报警等功能。
1.1概述
现代的控制系统设计越来越趋于自动化、智能化,以往的设计很难满足当今生产的要求。
因此,我们需要找到新的设计方法来进行控制系统设计,以提高控制系统的设计效率。
可控制编程器(PLC)的出现满足了人们对现代控制系统设计的要求。
PLC对着微电子技术和计算机技术的发展而迅速发展,现代可编程序控制器实际上是以微处理器为基础,高度集成化的新型工业控制装置,是计算机技术和自动控制技术结合的产物。
本文详细的介绍了PLC水塔水位自动控制系统的设计方法。
利用PLC的系统设计方法,对系统进行描述就可在PLC的帮助下完成设计
1.2设计要求及意义
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛,比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。
本次课题采用PLC进行主控制,利用水的导电性测量水位的变化,把测量到的水位变化转换成相应的电信号,用PLC对接收到的信号进行数据处理,完成水位的检测、控制及故障报警等功能。
本次课程设计对我有以下意义:
1通过这次课程设计,加深对PLC理论方面的理解。
2掌握PLC的内部模块的应用,如存储器、CPU等。
3了解和掌握PLC应用系统的软硬件设计过程、方法及实现。
第2章PLC的设计
2.1可编程控制器(PLC)的简介
可编程序控制器(ProgrammableLogicController))简称PLC。
所谓可编程序控制器,就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统,它采用一种可编程序的存储器,在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令,通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
随着PLC的发展,它不仅能完成编辑、运算、控制,而且能实现模拟量、数字量的算术运算。
2.1.1可编程控制器的定义
可编程控制器简称PC(英文全称:
ProgrammableController),它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC(英文全称:
ProgrammableLogicController)和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机(PC)相区别,现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
2.1.2可编程控制器的产生
可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。
继电器—接触器控制已经有伤百年的历史,它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关,具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。
对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用,至今仍有广泛的用途。
但是当工作模式改变时,就必须改变系统的硬件接线,控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动,改造工期长、费用高,用户宁愿扔掉旧控制柜,另做一个新控制柜使用,阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展,市场竞争的激烈,产品更新换代的周期日益缩短,工业生产从大批量、少品种,向小批量、多品种转换,继电器—接触器控制难以满足市场要求,此问题首先被美国通用汽车公司(GM公司)提了出来。
通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新,满足用户对产品多样性的需求,公开对外招标,要求制造一种新的工业控制装置,取代传统的继电器—接触器控制。
其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条,即:
1.编程方便,现场可修改程序;
2.维修方便,采用模块化结构;
3.可靠性高于继电器控制装置;
4.体积小于继电器控制装置;
5.数据可直接送入管理计算机;
6.成本可与继电器控制装置竞争;
7.输入可以是交流115V;
8.输出为交流115V,2A以上,能直接驱动电磁阀,接触器等;
9.在扩展时,原系统只要很小变更;
10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能,值得注意的是PLC并不等同于普通计算机,它与有关的外部设备,按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制,实现了逻辑控制功能,并且具有计算机功能灵活、通用性等有点,用程序代替硬接线,并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点,用程序代替硬接线,减少了重新设计,重新接线的工作,此种控制器借鉴计算机的高级语言,利用面向控制过程,面向问题的“自然语言”编程,其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言,使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。
这样,工作
人员不必在变成上发费大量地精力,只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可,输入、输出电平与市电接口,市控制系统可方便地在需要地地方运行。
所以,可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
1969年,第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司(DEC)制作成功,并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果,可编程控制器由此诞生,在控制领域内产生了历史性革命。
PLC问世时间不长,但是随着微处理器的发展,大规模、超大规模集成电路不断出现,数据通信技术不断进步,PLC迅速发展。
PLC进入九十年代后,工业控制领域几乎全被PLC占领。
国外专家预言,PLC技术将在工业自动化的三大支柱(PLC、机器人和CAC/CAM)种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC,目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
2.2PLC的工作原理
2.2.1PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,、中央处理单元(CPU),如下图所示。
图1.1PLC的基本结构
。
2.2.2PLC的工作过程
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程,是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态,按用户程序解算控制逻辑,.然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。
除此之外,为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令,每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。
因此,PLC工作过程分为以下五步:
1.自诊断
自诊断功能可使PLC系统防患于未然,而在发生故障时能尽快的修复,为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断,若自诊断正常便继续进行扫描,而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序,保留现行工作状态,关闭全部输出,然后停机并显示出错的信息。
2.与外设通信
自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口,如有通信请求便响应处理。
在与编程器通信过程中,编程器把指令和修改参数发送给主机,主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示,编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。
在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作,把现场工作状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。
3.输入现场状态
完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点,读入各点的状态和数据,如开关的通断状态、形成现场的内存映象。
这一过程也称为输入采样或输出刷新,在一个扫描周期内内存映象的内容不变,即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新,解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。
4.解算用户逻辑
即执行用户程序。
一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始,在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序,按用户程序进行逻辑判断和算术运算,因此称之为解算用户逻辑。
解算过程中所用的计数器、定时器,内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值,而输入继电器,输出继电器则用的是内存映象值。
在一个扫周期内,某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化,对整个用户程序是一致的,不会造成结果混乱。
5.输出结果
将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果,也称为输出刷新。
解算用户逻辑到用户程序为止,每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块,相当于输出信号被输出门阻隔,待全部解算完成后打开输出门一并输出,所用输出信号由输出状态表送到输出模块,其相应开关动作。
驱动用户输出设备即PLC的实际输出。
在依次完成上述五个步骤操作后PLC又开始进行下一次扫描。
如此不断的反复循环扫描,实现对全过程及设备的连续控制,直至接收到停止命令、停电、或出现故障。
2.3PLC的编程语言——梯形图
2.3.1梯形图简介
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图,它简单,直观,易读,好懂,是PLC中普遍采用的一种编程方式。
梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号,这些图形符号被称为编程元件,每一个编程元件对应有一个编号。
不同厂家的PLC,其编程元件的多少及编号方法不尽相同,但是基本的元件及功能很相近。
2.3.2梯形图特点
1.梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个继电器为一个逻辑行,称为梯形。
每一个逻辑行起始于左母线,然后是触点的各种联接,最后是线圈,整个图形呈梯形。
2.梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器,它实质上是变量存储器中的位触发器,因此称为软继电器,相应的某位触发器为真态,表示该继电器通电,其常开触点闭合,常闭触点打开。
梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的,除了输出继电器、内部继电器以外,还包括定时器、计数器等。
3.梯形图中,一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次,而继电器的触点是可以被无限制的引用,既可是常开触点也可以是常闭触点。
4.梯形图是PLC形象化的编程方式,其左右两侧的母线不接任何电源,因而图中各个支路也没有真实的电流通过,但是为了方便,常用有电流来形象的描述解算中满足输出线圈的动作条件。
所以仅仅是概念上的电流,而且认为它只能从左向右流动,层次的改变只能是先上后下。
欧姆龙可编程序控制器PLC的优点:
(1)能适应工业现场的恶劣环境,不要求空调,能抗电磁干扰与电压冲击。
(2)简单,易于使用,不必要求微机软硬件方面的知识,编程不需要高级语言。
(3)可靠性高,平均故障间隔时间(MTBF)超过20000小时。
(4)编程或修改程序容易,程序可以保存和固化。
(5)体积小,价格低。
(6)可直接将数据送入处理器中,可直接连接到现场。
7.可在基本系统上扩展,系统容易配置,与负载最远距离可达10000英尺,内存可以扩展。
8.有很强的通讯功能,可与多种支持设备连接。
9.系统化,有标准外围接口模块。
10.系统在一种现场不需要时,仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。
2.4SYSMAC-C系列P型机的概述
本原理图是采用CP20实现的,基于原理图所用I/O接口点数较少,无需扩展单元,快速响应输入点与外部中断输入点公用,实现单循环控制,不需要有可选择输入时间常数的过滤器,配置简单,经济适用,可使用个人计算机进行辅助设计。
C20P的通道分配:
是指对PLC内的每个通道及每个继电器都分配给一个地址号,以便CPU能够识别。
在OMRON公司C系列的PLC中,每个通道由16位组成,或者说在一个通道中包含16个“继电器”。
2.4.1输入/输出继电器通道(I/O)的分配
P型机的输入/输出继电器通道(CH)分配是固定的,00~04CH是输入继电器通道,05~09CH是输出继电器通道,不同型号的PLC机的基本单位和扩展单位所能使用的通道号是不同的。
每个输入/输出继电器的编号为四位十进制数,前两位表示通道号,后两位表示位号,即该通道中的某一位。
对C20P基本单元,输入继电器(输入点)为12个,占用的输入点是00CH的0000~0011;输出继电器(输出点)共8个,占用的输出点是10CH的1000~1007。
2.4.2内部辅助继电器(IR)通道的分配
在P型机中共有136个内部辅助继电器,其通道号为10~18CH,占用的地址为1000~1807,注意,内部辅助继电器不能接负载。
2.4.3定时器和计数器通道(TIM/CNT)
在P型机中的定时器(TIM),高速定时器(TIMH),计数器(CNT),可逆计数器(CNTR),共计48个,编号为00~47,它们即可用于定时器,用可用于计数器,但如果已经用作定时器(如TIM01),则这个编号就不能再用作计数器(如CNT01)。
如果程序中使用高速计数器,则TIM/CNT47作为专用存放高速计数器当前值的计数器,不能再作它用。
当电源断电时,定时器被复位,而计数器不能被复位,其计数的当前值保持不变。
第3章组态王简介
3.1组态王的定义
组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统,它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
3.2组态王的特点
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题:
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。
而且,它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
3.3组态王的实践
1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法:
(1)图形界面的设计
(2)构造数据库
(3)建立动画连接
(4)运行和调试
2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:
(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:
(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
第4章水塔水位控制系统PLC硬件设计
图4.1水塔水位控制装置图
4.1水塔水位控制系统PLC设计与调试
保持水池的水位在S3——S4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S1——S2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,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
4.2水塔水位系统控制电路
图4.2水塔水位系统控制主电路图
4.3水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表
表1输入/输出端口地址分配
输入
输出
定时器
名称
地址
名称
地址
名称
地址
S1
1001
M
1003
4s延时
TIM02
S2
1002
Y
1002
产生1s时钟
TIM00
S3
1003
TIM01
S4
1004
4.4水塔水位系统的输入/输出设备
图4.3PLC的外部输入输出电路
S1:
水塔水位上限
S2:
水塔水位下限
S3:
水槽水位上限
S4:
水槽水位下限
M:
抽水泵
Y:
补水泵
程序说明:
当启动按钮(INI0)打开,若水槽水位低于水位下限时时,补水阀(Y)抽水。
若水槽水位高于水位上限时,补水阀(Y)关闭,停止抽水。
同时,当水塔水位低于水位下限时,并且水槽水位高于水位下限时时,抽水泵(M)抽水(即M灯亮)。
当水塔水位高于水位上限时时,抽水泵(M)关闭,停止抽水。
若水塔水位低于水位下限,水槽水位低于水槽水位下限时,抽水泵(M)不抽水。
第5章
水塔水位控制系统PLC软件设计
5.1工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的,4个液位指示灯全亮。
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。
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,由于水塔液位低于水塔水位下限,电机M开始工作,向水塔供水,当水池的液位超过水池上限液位时,水池上限指示灯a2,电磁阀就关闭,但是水塔现在还没有装满,可此时水塔液位已经超过水塔下限水位,则水塔下限指示灯a3灭,电机M继续工作,在水池抽水向水塔供水,水塔抽满是,水塔也未超过水塔上限,水塔上限指示灯a4灭,但刚刚给水塔供水的时候,电机M已经把水池的水抽走了,此时水塔液位已经低于水池上限,水池上限指示灯a2良。
此次给水塔供水完成。
5.2程序流程图
图5.1水塔水位系统流程图
5.3I/O分配:
输入调试单元
I000000CH00启动按钮
I001S1000CH01水塔水位上
限
I002S2000CH02水塔水位下限
I003S3000CH03水槽水位上限
I004S4000CH04水槽水位下限
输出调试单元
O001010CH01Y
O002010CH02M
5.4梯形图
图5.2梯形图
5.4与梯形图对应的语句表
图5.3指令语句表
结论
现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。
在工业、国防、科研等许多应用领域,智能检测系统正发挥着越来越大的作用。
检测设备就像神经和感官,源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息,成为人们认识自然、改造自然的有力工具。
本课题研究的主要内容是“水塔水位自动控制系统”。
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛,比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而以往水位的检测是由人工完成的,值班人员全天候地对水位的变化进行监测,用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。
然后主控室再开动电机进行给排水。
很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。
同时也容易出差错。
因此急需一种能自动检测水位,并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统,我所研究的就是这方面的课题。
水位检测可以有多种实现方法,如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本设计采用传感器检测进行主控制,在水池上安装超声波传感器水位装置。
把测量到的水位变化转换成相应的电信号。
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