基于PLC水塔液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金澤漢

（河北樂亭第一中學(xué)高三（16）班 063600）

基于PLC水塔液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金澤漢

（河北樂亭第一中學(xué)高三（16）班 063600）

作為一種控制系統(tǒng)，PLC具有組網(wǎng)通信程度高、價(jià)格低廉、體積小、容量大、集成度大、功能齊全等發(fā)展趨勢(shì)。PLC本身也具備很多優(yōu)勢(shì)，如更容易達(dá)成機(jī)電一體化、調(diào)試、施工、設(shè)計(jì)的時(shí)間較短、運(yùn)用便捷、編程方便簡(jiǎn)單、可靠性大、抗干擾程度高等。

本設(shè)計(jì)對(duì)水塔液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，以 PLC可編程控制器作為水塔液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心,主要實(shí)現(xiàn)過程是通過傳感器檢測(cè)水塔液位，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將水位具體信息傳至PLC構(gòu)成的控制模塊，所得數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而控制抽水電機(jī)的動(dòng)作。如果液位不等于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能很大程度滿足小區(qū)供水需求。

水塔液位控制；PLC；A/D轉(zhuǎn)換

1 緒論

1.1 研究的目的

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，控制水位已經(jīng)成為人們生活中常見的一個(gè)場(chǎng)景。作為一種供水系統(tǒng)，水塔水位控制機(jī)制已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于人們的居住環(huán)境中。以往的控水系統(tǒng)存在種種缺陷，如穩(wěn)定性差、能源消耗量大、精確性差等，PLC技術(shù)的應(yīng)用則成功地解決了這一難題。采用 PLC技術(shù)的控水系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)節(jié)約型用水，滿足人們的用水需求，并且精確度高、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)潔方便，是自動(dòng)控制的完美體現(xiàn)者。PCL控水系統(tǒng)的具體運(yùn)作流程是：為了使供水機(jī)制的質(zhì)量得以提高，使水壓和水位穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，PLC控水系統(tǒng)對(duì)水位變化形成全時(shí)間段的監(jiān)測(cè)，隨后用電信號(hào)來反映變化的水位參數(shù)，接 著這種電信號(hào)被MCGS軟件整合，從而準(zhǔn)確顯示歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、故障報(bào)警信息、水位變化情況等。

1.2 研究的意義

水是生命之源，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中是離不開水資源的。水資源的缺乏不僅會(huì)影響人們正常的日常生活，還會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，因此供水系統(tǒng)務(wù)必要實(shí)現(xiàn)供水的充足性、安全性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性。正如上文所言，以往的舊供水系統(tǒng)穩(wěn)定性差、工作效率不高、能耗大，因此要想使供水系統(tǒng)真正能達(dá)到自動(dòng)化、充足和安全的目標(biāo)，就必須要改造供水控制系統(tǒng)。我們采用的改造方式是 PCL自動(dòng)控水裝備，它在人們的日常生產(chǎn)和生活中扮演著重要角色，而且實(shí)用性很強(qiáng)。

2 PLC概述

2.1 PLC的特點(diǎn)

（1）能耗小、重量輕、體積小。

要想加快機(jī)電一體化的進(jìn)程，就要提高 PLC進(jìn)駐機(jī)械內(nèi)容的容易性，而體積小的PLC恰好滿足這一要求。目前應(yīng)用廣泛的PLC就實(shí)現(xiàn)了能耗小、重量輕、尺寸小等優(yōu)勢(shì)。

（2）操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

作為一種工業(yè)控制裝備，PLC主要應(yīng)用對(duì)象是工礦行業(yè)。新型PLC采用的表達(dá)方法和符號(hào)圖形是梯形圖語(yǔ)言，這種語(yǔ)言簡(jiǎn)單易懂，要想發(fā)揮繼電器的作用，只需要掌握一些控制指令即可。此外，工程技術(shù)工作者更易于掌握其編程語(yǔ)言，它的接口也是極其簡(jiǎn)單的。以上方法的使用使得工業(yè)控制變得更加簡(jiǎn)單，即便是那些不了解匯編語(yǔ)言計(jì)算機(jī)、電路的人也可以完成它的使用。

（3）易于改造、維護(hù)、建造和設(shè)計(jì)。

改造過的 PLC的適用范圍更加廣泛。要想改動(dòng)生產(chǎn)過程，只需將程序做些改變即可。同時(shí)，為了便于維護(hù)，減小制造時(shí)間，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，改造過的 PLC降低了外部接線的數(shù)量，并采用了存儲(chǔ)邏輯。

（4）操作性強(qiáng)、功能齊全、配套完善。

現(xiàn)階段，不同規(guī)模的工業(yè)控制中都有PLC的應(yīng)用。PLC甚至被運(yùn)用在復(fù)雜的工業(yè)控制里，因?yàn)镻LC出現(xiàn)了很多功能單元。此外，PLC在數(shù)字控制場(chǎng)合中也有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)閿?shù)據(jù)運(yùn)算功能已經(jīng)被改造過的PLC所具備。

（5）抗干擾性大，可靠性強(qiáng)。

控水系統(tǒng)中，故障自診斷功能已經(jīng)普及到各個(gè)設(shè)備中，這主要得益于故障自診斷程序的應(yīng)用。PLC之所以能在器件出現(xiàn)毛病時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，是因?yàn)樽晕覚z測(cè)功能已經(jīng)被落實(shí)到PLC的設(shè)計(jì)當(dāng)中。此外，為了提高PLC的抗干擾能力，PLC還采用了相應(yīng)的高科技設(shè)備，并且制造工藝也變得更加?jì)故?，新型集成電路的?yīng)用更是使得PLC的可靠性得以提高。

2.2 PLC的基本原理

設(shè)計(jì)發(fā)明 PLC的最初目的是替代以往的控制裝置，然而他們卻有著不一樣的運(yùn)行程序：就 PLC而言，它的運(yùn)行方式是取順序邏輯法對(duì)程序進(jìn)行掃描，也就是說倘若斷開或接通一個(gè)邏輯線圈或輸出線圈，PLC也只會(huì)在對(duì)接觸點(diǎn)進(jìn)行掃描后才會(huì)發(fā)生動(dòng)作，而不是馬上發(fā)生動(dòng)作。而與此不同，以往的控制裝置的運(yùn)行方式是硬邏輯法，含常閉或常開觸點(diǎn)在內(nèi)的全部觸點(diǎn)就會(huì)馬上發(fā)生動(dòng)作。不一樣的運(yùn)行方式往往使得測(cè)試結(jié)果不同，對(duì)此，需將掃描技術(shù)引入到 PLC控制器中，因?yàn)橛脩粼谟肞LC掃描程序時(shí)，其用時(shí)一般不大于100ms，而傳統(tǒng)的控制裝置則常常需要更長(zhǎng)的時(shí)間，這樣的操作的目的就是為了統(tǒng)一處理結(jié)果，無(wú)論其發(fā)生在什么場(chǎng)合。此外，還將掃描技術(shù)應(yīng)用到 PLC中，這樣就能做到并行控制硬邏輯。相比傳統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)而言，PLC的I/0響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，這也是因?yàn)樵O(shè)計(jì)將掃描技術(shù)與光電隔離技術(shù)應(yīng)用到PLC中的緣故。

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，PLC的發(fā)展?jié)摿?huì)更大。就網(wǎng)絡(luò)方面而言，可編程控制器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是大型控制系統(tǒng)。就技術(shù)而言，可編程控制器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合將會(huì)帶來更先進(jìn)的產(chǎn)品，同時(shí)也會(huì)增大儲(chǔ)存容量，加快運(yùn)行速度。就市場(chǎng)而言，未來社會(huì)中各種產(chǎn)品層出不窮，而發(fā)展的結(jié)果是世界市場(chǎng)被個(gè)別產(chǎn)品壟斷，將出現(xiàn)一種世界性通用編程語(yǔ)言。就產(chǎn)品的配套性來看，為了滿足人們的需求，產(chǎn)品功能將會(huì)更加齊全，款式更加新穎。就產(chǎn)品規(guī)模而言，未來產(chǎn)品的發(fā)展方向是走向超大型和超小型。PLC是組成國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的一部分，在未來的社會(huì)中，它勢(shì)必將取得更大的進(jìn)展。

3 水塔液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 水塔液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

圖3-1：水塔液位控制裝置圖

水塔液位控制如圖3-1所示。根據(jù)需要，規(guī)定S1和S2分別作為上下限液位的控制開關(guān)，電磁閥M1為水池注水開關(guān)，水泵M2為水塔液位注水開關(guān)，S3為水塔下限液位開關(guān)，S4為水塔上限液位開關(guān)。

首先比較實(shí)際水池液位與水池下限位的偏差，小于下限液位時(shí)，電磁閥M1打開，開始注水，4秒后，再次比較當(dāng)前水位與下限水位的差值，小于則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，如果高于則系統(tǒng)繼續(xù)注水，直到水位高于水池上限液位，電磁閥M1關(guān)閉。當(dāng)前水塔液位低于水塔下限水位時(shí)，水泵M2打開，水池開始向水塔注水，4秒后，當(dāng)前水塔液位小于水塔下限液位，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，仍需繼續(xù)注水，直到高于下限液位，報(bào)警停止。當(dāng)水塔液位高于水塔上限位時(shí)，停止注水，水泵M2關(guān)斷。

3.2 水塔液位控制系統(tǒng)主電路

連續(xù)控制按下按鈕電動(dòng)機(jī)通電啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，松開按鈕后，電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)運(yùn)行，只有按下停止按鈕，電動(dòng)機(jī)才失電直至停轉(zhuǎn)。主電路由轉(zhuǎn)換開關(guān)QS、熔斷器FU、接觸器主觸點(diǎn)KM、熱繼電器FR、電動(dòng)機(jī)M組成。

控制電路由熔斷器、熱繼電器輔助觸點(diǎn)、兩個(gè)按鈕SB1和SB2接觸器輔助觸點(diǎn)和線圈組成。只有只有在操作人員有準(zhǔn)備的情況下才能再次啟動(dòng)按鈕SB2，電機(jī)才能重新啟動(dòng)保證人和設(shè)備的安全。水塔液位主電路圖描繪如圖3-2所示：

3.3 I/O接口分配

（1） 外部接線與控制列表

圖3.3-1 傳統(tǒng)水塔水位控制電氣接線圖

（2） I/O口分配表

PLC的對(duì)外功能主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所管理的基本配置的能力限制即受最大的基板槽數(shù)限制。

結(jié)合設(shè)計(jì)需要，對(duì)功能進(jìn)行具體分析，合理分配各個(gè)變量之間的關(guān)系，以下為表3.3-2 為水塔液位I/O口分配:

表3 -3：為水塔液位I/O口分配

（3）可行性分析

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要通過電路硬件設(shè)計(jì)，在程序運(yùn)行中相對(duì)較為穩(wěn)定，而軟件設(shè)計(jì)不穩(wěn)定因素較多。隨著系統(tǒng)中水塔液位的改變，軟件系統(tǒng)不能準(zhǔn)確得出電位器中阻值，以至于水位控制不能得到有效的操作，針對(duì)不同的介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)其功能更為艱難。而硬件系統(tǒng)完全克服其缺點(diǎn)，能更好的兼容，實(shí)現(xiàn)水塔液位的精度控制，更好的服務(wù)于社會(huì)。

結(jié)論:

本設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)水塔液位的自動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)的便捷化、簡(jiǎn)單化、穩(wěn)定化、可靠化、節(jié)能化和高效化。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟如下列所示：

（1）首先查閱文獻(xiàn)，對(duì)水塔供水在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了解和分析，進(jìn)而了解水塔供水系統(tǒng)在人們生活中的重要意義。

（2）分析小區(qū)供水體系現(xiàn)狀，完成水塔供水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

（3）通過對(duì)水塔液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感器的選用，完成水塔液位的硬件設(shè)計(jì)與連接。通過對(duì)液位輸出需求的分析，分配了開關(guān)量I/O點(diǎn)。

水塔供水的未來發(fā)展前景是一片光明的，傳統(tǒng)供水模式已經(jīng)滿足不了人們需求，先進(jìn)供水模式將被大量采用。更多的智能控水模式將被開發(fā)出來，滿足人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r(shí)，最大程度節(jié)約水資源。

[1] 郭世榮,孫錦,束勝等.國(guó)外傳感器教程[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2012(5):43-47.

[2] 魏珉,李清明.美國(guó)PLC發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)學(xué)報(bào).2012(16):11-12.

[3] 周長(zhǎng)吉.日韓過程控制系統(tǒng)[J].中國(guó)花卉學(xué)報(bào).2012(8):1-14.