智能家庭节水系统毕业设计论文

毕业设计报告（论文）(2012届)题 目： 家庭节水系统设计 所 属 系： 自 动 化 技 术 系 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 同 组 成 员： 指 导 教 师： 摘 要节水，已是全人类众所周知的一件大事，大量的生活用水在人们用水过程中浪费，我们通过此项目来进行自动清洗，投药，过滤，使水进行2次循环使用。本课题中采用PLC来完成家庭节水一部分的操作。：投放药品、计时进行清洗、检测水位等、另外我们运用光电传感器以其独特的传感探测性能，应用于这种家庭节水装置中，将废水冲洗厕所，可再利用水再次利用等，这对现有紧张的水资源形势无疑有很大的缓冲作用。关键字:PLC 节水 传感器目录摘 要II目录III第一章 绪论51.1本课题设计的背景51.2本课题的现状51.3本课题的设计内容61.3.1 本课题设计的目的和意义61.3.2 系统的设计61.3.3 系统的硬件设计61.3.4 系统的软件的设计7第二章 系统控制方案的确定82.1 课题简单介绍82.2 方案分析和设计8第三张 系统硬件设计103.1传感器的介绍及选用103.1.1传感器的介绍103.1.2 传感器的分类103.1.3 传感器的选用103.1.3.1 光电传感器的介绍103.1.3.2 光电传感器的原理及应用113.1.3.3光电传感器的特点113.1.3.4 光电传感器的选用123.1.3.5 液位传感器的原理133.1.3.6 液位传感器的工作原理133.1.3.7 液位传感器的功能特点143.1.3.8 液位传感器的选用143.2 电磁阀的介绍及选用153.2.1 电磁阀的介绍153.2.2 电磁阀的工作原理153.2.3 电磁阀的选用153.3 材料清单16第四章 控制系统软件的选用174.1 可编程控制器的选型174.1.1 PLC概述174.1.2PLC的特点184.2 组态王监控软件设计194.2.1 组态软件简介194.2.2 组态王的通信参数设置194.2.3 新建工程与组态变量20第五章 系统软件的设计225.1 I/O分配表225.2 接线图225.3梯形图235.2组态235.3.1第一次设计方案组态图235.3.2 第二次设计方案简单组态图245.3.3 数据词典24第六章 系统调试256.1 硬件调试256.2 软件调试256.3 系统调试25结论26致谢27参考文献2828第一章 绪论1.1本课题设计的背景中国水资源短缺、淡水资源总量约每年26200亿m，人均占有量为2392m，为世界人均占有量的四分之一，名列第110位，由于各地区处于不同的水文带及季风气候影响，水资源与徒弟、矿产资源分布和工业用水结构不相适应。水污染严重，水质型缺少更加剧了水资源的短缺。随着国民经济的发展和城市生活水平的提高，很多地区特别在北方和某些沿海城市发生水资源短缺和污染问题。水资源的本身不足和水源的污染已成为我国国民经济发展的一个制约因素。因此必须实行水资源的统一规划与管理，把用水问题，特别是将节水工作纳入社会经济发展规划，建立与健全相应的规章制度，认真贯彻开源节流并重方针，加强节水的科学管理，全面开展节水工作，通过多种途径开辟水源，将强污废水处理，搞好污废水回用，保护生态环境。从一些国家的家庭用水调查来看，洗衣、冲洗厕所、洗澡等用水占家庭用水的80%左右。改进卫生设施，采用节水型家用设备是诚实节约用水的重点。节水产品的使用是非常有效的节水措施，既节约了用水又减少了用水费用的开支。随着城市精神文明的提高和水资源的精确，节约用水越来越重要。1.2本课题的现状 目前许多家庭虽然有一定的意识去节水、比如：一水多用、用节水水龙头、节水水箱、节水马桶等。但偶尔也造成不必要的浪费和水资源的流失。所以我们打算用一个家庭节水装置来使家庭生活杂用水回收再利用。1.3本课题的设计内容1.3.1 本课题设计的目的和意义1进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握，使之系统化、综合化。2综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。3根据任务要求进行独立设计的能力，针对本专业所学知识，进行控制系统的设计。4树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。5获得从事科研工作的初步训练，独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际文集的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识的能力。1.3.2 系统的设计本课题主要研究的是利用PLC来设计一个一个家庭用节水系统，相当于简单的中水处理系统，能收集生活中洗衣机或浴缸排放的不太脏的水进行二次或三次利用，如冲厕所或洗拖把用。因此，该系统的主要设备包括以下几个部分： （1）传感器 （2）过滤器（3）泵（4）电磁阀 （5）推杆 （6）按钮 （7）阀。软件部分则有：（1）PLC （2）组态1.3.3 系统的硬件设计下面简单介绍下该项目中比较重要的几个硬件部分：（1）传感器 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。而本项目里我采用光电传感器来对水进行检测，并分辨出水的混浊程度来进行后面的选择。（2）过滤器 过滤器是输送介质管道上不可缺少的一种装置，通常安装在定水位阀、减压阀或其他设备的进口端，用来消除介质中的杂质，以保护阀门及设备的正常使用。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而情节的绿叶则由过滤器的出口排出，当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理口重新装入即可，因此，使用维护极为方便。本项目中我将其放在分辨可再利用的水的后面泵的前面。（3）泵 水泵用来提升液位、输送液体或使液体增加压力 即把原动机的机械能编程液体能量从而达到抽送液体目的的机器。本项目我通过泵来对分辨和过滤后的水送到储存水箱中。（4）电磁阀 电磁阀是工业过程自动化控制系统用的执行器，它在接受电控信号后能自动开启或关闭阀门，实现对管道中流体介质的通断控制，从而对系统中的温度、流量、压力等参数进行自动调节或远程控制。本项目中我采用几个电磁阀来判断水的利用度。 1.3.4 系统的软件的设计（1）PLC是整个控制系统中的核心，它要完成多系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力及编程软件的方便与否等多方面的因素。而该家庭节水项目中，我们应用PLC来实现光电传感器的判断、液位传感器的判断、定时水刷和定时投药等功能。（2）组态软件一般有图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件和控制功能组成。图形界面系统用于生成现场过程图形画面；实时数据库系统用于实时存储现场控制点的参数；第三方程序接口组件用于组态软件与其他应用程序交换数据；控制功能组件用于生成监控所需的控制策略。本项目中，我们应用组态软件来实现其大概功能。能够形象的展现出其运行过程。第二章 系统控制方案的确定2.1 课题简单介绍本课题主要研究的是利用PLC来设计一个一个家庭用节水系统，相当于简单的中水处理系统，能收集生活中洗衣机或浴缸排放的不太脏的水进行二次或三次利用，如冲厕所或洗拖把用。2.2 方案分析和设计本课题首先要做的是对用过的水进行分辨，对水分辨后，判断其洁净度然后进行筛选，脏水就打开排水阀排放，较于净的水就开启抽水泵将水吸入储水箱，以备二次利用。吸入储水箱后，储水箱能定期杀菌和清洗，课题要求能够实现自动周期性清晰和杀菌，也可随时手动开启清洗，也可手动开启投药器杀菌。当储水箱水位达到一定水位时，报警灯亮，并停止抽水进储水箱。针对上面课题要求首先要解决的是对水的分辨，所以我通过资料查询觉得运用传感器可以实现该要求，后面的阀、泵、定期投药、刷洗等通过PLC来控制。初步设计时，能够将生活污水利用到最大化。除了光电传感器判断出水过于浑浊排掉的水以外，都能通过后面蒸馏器的处理使水循环使用。但是当计算成本时发现其成本价已经远远超过本来想达到的目标。虽然效果比较好，但相比较节水来说过于浪费。因此我们将蒸馏器省去。换成简单的储水箱，然后进行简单的水处理，使其达到除了能饮用以外的功能。因此有了下面的设计图。这张图取上图中的中间环节，将蒸馏器换成简单的储水罐，然后对其进行钻孔，设计，使其能够实现定时投药，定时清洗。这样尽能够实现题目所要求的再次利用，也在家庭能够接受的范围内，能够初步实现课题要求。第三张 系统硬件设计3.1传感器的介绍及选用3.1.1传感器的介绍能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。3.1.2 传感器的分类1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“”和”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。3.1.3 传感器的选用根据具体的测量目的、测量对象及测量环节。我觉得本课题应用光电传感器比较适合。另外在储水箱中的传感器则用液位传感器较好，下面分别对光电传感器和液位传感器进行简单介绍。3.1.3.1 光电传感器的介绍 光电传感器（光电开关）是光电接近开关的简称，一般由光源、光通路、光电元件三部分组成的。光电传感器是一种利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号而进行非电量参数检测的传感器，具有这种功能的材料成为光敏材料，做成的器件则称为光敏元件。而光明元件和光电传感器是光电元件中的核心元件，是光电系统的重要组成部分，主要包括光敏材料制作的探测器件，光电二极管和光电倍增管、利用内光电效应的光导管、以及应用光生电势效应的光敏二极管、光敏三极管、光电池等。3.1.3.2 光电传感器的原理及应用光电传感器作为一种检测装置，由于它具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小，已经获得了广泛的应用。光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。本项目应用其光强的变化来检测水的清洁度。3.1.3.3光电传感器的特点检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。3.1.3.4 光电传感器的选用我们选用了图1所示的OES-V 速度传感器，它本用于为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。同样的理论，它能感应到空气中的清洁度，水也一样可以。水中的杂质多了，可见度就会下降，OES-V速度传感器所接收到得折回光线就会较少，以接收光线的多少来判断水的清洁度。光电池在光电检测和自动控制方面的应用OES-V速度传感器，它的发光源是一个光电池。光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。3.1.3.5 液位传感器的原理液位传感器是一种液位的压力传感器，静压投入式液位变松器（液位计）是基于所测液位静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA/15V D C）。分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压变送器，浮球式液位变送器。磁性液位变送器，投入式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。3.1.3.6 液位传感器的工作原理用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P=.g.H+Po式中：P：变送器迎液面所受压力：被测液体密度g ：当地重力加速度Po：页面上大气压H：变送器投入液体的深度3.1.3.7 液位传感器的功能特点1. 稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.1%FS/年。在补偿温度090 范围内，温度漂移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。2. 具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时变送器会自动限流在 35MA 以内。3. 固态结构，无可动不见，高可靠性，使用寿命长。4. 安装方便、结构简单、经济耐用。3.1.3.8 液位传感器的选用3.2 电磁阀的介绍及选用3.2.1 电磁阀的介绍电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。3.2.2 电磁阀的工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。3.2.3 电磁阀的选用因为我们选择通过电磁阀来实现储水箱中水刷的清洗、和定时投药、3.3 材料清单序号名称符号规格（型号）数量参数备注1光电传感器1安装于小储水箱中2液位传感器1安装于大储水箱中3PC管54储水箱2小储水箱储存用过的水、大储水箱则储存经过处理的水5阀36电磁阀2控制水刷和投药7抽水泵1将过滤后的水抽至大储水箱8过滤器1过滤可再利用水9第四章 控制系统软件的选用4.1 可编程控制器的选型4.1.1 PLC概述 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。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。如图3.1PLC的硬件结构框图。 图3.1 PLC的硬件结构框图4.1.2 PLC的特点归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强5）系统的设计、安装、调试工作量少6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低。4.2 组态王监控软件设计 4.2.1 组态软件简介组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 4.2.2 组态王的通信参数设置本设计中用三菱的组态王6.53版的实现计算机与CPU模块的通信。由于使用串行通信接口1，故双击工程浏览器的设备文件夹中的“COM1”图标，在出现的对话框中设置波特率为19200bit/s，如图4.2.2-1所示。图4.2.21 串行通信接口参数设置选中“COM1”后，双击右侧工作区出现的“新建”图标，在出现的对话框的“PLC”文件夹中选择三菱的FX2的编程口，设置好单击“下一步”直至“完成”，这样在右侧会出现刚生成的“新IO设备”图标，通信设置结束图4.2.22通信协议的设置 4.2.3 新建工程与组态变量双击“组态王6.53”启动工程管理器，新建一个工程，名为“定位器的定位控制系统”，双击新建工程打开工程浏览器，点击工程浏览器中的“数据词典”图标，右面工作区会出现系统定义好的内存变量。双击最下面的“新建”图标，弹出“定义变量”对话框（见图4.2.3-1），开始定义输入输出变量。用同样的方法组态所有变量（见图4.2.3-2）。图4.2.3-1 定义变量对话框第五章 系统软件的设计5.1 I/O分配表X1光电传感器X2液位传感器Y1不可再利用水（污水）Y2抽水泵Y3投药口Y4灯（感应器）Y5水刷Y6出水口5.2 接线图5.3 梯形图5.2 组态5.3.1第一次设计方案组态图5.3.2 第二次设计方案简单组态图5.3.3 数据词典第六章 系统调试6.1 硬件调试6.2 软件调试6.3 系统调试结论通过之前的各种调试过程，完成了使用水再次循环利用。我们利用了一些简单的设备连接在一起，使其能够收集废水，对其进行判断，识别，然后进行各种处理，使其能够再次利用，选用的设备成本适合，操作方便，性价比更优异。能够实现节水目的。通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。通过这半年的实践和学习，我学到了很多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为即将开始的研究生生活打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。致谢本论文是在指导老师王老师的悉心辅导下完成的。在此，首先感谢王老师对我的关心和帮助，王老师的知识体系、严谨的治学方法、精益求精的工作态度，都在我脑海中印下了深深的印象。在这长达8周的时间里，王老师的精心指导让我受益匪浅。而这项目的完成都离不开老师的孜孜不倦的教导。感谢我的父母，感谢他们的生育，教育之恩，正式他们至始至终的关心、理解鼓舞和支持，我才能全身心的投入到学习中去。感谢我的同组成员张楠楠，我们一起学习，一起探讨问题，解决问题。当我遇到问题时，他给了我好些建议和帮助。最后，再次感谢所有教育我关心我的给予我支持和前进动力的老师和同学、朋友、亲人们，感谢你们为我所做的一切。参考文献1 阳胜凤.可编程序控制器及其网络系统的综合应用M.北京：中国电力出版社，2009.2 秦春斌，张继伟，赵全利. PLC基础及应用教程M. 北京：机械工业出版社，2011.3 廖常初.PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社,2008,14-164 耿红旗,吕冬艳.可编程序控制器应用教程M.北京:中国水利水电出版社,2001,45-605 周万珍，高洪斌.PLC分析与设计.电子工业出版社，20046 周美兰，周纣，王岳宇.PLC电气控制与组态设计.科学出版社，20037 张洪涛，PLC应用技术，中国电力出版社，20048 丁炜.可编程控制器在工业控制中的应用.北京：化学工业出版社，20059 台方.可编程控制器应用教程.北京：中国水利水电出版社，200110 陈在平.可编程控制器技术与应用系统设计.北京：机械工业出版社，2005