【毕业论文 毕业设计】水箱水位控制系统

水箱水位控制系统 指导老师： 姓 名： 班 级：08电气三班 学 号：2008010103001 日 期：2011.03.17 摘要在人们日常生活供水中，房顶水箱水位大都未能实现自动控制，水箱中水位的高低通常由水电管理人员进行管控，非常麻烦，并且时常出现高层楼房断水和水箱溢水事故。这给居民的生活带来了极大地不变，同时也造成了不必要的水资源流失。为了解决经常停水和有效地避免水资源的浪费，节约能源，设计了一个适用于城镇居民楼房，特别是农村住宅楼房生活用水水箱水位控制器。本设计主要介绍水箱水位控制系统的设计原理及其水箱水位自动控制的实现。目录一、 设计思想二、 系统介绍三、 设计过程四、 重要部件介绍五、 结论六、 参考文献七、 致谢一 设计思想水箱水位控制，其控制方案无非有下面几种形式：（1）用单片机进行控制；（2）用PLC进行控制；（3）用常规仪表进行控制；（4）用数字电路和模拟电路结合起来进行控制等。在水位的检测方面，浮球、杠杆、电极、变送器、干簧管和探针等用的较多；在水泵电机的控制方面通常采用交流接触器。多年来的实践证明，这些常规的检测与控制方法或多或少存在一些问题。该水箱水位控制器在水位的监测与转换，以及对电机的控制方面进行设计创新。首先，在水位的测量检测方面，采用了红外光电传感器进行水位检测，将电与水隔离，不互相产生影响，从而避免了采用浮球、杠杆等所带来的卡死、漏水和不稳定等现象，水位检测的可靠性大大提高；其次，在驱动电路设计方面，将常用的交流接触器改用双向晶闸管，变过去的有触点控制，完全克服了触电频繁动作和打火”带来的后患，延长了控制器的使用寿命，保证了供水安全。 本次设计主要运用了PLC控制技术进行控制水泵的运行，实现水箱水位的液面自动控制，从而达到用户对水需求的目的。二 系统介绍1 BAS系统 建筑设备自动化系统BAS（BUILDING AUTAMATION SYSTEM）是一个对建筑物或建筑群内电力、照明、空调、给排水、防灾、保安、车库管理等设备或系统的工作状态进行监视、控制和统一管理的自动化系统，是智能建筑的重要组成部分。它的主要任务是为用户提供安全、高效、经济和舒适的工作和生活环境，保证整个系统经济运行，并提供智能化管理。它的内容包括空调系统、冷水机组、供水系统、给排水系统、自发电机组、电梯、照明等设备的控制和管理。 BAS的系统结构有集散式控制系统和全分布式控制系统两种。集散式控制系统是目前广泛采用的一种体系结构。集散式控制系统以分布在现场被监控设备附近的多台DDC控制器，在中央控制室设置具有很强的数字通信、显示和丰富控制管理功能的管理计算机，用它来完成集中操作、显示报警、打印输出与优化控制等任务。典型的集散式BAS系统如图所示。2.给排水系统 给排水监控子系统的作用是为了保证供水排水系统的正常运行，其基本监控内容是各级水泵、排水泵、污水泵及饮用水泵的运行状态进行监测，对各水箱及污水池的水位、给水系统压力进行监测，并根据这些监测信息，控制相应的水泵启停或按某种节能方式运行。3.给水系统给水系统是由水泵、水箱、管道、阀门等设备组成，我们设计的给水系统包括以下几个方面的监控：（1） 监视水泵的运行和控制水泵的启、停；（2） 监视水泵发生过载等故障付出报警信号；（3） 监视水箱的水位，当水位越限时发出报警信号。 4. 水箱水位自动控系统组成： 水箱水位自动控系统由PLC(核心控制部件) 、高低水位箱的水位检测电路（高低水位信号传输给PLC）、水泵电动机控制电路（PLC控制启停及主备切换）、设备控制台（BAS监控中心）四部分组成。5. 高低位水箱的水位检测电路的设计 高层建筑为了保证供水一般都在楼顶上设有水箱，因此水箱水位的自动控制在高层建筑中是一种被得到广泛应用的技术。本设计采用光电传感器作为水位检测器具。主要运用光电传感器的原理来实现本次设计，其原理将在下面的篇幅中详细讲解。6. 电泵电动机控制电路的设计 （1）三相异步电动机及其单向旋转 给排水工程中常使用鼠笼式三相异步电动机。水泵上的电动机一般都是单向旋转，应有以下控制：a. 有手动切换按钮和刀开关，可人工控制。b. 用交流接触器控制电动机，在其他触点动作的同时其辅助常开触点闭合， 形成自锁。该触头称为“自锁触头”，自锁触头是电动机长期工作的保证。c. 过载保护：用热继电器FR做电动机的长期过载保护，出现过载时，双金属片受热弯曲而使其常闭触点断开，交流接触器KM断电释放，使电动机停止运行。（2）水泵电动机 生活给水泵能否正常工作是建筑内人们用水和消防安全的关键问题之一。为保证水泵可靠长期的工作，在水泵电动机控制电路中我们设计成一工作一备用两台给水泵，互为备用，定时交替工作，当工作泵发生故障，备用泵延时自动投入工作，并发出故障报警。 三 设计过程1. PLC硬件设计a 控制方式的确定随着微处理器及计算机技术的发展，生产上正在越来越多的采用以微处理器为核心的各种数字化智能化仪表和装置。在次基础上发展起来的PLC（可编程控制）综合了计算机 自动控制技术和通信技术，具有控制 自诊断 报警 监控等功能。 b 高地位水箱积水系统我们采用由高低水箱组成的积水系统。在建筑的楼顶设一个高位水箱，在低处设一个低位水箱。室外网管的来水先进入低位水箱，然后再由水泵从低位水箱中抽水向高位水箱给水，再通过高位水箱提供给用户水并保证用户水压的要求。水泵运行工况除监视和手动外，还应该由高低位水箱的水位信号控制其自动运行。对该控制系统的自动控制系统要求如下：（1） 在自动运行控制方式下，水泵可以根据高低水水箱水位变化自动开停，为此设水位开关H1 L1 H2 L2；（2） 对低水位的限制：当水位低于L2时候，低位水箱处于缺水状态，水泵必须停止；当水位高于H2时候，低位水箱处于充满状态，允许水泵启动。（3） 对高位水箱的限制：当水位低于L1时候，高位水箱处于放空状态，水泵必须启动供水，当水位高于H1时候，高水位充满，水泵应该停止。c PLC输入输出点数的设计 可编程控制器FX2N-48MR，它有24个注入点数和24个输出点数我们设计的控制过程需输入点数12个，输出点数10个。选用FX2N-48MR的可编程控制器足以满足系统的控制需要。输入、输出点的地址序号为：输入：X0-X7 X12-X15输出：Y0-Y7 Y10-Y112. PLC软件设计本系统的程序设计采用梯形图语言编程，使用编程器FX2N系列的FX2N-48MR输入程序时候，采用语言表达式、系统运行时，PLC依次读取程序存储器中的程序语句，解释内容并执行。系统工作过程如下：（1）1号泵手动、自动控制：当水泵处于手动状态时（X006点接通），启动1号水泵(X000)，通过SB1与SB2按钮控制其启动与停止。当水泵处于自动状态时也就是高位水箱低水位没水时（X007）接通，由水箱高水位可控制其停止，并且同时累计水泵的运行时间（D2）。（2）2号水泵手动，自动控制：当水泵处于手动状态时（X006接通），启动2号水泵（X002）,通过SB3与SB4按钮控制其启动与停止。当水泵处于自动状态，也就是高位水箱低水位没水时（X007接通），由水箱高水位信号可控制其自动控制其停止，并且同时累计水泵的运行时间（D0）。（3）液位报警：当低位水箱处于低水位（Y11）、高水位(Y10)时，液位报警；当高位水箱处于低水位（Y007）、高水位（Y006）时，液位报警。 本设计研制的用PLC控制的高层建筑水箱水位的自动控制系统已成功应用于建筑设备中，系统工作稳定、安全、高效、经济的特点，实现了建筑设备自动化控制和管理。3. PLC的I/O分配表：输入输出作用输入元件输入继电器作用输出元件输出继电器1号泵启动SB1X01号泵启动KM1Y01号泵停止SB2X12号泵启动KM2Y12号泵启动SB3X21号泵运行指示LEDY22号泵停止SB4X32号泵运行指示LEDY31号泵故障FR1X41号泵故障指示LEDY42号泵故障FR2X52号泵故障指示LEDY5手动控制SDX6高位水箱高水位报警LEDY6自动控制ZDX7高位水箱低水位报警LEDY7高位水箱高水位X12低位水箱高水位报警LEDY10高位水箱低水位X13低位水箱低水位报警LEDY11低位水箱高水位X14低位水箱低水位X154. PLC的I/O接线图 5. 梯形图：6. 指令表： 四、重要部件介绍1. PLC的工作原理1.1 PLC的工作方式 1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。 2） 程序执行阶段：plc对用户程序扫描。 3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。1.2 PLC的特点PLC 作为控制器件是因为可编程控制核心是一台计算机，它是专为工业环境应用设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模块式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。其特点可归纳为以下几点：1、编程方便，现场可修改程序，设计简单，易学易懂；2、采用模块化结构，安装维修简单，调试方便，维护工作量少；3、可靠性高，抗干扰能力强；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、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1.3 PLC的优点 1.实时性由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。2.高可靠性所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。各模块均采屏蔽措施，以防止噪声干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的元器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。3.系统配置简单灵活控制器 产品种类繁多，规模可分大、中、小等。I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。 4.丰富的I/O卡件控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。5.控制系统采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。6.价格优势质优价廉，性价比高。7.安装简单，维修方便可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.4应用指令MOV 数据传送指令包括MOV（传送）、SMOV（BCD码移位传送）、CML(取反传送)、BMOV（数据块传送）、FMOV（多点传送）、XCH（数据交换）。本次设计主要用了MOV指令，这里简单做一下介绍。 传送指令MOV将源操作数传送到指定目标，其指令代码为FNC12，源操作数S.可取所有所有的数据类型即K、H、KnX、KnY、KnM、 KnS、T、 C、D、V、Z，其目标操作数D.为KnY 、KnM、 KnS、T、C、D、V、Z 。MOV 指令格式指令名称助记符功能号操作数SD传 送MOVFNC12K H KnX KnY KnMKnS T C D V Z KnY KnM KnS T C D V Z 2 光电传感器原理 2.1 概述光电检测方法具有精度高、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，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。2.2 工作原理由光通量对光电元件的作用原理1不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换 成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关. 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电 载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 2.3电路图 五 结论通过这次毕业设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的锻炼机会。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发、传感器应用技术过程中，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都向前迈了一大步。在设计过程中，经常会遇到各种问题和困难，理论和实际总是有这样那样的差异，理论上能够通过的实际并不一定能够实现，因此这方面要耗费很多时间，在发现问题和解决问题的过程中足额到了很多的知识，是自己的专业水平得到了提高。趁着做课程设计的机会，我对课本知识有了巩固和加强，平时学习时不理解的知识，这次设计中得到了充分的理解巩固，使我对很多元件的功能有了更多的认识。这次毕业设计使我懂得了理论和实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正去指导实际，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。同时在设计过程中发现了自己的不足之处，对以前所学知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，致使这次设计花费了很多时间。一次又一次的学习，探索，我们慢慢地在体会，研究和感悟，终于开始领会到将近成功的那一份喜悦，从撰写开 报告，查找资料，程序设计，到整理每一个次的调试，我们学会了细心和耐心，也品尝到了酸、甜、苦、辣，无数的成功与失败更加肯定了我们 的研究成果。兴趣是自发形成的，而默契是慢慢培养出来的。当前的社会，科技迅速发展，知识更新速度大大加快，只有我们共同去探索，用自己的双手去征服每一片天空，用我们新的力量去打造一片创新的领域。六 参考文献 1 郭艳萍. 电气控制与PLC应用 北京：人民邮电出版社，2010.2 郭艳萍. 电气控制与PLC实训 北京：北京师范大学出版社，2008.3 张万忠可编程控制器入门与应用实例北京：中国电力出版社20044 廖常初:PLC基础及应用,北京机械工业出版社, 2004七 致谢