基于plc的自动供水系统

基于PLC 控制的自动供水系统

摘 要

水箱自动供水装置就是建筑物外的供水管网里的水流进蓄水池，在由水泵抽水至屋顶

水箱和建筑物内供水装置。水泵水箱联合给水方式适用的条件是：当建筑外管网压力经常

低于建筑内给水系统所需压力，而且建筑内用水量又很不均匀时，采用水泵加压给水，同

时采用水箱贮存调节用水量。此方式，一是能使水泵在高效率条件下工作，同时水箱能够

贮存调节生活和其他用水量，二是使水泵间断工作，可以利用变频器和PLC 来实现对水泵

的变频调速控制来达到水泵运行与停止自动化，能及时向管网和水箱充水，也可使水箱容

积大大减小。这种给水方式技术上合理，供水可靠，节能，是我过和国外建筑采用的一种

常见给水方式。

通过对计算机和PLC 之间通信协议的研究，完成了上下位机通信设置，开发了计算机

监控程序，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。系统有效地解决了传

统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了

系统的总体性能。

关键字：PLC ，变频变速，液位检测，自动控制

前 言

随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展人们的生活水

平不断提高；同时，城市需水量不断加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可

靠性稳定性经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工

作和生活

如今，各个行业对于“节能减排”越来越重要，作为仅次于美国的发电大国，我国80%

的电能来自火力发电。火力发电每天燃烧了大量的煤和石油，并且产生大量有害气体，污

染环境。当前，能源危机威胁着整个世界的发展，作为发展中的能源大国，如何有效的节

能减排已经成为需要面临的新问题，节约电能势在必行。

而此次设计的系统中，耗电最大的用电器是水泵。据统计资料报道, 我国现有约5000

万台水泵和风机在运行。总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；

由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、

二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。

自从二十世纪八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内市场，我国也自行研制

生产了若干品牌的国产变频器，变频器在我国以获得了广泛的应用。对于建筑给水来说，

用得最多的就是变频调速恒压变量给水。以变频调速为核心，结合PLC 智能控制的供水设

备，启动平稳，启动电流可以限制在额定电流以内，避免了启动时对电网的冲击，其还有

稳定安全的运行性能，简单方便的操作方式，以及安全周到的功能。实现节水，节电，节

省人力，最终达到高效优质运行，提高工作效率。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC 从开关量的逻辑控制扩展

到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控

制器，简称PC （programmable controller ）. 但由于PC 容易与个人计算机（programmable

computer ）相混淆，故人们仍习惯地用PLC 作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC ）对PLC 的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算

的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储

器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，

并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC 是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。

继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC 是集自动控

制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大

支柱（PLC 、ROBOT 、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC 。它在集成电路、计算机

技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。 具有1. 可靠性高、抗干扰能力强 2.

设计、安装容易，维护工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短，成功率高 6.体积小，

重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量

轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱

产品。与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；

价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；

能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理

系统直接传输数据等。

此篇论文是以PLC 控制来实现水箱的自动供水系统，下面就简单介绍一下水箱，水泵，

变频器等内容。

一 、水箱

（一） 水箱的构成及选择

1． 水箱的形状

常用水箱形状有圆形，方形和矩形，在特殊情况下可根据具体条件设计成其它任意形状。在本设计中，采用方形。

圆形水箱结构合理，节省材料，造价低廉。

方形和矩形水箱布置方便，占地较小，但对大型水箱结构较复杂，材料耗量较大造价较高。

2． 水箱的材料

水箱的材料有多种，像金属材料：大小水箱均可使用，重量轻，施工安装方便，但易锈蚀，维护工作量较大，造价较高。一般采用碳素钢板焊接而成，碳钢水箱内表面必须进行防腐处理，对于生活用水箱，防腐材料不得有碍卫生要求。在有条件时采用不锈钢，铜，铝等材料或复合材料较为理想。钢筋混凝土材料：适用于大型水箱，经久耐用，维护简单，造价较低，但重量大，与管道连接处理不好易漏水. 在贮存生活饮用水时, 内表面应做防污染处理。木质材料：仅用于小型，临时性给水工程和盛产木材的地区。其它材料：如塑料，玻璃钢等，若用作水箱材料，也具有很多优点（如耐腐蚀，重量轻，安装维护简便等）。考虑到成本，卫生等综合因素，本设计玻璃钢水箱，玻璃钢水箱制作工厂化，自重轻，安装便捷。

3． 水箱的附件

水箱附件：水箱一般应有进水管，出水管，溢流管

泄水管，通气管，水位计，入孔等件。

进水管：水箱进水管一般从侧壁接入，也可从底部或顶部接入。

出水管：水箱出水管可从侧壁或底部接出。出水管内底应高出水箱内不少于50毫米。出水管上一般应装设阀门。

溢流管：水箱溢流管可从侧壁或底部接出。 溢流管直径宜比进水管大1～2号，但在水箱底1米一下可以改用等于进水管直径。溢水沿口应比最高水位高20毫米，溢水沿口最好做成朝上的喇叭口。溢水管上不得装设阀门。溢水管不得与排水系统直接连接，必须采用间接排水。溢水管上应有防止尘土，昆虫，蚊蝇等进入的措施，如设置水封，滤网等。

通气管：供生活饮用水的水箱应设有密封箱盖，箱盖上应设有检修入孔和通气管。通气管可伸至室内或室外，但不得伸到有有害气体的地方，管口应有防止灰尘，昆虫和蚊蝇进入的滤网，一般应将管口朝下设置。通气管上不得装设阀门，水封等妨碍通气的装置。

通气管不得与排水系统和通风道相连。

泄水管：水箱泄水管应自底部最低处接出。泄水管上装有阀门。泄水管可与溢流管相接，但不得与排水系统直接连接。泄水管管径在无特殊要求时，一般采用40～50毫米。

液位计：一般应在水箱侧壁上安装玻璃液位计，用以就地指示水位。在一个液位计长度不够时，可上下安装两个或两个以上相邻两个液位计的重叠部分，不少于50毫米。液位计应装载观察方便光线充足的地方。（如图2-1）

图 1-1 水箱内部结构图

二、水泵

（一） 水泵装置

水泵装置常指水泵电机的总称，是抽水加压的通用设备。正确选择水泵装置能降低设备投资，合理使用地面面积，降低能耗，提高供水的可靠性。一般给水系统中水泵选择清水离心泵，选择时主要考虑供水流量及所对应的扬程，并使其在高校区下工作。

在给水加以系统中，水泵分直接抽水和间接抽水，直接抽水是指水泵直接从给水管道中抽水，能充分利用外管网水压，减少水泵扬程。水泵间接抽水是指建筑外管网水流进贮水池内抽水，水泵不能利用建筑外给水管网水压。水泵间接抽水按水泵的安装位置分自吸式和自灌式两种，自吸式是水泵位置高于水池水面，在吸水管进口安装底阀；自灌式是水泵位置低于水池水面，水池内水能自流入水泵内，无需在水泵吸水管进口安装底阀。自灌式抽水可靠，在有条件的地方应尽量把水泵安装成自灌式。

泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、容积泵、喷射泵。

叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。

（二）离心泵的选用

1. 选型的意义

泵的选型是一项十分重要的工作。如果选用不当，泵在工作中流量偏大或偏小，扬程偏高或偏低，材料不耐腐蚀等，都会造成使用时满足不了生产要求，且效率低寿命短。

2. 泵型号的确定

按结构、口径、性能的不同，泵的种类繁多。所以在确定泵的型号前，首先要掌握整个装置所需要的流量和扬程，再选择泵型（系列）然后才能确定泵的型号。

流量是选泵的重要性能数据之一。它关系到整个装置的生产能力。在对装置工艺流程设计时，泵所给出的设计流量不仅要与装置设备的生产能力相协调，而且还需了解在生产中流量的变化范围，即最小流量和最大流量，以适应工况变化要求。

扬程是选泵的另一个重要的性能数据。它与管路系统的布置情况，容器间的压差，克服液体在系统内流动时的摩擦阻力（包括阀门、弯头、管径的大小、长短、材料）等一系列因素有关。同时还要注意，选泵用的扬程应考虑到最低吸入液面和最高输出高度，并取系统扬程的1.05～1.1倍作为选型依据。

ISG 型立式离心泵 (又称管道泵、离心泵、管道离心泵、单级离心泵、立式泵、增压泵、热水泵、循环泵等) ，是我国联合国内水泵专家选用国内优秀水力模型，采用IS 型离心泵

和SG 型管道泵之性能参数，在一般立式管道泵的基础上进行巧妙组合设计而成。该系列产品具有高效节能、噪音低、性能可靠等优点。符合最新国家机械部JB /T53058-93的标准要

求，按国际ISO2858标准设计制造。外形如图2-1 ISG 型系列单级单吸管道离心泵：

ISG 型系列单级单吸管道离心泵

输送清水、适用于工业和城市给排水、与其它设备配套方便、

使用温度最高可达240℃、高效节能、噪音低、有冷水型、热水

型、高温型、化工型、输油型、性能可靠、国际标准。

图2-1 ISG 型系列单级单吸管道离心泵

(三) 水泵的结构特点：

1、管道泵为立式结构，电机盖与泵盖联体设计，外形紧凑美观，且占地面积小，建筑投入低，如采用户外型电机则可置于户外使用。

2、泵进出口口径相同，且位于同一中心线，可象阀门一样直接安装在管道上，安装极为简便。

3、巧妙的底脚设计，方便了泵的安装稳固。

4、泵轴为电机的加长轴，解决了常规离心泵与电机轴采用联轴器传动而带来严重的振动问题。泵轴外加装了一个不锈钢套。

5、叶轮直接安装在电机加长轴上，泵在运行时

无噪音，电机轴承采用低噪音轴承，从而确保整机运

行时噪音很低，大大改善了使用环境。

6、该泵轴封采用机械密封，解决了常规离心泵

填料密封带来的严重渗漏问题，密封静环和动环

采用钛合金碳化硅、碳化钨制成，增强了密封的

使用寿命，确保了工作场地的干燥整洁。

图2-2 ISG型水泵内部结构

7、泵盖上留有放气孔，泵体下侧和两侧法兰上均设有放水孔及压力表孔，能确保泵的正常使用和维护。

8、独特的结构以致勿需拆下管道系统，只要拆下泵盖螺母即可进行检修，检修极为方便。

普通型结构：

ISG 型结构说明 1. 水泵与电动机同端盖，轴向尺寸缩短，结构简单； 2. 泵体上设有取压孔和放水孔； 3. 泵体上设有排气阀，工作前能排放泵内空气； 4. 泵体底部设有安装底板和螺栓孔，保证整体机壳安装稳固。内部结构如图2-2 ISG型水泵内部结构。

（四）水泵的安装

安装应达到的要求：

1、各紧固连接部位不应松动；

2、基础的尺寸、位置、标高应符合设计要求；

3、安全、保护装置应灵敏、可靠。

4、卧式和立式泵的纵、横向水平度不应超过0.1/1000；测量时，应以加工而为

准；

5、小型整体安装的泵，不应有明显的偏斜；

6、设备不应有缺件、损坏和锈蚀等情况，管口保护物和堵盖应完好；

7、水泵与管路连接后，应复校找正情况，如由于与管路连接而不正常时，应调整管路；

8、水泵的进出水管安装如图3-3所示。

图2-3 进出水管的安装方式

1. 进口阀门 2. 直管 3. 弯管 4. 采用水泥浇注基础 5. 出口阀

三、 变频器

（一）变频器的概述

交流变频调速技术近年来一直在发展，我国目前在各行各业都可以看到它的应用。随着电力电子技术、大功率元器件的开发技术和自动控制技术的迅速发展，使交流变频器在风机水泵类机械中得以更广泛的应用，同时交流变频调速技术也正朝着大容量、高电压和高性能的方向发展。多年来由于种种原因，在我国存在着大量不调速的机械设备，而这主要集中在风机水泵类，它们消耗和浪费了大量的电能。随着能源消耗、生产成本越来越得到了各级管理者和企业的关注，高压、大容量变频器的开发和应用也越来越得到人们的重视，目前已开始在风机水泵类的节能中初现端倪，由于它们的容量大，其节能效果非常显著。相信高压、大容量变频器将在未来的节能领域中起到至关重要的作用，将是提高企业的经济效益和社会经济效益主要手段之一。

变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器，是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它采用大功率晶体管GTR 作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用SPWM 正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。

（二） 变频器的基本结构

1． 三菱FR-A500系列变频器基本配置：

变频器的使用需要以下的设备。选择正确的外部设备，正确的连接以确保正确的操作。不正确的系统配置和连接会导致变频器不能正常运行，显著地降低变频器的寿命，甚至会损坏变频器。

2．三菱FR-A500系列变频器外观和结构如下图

变频器外观和结构

（三）变频器的构成

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型

是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

1整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

2平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

3逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等) 的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值

（四） 变频器的工作原理

我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：

n ＝60 f(1－s)/p (1)

式中 n ———异步电动机的转速； f ———异步电动机的频率； s ———电动机转差率； p ———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

（五） 变频器的选型

在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC 通过开关量输出控制，控制器频率是由PLC 通过模拟量输出端口输出0-5（10）V 或4-20mA 信号控制的，这需要购买PLC 比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由PLC 读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道，这对于一般值班人员说太难了。

因此在本系统中PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，我们选用的三菱电机 FR-A540系列变频器 简介：额定容量：54KVA 额定电流：71A 适用电机：37KW 输入电压：三相,380V 至480V50Hz/60Hz冷却方式：强制风冷特点：功率范围：0.4-280KW （三相380V ）采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1:120(0.5～60Hz ）。随机附带一个简易操作面板（FR-DU04），也可使用选件FR-PU04。可折式的风扇和接线端子，使维护更为方便。超低噪音运行（采用SOFT-PWM 方式）内置RS-485，也可通过插卡实现CC-link ，DeviceNetTM ，ProfibusDP 和Modbusplus 联网。操作简单，有参数拷贝功能；参数组自选功能，用户可自己选择需读写的参数组。内置PID 控制、工频切换顺序、停电减速停止控制等新功能

其实物图如图3-1所示

图3-1 三菱FR-A540变频器的实物图

1．三菱FR-A540系列变频器的技术特性：

1）功率范围：0.4~375KW（3相380V ，FR-A540（L ）系列） 2）采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达1：120（0.5~60Hz） 3）可拆卸式风扇和接线端子，维护方便 4）柔性PWM ，实现更低噪音运行

5）内置R S485通信口，并可支持各种常用的现场总线 6）PID 等多种功能适合各种场合

注：1 表示适用电机容量是以使用三菱标准4极电机时的最大适用容量，对应环境温度为

－10℃～＋40℃。

2 过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数（%）表示的，反复使用时，

必须等待变频器和电机降到100%负荷时的温度以下。

3 最大输出电压不能大于电源电压，在电源电压以下可以任意设定最大输出电压。 4 电源容量随着电源侧的阻抗（包括输入电抗器和电线）的值而变化。

3．三菱FR-A540系列变频器的制动：

内置制动电阻是连接在P 和PR 端子上。当内置制动电阻在高频度地制动时，由于散热能力不足，需要安装外接制动电阻(选件) 替代内置制动电阻。拆去跨接在PR-PX 上的短路片并且连接专用外接制动电阻(选件) 在P-PR 端子上（如下图）。

电阻单元 制动单元

当使用FR-BU 时，能大大加强再生制动的能力，请与外接电阻连用如下表A 所示，有6种规格的制动单元，请根据制动力矩和减速时间来选型（配制动电阻，见表B ）。

注：使用的制动电阻只能是专用制动电阻

在连接专用制动电阻前必须拆去跨接在PR-PX 上的短路片。否则将损坏变频器。

A 表制动单元选择表

4．三菱FR-A540系列变频器的端子说明： 下表主回路端子说明：

下表控制回路端子说明：

(五) 变频器标准接线图

图3—2 变频器标准接线图

四、液位传感器 （一）传感器的概述

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字) 能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

（二） 液位传感器的介绍

液位传感器（静压液位计／液位变送器／液位传感器／水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体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4～20mA ／１～５ＶＤＣ）。

液位传感器适用于：水库大坝、城市地下水监测、供水系统、水文水利、石油化工、工业现场等液位测量与控制

（三）液位变送器的分类

液位变送器分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，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。静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA 、 0～5v 、 0～10mA 等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。

（四）液位传感器选用

根据我们的需要，并结合它所具有的特点，我们选用了MD-L 水位传感器其工作原理是采用水压压力与该水的高度成比例的原理，当水位传感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=p .g .H+Po式中P:变送器迎液面所受压力p:被测液体密度g:当地重力加速度Po:液面上大气压H ：变送器投入液体的深度

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器的Po ，使传感器测得压力为p .g .H，显然，通过测取压力P ，可以得到液位高度。

用途

投入式水位传感器适用于石油化工、水利、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的水位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。

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 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 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，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。

3．固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。 4．直接投入、安装方便、结构简单、经济耐用。 其实物图如图4-1所示

图4-1为MD-L 液位传感器的实物

五、 三菱FX 2N 系列可编程序控制器介绍 （一） 可编程控制器的基础认识

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller), 简称PLC ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC 。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC 。

国际电工委员会(IEC)对PLC 的定义是这样的：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。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、计数与算术操作等面向用户的指令, 并通过数字或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能原则设计。

（二）三菱FX 2N PLC的介绍

1．三菱FX 2N PLC的主要特点： ● 一个程序包的单元型可编程控制器 ● 采用装卸式端子台 ● 内装RUN/STOP开关 ● 程序存储器 ● 钟表功能 ● RUN 写入 ● 元件注解

● 利用键盘保护程序（编程手册，外围设备手册） ● 丰富的输出入扩展设备 ● 丰富的特殊扩展设备 ● 用SFC 表现的编程 ● 简便的应用指令群 ● 高速处理

2．PLC 的性能指标和分类

1.PLC 的主要性能指标 ● 输入／输出点数（I ／O 点数）

I ／O 点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。

● 存储容量

存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。 ● 扫描速度

一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。 ● 功能扩展能力

可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A ／D 模块、D ／A 模块、位置控制模块等。 ● 指令系统

指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。 . 3．PLC 的分类

通常，PLC 产品可按结构形式、控制规模等进行分类。按结构形式不同, 可以分为整体式和模块式两类。按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC 三种类型。

4．PLC 系统的组成

PLC 是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC 也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 （三）三菱FX 2N PLC的结构 1．PLC 的硬件结构

一套PLC 系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I ／O 扩展单元及外部设备组成。图4-1为PLC 的硬件结构图。

编程…

PC 机

图4-2为三菱FX 2N 小型PLC 产品主机示意图。本课题中FX 2N －32MR 为基本单元，带有32个I ／O 点(24入、24出) ，M 表示主机、R 表示该单元为继电器输出型。 2. PLC的软件结构

PLC 的软件系统指PLC 所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC 的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

图4-1 PLC的硬件结构图

图4-2 三菱FX 2N 小型PLC 产品主机示意图

3. PLC的程序执行过程

PLC 的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图4-3所

图4-3 PLC的程序执行过程

4. PLC的扫描周期

在PLC 的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。

5．PLC 的I ／O 响应时间

PLC 采用集中I ／O 刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC 的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。 6．PLC 的编程语言

PLC 的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本课题所采用的编程语言为梯形图语言。

示。

六、水箱自动供水系统 （一）水箱功能介绍

1．当水箱水位不足30%时，1号液位传感器工作，M1，M2，M3号电机同时高速供水并低水位报警。

2．水位到达30%时，1号液位传感器工作，M1保持高速供水，M2，M3停止供水。水位到达A 点时，2号液位传感器工作，M1变为中速供水。水位到达B 点时，3号液位传感器工作，M1变为低速供水。水位到达C 点时，4号液位传感器工作，M1停止供水，启动满水报警。

3．水位下降到D 点时，5号液位传感器工作，M1开始低速供水。水位下降到E 点时，6号液位传感器工作，M1变为中速进水。水位下降到F 点时，7好液位传感器工作，M1变为高速供水。当水箱水位不足20%时，1号液位传感器工作，M1，M2，M3号电机同时高速供水并低水位报警。

4．当消防用水开启时，M1，M2同时变为高速供水。 当商场用水开启时，M1，M3同时变为高速供水。

当消防，商场用水同时开启时，M1,M2,M3同时变为高速供水。 5．供水泵底，中，高运行时皆有相应指示灯输出。（如图6—1）

（二）水箱结构示意图

图 6—1

（三）主电路原理图如图12

注：KM1 1号水泵变频接触器 KM3 2号水泵变频接触器 KM5 3号水泵变频接触器 KM2 1号水泵工频接触器 KM4 2号水泵工频接触器 KM6 3号水泵工频接触器

（四） PLC 程序设计 1．输入输出分配表

为了保证维修的方便，我在程序中加了启动、停止按钮。在理论基础上进行实际程序的设计和开发，首先为方便设计, 先制定了输入输出地址表。

2．状态流程图

接上图

3．PLC 外部接线图

注：

Y15 RUN 变频器启动

Y1 RH 变频接触器M1低速启动 Y2 RM 变频接触器M1中速启动 Y3 RL 变频接触器M1高速启动

4． 梯形图

结束语

在过去的二个月中，我在指导老师的帮助和指导下，设计并完成了此次毕业设计，在设计的过程中我将所涉及到且学过的理论知识重新梳理了一遍，未学过的理论知识则是到图书馆进行查阅，为完成此次毕业设计做好准备。

编写程序，作为整个系统的控制核心PLC ，它有着决策的作用，所以编写PLC 程序尤为重要, 在反复的推敲和斟酌中，我完成了初步的设计，但是程序只能实现进水部分的功能，而用水部分的功能有点混乱，随后我听从了老师的建议改用选择性分支及跳转来实现功能，采用了这种方式以后程序的条理清晰且明朗。设计已实现了预期的效果，经过了大量的模拟试验后，在确保设计的功能实用的情况下，根据计算出的数据运用到实践中去。目前我采用的是变频器分压供水（高、中、低速），用开关量控制供水。若要实现恒压供水，就需要采集管内压力和流量的数据，通过模数转换、PLC 程序控制、数模转换，最后用模拟量控制变频器，实现电动机无级调速控制，保持管内的压力恒定。

根据学校的实际情况，我对所用到的电气设备进行了实际选型，为了让设计更贴近与人们的生活，我加入变频器进行高、中、低速进水，以满足不同时段的不同需求。

完成了准备工作以后，开始撰写论文，撰写论文时需要考虑到很多的细节问题，例如页眉页脚的设置、公式的编写、字体与段落的设置、章节的设置等。很好的培养了我的细心的习惯。

在设计课程的过程中，让我对所涉及到的理论知识加深了理解，提高了我实际设计的水平，为以后进入社会奠定了良好的基础。

现在自动水位控制系统越来越人性化，很多突发事件都提前做好了对策。世界在进步，科学也在飞速的发展，相信高科技会给我们以后的生活带来更多的便利。

参考文献

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[10]上海市经委节能办公室，上海市机电工业管理局，中国电工技术学会，上海市机工程学会. 风机水泵调速节能手册. 北京：机械工业出版社，1987：10-15.

[11] 《可编程序控制器及其应用》劳动和社会保障部教材办公室组织编写 中国劳动社会保障出版社出版