基于单片机的水塔水位自动控制系统

摘 要

在工业和农业生产过程中，经常需要测量和控制水位。在日常生活中水位控制应用也相当广泛，如水塔、地下水、水电站的控制。然而，随着世界人口不断增长，增加了人们的生活用水，过去由于频繁操作使用的继电器使水位自动控制系统会产生机械磨损，即不方便维护和更新，也不能满足实际需求。

本论文使用的是西门子S7-200系列PLC 可编程控制器作为一个小水塔水位自动控制系统的核心，涉及到需要分析水塔水位功能的自动控制系统。主要方法是通过水塔中的液位传感器来检测实际的水位，并通过PLC 的CPU 的智能扩展模块将得到的信息通过模拟量的转换传送给变频器，以控制水泵电动机的操作。完成整个系统的自动供水过程。如果水位低于或高于设定值时，危险警告信号将被发出。本论文给出设计的基础上很好地执行PLC 塔液位控制系统的具体过程。并使用组态王软件画出水塔自动供水的动态流程。

关键字：水塔水位控制系统，PLC ，液位传感器，组态王

Abstract

In the industrial and agricultural production process, often need to measure and control the water level. In everyday life level control applications are quite extensive, such as control towers , groundwater, hydropower . However, with the growing world population , increasing people's living water , in the past due to the operation of the relay frequently used to make the water level automatic control system generates mechanical wear , which is not convenient to maintain and update , can not meet the actual demand.

In this paper, using a Siemens S7-200 series PLC programmable controller as the core of a small water tower water level automatic control system, involving the need to analyze water tower features automatic control system. The main method is through the tower level sensor to detect the actual water level, and through the PLC CPU intelligent expansion module will transmit the information obtained by the conversion to analog converter to control the pump motor operation. To complete the entire process automatic water supply system. If the water level is lower or higher than the set value, the hazard warning signal will be issued. This paper gives specific processes perform well PLC tower level control system on the basis of design. Configuration software to draw and use automatic water tower dynamic processes. Keywords: tower water level control system , PLC, configuration king , level sensors

目录

1. 引言................................................................................................................. 1

1.1 设计背景及意义................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状................................................................................... 2

1.3 主要研究内容....................................................................................... 2

2. 水塔水位控制系统方案设计......................................................................... 4

2.1设计方案对比.......................................................................................... 4

2.1.1传统的水位控制方案................................................................... 4

2.1.2PLC 控制水塔液位的概述 ........................................................... 4

2.1.3对比的结果................................................................................... 5

2.2基于PLC 的供水方案设计 .................................................................... 5

2.2.1 系统控制要求.............................................................................. 5

2.2.2设计分析示意图........................................................................... 7

2.3 确定设计方案....................................................................................... 8

3. 水塔控制系统硬件设计................................................................................. 9

3.1简述.......................................................................................................... 9

3.1.1PLC 的定义 ................................................................................... 9

3.1.2 可编程控制器的分类.................................................................. 9

3.2 PLC控制系统设计的一般步骤 ............................................................. 9

3.3 可编程控制器的工作原理................................................................... 10

3.4 PLC 的选型 ...................................................................................... 11

3.5 CPU224应用介绍 . ................................................................................ 12

3.6 PLC扩展模块的选择 ........................................................................... 12

3.6.1交直流输出模块......................................................................... 12

3.6.2模拟量输出模块......................................................................... 13

3.7系统的I/O分配表 ................................................................................ 14

3.8 电机及驱动线路................................................................................... 15

3.9检测元件应用设计................................................................................ 16

4. 控制系统软件设计....................................................................................... 18

4.1 控制程序流程图................................................................................... 18

4.1.1程序流程图分析：..................................................................... 19

4.2 控制程序设计....................................................................................... 19

5. 组态王仿真的设计........................................................................................... 23

5.1 组态软件概述..................................................................................... 23

5.2系统监控界面设计................................................................................ 23

5.2.1新建工程 .................................................................................... 23

5.2.2定义变量..................................................................................... 24

5.2.3调用器件 .................................................................................... 25

5.2.4画面部署 .................................................................................... 25

5.2.5报警窗口的设计......................................................................... 26

5.3总结........................................................................................................ 26

6. 结论................................................................................................................... 28

6.1本课题研究结论.................................................................................... 28

6.2课题存在问题与展望............................................................................ 28

致谢...................................................................................................................... 29

参考文献.............................................................................................................. 30

附录1................................................................................................................... 31

附录2................................................................................................................... 35

1. 引言

1.1 设计背景及意义

在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。随着国民经济的发展，人们的居住条件日益改善，楼房正在向高层发展，由于地理位置等各种原因，无法依靠自来水厂供水，因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。不少单位自建水塔储水来解决自动供水的问题。最初，水塔的供水过程必须通过人为的控制才可以实现，但是如果是人工在控制则无法每时每刻都关注到水量的变化，无法根据水量的适时变化做出相应的操作。如果水泵关停过早，会造成水塔缺水；如果要么关停过晚，会造成水塔溢出，既不方便控制也对资源是一种浪费。后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求，如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要[1]。

我们的水供应业是推动水技术行业的领导者。供水业是城市基础设施投资的主要方向之一。在该系统中，改变在企业级市场的供水系统已成为必然的发展; 技术上，水利行业面临严峻的供水设备国产化，技术设备迫切需要现代化的自动控制技术。优质水是水行业市场发展新的增长点，而应促进节约用水，提高水的重复利用率，逐步建立和完善水工业的学科体系。节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题，水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，其用电量大，是节能研究的主要内容之一。水位控制不仅要求控制系统在满足用水要求的同时，又要实现系统效率最优，采用传统的控制策略很难获得简便、实用的解决方法[2]。

本文结合水位控制类系统的特点，运用水位控制理论与最优控制方法，以系统效率最大及满足用水要求为目标，采用PLC 和变频器技术设计一种水位控制以改善这类系统的控制策略与运行方式。该水塔水位控制系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义[3]。

1.2 国内外研究现状

随着国民经济的发展, 乡村的居住条件日益提高, 新农村的建设蓬勃发展人民生活水平跟住宅楼一样越来越高, 但有些地方地处偏僻之处交通不便, 人民使用不到社会主义建设带来的水厂自来水。为了能用上干净卫生的生活用水, 许多社会主义新农村家庭自建属于自己的供水设施, 用自己安装的供水设施将水送上水塔来解决自己的的用水问题。但是, 那些供水设施多为手工操作, 通过操作人主观的感觉来估测抽水量。这就产生了人眼无法直观的观察到水塔的水位的变化，在水泵开启和关闭的时间的处理上带来很多的麻烦, 一则水泵关停过早, 产生供水不足而且必须多次开启水泵来抽水给水泵带来不必要的压力; 二来忘记关闸, 水从水塔溢出, 这样就会造成水资源和能源的浪费[4]。

设计用于这种自动电子液位控制装置，水位检测元件安装在不同的高度在水塔并通过水的导电性进行工作，并根据水位的不同来决定这两组电极的工作状态，用电信号来代替水位变化的信号，然后控制所电机水泵进行水的补充。这意味着拥有了更好的控制性能，更简单的结构，更方便的维修方式，但无法检测到任一时刻水塔的水位的准确数值，而且电极长时间使用会带来氧化，腐蚀，污垢附着等影响，造成控制失效。

水塔控制有多种自动控制装置，如施密特触发器组成555定时器来控制水位检测电路， 水位自动检测系统也可以通过51单片机的设计来实现，这些方法都不是十全十美的都有自身的一些问题，使用时如检测在水塔中的水位探测失败时，施密特触发器控制电路无法确定失败原因，从而导致操作错误; 通过51单片机来控制的话设计上又存在着的复杂性等不好的因素影响，不仅需要软件方面程序的设计，在硬件方面电路的处理上也要下一定的功夫，当系统在外界干扰下，系统本身的稳定性会变差，因此设计一种在条件不好使也能正常工作的液位自动控制系统就显得十分重要和必须了。

1.3 主要研究内容

在现有的水塔水位控制研究的基础上，通过对比首先确立研究设计的方向。了解控制塔的原理，通过PLC 的研究，设计塔完成必要的液位控制系统，并在设计功能的运行实验中，使实验得到正确的结果。

用PLC 做控制器，完成对水塔水位的智能控制，从而提高系统的自动化程度。该系统应具有根据液位传感器完成自动供水的自动控制功能。

主要研究内容应包括监测水位，当水位低于警报水平的下限。控制系统会发出水位下限报警信号。水塔此时泵自动开启功能。只有当泵工作正常运行灯点亮。

当水位到达上极限水平标志着完成水供给泵的自动停止的过程。如果此时水泵电机仍然持续供水使水位超过最大液位上限，那么控制系统将会发出高水位报警。并且会有手动紧急停止功能[5]。

为了适应在不同水位水压下都能正常高效的使水塔供水，本设计还在电机以及驱动电路设计方面加入了变频器控制电机的设计。旨在使系统在不同条件下都能发挥出应有的作用，便捷、快速、高效、安全的达到人们对水位自动控制的要求。

为了使监测方面更加准确耐用。在设计中还应该在检测元件型号的选择上详细查阅资料。选取适当的检测元件使之达到以下的要求：外壳采用优质不锈钢，机械强度高、密封性好，电缆采用特种材质，耐油、酸、碱，抗蚀能力优越，输出稳定可靠的“ON”、“OFF”开关控制信号，无任何误动作，可靠性高，安装简捷，调试方便，上下移动定位重块，即可随意调节液面控制范围。熟悉检测元件在不同水压情况下的工作状态从而使设计更加贴近现实，更具实用性。

电源的选取和应用。 PLC 的外部工作电源一般为单相85 ~260 50/60Hz交流电源，也有采用24~36V直流电源的。使用单相交流电源的PLC ，往往还能同时提供24V 直流电源，提供直流输入使用。PLC 对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许±15％左右。所以，这次设计采用的是单相220V 交流电源供电的PLC [6]。

为了水塔使设计更加直观形象的被人们所接受，使人们更加清晰这次设计的思路，更加准确的开始本次设计的使用。在本次设计大体完成之后还加入了组态仿真软件的在水塔液位控制设计报警方面的模拟动画以及系统运行时的监控画面。因此在本次设计中研究采用了组态王软件来实现系统运行控制的监控画面，使整个设计更加形象直观，也使得PLC 对液位的控制更加明确。也是通过对组态的学习使得设计更加合理的呈现在现实的工业应用之中，为将来在实际的日常工作之中早日与生产建设技术接轨做好初期的理论学习。

2. 水塔水位控制系统方案设计

2.1设计方案对比

2.1.1传统的水位控制方案

机电控制式水位控制设计

设计示意图如图2-1所示

图2-1机电控制式水位结构示意图

系统控制分析：

漂浮在水面上的浮球与控制器中的“检测机构”通过连杆机构相连，当水位发生变化时，浮球上下运动带动“检测机构”产生位移，这个位移可以直接用来驱动阀门动作，关闭或者开启进水口，调节水位。如果需要控制的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电控制驱动装置。

具体控制过程为：①“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；②位移开关控制电机的转动；③电机驱动水阀门。

这种控制方式结构比较复杂，而且不适合在户外气候条件不佳时使用。整个系统在故障检测以及故障维护等方面存在比较复杂，维修费用大，费时费力等问题。因此这个系统已经不适应对居民生活生产供水的要求，必须建立更加高效使用的控制系统。

2.1.2PLC 控制水塔液位的概述

水塔供水作为现代化生产生活建设的重要工具与人们的工作和生活日益紧密联系。PLC 作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在水塔液位

控制中得到广泛应用，从而使水塔液位控制由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前水塔液位控制和技术改造的热点之一。

PLC 是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于PLC 具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。自80年代后期PLC 引入我国水塔液位控制以来，由PLC 组成的水塔液位控制系统被各地人民的生产生活普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中，PLC 系统一直是主流控制系统。

水塔液位控制系统分为检测部分和水泵电机控制部分。检测部分的性能对水塔液位能否顺利自动控制有着重要影响，而水泵电机控制部分则是水塔液位控制能否实现运行的关键。为了改善水塔液位的调节准确性和运行的可靠性，现在都改为用PLC 来控制水泵的运行，以及检测液位的反馈。这样大大提高了水塔水位自动控制的性能。

2.1.3对比的结果

综上所述考虑到，在实际生产生活中为了解决水塔供水的稳定性、高效性、省时性等问题。采用基于PLC 控制的水塔液位的方式。更容易实现生产生活中的机械化、自动化。降低认为操作的频繁次数，而且使整个控制系统更易于操控和维护，这将大大增加工业和生产生活的自动化，为居民生活质量的提高，工业现代化的快速发展产生极大的帮助。所以应当设计一种基于PLC 使水塔可以自动控制的设计系统。

2.2基于PLC 的供水方案设计

2.2.1 系统控制要求

水塔水位控制示意图如图2-2所示：

图2-2水塔水位控制示意图

给排水工程中常使用三相异步电动机， 水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制。

在水塔水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向PLC 发出信息启动水泵，当水位达到最高水位时向PLC 发出信息控制信息停止水泵工作。

供水系统的基本原理如图所示，水位闭环调节原理是：通过在水塔中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入PLC ，执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。

控制要求如下：

1. 当水池水位低于低水位界限时（S1为OFF 时表示），报警灯报警，补水泵M1打开给水池注水；10s 后，如果S4继续保持OFF 状态, 表示补水泵M1没有工作，出现了故障，报警灯继续报警；如果S1为ON 状态, 表示水池水位开始升高, 报警灯2解除。

2. 当水塔水位低于低水位界限时（S3为OFF 时表示），报警灯报警，水泵M2开始从水池中抽水；10s 后，如果S3继续保持OFF 状态，表示水泵没有抽水，出现了故障，报警灯继续报警；如果S3为ON 状态, 表示水塔水位开始升高, 报警灯1解除。

3. 当水塔水位低于S3时, 水泵M 运行并开始抽水, 直到水位到达高水位界限S4。由于水塔要供水, 所以水位会下降, 当水塔水位介于S3和S4之间, 不需要水泵M 运行, 避免了水泵频繁启停。当水塔水位再一次低于S3时, 水泵M2运行并开始

抽水, 直到水位到达高水位界限S4时, 水泵停止运行。

4. 当供水池水位低于S1时，补水泵M1打开并开始进水，直到水位到达高水位界限S2。由于水塔要抽水, 所以供水池水位会下降, 当供水池水位介于S1和S2之间, 不需要补水泵打开, 避免了补水泵频繁开关。当水塔水位再一次低于S1时补水泵M1开始工作，直到水位到达高水位界限S2，时补水泵Y 关闭。

2.2.2设计分析示意图

基于PLC 的水塔水位控制系统是一个自动控制系统，根据系统要求，设计分析分析如下：

当电源启动时，水池和水塔的水位有以下几种情况：

水池的水位在S1之下，如图2.2（a ）所示，则电磁阀MB1打开，水泵M1启动，开始向水池供水，待4S 后，若水池水位没有超过S1，则水池蜂鸣器报警。当水池水位高于S2时，如图2.2（c ）所示，水泵M1停止，电磁阀MB1关闭。

水池的水位在S1与S2之间，如图2.2（b ）所示，则电磁阀MB1不会打开，水泵M1不会启动，保持待命状态。

水塔的水位在S3之下，如图2.2（d ）所示，并且水池水位在S1与S2之间，则电磁阀MB2打开，水泵M2启动，开始向水塔供水，待4S 后，若水塔水位没有超过S3，则水塔蜂鸣器报警。当水塔水位高于S4时，如图2.2（f ）所示，水泵M2停止，电磁阀MB2关闭。

水塔的水位在S3之下，并且水池水位在S1之下，则电磁阀MB2不会打开，水泵M2不会启动，等待水池水位高于S1。

水塔水位在S3与S4之间，如图2.2（e ）所示，则电磁阀MB2不会打开，水泵M2不会启动，保持待命状态。

水塔设计分析示意图如图2-3所示：

图2-3水塔设计分析示意图

2.3 确定设计方案

通过比较传统水塔液位控制系统和基于PLC 控制的水塔液位系统的优缺点。确定使用PLC 来控制水塔的液位。经过资料的查阅之后确定了以S7-200系列的CPU224做主机，输入端口的数目为9个，输出端口的数目也为9个。以EM222作为智能扩展模块，为4个数字量输出模块。并通过置于容器内的液位传感器来作为感测水塔系统水位的元件，再加上EM232作为数字量输出模块经过扩展之后将电流电压信号传给MM430变频器，通过变频器来控制驱动水泵。水塔系统的总体框图如图2-4所示。

图2-4水塔设计总体框图

3. 水塔控制系统硬件设计

3.1简述

3.1.1PLC 的定义

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ，PLC ），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，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[7]。

3.1.2 可编程控制器的分类

（一） 小型PLC

小型PLC 的I/O点数是在128点一下，它的体积较小、结构还比较紧凑，整体和硬件还融洽的比较紧凑。除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/点数O ，还可以连接其他特殊的功能模块。它能执行的运算也很多，其中有逻辑运算，计时、计数，算数，运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。适合于控制单机设备和开发机电一体化设备。

（二） 中性PLC

中型PLC 的I/O点数在128至2048点之间，不仅具有极强的开关量逻辑控制功能，而且其他的通信量联网功能和模拟量处理能力更强大。中型机的指令比小型机的指令更丰富，中型机更适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。

（三） 大型PLC

大型PLC 的I/O点数在2048点以上，程序和数据存储容量最高分别可达到10MB ，其性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算，控制和调节功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些大型PLC 还具有沉余能力。他的监视系统能够表示过程中的动态流程，记录各种曲线，PID 调节参数等；它配备多种智能板，构成多功能的控制系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量监控系统。大型机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和过程监控系统。

3.2 PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC 系统时，首先要进行PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对象

的功能设计和工艺要求。明确系统要做的工作要求和因此必备的条件，然后时进行PLC 应用系统的功能分析。即通过分析系统的功能，提出PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，下面是PLC 系统设计步骤：

1. 被控的对象要清楚，要详细的研究被控的对象的工作特点和设计要求的工艺特点，设计PLC 的方案。

2. 确定I ／O 端口，结合要控制的系通的要求，明确设计者所要用的输入，最后确定PLC 的I ／O 点数。

3. 选择PLC 时包括 PLC 的机型、容量、I ／O 模块、和电源。

4. 分配PLC 的I ／O 地址。

5. 根据硬件设计软件设计来进行PLC 的程序设计。

6. 联机调试。

3.3 可编程控制器的工作原理

PLC 的工作过程可以分为三部分，第一部分是上电处理。机器上电后对PLC 系统进行一次初始化，包括硬件初始化，配置和检查I/O模块，断电保护，系统通信参数配置等。

PLC 正常运行时，扫描周期长短与CPU 的性能、I/O点的多少、与设计者所设计的程序有关。不同的指令执行的时间是不同的。如果用于高速系统要缩短扫描周期时间，可在软硬件上同时考虑。考虑到现在CPU 速度高，所以想过去编程那样从用户软件使用指令上来精打细算的来节省扫描时间已是不可能的了。

概括而言，PLC 是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式工作的。每一次扫描所用的时间称扫描周期或工作周期。图3-1为扫描周期示意图。

图3-1 PLC扫描周期示意图

本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC 控制系统的实际步骤和PLC 的硬件配置、外部电路设计、以及PLC 的控制器设计的参数

的整定。

3.4 PLC 的选型

在PLC 系统设计时，应首先确定控制方案，下一步就是PLC 工程设计选型。工艺特点和应用需求的设计选型主要依据。PLC 和相关设备应综合的，基于标准，易于跟踪和工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能选择在相关工业PLC 的选用原则应投产的表现领域，成熟可靠的系统，PLC 的大小和控制系统的硬件，软件和设备的配置和功能应符合要求。熟悉可编程逻辑控制器，有利于减少编程时间的菜单计划和相关的编程语言，所以当工程设计选型和估算应该是过程的特点进行详细分析，控制要求，明确任务，并确定所需的控制的操作和动作，并根据控制要求的范围，估算输入输出点数，所需存储器容量确定PLC 的功能，外部设备的特性，最后选择了更高的性价比和设计相应的PLC 控制系统。

综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC一台。

S7-200 系列的PLC 有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、CPU 有着先进的程序结构、寻址方式灵活多变以及程序化的PID 编程控制。便宜使用的价格使它能够被广泛的应用到生产生活的方方面面。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。此系统选用的S7-200 CPU224,CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。图3-3为CPU224外部电路连接图[8]。

图3-2 CPU224外部电路连接图

3.5 CPU224应用介绍

如图3-3所示的CPU224外部接线图输入端接24V 直流来驱动PLC 的CPU 来进行工作输入接口分别是启动、停止按钮，报警确认，水池下限液位检测，水池上限液位检测，水塔下限液位检测，水塔上限液位检测，以及热继电器来保护电路。输出端接220V 交流来驱动实际工作中的电路器件分别有启动指示灯，两个水泵，水池高低水位报警灯，水塔高低水位报警灯，水池和水塔的蜂鸣器报警装置以及分别给水池和水塔供水的两个电磁阀。其中输出端的电路器件会在相应的输入端的信号的作用下来进行设计好的动作，以保证整个系统的正常工作。确保自动供水的实现。

3.6 PLC扩展模块的选择

3.6.1交直流输出模块

PLC 的交直流输出模块EM222有8个输出点，分成两组，1L,2L 是每组输出点内部电路的公共端。每组需用户提供一个外部电源。交直流输出模块是继电器输出方式。当PLC 有信号输出时，输出接口电路使继电器线圈激励，继电器触点的闭合使负载回路接通，同时状态指示发光二极管VL 导通点亮。根据负载性质（直流负载或交流负载）来选用负载回路的电源（直流电源或交流电源）[9]。

本次设计中0.1、0.2输出端接蜂鸣器，0.3、0.4输出端接电磁阀，EM222及其接线如图3-4所示。

图3-3 EM222模块数字量I/O连线示意图

3.6.2模拟量输出模块

如电动阀门、液压电磁阀等执行机构当它们应用于工业控制之中时，这些设备在现场的控制是通过连续的变化的模拟量信号来驱动或者控制的。为了实现这些控制就应该使PLC 输出模拟量以代替数字量，只有这样这些设备才能正常工作。

模拟量输出模块的作用就是把PLC 输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制的要求。模拟量输出模块一般由光电耦合器、数模（D/A）转换器和信号驱动等环节组成[10]。

模拟量输出模块（EM232）具有2个模拟量输出通道。输出的可以使电流或者电压信号这些模拟量，存储器AQ 区域提供2字节给每一个输出通道。输出信号的范围：电压输出为-10~+10V，电流输出为0~20mA。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位，对应的数字量分别为-32000~+32000和0~+32000。电压输出的设置时间为0.1ms 。用户程序无法读取模拟量输出值。该模块需要DC24V 供电，可由CPU 模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可

由用户提供外部电源[11]。

本次设计中采用的EM232模块如图3-4所示

图3-4 EM232模块接线

EM232为模拟量输出模块，为扩展模块，有两组模拟量输出，每组可作为1路模拟量输出（电压或电流信号），它与变频器的接线图如图3-3所示。其中V0、I0和V1、I1分别输出模拟量来控制两个M430变频器，并通过M430变频器来控制电机的运转[11]。

3.7系统的I/O分配表

控制系统的I/O分配表如表3.1所示

表3.1 I/O分配表

3.8 电机及驱动线路

电机采用卧式离心泵，是根据离心力原理设计的，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出，从而达到输送的目的。离心泵有好多种，从使用上可以分为民用与工业用泵；从输送介质上可以分为清水泵、杂质泵、耐腐蚀泵等。

主要优点：结构简单、维修方便、固定安装无震动、密封较好、噪音低、维护方便、价格便宜[12]；

生活加压给水系统的水泵机组应设置备用泵，备用泵的供水能力应大于最大一台运行水泵的供水能力，水泵宜自动切换，交替运行。

驱动电路如图3-5所示

图3-5液位控制系统驱动电路

变频器调速控制方式

u/f控制方式

因为电动机的电磁转矩Tm=（u1/f1）(u1/f1),所以保持u/f恒定时，电磁转矩恒定，电动机带负载的能力不变。大多数负载适用这种调压控制方式。变频器的输出电压与输出频率呈二次曲线关系，适用于风机，水泵类负载。

当变频器的输出频率较低时，其输出电压也比较低。此时，电机定子绕组电阻的影响已不能忽略，流过定子绕组的电流下降，电磁转矩下降。为改善变频器的低频转矩特性，可采用电压补偿的方法，即适当提高低频时的输出电压[13]。

通过CPU 的扩展模块EM232将液位传感器所检测到的液压信号经过其内部的D/A转换将其转换为模拟的电压和电流信号，V0、I0和V1、I1分别输出模拟量来控制两个M430变频器，并通过M430变频器来控制电机的运转。

当液位低于液面下限时变频器控制电机已工频50HZ 运转。随着水塔内液面的不断升高液位检测器所检测到的压力值也随之不断变化，继而扩展模块输出同样变化着的模拟量值，以此来传输给变频器并通过变频器调节水泵电机的频率。是水泵电机可以稳定高效的运转从而完成整个水塔自动供水系统的自动运行过程。

3.9检测元件应用设计

检测元件采用GSK 液位传感器，它的特点为：

1、外壳采用优质不锈钢，机械强度高、密封性好。

2、电缆采用特种材质，耐油、酸、碱，抗蚀能力优越。

3、输出稳定可靠的“ON”、“OFF”开关控制信号，无任何误动作，可靠性高。

4、安装简捷，调试方便，上下移动定位重块，即可随意调节液面控制范围

[14]

。

液位传感器的接线及工作原理如图3-6所示。

图3-6液位传感器接线图

在水塔底部和水塔顶部的液位传感器分别检测不同水位状态下的情况，并把检测结果传输到CPU 中使PLC 根据不同的信息来控制不同情况下的电机的运转从而达到液位自动控制的要求。

接线方式为整个液位传感器系统外部有一个220V 电源驱动，液位传感器有三个引脚分别是正极（1脚）输入到外供，公共端（3脚）和信号（2脚）分别输入到正负输入引脚。通过自身的模拟量物理量变换将控制信号输送给PLC 。

4. 控制系统软件设计

4.1 控制程序流程图

根据系统要求，水塔系统的控制流程图如图4-1所示：

图4-1水塔液位控制流程图

4.1.1程序流程图分析：

水塔工作系统的工作方式为：当水池水位低于水池下限位液位检测传感器S1时，则S1此时为OFF ，电磁阀MB1打开，水泵M1启动，开始向水池供水，待4S 后，若水池水位没有超过水池下限位液位检测传感器S1，即说明系统发生故障，则水池蜂鸣器PB1报警，水池报警灯闪烁。

若系统正常，则此时水池水位应该超过了水池下限位液位检测传感器S1，则S1此时为ON ，表示水池水位高于水池下限水位。当水位水位高于水池上限位液位检测传感器S2时，则S2为ON ，水泵M1停止，电磁阀MB1关闭。

当水塔水位低于水塔下限位液位检测传感器S3时，则S3此时为OFF ，电磁阀MB2打开，水泵M2启动，开始向水塔供水，待4S 后，若水塔水位没有超过水塔下限位液位检测传感器S3，即说明系统发生故障，则水塔蜂鸣器PB2报警，水塔报警灯闪烁。

若系统正常，则此时水塔水位应该超过了水塔下限位液位检测传感器S3，则S3此时为ON ，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔水位高于水塔上限位液位检测传感器S4时，则S4为ON ，水泵M2停止，电磁阀MB2关闭。

当水塔水位低于水塔下限位，同时水池水位也低于水池下限位时，水泵M2无法启动，电磁阀MB2无法打开。

4.2 控制程序设计

本次设计采用的是自动检测系统，当水池中缺水时，系统能够自动检测，并自动向水池中供水，同样，当水塔中缺水时，系统能能自动检测，并自动向水塔中供水，当系统发生故障时，系统还会报警。系统的控制程序设计如下：

（1）系统开始停止程序

（2）水泵M1启动停止程序

（3）M1注水

4s

（4）水池水位过低指示控制程序

（5）水泵M1处故障时蜂鸣器H1控制程序

（6）水池报警指示灯闪烁控制程序

（7）水池报警指示灯闪烁控制程序

（8）水池水位过高指示控制程序

（9）水泵M2启停控制程序

（10）水泵M2注水4S 控制程序

（11）水塔水位过低指示控制程序如图

（12）水泵M2处故障时蜂鸣器H2控制程序

（13）水塔报警指示灯闪烁控制程序

（14）水塔报警指示灯闪烁控制程序

（15）水塔水位过高指示控制

5. 组态王仿真的设计

5.1 组态软件概述

组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。它们通常有强大的界面显示组态功能和良好的开放性功能。组态软件产品产生于上世纪80年代中期，首先出现在西方发达国家，如今组态软件在中国也已有将近10年的发展。但最初组态软件在国内的应用并不是十分顺利。组态软件一开始并不被人们所认识和了解，人们也并没有将组态软件的预算列入项目之中。而且由于组态软件早期进口的价格昂贵，这使得一般中国的用户在观念的接受上和承受能力的实现上出现了困难，并对这个市场的发展产生了制约[15]。

组态王软件经过数年开发，两万五千余例工程（钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通讯，环保，水处理，冶金等各行业）的现场实际操控，现已成为很多国内客户在选择组态软件时第一考虑的产品，占据很大的市场份额。组态王作为首家国产的组态软件已经应用于民生，国防建设，交通运输，航天项目等重大方面[16]。

组态王Kingview 是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现了最优化管理。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。在生活及生产供水中, 通常是通过建造水塔以维持水压。但是, 建造水塔费用高, 还会造成水的二次污染。因此, 通常采用的方法是: 当水箱液位过低时，启动报警并打开进水水泵；当水箱液位过高时，启动报警并关闭水泵，打开阀门防水。这就是水箱供水的基本思路。本文介绍了基于组态王的水箱供水系统的设计，在设计过程中通过模块化编程，完成了水箱的自动供水和水箱的液位保持，基本达到实际工程要求[17]。

5.2系统监控界面设计

5.2.1新建工程

打开组态王首先新建立工程“水塔液位控制”，进入画面界面，点击新建工程

画面，进入开发系统界面，确定背景属性。如图5-1所示

图5-1

5.2.2定义变量

选中左边的数据字典，然后双击新建来定义变量，并注意其变量类型及其后续设置。如图5-2所示。

图5-2

5.2.3调用器件

打开工具栏，使用图库创建所需的器件：水泵、指示灯、阀门、水管、水箱、仪表等。如图5-3所示。

图5-3

5.2.4画面部署

然后调整好各器件的位置，进行相应的管道连接，使得整个画面安排合理、紧凑。如图5-4所示。

图5-4组态监控画面

5.2.5报警窗口的设计

根据设计在组态王软件中输入相应的液位下限报警值并通过报警窗口的建立使之清晰的表达出来。如图5-5所示。

图5-5水塔和水池的报警窗口

5.3总结

这次设计的内容是“水塔水位控制系统。”这在日常生活中有广泛的应用并且大量存在于工业应用领域，如水电站控制，地下水，水塔自动控制等。传统的检测是由手工完成，检测人员必须全天候值班以监控水位变化，并将水位变化用有线电话通知操控室。然后通过操控室来启动电机对水量进行改变。显然，在人员，时间和金钱这些重复性的工作会造成很大的浪费。而且还容易出错。因此，

迫切需要能够自动检测水位，根据自动控制系统的情况中的水位的变化来进行自动调节，这也是本次研究的主要课题。

解决实际问题需要的不仅仅是理论知识，而且要求较强的理论联系实际的能力，完成本设计要求理清水塔水位控制的全过程。才会对软件实现带来方便。纵观整个设计过程，本设计还有很大的扩展空间，相信在未来的学习与发展中会得到更好的应用与改进。

6. 结论

6.1本课题研究结论

本次设计是用过PLC 来对水塔的液位进行自动控制。在设计中用到了CPU224的扩展模块以及一个智能扩展模块，设计了一套由PLC 、液位控制阀、水泵、计算机、通信模块等主要设备构成的水塔水位自动控制系统。使得系统能够实现更多的功能以及在不同水位的情况下都能正常自动工作，并且方便控制节约能源。克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的稳定供水。

对于变频器和水塔的同时使用是为了在能够完成自动检测以及自动供水的任务的基础上，使系统的运行稳定性达到最佳并且能再最大程度上保护水泵电机的正常运转时设计的系统能够简单高效的工作。

6.2课题存在问题与展望

l) 由于时间关系，供水监控系统的设计不够完善，在使用组态软件进行水量动画演示时只加入了下限报警设计。在今后的学习和工作中还应对上位机监控软件程序以及对具体的监控界面的设计和数据处理进行更加完善的学习和设计

2) 现有设计研究实现了供水系统的自动控制、调节和设备报警监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水位、PID 算法、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自

以上这部分工作有待在以后的学习与工作中进一步完成。

动化控制与管理系统，提高后勤管理能力。

致谢

在中原工学院信息商务学院结束2年学习，在即将毕业之际，用我所学知识完成这样一个毕业设计，既是为我大学生涯的一个收尾，也是对我专升本这2年所学的一个肯定。

这次论文的完成使我又增加了新的知识和能力。包括查找相关资料搜集有关文献方面的动手能力，主动去学习接受未知新知识的能力，将设计思路呈现出来的文字表达能力，语言叙述能力以及不同模块之间整合所需的逻辑思维能力。这都得到了很大程度的提高和锻炼。通过这次论文的亲自动手设计我实现了如何把所学的课本知识和具体生产生活实际联系起来，这必将使我受用终生。

在做这个毕业设计的过程中，我也遇到了很多的迷惑和困难，理论知识向实际操作的转变让我最初无所适从，在这个过程中，我的指导老师韩亚丽老师，以及我的同学们都给了我很多的指导和启发，韩老师对整个课题研究的分析和布局是今天这篇论文成型的基础，韩老师对论文格式专业的要求和细致的建议使这篇论文在初稿的基础上脱胎换骨，得以成为今日大家所见的模样，谨在此诚恳的感谢韩老师，感谢老师对我顺利完成毕业设计所提供的帮助和指导。当然还有很多我的同学对我的帮助，在此一并感谢！

余诚恳的请求各位审阅老师对我的论文多批评指导，指出其中的不足。使我的论文更加完善。

在此我也要向审阅我论文的老师们表示衷心的感谢！！

参考文献

[1] 赵金荣，叶真主编. 可编程控制原理与应用. 上海应用技术学院，2003.

[2] 宋文续，扬帆. 传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2005.4

[3] 常健生. 检测与转换技术[M].北京：机械工业出版社，2004.6

[4] 杨涛, 王启江等. 基于PLC 绕线机控制系统设计[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2005.

[5] 王永华. 现代电气与可编程技术. 北京航空航天大学出版社.2003

[6] 徐德. 孙同景. 可编程控制器PLC 应用技术[M]．济南：山东科学技术出版，2001.

[7] 谢克明等主编. 可编程控制器原理与程序设计[M]．电子工业出版社.2002.

[8] 王兆义. 可编程控制器使用技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[9] 郁汉琪. 机床电气及可编程序控制器实验指导书[M].北京：高等教育出版社，2001.

[10] 李明河北. 可编程控制器原理与应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2010

[11] 宋序彤. 我国城市供水发展有关问题分析[J]．城镇供水．2001，2：22～2

[12] 路林吉 可编程控制器原理及应用 清华大学出版社 2009.

[13] 江秀汉 汤楠. 可编程控制原理与应用（第二版）西安：西安电子科技大学出版社 2004

[14] 史志强．水厂自动化控制系统中可编程控制器的应用[J]．福州大学学报（自然科学版），1998，26(6)：44～47

[15] Siemens AG.Working with STEP7 V5.2 Getting Started.2002

[16] Kevin Collins , PLC Programming for Industrial Automation , Exposure Publishing (February 5, 2007)

[17] John R. Hackworth , Frederick D. Hackworth ,Programmable Logic Controllers: Programming Methods and Applications,Prentice Hall (April 21, 2003)

[18] Hugh Jack, PLC – Programmable Logic Controller(June 19,1999)

[19] Siemens AG , PLC Series Pump Installation instruction book (April 11, 1989)

附录1

PLC 程序的仿真情况

1. 初始载入程序

2. 运行开始

3. 水池低水位水泵工作

4. 水池高水位水泵工作情况

5. 水塔低水位工作情况

6. 水塔高水位水泵工作情况

7. 系统报警显示

附录2

指令表语句:

LD I0.0

O Q0.0

AN I0.1

= Q0.0

LD I0.3

O Q0.1

A Q0.0

AN I0.4

AN I0.7

AN Q2.1

= Q0.1

= Q2.2

LD Q0.1

TON T37,+40

LD Q0.0

AN I0.3

= Q0.3

LD T37

O Q2.0

A Q0.0

A Q0.3

AN I0.2

= Q2.0

LD Q2.0

TON T38,+10

LD T38

TON T39,+10

= Q0.7

LD Q0.0

A I0.4

= Q0.4

LD I0.5

O Q0.2

A Q0.0

AN I0.6

AN Q0.3

AN Q1.0

AN Q2.1

= Q0.2

= Q2.3

LD Q0.2

TON T40,+40

LD Q0.0

AN I0.5

= Q0.5

LD T40

O Q2.1

A Q0.0

A Q0.5

AN I0.2

= Q2.1

LD Q2.1

TON T41,+10

LD T41

TON T42,+10

= Q1.0

LD Q0.0

A I0.6

= Q0.6