第一篇：課題2：水塔水位的PLC控制

課題2：水塔水位的PLC控制

周海堋、李志強、葉峰

1、控制要求

在有些小區，為了解決高層建筑的供水問題，修建了一些水塔。

某水塔高10m，正常水位變化0.5m，為保證水塔的正常水位，需要用水泵為其供水。水泵房有4臺泵用異步電動機，交流380V，10KW。正常運行時，3臺電動機運轉，1臺電動機備用。

因電動機功率不是很大，考慮直接起動，并錯開起動時間（間隔時間為5s）。為防止某一臺電動機因長期閑置而產生銹蝕，備用電動機可通過預置開關隨意設置。如果未設置備用電動機組號，則系統默認為4號電動機組為備用。每臺電動機都有手動和自動兩種控制狀態。在自動控制狀態時，不論設置哪一臺電動機作為備用，其余的3臺電動機都要按順序逐臺起動。

在自動控制狀態下，如果由于故障使某臺電動機組停車，而水塔水位又未達到高水位時，備用電動機組自動起動；同時對發生故障的電動機組根據故障性質發出停機報警信號，提醒維護人員及時排除故障。當水塔水位達到高水位時，高液位傳感器發出停機信號，各個電動機組停止運行。當水塔水位低于低水位時，相應的低液位傳感器自動發出開機信號，系統自動按順序起動（間隔5S）。要求每臺電動機都有運行狀態指示燈（運行、備用和故障）。同時液位傳感器要有位置狀態指示燈。

2、任務要求

1）明確控制要求，工藝流程，自行畫出簡化示意圖 2）根據要求畫出主電路圖

3）根據要求選擇合適的硬件配置，寫出I/O分配表，畫出I/O接線圖 3）根據控制要求畫出狀態轉移圖、梯形圖、寫出指令表 4）調試控制程序

5）完成論文說明（不少于8000字）

第二篇：基于plc水塔水位控制系統設計

實 訓（習）報 告

課程名稱：專 業 綜 合 實 訓

專 業： 生產過程自動化

班 級：

學 號：

姓 名：

指導教師： 成 績：

完成日期：

目 錄

1、PLC簡介.........................................................................................................1 1.1、可編程控制器的產生..................................................................................1 1.2、PLC的發展..................................................................................................3 1.3、PLC的未來展望..........................................................................................4 1.4、PLC的特點..................................................................................................4 1.5、PLC的組成..................................................................................................5 1.5.1、中央處理單元(CPU)................................................................................6 1.5.2、存儲器.......................................................................................................6 1.5.3、輸入/輸出模塊..........................................................................................8 1.5.4、擴展模塊...................................................................................................9 1.5.5、編程器.......................................................................................................9 1.5.6、電源.........................................................................................................11 1.6、PLC的工作原理........................................................................................11 1.6.1、掃描技術.................................................................................................12 1.6.2、PLC的I/O響應時間.............................................................................13 1.7、梯形圖程序設計........................................................................................13

2、方案的論證...................................................................................................15 2.1、工藝過程分析............................................................................................15 2.2、PLC型號的選擇........................................................................................15 2.3、工作控制方式............................................................................................15

3、水塔水位系統PLC硬件設計.....................................................................17 3.1、水塔水位系統控制電路............................................................................17 3.2、輸入/輸出分配...........................................................................................18 3.3、水塔水位系統的接線圖............................................................................18

4、水塔水位控制系統PLC軟件設計.............................................................19 4.1、程序流程圖................................................................................................19 4.2、梯形圖........................................................................................................20 4.3、系統程序的具體分析................................................................................21

4.4、水塔水位控制系統梯形圖的對應指令表................................................22

5、總結...............................................................................錯誤！未定義書簽。致

謝.............................................................................................................24 參考文獻.............................................................................................................25

摘要

在工農業生產過程中，經常需要對水位進行測量和控制。水位控制在日常生活中應用也相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而水位檢測可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本文采用PLC進行主控制，在水箱上安裝一個自動測水位裝置。利用水的導電性連續地全天候地測量水位的變化，把測量到的水位變化轉換成相應的電信號，主控臺應用MCGS組態軟件對接收到的信號進行數據處理，完成相應的水位顯示、故障報警信息顯示、實時曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適當的位置。

關鍵詞： 水位控制、歐姆龍PLC

1、PLC簡介

1.1、可編程控制器的產生

可編程控制器是二十世紀七十年代發展起來的控制設備，是集微處理器、儲存器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件，已經被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各個行業。計算機在操作系統、應用軟件、通行能力上的飛速發展，大大加強了可編程控制器通信能力，豐富了可編程控制器編程軟件和編程技巧，增強了PLC過程控制能力。因此，無論是單機還是多機控制、是流水線控制還是過程控制，都可以采用可編程控制器，推廣和普及可編程控制器的使用技術，對提高我國工業自動化生產及生產效率都有十分重要的意義。

可編程控制器(Programmable Controller)也可稱邏輯控制器(Programmable Logic Controller),是一微處理器為核心的工業自動控制通用裝置，是計算機家族的一名成員，簡稱PC。為了與個人電腦（也簡稱PC）相混淆通常將可編程控制器稱為PLC。

可編程控制器的產生和繼電器—接觸器控制系統有很大的關系。繼電器—接觸器控制已經有傷百年的歷史，它是一種弱電信號控制強電信號的電磁開關，具有結構簡單、電路直觀、價格低廉、容易操作、易于維修的有優點。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常使用，至今仍有廣泛的用途。但是當工作模式改變時，就必須改變系統的硬件接線，控制柜中的物件以及接線都要作相應的變動，改造工期長、費用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個新控制柜使用，阻礙了產品更新換代。

隨著工業生產的迅速發展，市場競爭的激烈，產品更新換代的周期日益縮短，工業生產從大批量、少品種，向小批量、多品種轉換，繼電器—接觸器控制難以滿足市場要求，此問題首先被美國通用汽車公司（GM公司）提了出來。通用汽車公司為適合汽車型號的不斷翻新，滿足用戶對產

品多樣性的需求，公開對外招標，要求制造一種新的工業控制裝置，取代傳統的繼電器—接觸器控制。其對新裝置性能提出的要求就是著名的GM10條，編程方便，現場可修改程序； 維修方便，采用模塊化結構；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制裝置； 數據可直接送入管理計算機；成本可與繼電器控制裝置競爭； 輸入可以是交流115V； 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；在擴展時，原系統只要很小變更；用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。

這十項指標就是現代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通計算機，它與有關的外部設備，按照“易于與工業控制系統連成一體”和“便于擴充功能”的原則來設計。

用可編程控制器代替了繼電器—接觸器的控制，實現了邏輯控制功能，并且具有計算機功能靈活、通用性等有點，用程序代替硬接線，并且具有計算機功能靈活、通用性能強等優點，用程序代替硬接線，減少了重新設計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標志性語言是極易為IT電器人員掌握的梯形圖語言，使得部熟悉計算機的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發費大量地精力，只需集中精力區考慮如何操作并發揮改裝置地功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，市控制系統可方便地在需要地地方運行。所以，可編程控制器廣泛地應用于各工業領域。

PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的發展，大規模、超大規模集成電路不斷出現，數據通信技術不斷進步，PLC迅速發展。PLC進入九十年代后，工業控制領域幾乎全被PLC占領。國外專家預言，PLC技術將在工業自動化的三大支柱（PLC、機器人和CAC/CAM）種躍居首位。

我國在八十年代初才開始使用PLC，目前從國外應進的PLC使用較為普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美國GE公司GE系列和德國西門子公司S系列等。

1.2、PLC的發展

雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規模，超大規模集成電路技術的迅速發展和數據通訊技術的不斷進步，PLC也迅速發展，其發展過程大致可分為三各階段：

早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這是的PLC多少由電繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它在硬件上 以計算機的形式出現，在I/O接口電路上作了改進以適應工業控制現場的要求。裝置種的器件主要采用分離元件和中小規模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上采用廣大電器工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式—梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優于繼電器控制裝置，其優點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指示，能重復使用等。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。

在七十年代，微處理器的出現使PLC發生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元（CPU）。

這樣，使PLC的功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。再硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量快、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，是各種邏輯線圈的數量增加，還提供了一定數量的數據寄存器，使PLC的應用范圍得以擴大。

進入八十年代中、后期，由于插大規模集成電路技術的迅速發展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商紛紛開發研制了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬功能發生了巨大變化。

1.3、PLC的未來展望

21世紀，PLC會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發展情況來看，可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。

1.4、PLC的特點 可靠性高，抗干擾能力強

高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。配套齊全，功能完善，適用性強

PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。易學易用，深受工程技術人員歡迎

PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。體積小，重量輕，能耗低

以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

1.5、PLC的組成

PLC的硬件主要是由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元，通信接口、擴展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。典型PLC組成框圖如圖1.1所示。

圖1.1 典型PLC組成框圖

1.5.1、中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC控制中樞。它PLC系統程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器狀態，并能診斷用戶程序中語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描方式接收現場各輸入裝置狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，命令解釋后按指令規定執行邏輯或算數運算結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區各輸出狀態或輸出寄存器內數據傳送到相應輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。

進一步提高PLC可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU表決式系統。這樣，某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

1.5.2、存儲器

存放系統軟件存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。

1、PLC常用存儲器類型

（1）RAM（Random Assess Memory）這是一種讀/寫存儲器(隨機存

儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下，存儲器內所有內容保持不變。紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲內容進行修改。

2、PLC存儲空間分配

各種PLCCPU最大尋址空間各不相同，PLC工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域：

（1）系統程序存儲區

（2）系統RAM存儲區（包括I/O映象區和系統軟設備等）（3）用戶程序存儲區

系統程序存儲區：系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造廠商將其固化EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC性能。

系統RAM存儲區：系統RAM存儲區包括I/O映象區以及各類軟設備，如：邏輯線圈；數據寄存器；計時器；計數器；變址寄存器；累加器等存儲器。

（1）I/O映象區：PLC投入運行后，輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據，輸出刷新階段才將輸出狀態和數據送至相應外設。它需要一定數量存儲單元(RAM)以存放I/O狀態和數據，這些單元稱作I/O映象區。一個開關量I/O占用存儲單元中一個位（bit），一個模擬量I/O占用存儲單元中一個字（16個bit）。整個I/O映象區可看作兩個部分組成：開關量I/O映象區；模擬量I/O映象區。

（2）系統軟設備存儲區 ：I/O映象區區以外，系統RAM存儲區還包括PLC內部各類軟設備（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）存儲區。該存儲區又分為具有失電保持存儲區域和無失電保持存儲區域，前者PLC斷電時，由內部鋰電池供電，數據不會遺失；后者當PLC

斷電時，數據被清零。

用戶程序存儲區：主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序時指使用戶根據工程現場的的產生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通過編程器輸入到PLC機的RAM存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在EEPROM中。

1.5.3、輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業生產設備或工業生產過程連接的借口。現場的輸入信號，如按鈕開關，行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電流）等，都要通過輸入模塊送到PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉換成PLC能夠接受和處理的數字信號。輸入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數字信號，并把它轉換成現場執行部件所能接收的控制信號，以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執行機構。可編程控制器有多種輸入/輸出模塊其類型有數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數等級，主要有數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊，部件上都設有接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于PLC內部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉換、信號鎖存電路。數字量輸入模塊帶有廣電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離起來，以提高PLC的抗干擾能力。數字兩輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實現模擬量與數字量之間的轉換，即A/D或D/A轉換。由于工業控制系統中有傳感器或執行機構有一些信號是連續變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸入模塊A/D轉換后的二進制數字量，經光電耦合器和輸出鎖存器宇PLC的1/0總線掛接。現在標準量程的模擬電壓主要是0—5伏和0—10伏兩種。模擬量輸入模塊接收標準量程的模擬電壓或電流猴，把它轉換成8未、10未或12位的二進制數字信號，送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數字信號轉換成標準量程的電壓或電流輸出信號，提供給

執行機構。

1.5.4、擴展模塊

當一個PLC中心單元的I/O點數不夠用時，就要對系統進行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業控制中的廣泛應用和發展，使可編程控制器的功能更加強大和完善。只能I/O接口模塊種類很多，例如高速計數模塊、PLCA控制模塊、數字位基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯弄快以及智能I/O模塊等。

1.5.5、編程器

它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。

目前編程器主要有以下三種類型：

1.便攜式編程器(也叫簡易編程器)；2.圖形編程器；3.用于IBM—PC及其兼容機的編程器。

便于攜帶的特點，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。

圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來顯示編程內容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調試程序、檢查程序執行時顯示各種信號狀態、出錯提示等。

使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機、錄音機、繪畫儀等設備連接，有較強的監控功能。但它的價格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。

用于IBM—PC及其兼容機的編程器是個人計算機加上適當的硬件接口和軟件包作為編程器，也可直接編制成梯形圖，其監控功能也很強。編程器工作方式主要有編程和監控兩種，編程工作方式是在PLC機處于停機狀態

時可以進行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對已有的程序予以編輯和修改。

監控工作方式可以對運行中的控制器工作狀態進行監視和跟蹤，一般可以對某一線圈或觸點的工作狀態進行監視，也可以對成組器件的工作狀態進行監視，還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態，除搜索、監視、跟蹤外，還可以對一些器件進行操作。因此編程器的監控方式對控制器中新輸入程序的調試與試運行是非常有用和方便的。編程器的結構一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內容包括地址、數據、工作方式、指令執行情況及系統工作狀態等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一個選擇鍵，以選擇其中一種方式工作。

現在產品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結構緊密、堅固，外形小巧，CPU本身只提供了一定數量的數字輸入和輸出點數。不同廠家、不同型號的PLC的輸入／輸出點數也不同，有的大型機輸入／輸出點數可達16K，而很多小型機僅有10來點，而且CPU本身不帶模擬輸入與輸出，但CPU一般都帶有擴展接口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點數不夠時，就需對系統做出必要的擴展，各個廠家也生產了專用于擴展用的各模板供用戶選用。擴展模板的外形一般也小巧、堅固，有易于接線的端子排，帶有擴展總線或通過總線連接器與CPU相連。主要有數字輸入／輸出模板，模擬輸入／輸出模板，熱電阻、熱電偶擴展模板，還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。

用擴展模板來擴展系統具有以下的優點：

用戶可根據自己時間控制系統的要求，選用各種合適的擴展模塊對PLC作硬件組態，以求達到各種功能或控制精度，同時節省開支，減少不必要的投資。

當已運行的系統需要改造或擴充時，PLC可以隨時進行升級或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴展模板和修改相應的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發將進一步擴展可編程控制的功能，專用模板的開發不僅擴大了可編程控制系統的控制功能，而且將進一步提高控制質量與可靠性。

1.5.6、電源

PLC中的電源一般有三類：

1、+5V、±15V直流電源：供PLC中TTL芯片和集成運放使用；

2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；

3、鋰電池及其充電電源。

考慮到系統的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。

目前PLC的發展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現。通常根據其I/O點的數量將 PLC分為三大類：

小型機：256點以下（無模擬量）；

中型機：256 ~ 2048點（64 ~ 128路模擬量）；

大型機：2048點以上（128 ~ 512路模擬量）。

具體實現時，通常采用模板式結構，以便用戶根據實際應用需求進行配置。但一些小型機常制作成一體機，其配置固定，主要供定型成套設備使用；而一些大型機一般在電源、或者CPU，甚至兩者都作了熱備份。

1.6、PLC的工作原理

最初研制生產的PLC主要用于代替傳統的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：

繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。而PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。

為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC

與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。

1.6.1、掃描技術

當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。如圖2.2所示：

圖1.2 PLC 掃描周期

1、輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

2、用戶程序執行階段 ：在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

3、輸出刷新階段：當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

1.6.2、PLC的I/O響應時間

為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可*性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。

1.7、梯形圖程序設計

梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯等術語和圖形符號，與傳統的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程，絕大多數PLC用戶都首選使用梯形圖編程。

指令是用英文名稱的縮寫字母來表達PLC的各種功能的助記符號，類似于計算機匯編語言。由指令構成的能夠完成控制任務的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成，比較抽象，通常都先用其它方式表達，然后改寫成相應的語句表，編程設備簡單價廉。

通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規則有：

1、梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形

呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內。

2、梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流：層次的改變也只能自上而下。

3、梯形圖中的繼電器實質上是變量存儲器中的位觸發器，相應某位觸發器為“l態”，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“o態”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器線圈外，還包括定時器、計數器、移位寄存器、狀態器等的線圈以及各種比較、運算的結果。

4、梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。

5、繼電器線圈在一個程序中不能重復使用：而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數不受限制。

6、PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的，即按掃描方式順序執行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設計梯形圖時，可以減少許多有約束關系的聯鎖電路，從而使電路設計大大簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。

當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執行，但CPU是不能同時去執行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執行一個操作。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執行用戶程序，直到程序結束。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復始。

2方案的論證

2.1、工藝過程分析

水塔水位控制系統過程分析：設水塔、水池初始狀態都為空著的,此時S4,S3,S2,S1均為ON。當系統啟動時，掃描到水池為液位低于水池下限位時，電磁閥Y打開(10.02通電)，開始往水池里進水，如果進水超過4S，而水池液位沒有超過水池下限位（傳感器S4仍為ON），說明系統出現故障，系統故障指示燈閃爍（10.03閃爍）。若4S后只有水池液位按預定的超過水池下限位（傳感器S4變為OFF），說明系統在正常的工作。此時只有水池下限位有水，系統檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限（S2為ON），故水泵M（10.04通電）開始工作，向水塔供水，當水池的液位超過水池上限液位時（傳感器S3變為OFF），電磁閥Y就關閉（10.02失電）。但是水塔現在還沒有裝滿，水泵M繼續工作，在水池抽水向水塔供水，水塔裝滿時（傳感器S1變為OFF），水泵M停止供水（10.04失電），此次給水塔供水完成。

2.2、PLC型號的選擇

輸入:系統啟動按鈕一個,系統停止按鈕一個,液位傳感器四個分別表示為S4,S3，S2和S1。輸入一共有6個，考慮到留有15％～20％的余量即6×（1＋15％）＝6.9取整數7，所以共需7個輸入點。

輸出:Y閥,故障指示燈 ,水泵M。輸出共有3個，3×（1＋15％）＝3.45取整數4，所以共需4個輸出點。可以選OMRON公司的CPM1A/CPM2A型PLC就能滿足此例的要求。

2.3、工作控制方式

采用工控機作為上位機、PLC系統作為下位機的兩級控制模式。PLC控制系統是該程控系統的核心，工控機作為監控機械手的運行狀態使用。

1、上位機：計算機作為上位機，用于完成狀態顯示、打印輸出、向PLC發送分類控制信號等功能，從而實現對控制系統的實時監控。同時，計算機還是圖象處理的核心。

2、下位機：PLC作為下位機，用來完成狀態判別、輸出控制等工作。它直接控制電磁閥、繼電器，從而實現對各執行元件的控制。本系統采用價格適中、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器歐姆龍CPM2A型PLC來實現水塔水位控制系統工藝的控制要求的。歐姆龍PLC是由電源、中央處理器和I/O元件組成的嚴密高速的程序控制器，配有豐富的指令系統，易于用戶編程，具有豐富的特殊模塊和通信能力，可以滿足生產自動化的多級要求。本系統采用CPM2A是一種功能完善的緊湊型PLC，大程序容量和存儲單位。另外CPU單元帶RS-232C接口，具有PPI、MPI等通信協議可實現程序傳送，數據通信等功能。

歐姆龍公司C系列的小型機CPM2A型PLC 20點輸入/輸出，配有CX-Programmer軟件用于控制部分編程時使用。

3、通信方式：CPM2A CPU支持多樣的通信協議：點到點（Point-to-Point）接口（PPI）、多點接口（Multi-Point）（MPI）。這些都基于系統內通信結構模型，都是異步、基于字符的協議。其中PPI方式是非常簡單方便的通信協議，只需要一根RS-232C線進行數據信號的傳遞，不需要額外再配置模塊或軟件。因此，本系統選擇PPI方式，簡單且能滿足通信要求。CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和計算機互聯。

上位機與下位機之間通過RS-232連接構成HOST LINK協議進行通信。RS-232又稱為EIA-232C或RS-232C，是最通用的一種串行通訊標準。它是一種點到點的通信方式，只能連接兩個通信設備。19200波特率時，最大距離為75米；9600波特率時，最大距離為900米。計算機的串口即為標準的RS-232接口。使用RS-232轉換器可以免掉一個RS-422串行接口板。

3、水塔水位系統PLC硬件設計

水塔水位控制系統結構圖如圖3.1所示

圖3.1 水塔水位自動控制示意圖

3.1、水塔水位系統控制電路

圖3.2 水塔水位控制系統電路圖

3.2、輸入/輸出分配

水塔水位控制系統I/O分配表見表3.1。

表3.1 水塔水位自動控制系統I/O分配表

輸入

操作功能 啟動按鈕 停止按鈕 液位傳感器s4 液位傳感器s3 液位傳感器s2 液位傳感器s1

地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Y閥

輸出

操作功能 故障指示燈 水泵M

地址 10.02 10.03 10.04 3.3、水塔水位系統的接線圖

水塔水位控制系統的I/O接線圖如3.3 所示：

圖3.3 水塔水位控制系統接線圖

4、水塔水位控制系統PLC軟件設計

4.1、程序流程圖

水塔水位控制系統的流程圖，根據設計要求控制流程圖如圖5.1：

圖4.1 水塔液位自動控制系統流程圖

4.2、梯形圖

PLC控制程序用CX-Programmer編程軟件開發。CX-Programmer是OMRON公司PLC的軟件編程﹑調試的工具程序，其運行在Windows操作系統下，具有豐富、簡捷的操作環境和強大的編程、調試功能。可實現梯形圖的編程、監視和控制等功能，尤其擅長于大型程序的編寫，彌補了手編程器編程效率低的不足[1]。CX-Programmer編程軟件支持模塊化設計，在程序編寫時可以直接將編寫好的程序通過RS-232C傳送到PLC來控制現場設備。根據程序流程圖設計的梯形圖如5.2所示：

圖4.2 水塔水位控制系統梯形圖

4.3、系統程序的具體分析

PLC采用循環掃描的的工作方式，這種工作方式是在系統軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態，按用戶程序進行運算處理，然后順序向各輸出點發出相應的控制信號，任一時刻它只能執行一條指令，這就是說PLC是以“串行”方式工作的，它能有效地避免繼電接觸器控制系統中易出現的觸點競爭和時序失配的問題。

PLC執行用戶程序是從梯形圖左母線開始由上至下，由左向右逐個掃描每個梯級的每個元素，進行運算，此時CPU只是與映象區進行數據交換，讀取輸入數據，送出輸出信號。當CPU執行到END指令時，表示程序段結束，則此次掃描用戶程序結束。PLC控制程序分析

實現功能：當按下00000系統啟動按鈕,中間繼電器20001得電并自鎖,系統處于等待狀態并一直保持。按下00001停止按鈕系統的運行停止。

實現功能：當水池水位低于水池低水位界（S4為ON表示），閥Y打開進水(Y為ON),當S3為ON后，閥Y關閉（Y為OFF）。

實現功能：當Y打開進水（Y為ON）定時器開始定時，4秒后，如果S4還不為OFF，那么閥Y指示燈閃爍，表示閥Y沒有進水，出現故障。

實現功能：當S4為OFF時（表示水池水位高于水池低水位界），且水塔水位低于水塔低水位界時S2為ON，電機M運轉抽水。當水塔水位高于水塔高水位界時電機M停止。

4.4、水塔水位控制系統梯形圖的對應指令表

水塔水位控制系統指令表如圖4.3所示：

圖4.3 水塔水位控制系統的指令表

總結

五個星期的PLC實訓很快結束了，在這短暫的實訓時間里，經過老師、同學的指導，我獲益匪淺，學習了不少關于自己專業方面的知識。

在完成項目期間，我們組的分工明確，有負責編程的，有負責報告找資料，有負責畫電路圖的……雖說分工明確，但在完成項目過程中遇到些麻煩的話組員之間還是相互配合相互幫助盡量讓每個學員學到更多的專業知識，使每個組員更上一個層次。實訓期間，我主要負責編程、報告及找資料，但這并不是說我在其他組員做他們任務時置之不理，與我無關。我在旁邊和組員一起，參與其中的討論分析，并會不時幫助他們完成任務。而同樣我在做我的任務時，他們也會經常幫我解決一些我無法解決的問題。這樣，我們組在完成這兩個項目還是比較順利的。

我做的這個題目是有關與PLC系統理論與實踐相結合的設計。在此時對以前學習的知識的挑戰與突破。在對這個設計的材料搜索進行獨立搜索時，對于辦公軟件的應用有了進一步的提高。同時在對搜集的材料進行整核，結合所學理論知識，以及實際應用操作的情況下，提高了實際操作和獨立解決問題的能力。

通過這次設計實踐。讓我更熟練的掌握了PLC軟件的簡單編程方法，對于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理論的運用中，也提高了我的工程素質。剛開始學習PLC軟件時，由于我對一些細節的不加重視，當我把自己想出來的一些認為是對的程序運用到梯形圖編輯時，問題出現了。轉換成指令表后則顯示不出很多正確的指令程序，這主要是因為我沒有把理論和實踐相結合，缺乏動手能力而造成的結果，最后通過老師的糾正和自己的實際操作，終于把正確的結果做了出來，同樣也看清了自己的不足之處。

如今設計是做完了，可是我的學習之路還沒有完，這次實訓讓不僅學習了不少與自己專業相關的知識，而且還懂得了團隊的力量，并且讓自己更相信一分努力一分收獲，積極的學習態度在以后的學習、工作中是永遠缺少不了的！并明白人這一輩子不能僅僅局限于那一點點滿足感，要放眼望去，通過去參與各種實踐，提升自己的動手能力，創造屬于自己的未來。

致

謝

本文是在指導老師悉心指導下完成的。從論文的選題到相關材料的收集，從論文框架的設計到具體內容遣詞造句，每一章節都凝聚著指導老師的心血。在此，學生表示最誠摯的謝意。在老師嚴謹的治學態度、積極的人生觀、學術上孜孜追求的精神以及對學生無微不至的關懷，都給我留下了終生難忘的印象，必然將對我以后的學習和生活產生重要影響。

在完成整個論文期間，對各位老師、同學、朋友、親人辛勤勞動以及他們在治學和人品上給予我的深刻影響，我同樣銘記在心，并表示由衷的感謝。

在此，我向所有在學業上、生活上幫助、理解、支持我的老師、同學、朋友和親人致以最真誠的謝意。

最后，感謝各位專家、學者在百忙之中審閱我的拙作。

參考文獻

[1] 廖常初．《PLC基礎及應用》．北京 機械工業出版社，2004 [2] 王兆義．《可編程序控制器教程》．北京機械工業出版社 2005 [3] 張萬忠.《可編程控制器應用技術》.北京：化學工業出版社，2001 [4] 方承遠.《工廠電氣控制技術》.北京：機械工業出版社，2007 [5] 肖峰.《PLC編程100例》.北京：中國電力出版社，2009 [6] 張桂香.《電氣控制與PLC應用》.北京：化學工業出版社，2003 [7] 呂景泉．《可編程序控制器技術教程》．北京：高等教育出版社，2000 [8] 李俊季、趙黎明.《可編程控制應用技術實訓指導》.北京：化學工業出版社，2001

第三篇：水塔水位報告

單片機課程設計

專

業 電氣工程及其自動化

指導教師

學

生

學

號

題 目 基于單片機的

水位控制系統

2013年12月25日 基于單片機的水位控制系統設計 設計背景的簡單介紹

由于自動化技術在工礦企業的廣泛運用, 水位自動控制技術越來越頻繁地進入到自動控制系統設計者的視線。傳統的水位控制系統雖結構簡單,但功能單一,無法實現人機交互,且通用性差。如今隨著電子技術的飛速發展,電子產品制造工藝成熟,批量生產降低了產品價格。人們開始認識到運用單片機來實現水位控制。其人機交互性強, 功能強大, 控制精度高, 能夠方便地與上位機通訊, 實現數據共享。且價格低廉, 通用性、實用性強, 能夠在稍作改造后或直接用于諸如自來水廠的儲水池、爆氣池、污水處理廠、化學工廠的各類液體池以及電廠一的鍋爐氣泡等需要水位自動控制的場合。

知識目標：單片機開發軟件的使用方法；單片機語言程序的基本結構及編譯方法；單片機電路仿真調試方法。

能力目標：會利用keil C51軟件對單片機程序進行編譯；會利用proteus軟件繪制電路原理圖并實現仿真；會用keil C51軟件對源程序進行編譯調試及與proteus軟件聯調，實現電路仿真。2 設計思路與方案 2.1 設計思路

隨著社會的進步，人類生活水平的不斷提高，現在許多家庭都要求能夠進行家庭用水自動供水，基于調查我們決定設計一款簡單實用、經濟的水位控制系統。在水塔的內部我們設計一個簡易的水位探測傳感器用來探測三個水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位時送給單片機一個高電平，驅動水泵加水，紅燈亮；正常范圍的水位時，水泵加水，綠燈亮；高水位時，水泵不加水，黃燈亮。本設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術。2.2 方案設計及功能

本方案采用單片機AT89C2051作為我們的控制芯片，主要工作過程是當水塔中的水在低水位時，水位探測傳感器送給單片機一個高電平，然后單片機驅動水泵加水和顯示系統使紅燈變亮；當水位在正常范圍內時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位時，單片機不能驅動水泵加水，黃燈亮。圖1方案結構方框圖中使用了單片機處理，單片機技術是信息時代用于精密測量的一種新技術。此系統使用過程中采用穩壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片機不會產生誤判的情況，由于AT89C2051單片機有四端口，20引腳能夠非常方便地設計顯示系統。我認為本方案能幫助我很好地完成本次設計的各個指標和達到設計的目的。

圖1 方案結構方框圖 3 系統組成與工作原理 3.1 系統組成

本系統由電源電路、水位探測傳感電路、穩壓電路、單片機系統、光報警顯示電路、繼電器控制水泵加水電路、以及高塔模型組成。3.2 系統工作原理

當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩壓電路經過處理在穩壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，另一個穩壓電路輸出的高電平進入單片機的P1.1口單片機經過分析，在P1.2口輸出一低電平，驅動紅燈亮，P1.5出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，在P1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當水位在高水位區時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在P1.4引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P1.5端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統出現故障。3.3 水塔水位控制原理

單片機水塔水位控制原理如圖2所示，圖2中的虛線表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下，水位應控制在虛線范圍之內。為此，在水塔內的不同高度處，安裝固定不變的3根金屬棒A、B、C，用以反映水位變化的情況。其中，B棒處于下限水位，C棒位于上限水位，A棒接5V電源，B、C通過電阻接地。當水位達到上限時，B、C棒接通高電平，此時應停止電機和水泵工作。水位下降到下限時，B、C棒不能與A棒連通，B、C為低電平，應啟動電機供水。水位處于上下限之間時，A、B連通，B為高電平，C為低電平，此時，電機保持原有工作狀態。

圖2 水塔水位控制原理圖 單元電路設計及元器件介紹 4.1 光報警顯示統電路

本電路采用不同顏色的發光二極管來表示不同的水位情況。即紅燈亮，其他兩燈不亮表示是低水位狀態，此時需要啟動水泵加水；綠燈亮，其他兩燈不亮表示在正常的水位線內；黃燈發亮，其他兩燈不亮為高水位 狀態，水泵停止加水，三燈閃爍表示系統出現故障，此電路采用的是共陽極的，所以只有當單片機給發光二極管為低電平時才能推動發光二極管點亮。其中R14、R15、R16為上拉電阻起限壓控流作用。.圖3 光報警電路的原理圖

4.2 繼電器控制水泵加水電路

該電路由繼電器RL1和閉合開關、光電耦合器、水泵R7、R8、R9、R10Y以及D2、Q3等組成。當水位在低水位時單片機給P2.0送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅動Q3導致繼電器閉合從而讓220V的交流電接通使水泵加水。

圖4 繼電器控制

4.3 元器件介紹 4.3.1 光電耦合器

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引 腳為輸出端，在本設計當中發光源為發光二極管，受光器為光敏三極管。本設計當中采用光電耦合器組成開關電路的作用，能夠很好地將單片機信號穩定地送給繼電器驅動繼電器閉合。4.3.2 繼電器

繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，在本次設計當中主要來做自動控制作用，系統采用+5V的直流電來控制220V的交流電，以達到控制水泵的作用，因為是在這里是以一種弱電來控制強電，所以安裝和使用的過程當中一定要注意用電安全注意事項。

磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。

圖5 常見繼電器外觀圖

程序設計

圖6 程序流程圖

開始系統亮紅燈，水泵開始抽水時，達到低水位時，綠燈亮；開關處于高水位，而水位實際低水位還沒達到，紅綠黃燈一起閃爍，此時為故障狀態；當達到低水位之后又達到高水位，黃燈亮。6 系統仿真 6.1 程序編譯和加載

利用keil C51軟件對源程序進行編譯，在菜單上選擇output—create hex，生成目標代碼文件。將編譯調試成功的源程序生成可供單片機加載的HEX文件加載到芯片中，設單片機的晶振頻率為12MHZ。6.2 系統仿真

利用keil C51軟件與proteus軟件聯調，實現電路仿真。點全速運行按鍵，得到圖7所示的仿真結果,圖中LOW閉合時處于低水位狀態,水泵處于運行狀態。

圖7 低水位狀態仿真結果

當HIGH和LOW處于閉合時水位處于故障時,仿真的結果如圖8所示。

圖8 故障狀態仿真結果

當LOW先閉合時后經一段時間HIGH后閉合時水位處于正常狀態時如圖9所示。

圖9 高水位仿真結果

6.3 仿真結果分析

在proteus環境,運行水位控制系統,我發現,當水位處于低水位區時,紅燈亮,水泵處于運行狀態,隨著水位的上升,水泵仍處于運行狀態,當水位到達高位時,黃燈亮,水泵停止運行。隨著水位不斷下降,此時,水泵處于停止狀態,當水位到達低位時,水泵起動,重復以上過程。上述仿真表明，本設計達到了預期的設計目標，實現了水位自動控制。7 總結

通過這次自己親自設計學習，自己學會很多的東西。加深了理解所學會的理論知識，鍛煉了自己，又提高了我的綜合分析能力，使我受益匪淺。

本系統主要由水位探測傳感器，單片機控制系統，水位顯示系統，繼電器驅動電路，水泵加水系統組成，系統簡單，安裝方便。

本系統采工作過程是當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩壓電路經過處理在穩壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，單片機經過分析，在P2.3口輸出一低電平，驅動紅燈亮，P2.0出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位區時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在P2.2引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P2.0端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水，當系統出現故障時，三燈閃爍。

這次單片機實驗課程設計也教會我做事要謹慎，細心耐心，也需要勤于練習，不然一步錯就會影響程序的成功性，更要掌握水位控制系統的原理，掌握實用電路的設計方法和技巧，也需要熟悉常用電子元件、調試工藝。當遇到困難時，自己學會了冷靜分析原因，尋找自己的問題，不急不躁，請教他人，直到問題解決為止。

這次的單片機設計讓我們有了一次機會，對我們的綜合工程素質起了促進作用，也讓我知道平時積累和學習知識的重要性，知道了自己知識的匱乏讓我知道了自己存在的種種不足，知道了自己以后應該提升的地 方。此次的設計經驗，將會是我以后的寶貴財富。

附錄 1 電路圖 程序清單

程序如下： ORG 0000H SETB P1.1 RESTART: MOV A,P1 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1;在低水位之下，開啟電動機，亮紅燈 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2;當超過低水位，并且未達到高水位時，保持電動機轉動，亮綠燈 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3;系統故障（達到高水位，卻沒達到低水位）紅，黃，綠燈均閃爍 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP3: CJNE A,#03H,RESTART;當達到高水位時，停止電動機，亮黃燈 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3 CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTART DELAY: MOV R0,#250 DELAY3: MOV R1,#200 DELAY2: MOV R2,#5 DELAY1: DJNZ R2,DELAY1 DJNZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END

第四篇：水塔水位PLC控制系統的設計

水塔水位PLC控制系統的設計

摘要：通過設計采用計算機網絡技術、信息處理技術、PLC控制技術等多種先進技術組成的水塔水位控制系統，實現信息的實時監控、信息的集成和應急輔助等功能，從而為學生的綜合知識的學習提供更好的教學設備。

關鍵詞：MCGS組態；PLC；觸摸屏；水位傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0004-01

水塔水位的控制在現實生活中占有著很重要的位置，隨著高位生活用水的逐漸增多，?λ?塔水位的控制要求也越來越高。例如：要求對水位采集監控，并具有實時顯示功能；由計算機進行實時數據的采集和保存；打印歷史水位數據；水位過高、過低的報警設置等功能。為了滿足這功能，我們可以利用MCGS開發界面環境，PLC開發控制環境，傳感器采集水塔水位，從而實現水塔水位的自動控制。學生通過水塔水位的模擬控制，能對專業知識的綜合應用達到一個新的高度[1]。系統所要達到的控制要求

（1）水箱里面有4個液位傳感器，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，與之相對應有四個輸出口，可以與PLC的輸入信號相連接。（2）水塔下方有一個電機來控制水位，并有一個輸出口與PLC的輸出連接，還有2個報警指示燈分別用來高液位報警和低液位報警。（3）當水位上升時，浮標式傳感器會根據水位的升高而升高，當浮標浮起，信號會接通，信號會傳輸到PLC，從而控制水泵的啟停。（4）如果水位過高或者過低時，模擬站的報警指示燈會點亮。（5）當水位到達高液位時，水泵在設定時間內會保持工作狀態，讓水位充分到達高液位，計時結束后水泵會停止，水位慢慢下降，當水位下降到低液位時，水泵會自動啟動，無限循環，直至按下停止按鈕。（6）控制程序利用三菱FX3U系列的PLC編寫；利用MCGS組態軟件編輯觸摸屏控制界面，要求實時監控水位，并能遠程控制水泵的動作。水塔模型圖1所示。控制系統的制作分為兩部分

2.1 PLC控制系統的設計

整個設計過程包括：熟悉控制要求；梳理輸入、輸出分配；完成外圍電路；進行程序設計。在實際教學過程中，可以讓學生自行分析并設計控制程序。水塔上設有4個液位傳感器，安裝位置由低到高依次分別為SQ1（X030）、SQ2（X031）、SQ3（X032）、SQ4（X033）[2]。凡是液面高于傳感器安裝的位置，則傳感器接通（ON）。凡是液面低于傳感器安裝位置時則傳感器斷開（OFF）。其中SQ2和SQ3則作為水位控制信號，而SQ1和SQ4作為水位的上下限信號，起到保護作用。按下SB1（X034）后，水泵（Y022）開始運行，直到收到SQ3信號并保持2秒以上，確認水位到達高液位時停止運行；當水塔水位下降到低水位即SQ2接通時則重新開啟水泵。一旦傳感器SQ3失靈，則水位會繼續上升至SQ4位置，此時SQ4發出信號，點亮高液位報警指示燈（Y021），水泵停止工作；而若傳感器SQ2一旦失靈，則在收到SQ1信號時，點亮低液位報警指示燈（Y020），水泵停止工作。按下啟動按鈕SB1時，將報警指示燈復位，可重新開始工作。按下停止按鈕SB2（X035），可立即停止整個控制程序。

2.2 MCGS組態界面的設計

MCGS水塔水位控制需要讀取PLC實時數據，在將數據通過屏幕顯示出來，并且將信號輸入到PLC，如啟動、停止信號等。在開始組態工程之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結構、流程、需實現的功能及如何實現這些功能。結合實際環境進行仿真界面的設計，變量的組態和連接，設備的組態等[3]。結語

經過對整個系統進行連接和運行調試發現，該系統能很好的完成一個短距離內的水位監控。但在實際應用過程中，其實是遠程控制，這時我們采用現場總線的方式，來實現上下位機的聯合運行即可。水塔水位的控制模型能更好的讓學生對專業知識的綜合應用有更清晰地認識，有著很好的實際應用價值。

參考文獻

[1]王傳艷.MCGS觸摸屏組態控制技術[M].北京師范大學出版社，2015.[2]張偉林，郭艷萍.三菱PLC、變頻器與觸摸屏綜合應用實訓[M].電力出版社，2011.[3]文杰.三菱PLC電氣設計與編程自學寶典[M].電力出版社，2015.

第五篇：實訓五 水塔水位自動控制 2

實訓五 水塔水位自動控制

1、實驗目的：

用PLC構成水塔水位控制系統。學習PLC程序設計和系統設計的方法。

2、實驗設備：（1）PLC實驗臺；（2）水塔水位實驗板；（3）連接導線一套；

（4）計算機（已安裝FPWIN-GR編程軟件）

3、實驗內容

圖1水位控制原理示意圖

（1）控制要求：

控制對象為水泵，容器為水塔或儲液罐。S1、S2、S3、S4水位高度正常情況下控制在S3、S2之間，水位控制示意圖如圖1所示。當水位在低于S3點時，水泵開始進水，當水位高于S2點時，水泵停止進水，當

水位低于S3點并到達S4點時就報警，采取手動啟動水泵，當水位超過S2點并到達S1點時上限報警，采取強制停止水泵，水位從溢流口流出。

擴展功能：報警及水位指示面板功能：主要由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以及報警確認開關組成。接通電源時，電源指示燈亮，當水塔中水深處于不同位置時，水位指示燈S1、S2、S3、S4情況不同。如圖2所示。

①當水位處于S4點之下，指示燈S1、S2、S3、S4全亮，報警電路開始報警，即下限報警。

②當水位處于S4、S3之間，指示燈S4滅，S1、S2、S3亮，水泵開始進水。

③當水位處于S3、S2之間，指示燈S4、S3滅，S2、S1亮，保持狀態，即保持進水。

④當水位處于S2、S1之間，指示燈S4、S3、S2滅，S1亮，停進狀態，即水泵不工作。

⑤當水位處于S1點之上，指示燈S4、S3、S2、S1全滅，水泵不工作，報警電路開始溢出報警，即上限報警。

⑥報警電路可以手動關閉，只要按下報警確認開關，就可以解除報警的蜂鳴聲。此時，報警確認燈亮起。處理完故障時，必須關閉報警確認燈，報警確認電路復位，恢復其監測故障的功能。

圖2 報警及水位指示面板

（2）I/O分配

輸入：水塔上限報警S1：X1 水塔高水位界S2：X2 水池低水位界S3：X3 水塔下限報警S4：X4 啟動按鍵： X5 報警消除按鍵 X6

輸出：水泵 ： Y0 電源指示：Y1 水塔高水位界S1指示燈：Y2 水塔低水位界S2指示燈：Y3 水池高水位界S3指示燈：Y4 水塔低水位界S4指示燈：Y5 報警器： Y6 報警確認燈： Y7

（3）編制梯形圖程序

（4）調試并運行程序

5、編寫實驗報告