【畢業(yè)論文 畢業(yè)設計】水箱水位控制系統(tǒng)

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1、 水 箱 水 位 控 制 系 統(tǒng) 指導老師： 姓 名： 班 級：08電氣三班 學 號：2008010103001 日 期：2011.03.17 摘要

2、 在人們日常生活供水中，房頂水箱水位大都未能實現(xiàn)自動控制，水箱中水位的高低通常由水電管理人員進行管控，非常麻煩，并且時常出現(xiàn)高層樓房斷水和水箱溢水事故。這給居民的生活帶來了極大地不變，同時也造成了不必要的水資源流失。為了解決經常停水和有效地避免水資源的浪費，節(jié)約能源，設計了一個適用于城鎮(zhèn)居民樓房，特別是農村住宅樓房生活用水水箱水位控制器。 本設計主要介紹水箱水位控制系統(tǒng)的設計原理及其水箱水位自動控制的實現(xiàn)。 目錄 一、 設計思想 二、 系統(tǒng)介紹 三、 設計過程 四、 重要部件介紹 五、 結論 六、 參考文

3、獻 七、 致謝 一 設計思想 水箱水位控制，其控制方案無非有下面幾種形式：（1）用單片機進行控制；（2）用PLC進行控制；（3）用常規(guī)儀表進行控制；（4）用數字電路和模擬電路結合起來進行控制等。在水位的檢測方面，浮球、杠桿、電極、變送器、干簧管和探針等用的較多；在水泵電機的控制方面通常采用交流接觸器。多年來的實踐證明，這些常規(guī)的檢測與控制方法或多或少存在一些問題。該水箱水位控制器在水位的監(jiān)測與轉換，以及對電機的控制方面進行設計創(chuàng)新。首先，在水位的測量檢測方面，采用了紅外光電傳感器進行水位檢測，將電與水隔離，不互相產生影響，從而避免了采用浮球、杠桿等

4、所帶來的卡死、漏水和不穩(wěn)定等現(xiàn)象，水位檢測的可靠性大大提高；其次，在驅動電路設計方面，將常用的交流接觸器改用雙向晶閘管，變過去的有觸點控制，完全克服了觸電頻繁動作和‘‘打火”帶來的后患，延長了控制器的使用壽命，保證了供水安全。 本次設計主要運用了PLC控制技術進行控制水泵的運行，實現(xiàn)水箱水位的液面自動控制，從而達到用戶對水需求的目的。 二 系統(tǒng)介紹 1． BAS系統(tǒng) 建筑設備自動化系統(tǒng)BAS（BUILDING AUTAMATION SYSTEM）是一個對建筑物或建筑群內電力、照明、空調、給排水、防災、保安、車庫管理等設備或系統(tǒng)

5、的工作狀態(tài)進行監(jiān)視、控制和統(tǒng)一管理的自動化系統(tǒng)，是智能建筑的重要組成部分。它的主要任務是為用戶提供安全、高效、經濟和舒適的工作和生活環(huán)境，保證整個系統(tǒng)經濟運行，并提供智能化管理。它的內容包括空調系統(tǒng)、冷水機組、供水系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、自發(fā)電機組、電梯、照明等設備的控制和管理。 BAS的系統(tǒng)結構有集散式控制系統(tǒng)和全分布式控制系統(tǒng)兩種。集散式控制系統(tǒng)是目前廣泛采用的一種體系結構。集散式控制系統(tǒng)以分布在現(xiàn)場被監(jiān)控設備附近的多臺DDC控制器，在中央控制室設置具有很強的數字通信、顯示和豐富控制管理功能的管理計算機，用它來完成集中操作、顯示報警、打印輸出與優(yōu)化控制等任務。典型的集散式BAS系統(tǒng)如圖所

6、示。 2.給排水系統(tǒng) 給排水監(jiān)控子系統(tǒng)的作用是為了保證供水／排水系統(tǒng)的正常運行，其基本監(jiān)控內容是各級水泵、排水泵、污水泵及飲用水泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，對各水箱及污水池的水位、給水系統(tǒng)壓力進行監(jiān)測，并根據這些監(jiān)測信息，控制相應的水泵啟／?；虬茨撤N節(jié)能方式運行。 3.給水系統(tǒng) 給水系統(tǒng)是由水泵、水箱、管道、閥門等設備組成，我們設計的給水系統(tǒng)包括以下幾個方面的監(jiān)控： （1） 監(jiān)視水泵的運行和控制水泵的啟、停； （2） 監(jiān)視水泵發(fā)生過載等故障付出報警信號； （3） 監(jiān)視水箱的水位，當水位越限時發(fā)出報警信號。 4. 水箱水位自動控系統(tǒng) 組成：

7、水箱水位自動控系統(tǒng)由PLC(核心控制部件) 、高低水位箱的水位檢測電路（高低水位信號傳輸給PLC）、水泵電動機控制電路（PLC控制啟停及主備切換）、設備控制臺（BAS監(jiān)控中心）四部分組成。 5. 高低位水箱的水位檢測電路的設計 高層建筑為了保證供水一般都在樓頂上設有水箱，因此水箱水位的自動控制在高層建筑中是一種被得到廣泛應用的技術。本設計采用光電傳感器作為水位檢測器具。主要運用光電傳感器的原理來實現(xiàn)本次設計，其原理將在下面的篇幅中詳細講解。 6. 電泵電動機控制電路的設計 （1）三相異步電動機及其單向旋轉 給排水工程中常使用鼠籠式三相異步電動機。水泵上的電動

8、機一般都是單向旋轉，應有以下控制： a. 有手動切換按鈕和刀開關，可人工控制。 b. 用交流接觸器控制電動機，在其他觸點動作的同時其輔助常開觸點閉合， 形成自鎖。該觸頭稱為“自鎖觸頭”，自鎖觸頭是電動機長期工作的保證。 c. 過載保護：用熱繼電器FR做電動機的長期過載保護，出現(xiàn)過載時，雙金屬片受熱彎曲而使其常閉觸點斷開，交流接觸器KM斷電釋放，使電動機停止運行。 （2）水泵電動機 生活給水泵能否正常工作是建筑內人們用水和消防安全的關鍵問題之一。為保證水泵可靠長期的工作，在水泵電動機控制電路中我們設計成一工作一備用兩臺給水泵，互為備用，定時交替工作，當工作泵發(fā)生故障，備用泵延時

9、自動投入工作，并發(fā)出故障報警。 三 設計過程 1. PLC硬件設計 a 控制方式的確定 隨著微處理器及計算機技術的發(fā)展，生產上正在越來越多的采用以微處理器為核心的各種數字化智能化儀表和裝置。在次基礎上發(fā)展起來的PLC（可編程控制）綜合了計算機 自動控制技術和通信技術，具有控制 自診斷 報警 監(jiān)控等功能。 b 高地位水箱積水系統(tǒng) 我們采用由高低水箱組成的積水系統(tǒng)。在建筑的樓頂設一個高位水箱，在低處設一個低位水箱。室外網管的來水先進入低位水箱，然后再由水泵從低位水箱中抽水向高位水箱給水，再通過高位水箱提供給用戶水并保證用戶水壓的要求。水泵運行工況除監(jiān)視和手動外，還應該由高低位

10、水箱的水位信號控制其自動運行。對該控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)要求如下： （1） 在自動運行控制方式下，水泵可以根據高低水水箱水位變化自動開停，為此設水位開關H1 L1 H2 L2； （2） 對低水位的限制：當水位低于L2時候，低位水箱處于缺水狀態(tài)，水泵必須停止；當水位高于H2時候，低位水箱處于充滿狀態(tài)，允許水泵啟動。 （3） 對高位水箱的限制：當水位低于L1時候，高位水箱處于放空狀態(tài)，水泵必須啟動供水，當水位高于H1時候，高水位充滿，水泵應該停止。 c PLC輸入輸出點數的設計 可編程控制器FX2N-48MR，它有24個注入點數和24個輸出點數我們設計的控制過程需輸入點數12個

11、，輸出點數10個。選用FX2N-48MR的可編程控制器足以滿足系統(tǒng)的控制需要。輸入、輸出點的地址序號為： 輸入：X0-X7 X12-X15 輸出：Y0-Y7 Y10-Y11 2. PLC軟件設計 本系統(tǒng)的程序設計采用梯形圖語言編程，使用編程器FX2N系列的FX2N-48MR輸入程序時候，采用語言表達式、系統(tǒng)運行時，PLC依次讀取程序存儲器中的程序語句，解釋內容并執(zhí)行。系統(tǒng)工作過程如下： （1）1號泵手動、自動控制：當水泵處于手動狀態(tài)時（X006點接通），啟動1號水泵(X000)，通過SB1與SB2按鈕控制其啟動與停止。當水泵處于自動狀態(tài)時也就是高位水箱低水位沒水時（X007）接通

12、，由水箱高水位可控制其停止，并且同時累計水泵的運行時間（D2）。 （2）2號水泵手動，自動控制：當水泵處于手動狀態(tài)時（X006接通），啟動2號水泵（X002）,通過SB3與SB4按鈕控制其啟動與停止。當水泵處于自動狀態(tài)，也就是高位水箱低水位沒水時（X007接通），由水箱高水位信號可控制其自動控制其停止，并且同時累計水泵的運行時間（D0）。 （3）液位報警：當低位水箱處于低水位（Y11）、高水位(Y10)時，液位報警；當高位水箱處于低水位（Y007）、高水位（Y006）時，液位報警。 本設計研制的用PLC控制的高層建筑水箱水位的自動控制系統(tǒng)已成功應用于建筑設備中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、安全、

13、高效、經濟的特點，實現(xiàn)了建筑設備自動化控制和管理。 3. PLC的I/O分配表： 輸入 輸出 作用 輸入元件 輸入繼電器 作用 輸出元件 輸出繼電器 1號泵啟動 SB1 X0 1號泵啟動 KM1 Y0 1號泵停止 SB2 X1 2號泵啟動 KM2 Y1 2號泵啟動 SB3 X2 1號泵運行指示 LED Y2 2號泵停止 SB4 X3 2號泵運行指示 LED Y3 1號泵故障 FR1 X4 1號泵故障指示 LED Y4 2號泵故障 FR2 X5 2號泵故障指示 LE

14、D Y5 手動控制 SD X6 高位水箱高水位報警 LED Y6 自動控制 ZD X7 高位水箱低水位報警 LED Y7 高位水箱高水位 X12 低位水箱高水位報警 LED Y10 高位水箱低水位 X13 低位水箱低水位報警 LED Y11 低位水箱高水位 X14 低位水箱低水位 X15 4. PLC的I/O接線圖 5. 梯形圖： 6. 指令表：

15、四、重要部件介紹 1. PLC的工作原理 1.1 PLC的工作方式 1）輸入采樣階段，在此階段，順序讀入所有輸入緞子通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存，接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，即使輸入信號發(fā)生變化，內存中輸入信息也不變化，只有在下一個掃描周期的輸入采樣階段才能讀入信息。 2） 程序執(zhí)行階段：plc對用戶程序掃描。 3）輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢通過隔離電路，驅動功率放大器，電路是輸出端子向外界輸出控制信號驅動外部負載。 1.2 PLC的特點 PLC 作為控制器件是因為可編程控制核心是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用設計制造的計算機。它

16、具有高可靠性豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力；它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算數操作等面向用戶的指令，并通過數字或模塊式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程；它采用模塊化結構，編程簡單，安裝簡單，維修方便。其特點可歸納為以下幾點： 1、編程方便，現(xiàn)場可修改程序，設計簡單，易學易懂； 2、采用模塊化結構，安裝維修簡單，調試方便，維護工作量少； 3、可靠性高，抗干擾能力強； 4、體積小于繼電器控制裝置； 5、數據可直接送入管理計算機； 6、用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。 1.3 PLC的優(yōu)點 1.實時性

17、 由于控制器產品設計和開發(fā)是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快?；谛盘柼幚砗统绦蜻\行的速度，PLC經常用于處理工業(yè)控制裝置的安全聯(lián)鎖保護。更能滿足各個領域大、中、小型工業(yè)控制項目。 2.高可靠性 所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與控制器內部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms。各模塊均采屏蔽措施，以防止噪聲干擾。采用性能優(yōu)良的開關電源。對采用的元器件進行嚴格的篩選。良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴大。大型控制器還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU

18、構成表決系統(tǒng),以及實現(xiàn)電源模塊冗余、IO模塊冗余，使可靠性更進一步提高。 3.系統(tǒng)配置簡單靈活 控制器 產品種類繁多，規(guī)?？煞执蟆⒅?、小等。I/O卡件種類豐富，可根據自控工程實現(xiàn)功能要求不同，而進行不同的配置。滿足控制工程需要前提下，I/O卡件可靈活組合。 4.豐富的I/O卡件 控制器針對不同的工業(yè)自控工程的現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等,有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它

19、還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊等。 5.控制系統(tǒng)采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型控制器以外，絕大多數控制器均采用模塊化結構?？刂破鞯母鱾€部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。 6.價格優(yōu)勢 質優(yōu)價廉，性價比高。 7.安裝簡單，維修方便 可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系

20、統(tǒng)迅速恢復運行。 1.4應用指令MOV 數據傳送指令包括MOV（傳送）、SMOV（BCD碼移位傳送）、CML(取反傳送)、BMOV（數據塊傳送）、FMOV（多點傳送）、XCH（數據交換）。本次設計主要用了MOV指令，這里簡單做一下介紹。 傳送指令MOV將源操作數傳送到指定目標，其指令代碼為FNC12，源操作數[S.]可取所有所有的數據類型即K、H、KnX、KnY、KnM、 KnS、T、 C、D、V、Z，其目標操作數[D.]為 KnY 、KnM、 KnS、T、C、D、V、Z 。 MOV 指令格式 指令名稱 助記符 功能號 操作數 [S] [D] 傳 送

21、 MOV FNC12 K H KnX KnY KnM KnS T C D V Z KnY KnM KnS T C D V Z 2 光電傳感器原理 2.1 概述 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 　　光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。 光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成

22、分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。 2.2 工作原理 由光通量對光電元件的作用原理[1]不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換 成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系

23、.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所 謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關. 　　光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作

24、在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（＜µA），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產生電子-空穴，稱為光電 載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基

25、區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 2.3電路圖 五 結論 通過這次畢業(yè)設計，我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的鍛煉機會。使我在PLC的基本原理、PLC應用系統(tǒng)開發(fā)、傳感器應用技術過程中，以及在常用編程設計思路技巧的掌

26、握方面都向前邁了一大步。在設計過程中，經常會遇到各種問題和困難，理論和實際總是有這樣那樣的差異，理論上能夠通過的實際并不一定能夠實現(xiàn)，因此這方面要耗費很多時間，在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中足額到了很多的知識，是自己的專業(yè)水平得到了提高。 趁著做課程設計的機會，我對課本知識有了鞏固和加強，平時學習時不理解的知識，這次設計中得到了充分的理解鞏固，使我對很多元件的功能有了更多的認識。這次畢業(yè)設計使我懂得了理論和實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐結合起來，從理論中得出結論，才能真正去指導實際，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。同時在設計過程中發(fā)現(xiàn)了自己的

27、不足之處，對以前所學知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，致使這次設計花費了很多時間。 一次又一次的學習，探索，我們慢慢地在體會，研究和感悟，終于開始領會到將近成功的那一份喜悅，從撰寫開 報告，查找資料，程序設計，到整理每一個次的調試，我們學會了細心和耐心，也品嘗到了酸、甜、苦、辣，無數的成功與失敗更加肯定了我們 的研究成果。興趣是自發(fā)形成的，而默契是慢慢培養(yǎng)出來的。當前的社會，科技迅速發(fā)展，知識更新速度大大加快，只有我們共同去探索，用自己的雙手去征服每一片天空，用我們新的力量去打造一片創(chuàng)新的領域。 六 參考文獻 [1] 郭艷萍. 電氣控制與PLC應用 北京：人民郵電出版社，2010. [2] 郭艷萍. 電氣控制與PLC實訓 北京：北京師范大學出版社，2008. [3] 張萬忠《可編程控制器入門與應用實例》北京：中國電力出版社2004 [4] 廖常初:PLC基礎及應用,北京機械工業(yè)出版社, 2004 七 致謝