水塔水位的自动控制.doc

水塔水位的自动控制

丽职院机电信息分院毕业设计

摘 要
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，所以任何时候都要能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题, 随着社会的发展现在的自动装置无所不在,所以水塔水位的控制也不要人工进行操作,为了达到节能的目的, 提高供水系统的质量, 考虑采用可编程序控制器、继电器、接触器和传感器技术，本文设计出一套实用水位控制方案。方案在硬件基础上配合软件实现了可切换手动/ 自动两种工作方式，实现了不用人操作的装置。

关键字：水位控制；手动/自动控制；可编程序控制器；传感器；交流接触器

目 录
一．引言 3
二．控制系统的组成 3
2.1系统的工作原理 3
2.2可编程序控制器及PLC的选择 4
2.3阀门的选择 4
2.4传感器的选择 4
2.5电动机的选择 5
2.6交流接触器的选择 6
三．控制系统的方案——手动/自动运行方式 6
3.1手动运行方式 6
3.2自动运行方式 6
四．设备安装与调试 9
4.1元件参数设置 9
4.2传感器零点及量程调试 9
五．出现的问题及解决方法 10
六．系统的比较及总结 10
致谢 10
参考文献 11

一．引言
在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用, 另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器( PLC) 技术已日趋成熟, 因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。本设计是利用上水塔和下水池通过电机、传感器和PLC来实现水塔水位自动控制，用交流接触器来实现手动控制。

二．控制系统的组成
2.1系统的工作原理
水位闭环调节原理是：通过在水塔中的液压传感器，将水位值变换为电流信号进入PLC，把该信号和PLC中的设定值的程序进行比较，并执行较后程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。还有一个液压传感器S4为水池缺水报警开关，当液面低于S4时意味着水池缺水，应切断电源并报警且并打开阀门Y进水，当PLC出现故障时，还有一套手动控制来进行对水塔水位控制，手动控制采用交流接触器。下图为工作原理图：

S1.S2.S3.S4为电容液位计，M为电动机，Y为阀门。
2.2可编程序控制器及PLC的选择
可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。但由于PC容易跟个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们习惯用PLC作为可编程序控制器的缩写。可编程序控制器是一种数字运算操作数字系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的模拟的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
由于该系统为中型PLC自动控制系统，要求PLC能够提供可编程逻辑分析和PID功能，故选用中达公司生产的台达DVP14ES00R可编程逻辑控制器。台达DVP14ES00R具有标准的输入、输出及通信单元，可用于较为恶劣的环境中。主要配件有中央处理器CPU，电源单元PSE，I/O单元。包括数字输入板IDPG、数字输出板ODPG、附属单元。

2.3阀门的选择
根据机构的设计原理及各方面的相关知识查阅，由于PLC有信号值输出，要实现自动控制故考虑用信号阀跟PLC 设定值连接。信号蝶阀有很强的实用性，功能强体积小常用在灭火系统中，也可以作为给排水系统启动开闭阀门，故采用型号为XD71X-10的信号蝶阀，它能控制1.0MPA到1.6MPA的水量,我所选用的信号阀其实是一个普通的信号阀上面加了个限位开关能够随着阀门的开启状态而改变，此限位开关跟PLC的模块相连接，以便控制水池中水位的高低，从而确定水塔水位的情况。

2.4传感器的选择
传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需要的有用信息的装置。在本次设计中传感器是将水位值转换成电流信号进入PLC，在水中有压力的存在，考虑到水塔的水都是人民日常生活中的饮用水，对水质有一定的要求，故要用浸入式的传感器，但由于要有电流输出所以用电容式的传感器即电容式液位计。下图为电容式液位计探头结构图，当其浸入水中或其他被测导电液体时，导线芯以绝缘层为介质与周围的水或其他导电液体形成原柱形电容器。Cx＝2πεhx／㏑(d2/d1) 式子中
ε——导线芯绝缘层的介电常数；
hx——待测水位高度；
d1,d2——导线芯直径和绝缘层外径。被测电容Cx与被测液位高度呈线性关系，配置适当的测量电路，可以得到正比与液位hx的电压信号。

2.5电动机的选择
交流电机有异步电机和同步电机两大类，异步电动机又有三相和单相两种，而三相异步电动机有分为笼型的和挠线转子异步电动机，而笼型异步电动机由于结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，已成为生产上应用的最广泛的一种电动机。现有清水泵，参数Q=1487m3/h，H=37m根据P=gρQH/1000η；式子中P为电机功率，g为重力加速度，Q为流量，H为扬程，η为泵的效率。
根据公式得P=9.8*1*1487*37／1000*0.8=6.7（KW）...注意单位，根据算出的数据
序号
型号
额定功率
转速
电流
1
Y801-2
0.75
2825
1.8
2
Y802-2
1.1
2825
2.5
3
Y90S-2
1.5
2840
3.4
4
Y90L-2
2.2
2840
4.7
5
Y100L-2
3.0
2880
6.4
6
Y112M-2
4.0
2890
8.2
7
Y132S1-2
5.5
2990
11.1
8
Y132S2-2
7.5
2990
15
9
Y160M1-2
11
2930
21.8
10
Y160M2-2
15
2930
29.4
查上表得故选用型号为Y132S2-2的三相异步电动机。
2.6交流接触器的选择
由于负载是电动机，其额定电流可以根据In=Pn×1000/√3UnCOSφ×η式中In电动机额定电流（A）；Un为电动机额定电压（V）；Pn为电动机额定功率（KW）；cosφ为功率因素；η电动机效率。由于Un=380,cosφ*η≈(0.7~0.82),
In=Pn×1000/√3UnCOSφ×η
= Pn×1000/√3*380*（0.7～0.82）=（1.85～2.17）≈2 Pn
再根据频率查表得：

型号
触头额定电压/V
主触头额定电流/A
辅助触头额定电流/A
可控制的三相电机最大功率/KM380V
额定操作频率/（次/h）
CJ0-20

500
20
5
10
1200
CJ10-20
500
20
5
10
600
故选用型号为CJ0-20的交流接触器。

三．控制系统的方案——手动/自动运行方式
3.1手动运行方式
手动方式是利用继电器、接触器控制，可以在环境比较恶劣条件下继续工作，自动方式是利用PLC 来控制。手动和自动的切换可专门设计一个转换开关KK在控制台上，打开阀门F按下启动按钮SB1，由于设置有顺序关系，在低水塔中水位没有超过S4时水泵不能开启，现在阀门打开的情况下按下启动按钮SB2，水泵运行开始向水塔注水。当水池水位到达S3时将关闭阀门且水塔水位没有到S1时水泵继续向水塔注水，当水塔水位达到S1时水泵立即停止工作，当用户使用水塔放水，随时液面也随之下降，当液面又低于S2时，水泵开始向水塔注水，如果用户用水比较大时，同时随之打开阀门保持液面平衡。
3.2自动运行方式
自动运行方式—由一台可编程序控制器来控制水泵电机自动运行。当换项开关打到自动时，系统根据水塔液位传感器传出的信号执行事先编译好程序。程序流程是：当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀门打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀门Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水出现故障，当S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当S4为OFF时且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转向水塔注水，当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止工作，当水池水高于S3时自动关闭阀门，如果水池水和水塔水都高于S3和S1时，都会报警并切断电源。
分析了系统原理根据DVP14ES00R型号的PLC指定的I/O端子，根据输入信号和输出信号I/O的通道分配可画出如下PLC的I/O的接线图:

L1.L2.L3.L4分别为S1.S2.S3.S4的液位指示灯，KM1为电动机，SB1.SB2为按钮，Y为阀门，KK为自动和手动的开关。
根据控制图和I/O接线图，将S1、S2、S3、S4分别接PLC主机的输入点I0.0、I0.1、I0.2、I0.3，M、Y分别接主机输出点Q0.0、Q0.1。程序如下:

步序
指令
步序
指令
0
LD T37
13
LD T39
1
TON T38，+5，产生1S脉冲
14
A T38
2
LD T38
15
LD I0.3 水迟低水位
3
TON T37，+5 延时0.5S
16
AN T39
4
LD I0.3
17
OLD
5
AN I0.2
18
O T40
6
TON T39，+40延时4S
19
AN I0.2水池上水位
7
LD T39
20
= Q0.1 电磁阀门Y
8

AN I0.3
21
LD I0.1 水塔低水位
9
TON T40，+1 延时0.1S
22
O Q0.0
10
LD T39
23
AN I0.0 水塔上水位
11
AN I0.3
24
AN I0.3
12
TON T40，+1
25
= Q0.0 电机M

PLC梯形图如下所示：

四．设备安装与调试
4.1元件参数设置
参数设置：将数显表、电阻箱、标准毫安表按下图所示接线图连接起来，调整电阻箱的阻值，使毫安表的读数为20mA，将此时的数显表的显示设置为最大（4.5），再调整电阻箱的阻值，使毫安表的读数为4mA，将此时的数显表的显示设置为最小（0）。
根据实际情况的考差，发现当水位高于水塔4.3m时，水泵跟阀门关闭；当水位低于2.0m时，水泵打开比较适合。因此开水泵和阀门的动作值为2.0m，关的动作值为4.3。

4.2传感器零点及量程调试
将数显表、传感器及标准毫安表按下图所示接线图连接起来，对传感器的调试是在现场进行的，将S1传感器的探头浸入水中4.5m处，调整传感器的“SPAN”电位器，使毫安表的读数为20mA，再人为的将传感器探头提出水面，调整传感器的“SPAN”电位器，使毫安表的读书为4mA；反复几次就完成调试了。S2，S3，S4依次这样就完成调试了。

五．出现的问题及解决方法
在运行中出现以下几个问题：
1. 数据不稳定，这是使用电子产品时最容易出现的问题，问题的原因在于附近存在一些磁性物体干挠，所以应注意所用的信号线应尽量远离电源线，电动机也具有电磁干挠的场所也要远离监视系统，因为它对数据的采集和传送有一定的影响。这个的解决的方面是远离电磁性物体。
2. 采集到的数据跟PLC控制器设定的值不一样，原因是2个相邻的数据存在的混序。解决的方面多次接线运用调整直止稳定。
六．系统的比较及总结
本系统是利用PLC控制水塔水位的，从以前的人工控制到现在的自动实现了科技的发展，控制水位的系统有好多中方法，例如单片机控制水塔水位，控制球阀控制水位。而PLC的控制系统跟单片机的控制系统存在很大的差异，各有各的优点，单片机在价格方面比PLC便宜不少但在实用性方面就比不上了，PLC能远程控制但单片机局限于某个范围之间，单片机是个微型机除了硬件电路的搭接外还需要的软件的开发和应用，从兼容性考虑单片机在水塔水位控制中存在不稳定性，在实际应用中大部分自动化控制的系统都是纯硬件电路设计，该电路不能检测液体的电导率，所以单片机不适用于液体性质发生改变的情况。PLC可使用用大型的系统，它的硬件系统要比单片机强，它可以在日常生活中和传感器的设定值检测出水质的变化，给用户提供很好的用水，而它的远程操作给我们的安全带很来很大的方便故选用PLC控制系统。

参考文献

1.张存礼主编. 传感器原理与应用. 北京师范大学出版社,2005
2.胡学林主编. 可编程序控制器应用技术. 北京高等教育出版社,2001
3.谭维瑜主编. 电机与电气控制. 机械工业出版社,2006
4.蔡崧主编. 传感器与PLC编程技术基础. 电子工业出版社,2005
5.杨公源主编. 可编程序控制器原理与应用.机械工业出版社,2004
6.赵继文主编. 传感器与应用电路设计. 科学出版社,2002
7.姚晴洲主编. PLC和组态软件的水塔控制系统[J],电气时代,2006
8.吴丽主编. 电气控制与PLC实用教程.黄河水利出版社,2005
9