基于单片机的水塔水位自动控制系统

基于单片机的水塔水位自动控制系统内容摘要：

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 水塔液位中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 5 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。 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。 基于 PLC 的供水方案设计 系统控制要求 水塔水位控制示意图如图 22 所示： 中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 6 图 22 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： 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。 （ 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。 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 运行并开始中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 7 抽水 ,直到水位到达高水位界限 S4 时 ,水泵停止运行。 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。 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 （ 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 （ 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 （ 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 （ 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 （ 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 （ 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 23 所示 ： 中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 8 图 23 水塔设计分析示意图 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 S7200 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 24 所示。 图 24 水塔设计 总体框图 中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 9 3. 水塔 控制系统硬件设计 简述 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]。 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。 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，即根据被控对象中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 10 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： ，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。 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。 PLC 时包括 PLC 的机型、容量、 I／ O 模块、和电源。 PLC 的 I／ O 地址。 PLC 的程序设计。 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 31 为扫描周期示意图。 上电RUN自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新故障 图 31 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中原工学院信息商务学院毕业论文（设计） 11 的整定。 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 S7200 PLC 一台。 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 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 S7200 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。