自动化大专毕业论文水塔水位控制PLC系统设计

北京科技大学远程与成人教育学院

毕业作业

题 目：水塔水位控制PLC系统设计

学习中心：

专 业：电气自动化技术

年 级： 2018年

姓 名

学 号：182

指导教师：

2020年9月29日

北京科技大学远程与成人教育学院

毕业作业任务书

学习中心 电气自动化技术 专业 2018秋专 年级

同学（学号 ）：

经研究决定，你的毕业作业题目为：

水塔水位控制PLC系统设计

指导教师为：

请你于 年 月 日-- 年 月 日期间完成。

指导教师：（签字）

年 月 日

学 生：（签字）

年 月 日

北京科技大学远程与成人教育学院

毕业作业指导教师评语

学习中心 专业 电气自动化技术 年级2018年秋专

学号 1 学生 ：

毕业作业题目水塔水位控制PLC系统设计

指导教师评分参考标准

序号 项 目 满分

1 选题合适 20

2 观点明确、正确 30

3 材料丰富、翔实 25

4 逻辑严密、结构严谨 15

5 语言文字流畅、优美 10

合 计 100

评分：

评语：

指导教师（签字）：

年 月 日

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内容摘要

2020年的新冠肺炎到来，不会影响现代人类发展和技术进步，随着工农

业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，在继电器控制系统的

基础上产生了一种新型的工业控制装置——可编程控制器。随着科技的发展和

现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，在工农业生产过

程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广

泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种

实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。

本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水

的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的

电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行组态软件，完成相应的

水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适

当的位置。

关键词：组态软件、PLC、自动化、可编程控制器、水塔水位

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1、水塔水位控制PLC系统设计硬件设计

1.1、控制原理：在传统的水塔，加入PLC利用PLC和组态软件来实现

水塔水位的控制．提供了一种实用的水塔水位控制方案。控制系统组成1．系

统的工作原理供水系统的基本原理如图1-1所示，水位闭环调节原理是：通过

在水塔中的三个液压变送器，将水位值变换为4～20 mA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。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。 当上水箱液位低于Y3时，M1、

M2同时工作，F2打开。液位上升至Y2时，M2停止，F2关闭，M1继续工作。液位

上升至Y1时，M1也停止。打开F1手阀使上水箱放水，液位下降。当液位又低于

Y1时M1起动工作，如F1开度较大下水量大于上水量，使液位继续下降至Y2时，

M2启动工作同时F2打开，使上水量大幅上升，保持液位。Y0为下水箱缺水报警

开关，当下水箱液位低于Y0时意味着水泵进水口缺水，此时应自动切断电源并

报警。2．PLC的选择由于该系统为中型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。供水的控制方法系统的硬件接线图如图1-2所示。从整个流程中

可以看到两套控制方式：①由一台可编程序控制器来控制两台水泵的自动运行。

②由交流接触器来控制两台水泵的手动运行。当换项开关KKl打到手动时，按

下起动按钮SBl，1#泵起动运行向水塔注水，由于设置了顺序开启和逆序关闭，

在1#泵没有开起的情况下，2#泵不能起动运行，而在两个水泵同时运行时，2#

泵在没有停止的情况下，1#泵不能够停止。现在1#泵运行的时候，按下起动按

钮SB2，2#泵起动运行向水塔注水。此时，控制台上的水位灯，由水塔中的液

位变送器将水位变换为4~20mA电流信号输入到PLC中，经IDPG将其转换为数字

信号。该信号与水位给定值进行比较，由PLC输出一个控制信号经ODPG转换控

制信号点亮此时水塔水位所在的水位灯。当换项开关KK1打到自动时，系统将

根据水塔中水位的情况，通过在水塔中的液位变送器送出的4～20 mA电流信

号由PLC接受并对其于给定值进行比较，执行事先编译好的程序。程序流程是：

在水塔中无水时，1#、2#泵同时开起，对水塔进行注水；水位到达低水位时，

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控制台上的低水位灯点亮；水位到达高水位灯点亮。而当下水箱水位到达报警

水位的时候，报警器开始报警，并切断1#、2#泵的运行。

中水位时，2#泵停止，1#泵继续运行，中水位灯点亮；水位到达高水位时，1#、

2#泵都停止。

图1-1 水塔水位控制系统主电路图

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图1.2、水塔水位控制系统主电路如图1-1所示：

图1-3 水塔水位控制供水系统的基本原理图

水塔水位的工作方式

当水池液位低于下限液位开关S，S此时为ON，电磁阀打开，开始往水

11

池里注水，当4S以后，若水池液位没有超过水池下限液位开关时，则系统发出

报警，若系统正常，此时水池下限液位开关S为OFF,表示水位高于下限水位。

1

当水位液面高于上限水位，则S为ON，电磁阀关闭。

2

当水塔水位低于水塔下限水位时，则水塔下限水位开关S为ON，水泵开

3

始工作，向水塔供水，当S为OFF时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水

3

塔液面高于水塔上限水位时，则水塔上限水位开关S为OFF，水泵停止。

4

当水塔水位低于下限水位，同时水池水位也低于下限水位时，水泵不能

启动。

1.2、I/O接口分配表

表2-1 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表

输入信号 输入变量名 输出信号 输出变量名

I0.0 Q4.0 水阀M 启动开关

I0.1 Q4.1 水泵M 停止开关

1

2

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I0.2 水池下限位 Q4.2 水池下限指示灯A

I0.3 水池上限位 Q4.3 水池水位报警指示灯A

I0.4 水塔下限位 Q4.4 水池上限指示灯A

I0.5 水塔上限位 Q4.5 水塔下限指示灯A

Q4.6 水塔水位报警指示灯A

Q4.7 水塔上限指示灯A

1

2

3

4

5

6

1.3、水塔水位控制系统的I/O设备

这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有6个开关量，开

关量输出触点数有8个，输入、输出触点数共有14个，只需选用一般中小型控

制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配。

1.5、PLC的选择

考虑到本次设计的水塔水塔控制系统开关量多、模拟量少，对于开关量

控制为主的系统而言，一般的PLC响应速度足以满足控制要求，在小型PLC中

整体式比模块式的价格较便宜、体积弱小一些，考虑性价比。采用离线编程的

方式，以减少软硬件的开销。

统计输入、输出点数并选择PLC的类型：

输入信号有6个，考虑到有15%的备用点，即6*（1+15%）=6.9,取整

数7，所以共需7个输入点。

输出信号有8个，考虑15%的备用点，即8*（1+15%）=9.2取整数10，

因此共需10个输出点。

可以选择SIMATIC S7-200系列 CPU214 PLC类型的可编程控制器，它有

14个输入点，10个输出点，满足设计要求。且具有高速处理及可扩展大量满足

单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制

能力。结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、低成本、适用面

2、水塔水位控制系统PLC软件设计

2.1 程序流程图

水塔水位控制系统的PLC控制流程图，根据设计要求，控制流程图，如

图2-1所示：

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开始

否

水池水位低于下

限吗？

是

电磁阀打开

报警

否

4S后水池水位高

于下限吗？

是

水池继续进水

水池水位高于上限

电磁阀关闭

水塔水位低于

下限吗？

否

是

水泵起动，给水塔供水

水塔水位高于下限

水塔水位高于上限水池水位低于下限

水泵停止

结束

图2-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图

这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所

存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递

增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每

扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。

2.2 水塔水位控制系统梯形图

2.2.1、水塔水位控制系统梯形图，如图2-2所示：

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图2-2 水塔水位控制系统梯形图

2.2.2、分解步骤

（1）启停程序：

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图2-3 启停程序梯形图

（2）水阀控制程序：

图2-4 水阀控制程序梯形图

（3）水池下限水位指示程序：

图2-5 水池下限水位指示程序梯形图

（4）水池水位报警程序：

图2-6 水池水位报警程序梯形图

（5）水池水位上限指示程序：

图2-7 水池水位上限指示程序梯形图

（6）水泵启停控制程序：

图2-8 水泵启停控制程序梯形图

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（7）水塔水位下限指示程序：

图2-9 水塔水位下限指示程序梯形图

（8）水塔水位报警程序：

图2-10 水塔水位报警程序梯形图

（9）水塔水位上限指示程序：

图2-11 水塔水位上限指示程序梯形图

2.3、工作过程

设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全灭。当执行程序

时，扫描到水池为液位低于水池下限液位时，水阀打开，开始往水池里进水；

如果进水超过4秒，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系

统就会自动报警，水池报警灯A亮。若4秒之后水池液位按预定的超过水池下

2

限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A亮，此时，水池的液位

1

已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，

水泵开始工作，向水塔供水；如果进水超过4秒，而水塔液位没有超过水池下

限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，水塔报警灯A亮。当水池的液

5

位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A亮，水阀就关闭。但是水塔现在还

3

没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A亮，

4

水泵继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水塔液位超过水塔上限，

水塔上限指示灯A亮。但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，

6

此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A灭。此次给水塔供水完成。

3

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参考文献

[1] 陈建明.王婷玲.电气控制与PLC应用（第4版 ）. 北京：电子工业出

版社，2019，程序流程图182页。

[2] 廖常初.《S7-300/400PLC应用技术》第5版.北京：机械工业出版社，

20018。梯形图编辑基本规则123-127页。

[3]廖常初.PLC基础及应用（第6版）.北京：机械工业出版社，2019年8月

12。输入输出控制19-28页。

[4]王兆义.可编程序控制器教程（第3版 ）.北京：机械工业出版

社,2019年2月，电机控制原理117页。[5]陈建明.王婷玲.电气控制与

PLC应用（第4版 ）.北京. 电子工业出版社，2019,位置控制49-54页。

[5]黄永红.电气控制与PLC应用（第2版 ）.北京.机械工业出版社2018

年6月，PLC的发展趋势68页。

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