自動化大專畢業論文水塔水位控制PLC系統設計

北京科技大學遠程與成人教育學院

畢業作業

題 目：水塔水位控制PLC系統設計

學習中心：

專 業：電氣自動化技術

年 級： 2018年

姓 名

學 號：182

指導教師：

2020年9月29日

北京科技大學遠程與成人教育學院

畢業作業任務書

學習中心 電氣自動化技術 專業 2018秋專 年級

同學（學號 ）：

經研究決定，你的畢業作業題目為：

水塔水位控制PLC系統設計

指導教師為：

請你于 年 月 日-- 年 月 日期間完成。

指導教師：（簽字）

年 月 日

學 生：（簽字）

年 月 日

北京科技大學遠程與成人教育學院

畢業作業指導教師評語

學習中心 專業 電氣自動化技術 年級2018年秋專

學號 1 學生 ：

畢業作業題目水塔水位控制PLC系統設計

指導教師評分參考標準

序號 項 目 滿分

1 選題合適 20

2 觀點明確、正確 30

3 材料豐富、翔實 25

4 邏輯嚴密、結構嚴謹 15

5 語言文字流暢、優美 10

合 計 100

評分：

評語：

指導教師（簽字）：

年 月 日

北京科技大學遠程與成人教育學院畢業作業

內容摘要

2020年的新冠肺炎到來，不會影響現代人類發展和技術進步，隨著工農

業自動化生產水平的日益提高，微電子技術的飛速發展，在繼電器控制系統的

基礎上產生了一種新型的工業控制裝置——可編程控制器。隨著科技的發展和

現實暴露的一些問題，以便能更快捷更方便的完成一些任務，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組態軟件，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：組態軟件、PLC、自動化、可編程控制器、水塔水位

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1、水塔水位控制PLC系統設計硬件設計

1.1、控制原理：在傳統的水塔，加入PLC利用PLC和組態軟件來實現

水塔水位的控制．提供了一種實用的水塔水位控制方案。控制系統組成1．系

統的工作原理供水系統的基本原理如圖1-1所示，水位閉環調節原理是：通過

在水塔中的三個液壓變送器，將水位值變換為4～20 mA電流信號進入PLC，

把該信號和PLC中的設定值的程序進行比較，并執行較后程序，通過水泵的開

關對水塔中的水位進行自動控制。當PLC出現故障時，還有一套手動控制來進

行對水塔水位控制。手動控制采用交流接觸器。 當上水箱液位低于Y3時，M1、

M2同時工作，F2打開。液位上升至Y2時，M2停止，F2關閉，M1繼續工作。液位

上升至Y1時，M1也停止。打開F1手閥使上水箱放水，液位下降。當液位又低于

Y1時M1起動工作，如F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續下降至Y2時，

M2啟動工作同時F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0為下水箱缺水報警

開關，當下水箱液位低于Y0時意味著水泵進水口缺水，此時應自動切斷電源并

報警。2．PLC的選擇由于該系統為中型PLC自動控制系統，要求PLC能夠提

供可編程邏輯分析和PID功能，故選用中達公司生產的臺達DVP14ES00R可編程

邏輯控制器。供水的控制方法系統的硬件接線圖如圖1-2所示。從整個流程中

可以看到兩套控制方式：①由一臺可編程序控制器來控制兩臺水泵的自動運行。

②由交流接觸器來控制兩臺水泵的手動運行。當換項開關KKl打到手動時，按

下起動按鈕SBl，1#泵起動運行向水塔注水，由于設置了順序開啟和逆序關閉，

在1#泵沒有開起的情況下，2#泵不能起動運行，而在兩個水泵同時運行時，2#

泵在沒有停止的情況下，1#泵不能夠停止。現在1#泵運行的時候，按下起動按

鈕SB2，2#泵起動運行向水塔注水。此時，控制臺上的水位燈，由水塔中的液

位變送器將水位變換為4~20mA電流信號輸入到PLC中，經IDPG將其轉換為數字

信號。該信號與水位給定值進行比較，由PLC輸出一個控制信號經ODPG轉換控

制信號點亮此時水塔水位所在的水位燈。當換項開關KK1打到自動時，系統將

根據水塔中水位的情況，通過在水塔中的液位變送器送出的4～20 mA電流信

號由PLC接受并對其于給定值進行比較，執行事先編譯好的程序。程序流程是：

在水塔中無水時，1#、2#泵同時開起，對水塔進行注水；水位到達低水位時，

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控制臺上的低水位燈點亮；水位到達高水位燈點亮。而當下水箱水位到達報警

水位的時候，報警器開始報警，并切斷1#、2#泵的運行。

中水位時，2#泵停止，1#泵繼續運行，中水位燈點亮；水位到達高水位時，1#、

2#泵都停止。

圖1-1 水塔水位控制系統主電路圖

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圖1.2、水塔水位控制系統主電路如圖1-1所示：

圖1-3 水塔水位控制供水系統的基本原理圖

水塔水位的工作方式

當水池液位低于下限液位開關S，S此時為ON，電磁閥打開，開始往水

11

池里注水，當4S以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關時，則系統發出

報警，若系統正常，此時水池下限液位開關S為OFF,表示水位高于下限水位。

1

當水位液面高于上限水位，則S為ON，電磁閥關閉。

2

當水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開關S為ON，水泵開

3

始工作，向水塔供水，當S為OFF時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水

3

塔液面高于水塔上限水位時，則水塔上限水位開關S為OFF，水泵停止。

4

當水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能

啟動。

1.2、I/O接口分配表

表2-1 水塔水位控制系統PLC的輸入/輸出接口分配表

輸入信號 輸入變量名 輸出信號 輸出變量名

I0.0 Q4.0 水閥M 啟動開關

I0.1 Q4.1 水泵M 停止開關

1

2

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I0.2 水池下限位 Q4.2 水池下限指示燈A

I0.3 水池上限位 Q4.3 水池水位報警指示燈A

I0.4 水塔下限位 Q4.4 水池上限指示燈A

I0.5 水塔上限位 Q4.5 水塔下限指示燈A

Q4.6 水塔水位報警指示燈A

Q4.7 水塔上限指示燈A

1

2

3

4

5

6

1.3、水塔水位控制系統的I/O設備

這是一個單體控制小系統，沒有特殊的控制要求，它有6個開關量，開

關量輸出觸點數有8個，輸入、輸出觸點數共有14個，只需選用一般中小型控

制器即可。據此，可以對輸入、輸出點作出地址分配。

1.5、PLC的選擇

考慮到本次設計的水塔水塔控制系統開關量多、模擬量少，對于開關量

控制為主的系統而言，一般的PLC響應速度足以滿足控制要求，在小型PLC中

整體式比模塊式的價格較便宜、體積弱小一些，考慮性價比。采用離線編程的

方式，以減少軟硬件的開銷。

統計輸入、輸出點數并選擇PLC的類型：

輸入信號有6個，考慮到有15%的備用點，即6*（1+15%）=6.9,取整

數7，所以共需7個輸入點。

輸出信號有8個，考慮15%的備用點，即8*（1+15%）=9.2取整數10，

因此共需10個輸出點。

可以選擇SIMATIC S7-200系列 CPU214 PLC類型的可編程控制器，它有

14個輸入點，10個輸出點，滿足設計要求。且具有高速處理及可擴展大量滿足

單個需要的特殊功能模塊等特點，為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制

能力。結構靈活、傳輸質量高、速度快、帶寬穩定、范圍廣、低成本、適用面

2、水塔水位控制系統PLC軟件設計

2.1 程序流程圖

水塔水位控制系統的PLC控制流程圖，根據設計要求，控制流程圖，如

圖2-1所示：

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開始

否

水池水位低于下

限嗎？

是

電磁閥打開

報警

否

4S后水池水位高

于下限嗎？

是

水池繼續進水

水池水位高于上限

電磁閥關閉

水塔水位低于

下限嗎？

否

是

水泵起動，給水塔供水

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

結束

圖2-1 水塔水位控制系統的PLC控制流程圖

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。

2.2 水塔水位控制系統梯形圖

2.2.1、水塔水位控制系統梯形圖，如圖2-2所示：

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圖2-2 水塔水位控制系統梯形圖

2.2.2、分解步驟

（1）啟停程序：

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圖2-3 啟停程序梯形圖

（2）水閥控制程序：

圖2-4 水閥控制程序梯形圖

（3）水池下限水位指示程序：

圖2-5 水池下限水位指示程序梯形圖

（4）水池水位報警程序：

圖2-6 水池水位報警程序梯形圖

（5）水池水位上限指示程序：

圖2-7 水池水位上限指示程序梯形圖

（6）水泵啟停控制程序：

圖2-8 水泵啟停控制程序梯形圖

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（7）水塔水位下限指示程序：

圖2-9 水塔水位下限指示程序梯形圖

（8）水塔水位報警程序：

圖2-10 水塔水位報警程序梯形圖

（9）水塔水位上限指示程序：

圖2-11 水塔水位上限指示程序梯形圖

2.3、工作過程

設水塔、水池初始狀態都為空著的，4個液位指示燈全滅。當執行程序

時，掃描到水池為液位低于水池下限液位時，水閥打開，開始往水池里進水；

如果進水超過4秒，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統出現故障，系

統就會自動報警，水池報警燈A亮。若4秒之后水池液位按預定的超過水池下

2

限位，說明系統在正常的工作，水池下限位的指示燈A亮，此時，水池的液位

1

已經超過了下限位了，系統檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，

水泵開始工作，向水塔供水；如果進水超過4秒，而水塔液位沒有超過水池下

限位，說明系統出現故障，系統就會自動報警，水塔報警燈A亮。當水池的液

5

位超過水池上限液位時，水池上限指示燈A亮，水閥就關閉。但是水塔現在還

3

沒有裝滿，可此時水塔液位已經超過水塔下限水位，則水塔下限指示燈A亮，

4

水泵繼續工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔液位超過水塔上限，

水塔上限指示燈A亮。但剛剛給水塔供水的時候，水泵已經把水池的水抽走了，

6

此時水塔液位已經低于水池上限，水池上限指示燈A滅。此次給水塔供水完成。

3

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參考文獻

[1] 陳建明.王婷玲.電氣控制與PLC應用（第4版 ）. 北京：電子工業出

版社，2019，程序流程圖182頁。

[2] 廖常初.《S7-300/400PLC應用技術》第5版.北京：機械工業出版社，

20018。梯形圖編輯基本規則123-127頁。

[3]廖常初.PLC基礎及應用（第6版）.北京：機械工業出版社，2019年8月

12。輸入輸出控制19-28頁。

[4]王兆義.可編程序控制器教程（第3版 ）.北京：機械工業出版

社,2019年2月，電機控制原理117頁。[5]陳建明.王婷玲.電氣控制與

PLC應用（第4版 ）.北京. 電子工業出版社，2019,位置控制49-54頁。

[5]黃永紅.電氣控制與PLC應用（第2版 ）.北京.機械工業出版社2018

年6月，PLC的發展趨勢68頁。

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