吉林建筑大学电气与计算机学院电气控制与PLC应用课程设计报告设计题目：水塔水位控制系统设计专业班级：建筑电气与智能化151学生姓名：卫界岑学号：201511679（20）指导教师：张立辉王亚娟设计时间：2017.7.3——2017.7.14目录1 引言 (1)1.1 课程设计目的与意义 (1)1.2 课程设计内容 (1)1.3 课程设计实现的目标 (1)2 系统总体方案设计 (2)3 系统硬件设计 (3)3.1 主电路的设计 (3)3.2 控制电路的设计 (4)3.2.1 PLC概述 (4)3.2.2 PLC选型 (6)3.2.3 PLC的I/O变量定义及分配表 (7)3.2.4 PLC的I/O接线图 (8)4 系统软件设计 (9)4.1 程序设计思路及流程图设计 (9)4.2 梯形图程序设计及分析 (11)6 系统调试及结果分析 (14)总结 (15)参考文献 (16)1 引言1.1 课程设计目的与意义《电气控制与PLC应用》课程设计是建筑电气与智能化专业一个重要的实践性教学环节。

通过课程设计使学生进一步巩固电气控制技术的基本知识；达到掌握电气控制系统的原理设计、工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、编程等工作，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；撰写设计报告和编制技术资料的能力。

1.2 课程设计内容1．拟定控制系统设计的技术条件。

技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据。

2．选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；3．设计电气原理图；4．选定PLC的型号；5．编制PLC的输入/ 输出端子接线图；6．根据系统设计的要求编写相应的PLC程序及人机界面等。

7．设计操作台、电气柜及非标准电器元件；8．撰写课程设计说明书。

根据具体任务，上述内容可适当调整。

1.3 课程设计实现的目标通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：1.掌握电气控制电路和PLC电路得分析和设计的基本方法。

2.培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力。

⑴学会自己分析、找出解决问题的方法。

⑵对设计中遇到的问题，能独立思考，查阅资料，寻找答案。

3.掌握绘制电气控制原理图和PLC梯形图的方法。

4.培养学生的实践能力。

5.电气图的绘制必须符合国家有关规定的标准。

通过严格的科学训练和工程设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

2 系统总体方案设计图1 水塔水位控制系统方案设计图1.保持水池的水位在S1——S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S1为OFF，表示水位高于下限水位。

当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭。

2.保持水塔的水位在S3——S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关S3为ON，则驱动电机M(水泵)开始工作，向水塔供水。

当S3为OFF 时，表示水塔水位高于水塔下限水位。

当水塔液面高于水塔上限水位开关S4时，则S4为ON，电机M(水泵)停止抽水。

当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M(水泵)不能启动。

图2 设计原理图3 系统硬件设计3.1 主电路的设计给排水工程中常使用三相异步电动机Y90L-4，功率为1.5KW。

水泵上的电动机一般是单向旋转，并有以下控制: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，经过5S检测水塔水位是否提高，从而来控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向PLC发出控制信息，停止水泵工作。

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，执行程序，通过水泵的开关对水塔中的水位进行自动控制。

图3 电机的主电路图3.2 控制电路的设计3.2.1 PLC概述最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。

（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。

（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式—扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

2.1.1扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图4所示。

第（n+1）第（n-1）（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

2.1.2 PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间，如图所示。

图5 PLC扫描周期示意图3.2.2 PLC选型此电动机选用EJ15-3型电动机。

其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。

相关元件主要技术参数及原理如下：EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。

1）额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法；2）电动机运行地点的海拔不超过1000m。

工作温度-15~40℃/湿度≤90%；3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述：（1）结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC 能够达到要求。

（2）功能强、弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

（3）机型统一PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。

由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。

若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。

物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

（4）是否在线编程PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。

离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

（5）PLC的环境适应性由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度工作温度0～55℃，最高为60℃储存温度 -40℃～＋85℃湿度相对湿度5%～95%(无凝结霜) 振动和冲击满足国际电工委员会标准电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz 瞬间停电保持l0ms环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。