1、自动水位控制系统第 1 页 共 29 页摘 要现代化政权不断完善了现代化经济制度,促进了现代化经济的发展,现代化经济的发展生产出了非常丰富品种多样的物质生活和精神生活产品,人们的生活质量有了极大的提高。人们对物质文化的要求越来越精细化，合理并充分的利用自然资源是时下人们考虑最多的问题，水作为人们每日生活的必需品，为避免水资源的浪费，我们需要将水源逐渐实现智能化控制，让水资源更好的为人类造福。自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产和产品质量，改善了劳动条件，并且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都起着极为重要的作用。因此，自动控制技术已经
2、成为实现工业、农业、科学技术和国防现代化必不可少的一门技术。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC
3、 在我国将有更广阔的应用天地。关键字：自动控制 可编程控制器 PLC 前 言自动化专业主要研究的是自动控制的原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有“控（制）管（理）结合，强（电）弱（电）并重，软（件）硬（件）兼施”鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。学生在毕业后能从事自动控制、自动化、信号与数据处理及计算机应用等方面的技术工作。此设计是为学院教学大楼全自动水位控制系统的开发，利用 PLC 系统对
4、水位进行及自动水位控制系统第 2 页 共 29 页时的调整。原来的控制系统在全校用水高峰时，会出现水流很小的情况。而且向楼顶水箱送水的水泵一直处于频繁工作状态，使得液位传感器因频繁使用，容易损坏。针对这一状况我们在楼顶的水箱内加了七个液位传感器，编制 PLC 控制程序，通过三菱 FX2N 可编程序控制器，根据水箱内液位传感器检测到的信号对水泵电动机进行控制。通过对学院教学大楼每日用水需求量和用水高峰时段用水量的实际调查，楼顶的水箱设计为长 2 米、宽 2 米、高 2.5 米，而地下水源蓄储室则是楼顶水箱容积的 4 倍，即满足正常供水，又不会造成水的滞留。三相异步电动机与水泵装置在地下水源蓄储室
5、的旁边，可以方便进水与机械维修。楼顶水箱与地下工作间用两根上水管（消防管、生活用水管且消防管是生活用水管直径的 2 倍）相连，即是楼顶水箱的供水管。楼顶水箱内的水位状态通过液位传感器向 PLC 传送开关量信号，PLC 按照预定程序控制水泵的运行状态，即进水量。注满水后能自动停止进水。当用水量增大时，PLC 按照预定程序控制水泵的运行状态，即加大进水量，使水箱水位基本保持。供水系统框图如下图所示。整套系统虽然结构简单，但是它集节水和节能等优点，给师生员工的生活带来了方便。第一章 自动水位控制系统理论概述1.1 水泵1.1.1 水泵的分类及泵的性能参数泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机
6、械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、地下蓄水室M1M2楼顶水箱消防进水生活进水生活用水消防用水自动水位控制系统第 3 页 共 29 页容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。离心泵的主要性能参数（1）泵的流量流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，有体积流量和重量流量两种表示方法。常用的流量是体积流量，以 表示，其单位是 m /h。 重量流量以 G 表示，其单位Q3是 kgf/h。 与 的关系是 = （1-1）G式中
7、-液体重度（kgf/m ） -泵的流量（m /h）3 3（2）泵的扬程扬程是单位重量的液体通过泵后获得的能量，有的也称总扬程或全扬程，通常用所抽送液体的液柱高度 表示，其单位是 m。H（3）泵的转速转速是指泵的转子每分钟旋转的圈数，以 表示，其单位是 r/min。n（4）泵的功率叶片泵的功率是指泵的轴功率，也是原动机传给泵的功率，用 表示，单位是 kW。P泵的输出功率，也称有效功率，用 表示，它是单位时间内泵输送出去的液体从泵Pe中获得的有效能量。的习惯计算式为： = (kW) （1-2）Pe 102QH式中 -液体重度（kgf/m ） -泵的流量（ m /h） -泵的扬程（m） 3 3H（5
8、）泵的效率叶片泵的轴功率 与有效功率 的差值，是泵工作时损失的功率。其大小用效率来Pe衡量。效率是 与 的比值，以 表示， 的计算式为 = 我们知道泵的有效功率ePe（或流量 、扬程 ）和效率 后，就可以计算出泵的轴功率：PeQH（kW） （1-3）102QHeP（6）泵的比转数 sn比转数 是水力机械的一个重要参数。但了解该参数前，必须搞清楚相似定律。s当离心泵出口阀关小后，由于扬程不变，流量减少，那么泵的电流减小，如果是全自动水位控制系统第 4 页 共 29 页关则电流最小，但略大于空转，因为水有阻力的。离心泵电流最小的时候，是空转的时候，即泵体内什么水都没有，和大气直接连接，泵轮空转（当
9、然潜水泵这样长时间转是会导致过热损坏的，而且即便是普通的泵，这样转也不好） 。而离心泵电流最大的时候，是当进口连接源物，比如水，而出口不加以限制，比如直接和大气相连，连管道都不接，这个时候，流量最大，泵的电流将最大 。但是，一般厂家的水泵，匹配的电机都是按照额定流量时计算的，像这样不加限制的时候就有可能导致电机过载烧毁，但是大厂家的则不一样，他们通常都是按照最大极限匹配电机的，即便这样不加限制，最多效率不高，但泵不会损坏。泵的相似定律：在叶片泵的设计研究中，由于经济性或技术条件的限制，经常将实型泵缩小成模型泵进行试验，再将模型泵放大成实型泵，这就必须用到流体动力相似定律。工况相似的实型泵和模型
10、泵，其流量、扬程、功率与泵的尺寸。转速及效率之间有以下三个关系：泵的流量相似定律： mvmDnQ3（1-4）泵的扬程相似定律： （1-mnmDH2)(5）泵的功率相似定律： （1-mmnP53)(6）式中 -叶轮外径尺寸 -容积效率 -水力效率 -机械效率Dvnm上角标 表示模型泵，无上角标表示实型泵。如果两个工况相似的泵的尺寸比不是m很大（不超过 23） ，转速比值不超过 2，而且是抽送同一种液体（即 ） ，则可认为两台泵的各种效率均相等，于是得到：（1-3)(mDnQ7）（1-2)(mH8）自动水位控制系统第 5 页 共 29 页（1-53)(mmDnp9）在工况相似时的实型泵和模型泵的参
11、数，应该满足以上公式所谓比转数就是把某一叶轮的几何尺寸相似缩小为标准叶轮，使这个标准叶轮所产生的扬程为 m，流量为 m/s，有效功率等于 746W（1 马力）时的转速。它的表达式075.为： （1-10）4365.HQnS式中 -转速（r/min） -流量（m /h） -扬程（m）nQ3比转数 是有因次的，但通常都省略其单位。比转数是以单吸离心泵为基准来比较的。s对于双吸单级离心泵，比转数为： （1-43265.HQns11）对于多级泵，比转数为 ： （1-4365.ins12）式中 -多级泵叶轮极数i（7）泵的汽蚀余量液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生汽泡。把这种产
12、生气泡的现象称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。 泵在运转中，若其过流部分的局部区域（通常是叶轮叶片进口稍后的某处）因为某种原因，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁厚击穿。在水泵中产生
13、气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。自动水位控制系统第 6 页 共 29 页水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。汽蚀余量是指为了保证泵不汽蚀，泵叶轮吸入口处单位重量液体所具有的能量必须比饱和蒸汽压力（相应于液体所处温度）时液体所具有的能量的富裕程度大，以 表h示，其单位为 m 这是用能量的观点来表示泵的汽蚀性能。 的表达式中， = （m） （1-hh8.928.9VSPgs13）式中 -泵吸入口处的压力（Pa） -液体重度（kgf/ms）SP-液体吸入口处的平均流速（m/s） -
14、液体所处温度下的饱和蒸汽压力（ Pa）Vs Pv-重力加速度（m/s ） g2等式右边括号内两项表示泵吸入口处单位重量液体具有的能量，第三项是饱和蒸汽压力下单位重量液体具有的能量。（8）泵的吸上真空高度泵的吸上真空高度是指为了保证泵运行时不发生汽蚀而具有的最大的吸上真空高度，以 表示，其单位为 m。在实际使用中规定留有 0.3m 的安全量，即将 减去maxHs maxHs0.3m 作为允许最大吸上真空高度，以 表示， = -0.3（m） Hs（1-14）泵吸入口处的吸上真空高度 不仅与水泵几何安装高度 有关，而且还与吸入口处sj的流速 ，吸入管路损失 及液面压力 有关，如果水泵在某一流量下运行
15、，则 项SVhw0p gsV2是定值，而管路水力损失 也几乎是定值，则吸上真空高度 随着几何安装高度的Hs的增大而逐渐增大。当几何安装高度 增大到某一数值后，泵就不能工作。对应于这Hj Hj一工况的吸上真空高度即为上面所述的最大吸上真空高度 ，目前 只能靠试maxsaxs验得出。对于泵的样本上或泵的铭牌上都已明确规定的允许吸上真空高度 ，并不等于几何安装高度 ，其相互关系应为： （ ） （m） j jsgsV2hw（1-15）1.1.2 离心泵的选用自动水位控制系统第 7 页 共 29 页（1）选型的意义泵的选型是一项十分重要的工作。如果选用不当，泵在工作中流量偏大或偏小，扬程偏高或偏低，材料
16、不耐腐蚀等，都会造成使用时满足不了生产要求，且效率低寿命短。（2）泵型号的确定按结构、口径、性能的不同，泵的种类繁多。所以在确定泵的型号前，首先要掌握整个装置所需要的流量和扬程，再选择泵型（系列）然后才能确定泵的型号。流量是选泵的重要性能数据之一。它关系到整个装置的生产能力。在对装置工艺流程设计时，泵所给出的设计流量不仅要与装置设备的生产能力相协调，而且还需了解在生产中流量的变化范围，即最小流量和最大流量，以适应工况变化要求。扬程是选泵的另一个重要的性能数据。它与管路系统的布置情况，容器间的压差，克服液体在系统内流动时的摩擦阻力（包括阀门、弯头、管径的大小、长短、材料）等一系列因素有关。同时还
17、要注意，选泵用的扬程应考虑到最低吸入液面和最高输出高度，并取系统扬程的 1.051.1 倍作为选型依据。（3）水泵应用于实际水泵普遍采用交流异步电动机作原动机。这是因为异步电动机结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜。单台水泵调速运行泵的调速范围是随实际工况的不同而变化的。一般来说,调速降低不宜超过 50%，否则水泵效率很低，不能保证安全供水，当转速太低时，甚至无法抽水。如图 1-1-1 所示，学校生活用水要求出水压力在高峰和低谷时不能低于 HB，也不要高于 HA，管路系统性能曲线与调速运行的泵的性能曲线相交于 A 和 B 点(即水泵工况点) 。这种情况下，调速装置的调速范围在 nA 到 nB
18、 之间，相应的流量是 QA 和 QB。HHA HBHO0AB nAnBQAQBQ管路系统性能曲线自动水位控制系统第 8 页 共 29 页图 1-1-1 单泵供水时调速范围的控制选用了两个离心泵，一个是冠力片离心泵它的型号是 650L-3，扬程为 48m，流量为30m /h，转速为 1350r/min，配套功率为 7.5kW。另一个是清水离心泵型号是 80DL2，3扬程为 40m，流量 50m /h，额定电压 36V，配套功率 11kW，转速 1450r/min。实物如图31-1-2图 1-1-2 水泵实物图 1.1.3 离心泵的主要部件离心泵主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。（1）叶轮叶轮的作用
19、是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。叶轮一般有 612 片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种。开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。（2）泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故
20、从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。（3）轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。自动水位控制系统第 9 页 共 29 页填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。1.2 三相异步电动机1.2.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴
21、承、接线盒、吊环等其他附件，如图 1-2-1 所示。 图 1-2-1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇三相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子。（1）定子部分定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（2）转子部分转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。1.2.2 三相异步电动机的变频调速的控制三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理：一是导体被磁场切割会在导体中产生感应电动势；二是载流导体与磁场
22、相互作用，使载流导体受力而运动的理论基础上的。自动水位控制系统第 10 页 共 29 页三相异步电动机和三相同步电动机，它们的转速 公式为：n（同步电动机） （2-Pfn/601）（异步电动机） （2-)1(/)1(0sfs2）式中 -频率 -极对数 -转差率（03或 06）fP由转速公式可见，只要设法改变三相异步电动机的供电频率 ，就能十分方便地改f变电动机的转速 ，比改变极对数 和转差率 两个参数简单得多，近二十年来，由于交ns流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相异步电动机变频调速成为当前电气调速的主流。1.2.3 三相异步电动机的选用应考虑额定电压、额定功率、额定频率、额定转速、绝
23、缘等级、安装结构形式、防护型式、传动方式、起动状况以及负载情况等参数。（1）电动机铭牌上的性能指标型号：用以表示电动机的类型、性能、用途、结构特征等。额定功率：也叫容量。以 W 或 kW 表示。额定电压：电动机正常工作时，加在定子绕组线端的电压，比如 220/380V。额定电流：在额定电压、额定频率、额定功率运行时，定子绕组线端的电流。额定频率：电动机规定的交流电源的频率。额定转速：在额定电压、额定频率、额定功率、额定电流下运行时，电动机每分钟的转速。电动机的额定电压、频率要和电源电压的电压值、频率相一致，尤其对 Y/接法的电动机更应注意这一点。电动机的额定功率一般情况下要略大于所用负载的功率
24、，但不能大于两倍的负载功率。额定转速要依据被拖动机械的正常转速和传动方式决定，额定转速=被拖动机械转速传动比，转速一致时，可用联轴器传动；转速不一致时，可用皮带或齿轮传动；负载转速很低时配购减速装置。（2）电动机电压的选择电动机的额定电压应与电源电压相符。电动机只能在铭牌上规定的电压条件下使用，允许工作电压的偏差为额定电压的+10%5%。如果铭牌上标有 220V/380V，说明此电动机有两种额定电压。当电源电压为 380V 时，将电动机绕组接成 Y 形；当电源电压为 220V自动水位控制系统第 11 页 共 29 页时，将绕组接成形。（3）电动机容量的选择电动机的额定功率 (容量)必须根据被拖
25、动的生产机械所需的功率来决定。如果容量选得太小，负载超过它的额定功率，则会使电动机难以起动，即使勉强起动成功，也会因电流超过额定值而使电动机过热甚至烧毁。反之，如果容量选得太大，就不能充分发挥电动机的作用，不仅会造成资金和材料的浪费，而且电动机在轻载时效率和功率因数都降低，造成电力浪费。一般对于采用直接传动的电动机，容量以 11.1 倍负载功率为宜；对于采用皮带传动的电动机，容量以 1.051.15 倍负载功率为宜。1.3 变频器1.3.1 变频器的分类变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。目前国内外变频器的分类很多，可按
26、以下几种分类方式分类：（1）按变频环节分类可分为：交-直-交变频器、交-交变频器；（2）按电压的调制方式分类可分为：PAM（脉幅调制） 、PWM（脉宽调制） ；（3）按滤波方式分类可分为：电压型变频器、电流型变频器；（4）按输入电源的相数分类可分为：三进三出变频器、单进三出变频器；（5）按控制方式分类可分为：U/f 控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。1.3.2 变频器应用概述变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频调速具有频率范围宽、动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等特点，而三相异步电动机又有对电环境适应性
27、强、维修简单、容易实现高速大容量的优势。这两者结合使得变频调速技术在供水行业获得广泛的应用。比如说大楼供水用是水泵用变频器后可以实现。用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上：用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。随着使用水量变化，变频器可以根据管路压力控制水泵调节转速，保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。自动水位控制系统第 12 页 共 29 页所以我选用变频器来调整进水的速度。控制电路控制电路主要由主控板、键盘与显示板、电源板、外接
28、控制电路等构成。（1）主控板主控板是变频器运行的控制中心，其主要功能有：1）接受从键盘输入的各种信号。2）接受从外部控制电路输入的各种信号。3）接受内部的采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号等。4）完成 SPWM 调制，将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的 SPWM 调制指令，并分配给各逆变管的驱动电路。5）发出显示信号，向显示板和显示屏发出各种显示信号。6）发出保护指令，变频器必须根据各种采样信号随时判断其工作是否正常，一旦发现异常工况，必须发出保护指令进行保护。7）向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号、
29、故障信号等。（2）键盘与显示板键盘是向主控板发出各种信号或指令的，显示板是将主控板提供的各种数据进行显示，两者总是组合在一起。（3）电源板变频器的电源板主要提供以下电源：主控板电源、驱动电源、外控电源（4）外接控制电路1）外接给定电路2）外接输入控制电路3）外接输出电路变频器内设有多端速度功能，能进行 7 段速度特性运行，能连续、断续、保持最终值，对各种速度，能任意设置加速时间、旋转方向、运转时间等。本课题采用三速运转，高速、中速和低速指令由外部输入后，则选定频率给定信号给变频器输入指令，以所定的速度运转。三速运转外部接线如图 1-3-4。变频器的功能预置自动水位控制系统第 13 页 共 29
30、 页高速：在用水很多的情况下高速进水。中速：在用水较多的情况下中速进水。低速：在用水少的情况下低速进水。加、减时间：水泵由于水管中有一定压力的缘故，因此在转速上升和下降的过程中，惯性的作用极微，但过快地升降或降速，会在管道中引起水锤效应。所以也应将加、减速时间适当预置的长一些。PLC 变频器图 1-3-4 三速运转外部接线图1.3.3 变频器的选择变频器的最大输出功率按三相异步电动机的额定功率 11kW 也选用 11kW。变频器的容量只需按照说明书上表明的“配用电动机容量”进行选择即可。变频器容量的计算连续恒载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式： （3-6）CNPcosMk380VM2K
31、M1STFRHRMRLSDUVWX1X2X13X14X15COM Y14COMX16X20X21Y10Y13Y12Y11COMSB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7 X22自动水位控制系统第 14 页 共 29 页 （3-7）CNP310MIUk （3-8）CNI式中 -负载所要求的电动机的轴输出功率；MP-电动机的效率(通常约 0.85)；-电动机的功率因素(通常约 0.75)；cos-电动机的电压 V；MU-电动机工频电源时的电流 A；I-电流波形的修正系数(PWM 方式取 1.051.10)；k-变频器的额定容量 kVA；CNP-变频器的额定电流 A。I此类变频器容量的计
32、算公式适用与单台变频器为单台电动机连续运行的情况，以上三个等式是统一的，选择变频器时应同时满足三个等式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。1.4 传感器在科学技术高度发达的现代社会中, 人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置, 是感知、获取与检测信息的窗口, 一切科学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。 现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器
33、属于信息技术的前沿尖端产品。1.4.1 传感器的概念及组成（1）传感器的概念传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感自动水位控制系统第 15 页 共 29 页器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，它将对象特性或状态参数
34、转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。（2）传感器的组成一般是由敏感元件、转换元件和转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换为某一物理量的元器件。转换元件是指将敏感元件的输出作为它的输入，它把输入转换成电路参数量。转换电路将转换元件转换成的电路参数量接入，转换成电量输出。因为课题用于水中因此选用液位传感器，利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮式力。自由状态下的浮子能跟随液面升降，这是人尽皆知的水涨船高规律。当浮子的升降程度到达
35、设定的刻度时，行程开关开始工作。并将采集到的信号传送给 PLC。（3）传感器的原理结构：在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F 变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着： 1）激磁电路，2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，4)信号处理电路1.5 可编程序控制器目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简
36、单、运行可靠等优点，所以本课题选用可编程序控制器PLC 的硬件的主机由 CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几大部分组成，此外配备的各种外部设备如计算机可通过通信接口与主机连接。可编程序控制器（简称 PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心自动水位控制系统第 16 页 共 29 页的通用自动控制装置，PLC 是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。PLC 作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解 PLC 的结构、工作原理等。1.5.1PLC 的功能PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、通信接口，有大容量
37、的内存，有可靠的操作系统，因而具有丰富的功能。信号采集功能：可采集开关信号、模拟信号及脉冲信号。输出控制功能：可控制输出开关信号、模拟信号及脉冲信号。逻辑处理功能：可进行各种位、字节、字、双字逻辑运算。数据运算功能：可进行各种字、双字整数运算，有的还可以进行浮点运算。定时功能：可进行延时或定时控制，时间可精确到毫秒。有的还有内置实时时钟。计数功能：可进行计数，高速计数频率可达几百 kHz。中断处理功能：可实现种种内外中断，以提高对输入的响应速度。程序与数据存储功能：可存储系统设定、程序及数据，并可保证这些数据在掉电时不丢失。此外，还有联网通信、自检测、自诊断等功能。丰富的功能为 PLC 的广泛
38、应用提供了可能；同时也为工业系统的自动化、远程化、信息化及智能化创造了条件。1.5.2FX 系列可编程控制器的基本构成硬件构成（1）单片机PLC 中的单片机包含了中央处理器、随机存储器、只读存储器、串行接口 SIO、时钟CTC 等，是 PLC 的指挥系统。FX2 系列中大部分都采用表面封装技术的芯片，主板中只含两片超大规模集成电路：一片是通用 16 位 CPU，用于处理一般逻辑指令；另一片是专用逻辑处理器，用于处理高速指令、中断等。（2）电源FX2 系列 PLC 基本单元和扩展单元均采用开关电源。开关电源输出DC5V、DC12V、DC24V 三种电压等级的直流电：5V 的一路供内部 IC 用，
39、12V 的一路用以驱动输出继电器，24V 的一路提供给用户以作传感器的电源。自动水位控制系统第 17 页 共 29 页（3）通信接口FX2 系列 PLC 的基本单元带有三个与外部装置相连的通信接口，一个是连接编程器的接口，一个是连接扩展单元或扩展模块的接口，还有一个是连接特殊功能适配器的接口。（4）编程器编程器的主要功能是编写用户程序，并将用户程序送入 PLC 基本单元的用户存储器中，有些编程器还兼有监控和向主机发出各种命令的功能。（5）输入、输出接口电路1）输入接口电路 FX2 型 PLC 输入接口电路如图 1-5-4，电路中光耦的输出端设有RC 滤波器，这是为防止由于输入点的抖动及信号输入
40、线中混入的噪声引起误动作而设计的，所以输入信号从 ONOFF 或从 OFFON 变化时，PLC 输入接口电路内部约有 10ms 的响应滞后。图 1-5-4 FX2 型 PLC 输入接口电路输入接口电路中一个不容忽视的参数是输入灵敏度，也就是输入的动作电流。FX2型 PLC 的输入电流为 7mA，能引起输入动作的最小电流为 2.53mA，但为使动作可靠，输入电流必须大于 4.5mA，为了保证可靠切断，输入电流必须小于 1.5mA。因此，当输入回路中串有二极管或电阻，或者有并联电阻，或有漏电流时应特别注意，以免造成系统误动作。与 PLC 输入端 X 相连的信号输入元件可以是按钮、行程开关等无源触点
41、或接近开关、光电开关等 NPN 型集电极开路输出方式的传感器。对无源触点，应直接接在 X 端与公共输入端子传感器XCOMCOMDC电源可变程序控制器LED5V24V+24V自动水位控制系统第 18 页 共 29 页端 COM 之间；对 NPN 型集电极开路输出的传感器，应按照图 5-4 所示的方式连接。当 X端与 COM 端接通时，输入指示灯亮表示有输入信号。2）输出接口电路 FX2 型的 PLC 输出接口电路共有三种形式：一种是继电器输出型，一种是晶闸管输出型，一种是晶体管输出型。输出接口电路的隔离方式继电器输出型是利用继电器线圈与输出触点，将 PLC 内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶
42、闸管输出型是采用光控晶闸管，将 PLC 的内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶体管输出型是采用光电耦合器将 PLC 内部电路与输出晶体管进行隔离。无论哪种隔离方式都能有效地防止因外部电路故障而波及到内部电路，保证 PLC 的输出安全可靠。输出接口电路的主要技术参数5.4.2 响应时间 响应时间是表示 PLC 输出器件从 ON 状态转变为 OFF 状态，或从 OFF 状态转变为 ON状态所需要的时间。继电器型响应时间最长，从输出继电器的线圈通电或断电到输出触点 ON 或 OFF 的响应时间均为 10ms；晶闸管型从光控晶闸管获得驱动信号或失去驱动信号到晶闸管完全导通或完全截止的时间在 1ms
43、以下；晶体管型从光耦获得驱动信号或失去驱动信号到输出晶体管完全导通或完全截止的时间在 0.2ms 以下（24V、200mA 时） 。输出电流 继电器型具有较大的输出电流，一般对电压为 AC 250V 以下的电路驱动纯电阻负载的能力为 2A/点，晶闸管型和晶体管型输出电流都较小。对于感性负载，由于在断开的瞬间会产生较高的自感电势，因此在考虑 PLC 的输出电流时应留有余地。此外对交流电路中的感性负载应在负载两端并接 RC（一般 R 取 120 ，C 取 0.1 ）浪涌吸收电路，对F直流电路中的感性负载要在负载两端并接续流二极管。开路漏电流 开路漏电流指 PLC 输出处于 OFF 状态时，输出回路
44、中的电流。继电器型输出为 OFF时没有漏电流。晶闸管输出型由于在 PLC 内部与输出晶闸管并联了 RC 吸收支路，故将引起开路漏电流，此开路漏电流可能使 PLC 外部所接的小型继电器保持吸合，应加以重视。晶体管输出型开路漏电流一般较小（100 以下） ，一般不会造成输出误动作。A3）输出公共端PLC 的输出端子有两种接法：一种是输出端无公共端，每一路输出都是各自独立的；自动水位控制系统第 19 页 共 29 页另一种是若干路输出构成一组，共用一个公共端，各组的公共端用编号区分如COM1、COM2，各组公共端间相互隔离。对共用一个公共端的同一组输出，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共
45、点组可使用不同的电压类型和电压等级。 （6）输入输出继电器PLC 的输入端是其内部的输入继电器（X）从外部接收开关信号的端口，输入端与输入继电器之间是经过光电隔离的。由于输入端与输入继电器是一一对应的，所以有多少个输入继电器就有多少个输入端。FX2 系列 PLC 最多有 128 个输入继电器，故又称 128 点输入。所有输入继电器只能由输入端接收的外部信号驱动，而不能用程序驱动。输入继电器是一种电子继电器，其常开触点和常闭触点可重复使用无数次，这与普通的电磁继电器不一样。PLC 的输出端是输出继电器（Y）向外部负载输出信号的端口。输出继电器的触点分外部输出触点和内部触点两种，外部输出触点（继电
46、器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）接到 PLC 的输出端子上，且只有常开触点。内部触点如同输入继电器一样，其常开和常闭触点可重复使用无数次。输出继电器和输出端子是一一对应的，FX2 的输出继电器最多有 128 个，故又称 128 点输出。输出继电器是 PLC 唯一能驱动外部负载的元件。FX2 系列 PLC 的输入输出点数均可扩展至 128 点（即 X0X177，Y0Y177） ，使用时总点数不可超过 256 点。第二章 程序设计2.1 程序设计及相关图表在理论基础上进行实际程序的设计和开发，首先为方便设计,先制定了输入输出地址表。见表 2-1。输入信号 输出信号功能 代号 输入点编号 输出点编
47、号 代号 功能启动按钮 SB1 X1 Y10 HL 启动指示灯停止按钮 SB2 X2 Y11 KM2 接触器 2（M2 低速运行）1 号水位传感器 SQ1 X13 Y12 KM2 接触器 2（M2 中速运行）2 号水位传感器 SQ2 X14 Y13 KM2 接触器 2（M2 高速运行）自动水位控制系统第 20 页 共 29 页3 号水位传感器 SQ3 X15 Y14 KM1 接触器 1（M1 高速运行）4 号水位传感器 SQ4 X16 Y15 HL 水满指示灯5 号水位传感器 SQ5 X20 Y20 HL M2 低速指示灯6 号水位传感器 SQ6 X21 Y21 HL M2 中速指示灯7 号水
48、位传感器 SQ7 X22 Y22 HL M2 高速指示灯Y23 HL M1 高速指示灯表 2-1 输入输出地址表：功能介绍如楼顶水箱模拟图 2-2 所示，当水箱里的水不足 40%时，1 号液位传感器动作 M1、M2同时高速进水；当水位达到总容量 40%时 1 号液位传感器动作，M1 停止运行，M2 仍保持高速进水；水位到达 A 点时 2 号液位传感器动作，M2 变为中速进水；水位到达 B 点时，3 号液位传感器动作，M2 变为低速进水；水位到达 C 点时，4 号液位传感器动作，M2 停止运行，停止进水。当水位下降到 D 点时，5 号液位传感器动作，M2 低速进水；当水位下降到 E 点时，6 号液位传感器动作，M2 中速进水；当水位下降到 F 点时，7 号液位传感器动作，M2 高速进水；当水位下降到 40%以下时，1 号液位传感器动作， M1、M2 同时高速进水。为了保证维修的方便，我在程序中加了启动、停止按钮。实际运行状态见图 2-3状态流程图，具体 PLC 程序见图 2-4-1、2-4-2 程序图，在设计的过程中，需要设定变频器的功能参数，详情见表 2-5。自动水位控制系统第 21 页 共 29 页X13(1 号液位传感
