台州职业技术学院
机电学院
毕业设计成果材料
（2014届）
题 目 双水塔供水控制系统 实习单位 实习岗位 电工 专业班级 机电一体化 学生姓名 指导教师
2013年 12 月 28 日
目 录
摘 要............................................................................................................................ 3 前 言.............................................................................................................................. 3 第一章 控制方案的设计 ............................................................................................. 4
1.1 双水塔布局介绍 ................................................................................................................ 4 1.2 控制方案设计 .................................................................................................................... 5
1.2.1 控制方案的设计思路一： ..................................................................................... 6 1.2.2 控制方案的设计思路二： ..................................................................................... 6 1.2.3 控制方案的设计思路三： ..................................................................................... 6 1.3 各部件的作用 .................................................................................................................... 7
第二章 配件的选择 ..................................................................................................... 7
2.1 水泵 .................................................................................................................................... 7 2.2 先导式水用电磁阀 ............................................................................................................ 8 2.3 自动水位控制器 ................................................................................................................ 9 2.4 PLC可编程控制器 .......................................................................................................... 10
第三章 电气电路设计 ............................................................................................... 11
3.1 总体电气布局 .................................................................................................................. 11 3.2 电气原理图 ...................................................................................................................... 13
第四章 PLC程序的设计 .......................................................................................... 17
4.1 PLC输入输出分配 .......................................................................................................... 17 4.2 手动部分程序 .................................................................................................................. 18 4.3 PLC梯形图（自动部分） .............................................................................................. 19 4.4 PLC梯形图（输出部分） .............................................................................................. 21 致 谢 ................................................................................................................................. 22 参考文献 ................................................................................................................................. 22
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摘 要
水在人们正常生活和生产中起着不可替代的作用，一旦断水轻则给人们生活带来极大不便，重则可能造成严重的事故及损失。水塔供水系统是我国住宅小区及厂矿广泛应用的供水系统，水塔供水控制系统的优劣直接关系到整个供水系统的安全可靠。
传统的继电器系统元件数量多；维修复杂；维护成本高；可靠性低。现今PLC技术飞快发展，应用越来越广，在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。本论文基于可编程序控制器在双水塔供水系统的运用，介绍了供水管路的布局，配件选择，电路的设计以及PLC的编程。
关键词：PLC; 水位控制器；先导式水用电磁阀；水位检测
前 言
在这个设计中，有A,B两座大楼的楼顶分别设立了一个水塔，水塔分别为
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各自的大楼的内部供水。水塔的水来自于地面的一个水塘，水塘的水由自然的水道流入，可以不在控制系统的考虑范围内。
水塘的水经由一根水管供应给A,B两座大楼的水塔使用。因为两座水塔出水管路是各自独立的，而它们的进水管路是一根，所以就要在控制系统之中解决两个水塔需要水量不同的问题。同时，因为有时一个水塔需要进水，而另一个水塔却不需要进水；有时两个水塔需要同时进水，所以这时水泵的供水量应该可以控制的，在以上的两种情况时应有不同的供水量。
第一章 控制方案的设计
1.1 双水塔布局介绍
在这个设计中，有A,B两座大楼的楼顶分别设立了一个水塔，水塔分别为各自的大楼的内部供水。
如图：
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a— 1#水泵 b— 2#水泵 c；d— 先导式水用电磁阀 e；f；g；h— 闸阀 r；j— 水位检测
1.2 控制方案设计
因为两个水塔是不同的用水系统，所以它们的用水量是不同的，有时候A楼的水塔是满的，而B楼已经没有水了需要供水，有时候这种情况刚好相反。而有的时候两座水塔都需要供水。
这个设计中在两个水塔中各自有一个独立的水位检测装置，该检测装置采用的是DF-96系列全自动水位控制器，该控制器利用水的导电性采用电极检测水的实际的水位，当水位低于下限时控制器输出，当水位到达上限时输出停止。
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1.2.1 控制方案的设计思路一：
如果只有A楼在用水，当A楼的水塔的水位低于下限时，水位控制器r输出一个信号，PLC接收到信号后就控制a （1#水泵）启动开始抽水，同时控制c（先导式水用电磁阀）打开，于是开始向A楼水塔供水。当水塔的水位到达上限时，水位控制器的输出信号终止，PLC接收到终止信号后就控制a （1#水泵）停止，同时控制c（先导式水用电磁阀）关闭，于是向A楼水塔的供水结束。
1.2.2 控制方案的设计思路二：
如果只有B楼在用水，当B楼的水塔的水位低于下限时，水位控制器
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输
出一个信号，PLC接收到信号后就控制a （1#水泵）启动开始抽水，同时控制
d（先导式水用电磁阀）打开，于是开始向B楼水塔供水。当水塔的水位到达上
限时，水位控制器的输出信号终止，PLC接收到终止信号后就控制a （1#水泵）停止，同时控制d（先导式水用电磁阀）关闭，于是向B楼水塔的供水结束。 1.2.3 控制方案的设计思路三：
当A楼和B楼都在用水时，如果A楼的用水量大，那么A楼的水塔的水位先降低到下限以下时，水位控制器r输出信号，PLC接收到信号后就控制a （1#水泵）启动开始抽水，同时控制c（先导式水用电磁阀）打开，于是开始向A楼的水塔供水。还在给A楼供水的时候，B楼的水塔的水位也降低到下限以下，这时水位控制器j输出信号，PLC接收到信号后就控制d（先导式水用电磁阀）打开，于是开始同时向B楼水塔供水。因为要向A;B两座楼的水塔同时供水就
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需要更大的水量，所以这时PLC控制b （2#水泵）启动，这样就有两个水泵同时向两座水塔供水。当A楼水塔的水位到达上限时，水位控制器r的输出信号终止，PLC接收到终止信号后就先控制c（先导式水用电磁阀）关闭，于是向A楼水塔的供水结束。同时控制b （2#水泵）停止运行，而保持a （1#水泵）继续运行向B楼水塔供水。当B楼水塔的水位到达上限时，水位控制器j的输出信号终止，PLC接收到终止信号后就控制a （1#水泵）停止，同时控制d（先导式水用电磁阀）关闭，于是向B楼水塔的供水也结束。
1.3 各部件的作用
在这个控制方案中，a （1#水泵）作为主运行泵，两座水塔之中无论哪一个需要供水都先启动运行1#水泵。b （2#水泵）作为备用水泵，只有当两座水塔都同时需要供水时它才启动运行，当有一个水塔水位满了，2#水泵就会停止运行，而另一个水塔满了之后1#水泵才会停止运行。
在这个控制方案中，先导式水用电磁阀c；d是主控制阀，正常状态时用于供水管路的关闭和开通。闸阀g；h是备用的旁通阀，在先导式水用电磁阀
c；d出现故障失效的情况下，就可以打开闸阀g或者h，可以临时给水塔供
水。闸阀e；f作为两座水塔的总阀，用于关断两座水塔的供水。
第二章 配件的选择
2.1 水泵
这个设计的水泵采用的是ISW系列卧式管道离心泵，该系列的泵性能优良；可靠性高；寿命长；结构合理； 外形美观。适用于工业和城市给排水，高层建
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筑增压送水，园林喷灌，消防增压，远距离输送，暖通制冷循环、浴室等冷暖水循环增压及设备配套，使用温度T≤80℃。
2.2 先导式水用电磁阀
这个设计的输水管路的主控制阀采用的是ZCS系列先导式水用电磁阀， 如图：
该阀为二次开阀的先导式电磁阀，其结构主要由导阀和主阀组成，主阀采用橡胶密封结构。常位时，活动铁芯封住导阀口，阀腔内压力平衡，主阀口封闭。当线圈通电时，产生电磁力将活动铁芯吸上，主阀腔内的介质自导阀口外泄，以至产生压力差，膜片或阀杯被迅速托起，主阀口开启，阀便呈通路了。当线圈断电，磁场消失，活动铁芯复位，封闭导阀口，导阀和主阀腔内压力平衡后，阀又呈关闭状态。该阀特点：功率消耗低、通径较大，而结构简单、安装方向任意，
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但只能用于电磁阀两端有一定压差的场合
2.3 自动水位控制器
这个控制系统中两个水塔的水位检测，采用的是DF-96系列全自动水位控制器。
该控制器采用集成电路 ，结构简单，价格低廉，由于采用电极探头检测水
位，所以安装方便，而性能可靠。该水位控制器具有单控上水池；单控下水池；上下水池联合控制；水池排水及缺水保护等功能。非常适合城镇、农村、学校、工矿企业单位及家庭用水的水井—水塔供水工程。
这个设计中采用的是该控制器的单控上水池功能，单控上水池探头安装方法如图所示：
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C（黑线）：为水位检测探头的公共点，放在水池的最低点， D（绿线）、
E（黄线）不需要连接探头，把它们短接在
C（黑线）上。
B（蓝线）：为水塔水位的下限液位控制点，正常水位时B点没在水中，
通过水为介质与C点导通。当水塔的水位下降到B点水位以下时，水与B点探头脱离接触，同时C点与B点的导通就截止，水位控制器自动输出控制信号，控制水泵运行。
A（红线）：为水塔水位的上限液位控制点，当水泵运行后水塔水位开始
回升，水位先没过了B点，然后当水位上升达到A点的时候，水与A点探头接触，这时A点通过水为介质与C点导通，于是水位控制器自动停止控制信号的输出，控制水泵停止。
2.4 PLC可编程控制器
双水塔水位控制系统的最核心部件是可编程控制器，它作为控制系统的大脑，负责接收控制信号，再通过运算处理，然后输出操作信号。
可编程控制器简称——PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等特点， PLC的平均无故障运行时间(又称平均故障间隔时间MTBF)已经高达几十万小时。其次，PLC具有通用性强，使
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用方便的特点。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I／O的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
这个控制系统中的PLC采用的是三菱FX1 N-14MR-001可编程控制器，该
系列PLC是功能很强大的普及型微型PLC，FX1N系列最多可扩展到多达128个I/O点，除了可以扩展输入输出，还具有模拟量控制和通讯，链接功能等的扩展性。所以，FX1N系列可以广泛应用于一般的顺序控制。 FX1N系列可编程控制器具有的特点有：
1、机身小巧，高速运算 基本指令：0.55～0.7μs指令,应用指令:3.7～数100μs指令
2、宽裕的存储器规格，内置8000步EEPROM存贮器,无需电池，维护轻松 3、丰富的软元件范围，具有辅助继电器：1536点，定时器：256点，计数器：235点, 数据寄存器：8000点
第三章 电气电路设计
3.1 总体电气布局
这个双水塔控制系统的总体的电气布局是由三个配电箱组成，如图：
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总配电箱：总配电箱是这一个控制系统的最主要的配电箱，在里面安装着控制系统的主要电路和设备元件，有水泵电机接触器，PLC等。总配电箱安装在水泵的附近，通过二根电缆线与俩个水泵电机相连。
A楼配电箱：A楼配电箱安装在A楼水塔的附近，这个配电箱里面安装着水位控制器和一个控制先导式水用电磁阀的接触器，又有两根电缆线连接水位电极探头和先导式水用电磁阀，这个配电箱通过一根4*2.5㎟的电缆线与总配电箱相连。
B楼配电箱：B楼配电箱安装在B楼水塔的附近，这个配电箱里面安装着水位控制器和一个控制先导式水用电磁阀的接触器，又有两根电缆线连接水位电极
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探头和先导式水用电磁阀，这个配电箱通过一根4*2.5㎟的电缆线与总配电箱相连。
3.2 电气原理图
总配电箱：
QS1: 电路电源总闸刀，用于控制总配电箱的电源接通与关断。
QF1; QF2: 水泵电机断路器，可以用于水泵电机主电路的短路保护，和关断。 KM1; KM2: 水泵电机接触器，是用于控制水泵电机的运行与停止。 FR1; FR2: 水泵电机热继电器，用于水泵电机的过载保护，该热继电器的控制信号直接输入到PLC 。
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KA1: 小型继电器，控制KM1运行，该继电器由PLC输出控制。 KA2: 小型继电器，控制KM2运行，该继电器由PLC输出控制。
KA3: 小型继电器，控制A楼水塔先导式水用电磁阀运行，该继电器由PLC输出控制，该继电器输出信号“3”通到A楼配电箱。
KA4: 小型继电器，控制B楼水塔先导式水用电磁阀运行，该继电器由PLC输出控制，该继电器输出信号“4”通到B楼配电箱。
KA5: 小型继电器, 该继电器控制信号“5”由A楼水塔水位控制器输出控制，该继电器输出通到PLC输入端。
KA6: 小型继电器, 该继电器控制信号“6”由B楼水塔水位控制器输出控制，该继电器输出通到PLC输入端。 TC: 隔离变压器，是PLC电源。
A楼配电箱：
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QF1: 电源电路断路器，用于控制总配电箱的电源接通与关断。
DF-96D: 水位控制器，用于检测A楼水塔水位，并且输出控制信号“5”到总配电箱的PLC。
YV: 先导式水用电磁阀,用于A楼是水塔的供水管路的关闭和开通。 KM: 交流接触器，用于控制先导式水用电磁阀的运行，该接触器控制信号“3”来自于总配电箱。 B楼配电箱：
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QF1: 电源电路断路器，用于控制总配电箱的电源接通与关断。
DF-96D: 水位控制器，用于检测B楼水塔水位，并且输出控制信号“6”到总配电箱的PLC。
YV: 先导式水用电磁阀,用于A楼是水塔的供水管路的关闭和开通。 KM: 交流接触器，用于控制先导式水用电磁阀的运行，该接触器控制信号“4”来自于总配电箱。
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第四章 PLC程序的设计
4.1 PLC输入输出分配
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4.2 手动部分程序
手动部分在水泵调试的时候使用:
开关SA1置于手动位置，执行第一段主控指令的X0置ON，PLC内部继电器M50置ON，程序执行第一个嵌套指令。
1#水泵手动运行：开关SA2接通，输入点X1置ON,内部继电器M1置ON.内部继电器M1控制Y0输出(1#水泵启动）
2#水泵手动运行：开关SA3接通，输入点X2置ON,内部继电器M2置ON.内部继电器M2控制Y1输出(2#水泵启动）
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4.3 PLC梯形图（自动部分）
自动部分是系统的主要的工作状态。
开关SA1置于自动位置，执行第一段主控指令的X0置OFF，PLC内部继电器M51置ON，程序执行第二个嵌套指令。
当A楼水塔欠水时，KA5输出，输入点X5置ON,内部继电器M3置ON.内部继电器M5置ON，内部继电器M5控制Y0输出(1#水泵启动）。
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当B楼水塔也出现欠水时，KA6输出，输入点X6置ON,内部继电器M4置ON.因为内部继电器M3和M4置ON。所以内部继电器M6也置ON，内部继电器M6控制Y1输出(2#水泵启动）。于是两只水泵同时工作。
当A楼水塔欠水时，内部继电器M3置ON后，定时继电器T1置NO，定时继电器T1计时5s后，内部继电器M7也置ON，内部继电器M7控制Y2输出(A楼先导式水用电磁阀打开）。
当B楼水塔欠水时，内部继电器M4置ON后，定时继电器T2置NO，定时继电器T2计时5s后，内部继电器M8也置ON，内部继电器M8控制Y3输出(B楼先导式水用电磁阀打开）。
因为先导式水用电磁阀打开需要阀的两端有一定的压差，所以电磁阀要比水泵延迟打开。
当有一个水塔的水位先到了上限，假设是B楼，那么KA6停止输出，输入点X6置OFF，于是内部继电器M4置OFF，那么内部继电器M6也置OFF,于是2#水泵停止。同时，因为内部继电器M4置OFF，所以定时继电器T2复位，于是内部继电器M8置OFF,控制输出点Y3的输出停止，对应的B楼的先导式水用电磁阀关闭。
当剩下的A楼水塔的水位也到了上限，那么KA5停止输出，输入点X5置OFF，于是内部继电器M3置OFF，那么内部继电器M5也置OFF,于是1#水泵停止。同时，因为内部继电器M3置OFF，所以定时继电器T1复位，于是内部继电器M7置OFF,控制输出点Y2的输出停止，对应的B楼的先导式水用电磁阀关闭。
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4.4 PLC梯形图（输出部分）
当1#水泵或2#水泵哪个出现过载，热继电器FR1或FR2动作输出，于是输入点X3或X4置OFF，那么相对应的水泵就停止运转，同时，内部继电器M9置OFF，于是输出点Y4输出报警。
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致 谢
这是我向学校所交的最后一份综和性作业，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和
障碍，但是在指导老师的执手指导下，在同学和朋友的无私帮助下。终于完成了这一份艰巨工作，由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。
通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，开拓了视野，认识了
将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了很大的进步。
在此再次感谢我的指导老师以及同学和朋友们，祝愿你们在今后工作生活中一帆风顺，心想事成。
参考文献
[1] PLC应用开发技术与工程实践. 人民邮电出版社 [2] 可编程控制器应用技术与设计实例. 人民邮电出版社
[3] 主编，现代电气控制及PLC应用技术 北京航空航天大学出版社 [4] 中国电工产品大全， 中国物资出版社 [5] PLC编程及应用， 机械工业出版社 [6] 可编程控制器原理及应用实例 机械工业出版社
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