毕 业 设 计（论文）
（说 明 书）
题 目：基于PLC 的水塔液位自动控制系统设计 姓 名： 王 松
学 号：
平顶山工业职业技术学院
年 月 日
平顶山工业职业技术学院
毕 业 设 计 （论文） 任 务 书
姓 名 王 松
专业班级 电气自动化对口1班
任 务 下 达 日 期 年 月 日
设计（论文）开始日期 年 月 日
设计（论文）完成日期 年 月 日
设计（论文）题目： 基于PLC 的水塔液位自动控制系统设计
指 导 教 师
系（部） 主 任
年 月 日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
自动化与信息工程 学院 电气自动化技术 专业，学生 王松 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目： 基于PLC 的水塔液位自动控制系统设计
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，
经答辩委员会讨论评定，给予学生 王松 毕业设计（论文）成绩为 。
答辩委员会 人，出席 人
答辩委员会 主 任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员成员： ， ， ， ， ， ， , 。
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）评语
第 页
共 页
毕业设计（论文）及答辩评语：
摘 要
随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC 具有广泛的应用。PLC 的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本水塔水位控制系统采用PLC 为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种PLC 控制的自动调节控制系统。应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。
【关键词】：PLC ；自动控制；水塔液位
目 录
第一章 概述 ......................................................................................................... 3
1.1课题设计背景 ...................................................................................................... 3
1.2课题设计意义 ...................................................................................................... 3
1.3课题设计任务 ...................................................................................................... 4
第二章 设计方案分析与确定 . ............................................................................ 5
2.1单片机控制 .......................................................................................................... 5
2.2继电器控制 .......................................................................................................... 5
2.3可编程逻辑控制器控制....................................................................................... 5
2.4控制方案确定 ...................................................................................................... 6
第三章 硬件设计 ................................................................................................. 9
3.1水塔水位控制系统装置....................................................................................... 9
3.2水塔水位控制系统硬件选择 . .............................................................................. 9
3.3水塔水位控制系统电路设计 . ............................................................................ 10
3.4 I/O接口分配 ...................................................................................................... 11
第四章 软件设计 ............................................................................................... 13
4.1程序流程图 ........................................................................................................ 13
4.2梯形图程序设计及工作过程分析 . .................................................................... 14
4.3水塔水位控制系统梯形图 . ................................................................................ 15
结 论 ................................................................................................................. 18
致 谢 ................................................................................................................. 19
附 录 ................................................................................................................. 20
第一章 概述
1.1课题设计背景
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。不利于长远发展。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
1.2课题设计意义
随着科学技术的不断发展，自动控制技术在我国的日新月异，继电器控制系统已跟不上时代的发展要求，取而代之的是可编程控制器，以PLC 构成的自动控制水塔系统已在住宅小区中广泛应用。可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业、农业、商业、交通运输领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制核心产品。正在向更加可靠、操作简单、通用性强、价格低廉的方向发展，使自动控制实现起来更容易。在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用, 另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟, 因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。
1.3课题设计任务
本次毕业设计内容是应用S7-200 PLC控制水塔水位系统的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。通过控制S7－200 PLC的定时继电器的功能来实现水塔水位的升降。
第二章 设计方案分析与确定
2.1单片机控制
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
使用单片机设计的优点在于它们的CPU 功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压底功耗。但是编程复杂，对环境的要求较高，出现故障时进行调试不方便，可靠性不高。
2.2继电器控制
采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统，主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。
2.3可编程逻辑控制器控制
可编程控制器简称PC （Programmable Controller ），它经历了可编程序矩阵控制器PMC 、可编程序顺序控制器PSC 、可编程序逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller ）和可编程序控制器PC 几个不同时期。为与个人计算机（PC ）相区别，现在把可编程逻辑控制器简称为PLC 。它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。
可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统的一个重要特征。
如果采用PLC 作为水塔液位控制系统的控制核心，只需将程序下载到PLC 内即可。并可通过通信随时对控制系统进行调试。PLC 适应环境的能力非常强，抗干扰等方面能力都非常强大，性能价格比也很高。
2.4控制方案确定
可编程控制器控制技术与继电-接触器控制技术、单片机控制技术的异同点：
1. 功能强，性能价格比高
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。继电器是用于逻辑控制，起到过渡作用的，亦可控制小负载。PLC 是可编程逻辑控制器，是用软件来进行逻辑控制的，而继电器是用硬件结构来控制的。一台小型PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
3. 可靠性高，抗干扰能力强
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。而PLC 的编程更比单片机通俗易懂。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
4. 系统的设计、安装、调试工作量少
PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC 上的
发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
5. 编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图和单片机的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6. 维修工作量少，维修方便
PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC 上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。这些都是继电器和单片机无法比拟的。
7. 体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
将PLC 用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，目前大多品牌的PLC 内部均配有实时时钟，通过编程控制可对水塔液位实施全天候无人化管理。
8. 发展前景好
PLC 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC 理解为开关量控制的时代己经过去，PLC 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC 将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展; 另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下阶：
1). 可编程控制技术的标准化 2). CPU处理速度进一步加快 3). 可编程控制技术的智能化 4). 系统的开放性和兼容性 5). 通用性和专业化的结合 6). 可靠性进一步提高
7). 控制系统分散化 8). 控制与管理功能一体化
综合以上优点，所以本设计采用可编程序控制器实现水塔液位自动控制。
第三章 硬件设计
3.1水塔水位控制系统装置
水塔水位控制装置如图3-1所示：
水塔上限液位开关水塔下限液位开关S2S1
水塔
图3-1 水塔水位控制装置图
水池
水塔水位的工作方式
1. 当水池液位低于下限液位开关S 1，S 1此时为ON ，电磁阀打开，开始往水池里注水，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 4为OFF, 表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S 2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 3为ON ，水泵开始工作，向水塔供水，当S 3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时，则水塔上限水位开关S 4为OFF ，水泵停止。
3. 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。
3.2水塔水位控制系统硬件选择
对于这种中小型自动控制中，在主机模块选择时，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。
方案一：若选择CPU222作为主机，由于CPU222有8输入/6输出，与此设计的4输入/22输出相差16点数字量输出。还需要扩展16点数字量输出。
方案二：若选择CPU224作为主机，仍然缺少8点数字量输出，和前者相比，CPU224的存储容量增大了一倍，它可以有7个扩展模块，并且有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。是使用的相对较多的S7-200产品。
方案三：如果选用CPU226作为主机，CPU226主机为24输入/16输出，与4输入/22输出较为接近，只需扩展一片8点数字量输出的扩展模块即可。和CPU224相比，CPU226增加了通讯口的数量，使得它的通信能力大大增强，可以用于点数较多，要求较高的小型或者中型控制系统。
经过价格、性能、扩展模块的数量的比较，以及设计的要求等多方面的考虑，选用一台晶体管输出结构的CPU224小型PLC 作为控制中心最合适。CPU224的I /O点数为24
点（14入10出）。
3.3水塔水位控制系统电路设计
1.PLC 控制主电路连接如图3-3所示：
图3-3PLC 控制主电路连接图
2.PLC 控制电气连接如图3-4所示：
图3-4PLC 连接图
3.4 I/O接口分配
1. 水塔水位控制系统PLC 的输入/输出接口分配表如下表：
表3-4 水塔水位控制系统PLC 的输入/输出接口分配表
2. 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。
第四章 软件设计
4.1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4-1所示：
图4-1 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。
4.2梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC 用户都首选使用梯形图编程。
1. 梯形图编程的一般规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC 的有效范围内。
（2）梯形图是PLC 形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流; 层次的改变也只能自上而下。
（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O 态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
（6）PLC 在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC 运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU 是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
2. 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 2亮。若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A 1亮，此时，水池的液位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 5亮。当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A 3亮，水阀就关闭。但是水塔现在还没有装满，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 4亮，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 6亮。但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A 3灭。此次给水塔供水完成。
4.3水塔水位控制系统梯形图
水塔水位控制系统梯形图：
（1）启停程序：
（2）水阀控制程序：
（3）水池下限水位指示程序：
（4）水池水位报警程序：
（5）水池水位上限指示程序：
（6）水泵启停控制程序：
（7）水塔水位下限指示程序：
（8）水塔水位报警程序：
（9）水塔水位上限指示程序：
结 论
大学三年，在毕业之际，要用我这三年所学的知识做出一个设计，来给予我这三年所学知识的一个肯定。
我做的这个题目是有关PLC 的，也是将我三年所学习的知识的一个结合应用。是这次做毕业设计给予我理论与实践相结合的机会，提高了我实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计实践。让我更熟练的掌握PLC 的编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的专业基础。在对组态软件的学习当中，躺卧体会到了细节界定一切的道理，刚开始做组态的时候，由于我对一些细节不加重视，当我把自己想出来一些以为是对的东西用到组态软件上，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和我想要的结果不相符合。经过我一次次的实践，最后把正确的结果做出来时，才看到了自己的缺点。
在设计的过程中我还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。但是一味依靠他人解决问题并不能帮助自己提升，很多时候，自己还是通过查资料来解决毕业设计中遇到的问题。通过自己亲自去查找资料，不仅将自己所学的知识都进行了复习、加深理解，而且和新学的的知识有效的结合了，提升了自己。
现在我的毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次毕业设计只是对我能力的一次小小测试。这次毕业设计教给了我在以后面对时的另一条道路——自己去寻求答案。
对我来说这次毕业设计，是一个终点，同时也是一个起点。
致 谢
经过数周的查阅和整理材料，随着论文的完成，终于让学生在大学的生活，得以画下了完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了。要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。要感谢我的朋友和同学，使他们在我遇到问题是给我以指点。
通过此次的论文，我学到了很多知识，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。
在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。
总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。
再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们。
附 录
水塔液位自动控制梯形图：
毕 业 设 计（论文）
（说 明 书）
题 目：基于PLC 的水塔液位自动控制系统设计 姓 名： 王 松
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姓 名 王 松
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设计（论文）完成日期 年 月 日
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专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，
经答辩委员会讨论评定，给予学生 王松 毕业设计（论文）成绩为 。
答辩委员会 人，出席 人
答辩委员会 主 任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
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毕业设计（论文）及答辩评语：
摘 要
随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC 具有广泛的应用。PLC 的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本水塔水位控制系统采用PLC 为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种PLC 控制的自动调节控制系统。应用此控制系统能显著提高劳动效率，减少劳动强度。
【关键词】：PLC ；自动控制；水塔液位
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第一章 概述 ......................................................................................................... 3
1.1课题设计背景 ...................................................................................................... 3
1.2课题设计意义 ...................................................................................................... 3
1.3课题设计任务 ...................................................................................................... 4
第二章 设计方案分析与确定 . ............................................................................ 5
2.1单片机控制 .......................................................................................................... 5
2.2继电器控制 .......................................................................................................... 5
2.3可编程逻辑控制器控制....................................................................................... 5
2.4控制方案确定 ...................................................................................................... 6
第三章 硬件设计 ................................................................................................. 9
3.1水塔水位控制系统装置....................................................................................... 9
3.2水塔水位控制系统硬件选择 . .............................................................................. 9
3.3水塔水位控制系统电路设计 . ............................................................................ 10
3.4 I/O接口分配 ...................................................................................................... 11
第四章 软件设计 ............................................................................................... 13
4.1程序流程图 ........................................................................................................ 13
4.2梯形图程序设计及工作过程分析 . .................................................................... 14
4.3水塔水位控制系统梯形图 . ................................................................................ 15
结 论 ................................................................................................................. 18
致 谢 ................................................................................................................. 19
附 录 ................................................................................................................. 20
第一章 概述
1.1课题设计背景
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。其中，水位控制越来越重要。在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。不利于长远发展。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
1.2课题设计意义
随着科学技术的不断发展，自动控制技术在我国的日新月异，继电器控制系统已跟不上时代的发展要求，取而代之的是可编程控制器，以PLC 构成的自动控制水塔系统已在住宅小区中广泛应用。可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业、农业、商业、交通运输领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制核心产品。正在向更加可靠、操作简单、通用性强、价格低廉的方向发展，使自动控制实现起来更容易。在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用, 另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟, 因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。
1.3课题设计任务
本次毕业设计内容是应用S7-200 PLC控制水塔水位系统的硬件电路，并利用OB1的梯形图控制程序设计。通过控制S7－200 PLC的定时继电器的功能来实现水塔水位的升降。
第二章 设计方案分析与确定
2.1单片机控制
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
使用单片机设计的优点在于它们的CPU 功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压底功耗。但是编程复杂，对环境的要求较高，出现故障时进行调试不方便，可靠性不高。
2.2继电器控制
采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统，主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。
2.3可编程逻辑控制器控制
可编程控制器简称PC （Programmable Controller ），它经历了可编程序矩阵控制器PMC 、可编程序顺序控制器PSC 、可编程序逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller ）和可编程序控制器PC 几个不同时期。为与个人计算机（PC ）相区别，现在把可编程逻辑控制器简称为PLC 。它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。
可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统的一个重要特征。
如果采用PLC 作为水塔液位控制系统的控制核心，只需将程序下载到PLC 内即可。并可通过通信随时对控制系统进行调试。PLC 适应环境的能力非常强，抗干扰等方面能力都非常强大，性能价格比也很高。
2.4控制方案确定
可编程控制器控制技术与继电-接触器控制技术、单片机控制技术的异同点：
1. 功能强，性能价格比高
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。继电器是用于逻辑控制，起到过渡作用的，亦可控制小负载。PLC 是可编程逻辑控制器，是用软件来进行逻辑控制的，而继电器是用硬件结构来控制的。一台小型PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
3. 可靠性高，抗干扰能力强
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。而PLC 的编程更比单片机通俗易懂。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
4. 系统的设计、安装、调试工作量少
PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC 上的
发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
5. 编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图和单片机的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6. 维修工作量少，维修方便
PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC 上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。这些都是继电器和单片机无法比拟的。
7. 体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
将PLC 用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，目前大多品牌的PLC 内部均配有实时时钟，通过编程控制可对水塔液位实施全天候无人化管理。
8. 发展前景好
PLC 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC 理解为开关量控制的时代己经过去，PLC 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC 将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展; 另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下阶：
1). 可编程控制技术的标准化 2). CPU处理速度进一步加快 3). 可编程控制技术的智能化 4). 系统的开放性和兼容性 5). 通用性和专业化的结合 6). 可靠性进一步提高
7). 控制系统分散化 8). 控制与管理功能一体化
综合以上优点，所以本设计采用可编程序控制器实现水塔液位自动控制。
第三章 硬件设计
3.1水塔水位控制系统装置
水塔水位控制装置如图3-1所示：
水塔上限液位开关水塔下限液位开关S2S1
水塔
图3-1 水塔水位控制装置图
水池
水塔水位的工作方式
1. 当水池液位低于下限液位开关S 1，S 1此时为ON ，电磁阀打开，开始往水池里注水，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 4为OFF, 表示水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位，则S 2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 3为ON ，水泵开始工作，向水塔供水，当S 3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时，则水塔上限水位开关S 4为OFF ，水泵停止。
3. 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。
3.2水塔水位控制系统硬件选择
对于这种中小型自动控制中，在主机模块选择时，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。
方案一：若选择CPU222作为主机，由于CPU222有8输入/6输出，与此设计的4输入/22输出相差16点数字量输出。还需要扩展16点数字量输出。
方案二：若选择CPU224作为主机，仍然缺少8点数字量输出，和前者相比，CPU224的存储容量增大了一倍，它可以有7个扩展模块，并且有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。是使用的相对较多的S7-200产品。
方案三：如果选用CPU226作为主机，CPU226主机为24输入/16输出，与4输入/22输出较为接近，只需扩展一片8点数字量输出的扩展模块即可。和CPU224相比，CPU226增加了通讯口的数量，使得它的通信能力大大增强，可以用于点数较多，要求较高的小型或者中型控制系统。
经过价格、性能、扩展模块的数量的比较，以及设计的要求等多方面的考虑，选用一台晶体管输出结构的CPU224小型PLC 作为控制中心最合适。CPU224的I /O点数为24
点（14入10出）。
3.3水塔水位控制系统电路设计
1.PLC 控制主电路连接如图3-3所示：
图3-3PLC 控制主电路连接图
2.PLC 控制电气连接如图3-4所示：
图3-4PLC 连接图
3.4 I/O接口分配
1. 水塔水位控制系统PLC 的输入/输出接口分配表如下表：
表3-4 水塔水位控制系统PLC 的输入/输出接口分配表
2. 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。
第四章 软件设计
4.1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4-1所示：
图4-1 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。
4.2梯形图程序设计及工作过程分析
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC 用户都首选使用梯形图编程。
1. 梯形图编程的一般规则有：
（1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC 的有效范围内。
（2）梯形图是PLC 形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流; 层次的改变也只能自上而下。
（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“O 态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用:而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
（6）PLC 在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC 运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU 是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
2. 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 2亮。若4秒之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A 1亮，此时，水池的液位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 5亮。当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A 3亮，水阀就关闭。但是水塔现在还没有装满，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 4亮，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 6亮。但刚刚给水塔供水的时候，水泵已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A 3灭。此次给水塔供水完成。
4.3水塔水位控制系统梯形图
水塔水位控制系统梯形图：
（1）启停程序：
（2）水阀控制程序：
（3）水池下限水位指示程序：
（4）水池水位报警程序：
（5）水池水位上限指示程序：
（6）水泵启停控制程序：
（7）水塔水位下限指示程序：
（8）水塔水位报警程序：
（9）水塔水位上限指示程序：
结 论
大学三年，在毕业之际，要用我这三年所学的知识做出一个设计，来给予我这三年所学知识的一个肯定。
我做的这个题目是有关PLC 的，也是将我三年所学习的知识的一个结合应用。是这次做毕业设计给予我理论与实践相结合的机会，提高了我实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计实践。让我更熟练的掌握PLC 的编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的专业基础。在对组态软件的学习当中，躺卧体会到了细节界定一切的道理，刚开始做组态的时候，由于我对一些细节不加重视，当我把自己想出来一些以为是对的东西用到组态软件上，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和我想要的结果不相符合。经过我一次次的实践，最后把正确的结果做出来时，才看到了自己的缺点。
在设计的过程中我还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。但是一味依靠他人解决问题并不能帮助自己提升，很多时候，自己还是通过查资料来解决毕业设计中遇到的问题。通过自己亲自去查找资料，不仅将自己所学的知识都进行了复习、加深理解，而且和新学的的知识有效的结合了，提升了自己。
现在我的毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次毕业设计只是对我能力的一次小小测试。这次毕业设计教给了我在以后面对时的另一条道路——自己去寻求答案。
对我来说这次毕业设计，是一个终点，同时也是一个起点。
致 谢
经过数周的查阅和整理材料，随着论文的完成，终于让学生在大学的生活，得以画下了完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了。要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。要感谢我的朋友和同学，使他们在我遇到问题是给我以指点。
通过此次的论文，我学到了很多知识，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。
在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。
总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。
再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们。
附 录
水塔液位自动控制梯形图：