一、内容摘要

在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续性地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转成相应的电信号，主控台应用组态王软件对接收的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。

关键词：水位控制；西门子PLC S7-1200；组态王，水塔

二、概述

2.1 课程设计目的与意义

《控制系统综合设计》是自动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。

2.2 课程设计的内容

1．系统模型
选用西门子1200，构建水塔液位控制系统。利用组态王软件编写一上位机软件，实现对水塔液位控制和故障报警。
2.控制要求
当水位到达S2时，打开抽水机M，到达S1时停止抽水机M.当水位到达S4时，阀门Y开启，水位到达S3时，阀门Y关闭。
3．综合设计的具体要求
（1）给出硬件系统的电路原理图
（2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。

2.3 设计系统的主要功能

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 4S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。

三、PLC硬件设计

3.1 系统描述

随着科学技术的不断提高，社会经济的不断发展，人们对控制系统的灵敏度、节能性、易操作性等方面要求日益提高。居民及工厂供水又是一件极为重要的工作，传统的水塔水位控制方式已经不足以满足今天的要求，所以新的方式是适应时代要求的。以下便是基于组态王控制水塔水位的基本描述。
设水塔、水池初始状态都为空着的，当执行程序时，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀Y打开，开始往水池中送水，如果开启预警系统，进水超过4s，预警时间可以自定义，而水池没有超过下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警，若4s后水池液位超过下限位了，说明系统在正常工作。

3.2 控制要求

3.2.1 控制要求描述

1)当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时。
2）阀Y打开4秒，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障；
3）S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。

3.2.2 水塔水位示意图

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3.2.3 水塔水位系统控制电路

在这里插入图片描述
水塔水位系统控制主电路图

3.3 输入/输出分配

3.3.1 IO地址分配表

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3.3.2 水塔水位系统PLC接线图

在这里插入图片描述
水塔水位系统PLC接线图

四、PLC软件设计

4.1 PLC控制程序流程图

在这里插入图片描述
水塔水位系统PLC控制程序流程图

4.2 梯形图

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五、组态王设计

5.1 组态王的画面设计

5.1.1 登入界面

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5.1.2 主界面

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5.2 组态王的数据词典

在这里插入图片描述

5.3 组态王的程序设计

//水池==》 进水：3 ； 出水：-2
//水塔==》 进水：2；出水： -1
//***********复位************
if(\\本站点\复位==1)
{
\\本站点\水塔水位=0;
\\本站点\水池水位=0;
\\本站点\电机M旋转=0;
\\本站点\水塔水管流动=0;
\\本站点\水池进水管流动=0;
\\本站点\复位=0;
\\本站点\启动=0;
\\本站点\计时=0;
\\本站点\缓存当前秒=0;
\\本站点\进水阀报警时间=4;
\\本站点\进水阀Y启停=0;
\\本站点\进水阀Y故障=0;
\\本站点\进水阀Y故障报警=0;
\\本站点\电机M启停=0;
}
//*************水池进水*****************************************
//当水池水位低于S4时就打开水阀进水
if(\\本站点\水池水位<=10 && \\本站点\启动==1)
{\\本站点\进水阀Y启停=1; 
}
if(\\本站点\进水阀Y启停==1)
{
\\本站点\水池进水管流动=10;
}
//当水位到S3时就停止进水
if( \\本站点\水池水位>=90){\\本站点\进水阀Y启停=0;\\本站点\水池进水管流动=0;}
//当有故障时就停止进水
if(\\本站点\进水阀Y故障==1 )
{\\本站点\水池进水管流动=0;}
//阀Y打开进水（Y为ON），定时器开始定时，
if(\\本站点\缓存当前秒 !=\\本站点\$秒 && \\本站点\进水阀Y启停==1 && \\本站点\启动==1)
{\\本站点\缓存当前秒 =\\本站点\$秒;\\本站点\计时=\\本站点\计时+1;
}
//***\进水阀Y停止时，不计时
if(\\本站点\进水阀Y启停==0)
{\\本站点\计时=0;
}
//4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障
if(\\本站点\计时>=\\本站点\进水阀报警时间 && \\本站点\水池水位<=10)
{\\本站点\进水阀Y故障报警=1;
}
else
{
\\本站点\进水阀Y故障报警=0;
}
//***********水池进水：3
if(\\本站点\进水阀Y启停==1 && \\本站点\水池进水管流动 !=0 )
{\\本站点\水池水位=\\本站点\水池水位+3;
}
//*************水塔进水*****************************************
//水塔出水：-1
\\本站点\水塔水位=\\本站点\水塔水位-1;
if(\\本站点\水塔水位<=0)
{
\\本站点\水塔水位=0;
}
//当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转，向水塔抽水
if(\\本站点\水塔水位<=10 && \\本站点\水池水位 >=10     )
{    \\本站点\电机M启停=1;
}
//***水塔水位，当水塔水位高于水塔高水位界（S1为ON）时电机M停止。
if(\\本站点\水塔水位>=100) //水塔水位已达最高
{\\本站点\水塔水位=100;}
if(\\本站点\水塔水位>=100 || \\本站点\水池水位<=10)
{\\本站点\电机M启停=0;
}
//电机：1==》启动：抽水； 0==》停止
if(\\本站点\电机M启停==1 && \\本站点\启动==1)
{\\本站点\水塔水管流动=10;\\本站点\水塔水位=\\本站点\水塔水位+2;\\本站点\水池水位=\\本站点\水池水位-2;\\本站点\电机M旋转=\\本站点\电机M旋转+20;if(\\本站点\电机M旋转>=360){\\本站点\电机M旋转=0;}
}
else
{\\本站点\水塔水管流动=0;
}
//*************停止
if(\\本站点\启动==0)
{
\\本站点\水塔水管流动=0;
\\本站点\水池进水管流动=0;
\\本站点\进水阀Y启停=0;
\\本站点\电机M启停=0;
}

六、运行调试

在这里插入图片描述

七、课程设计体会

综合控制系统课程设计是我学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的水塔水位的自动控制系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及 PLC制作程序等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的所在。
虽然课程设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实践经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通能力和理解能力。
在设计中，首先要对本次设计所需物品进行了解，比如组态王，水塔水位等。再加上逐步分析组态王各种模拟量，以方便对设计内容建立一个大致的系统方案。其次，在设计好的系统方案基础上，对系统进行软、硬件分析，进一步对系统能否正常运行做了检查。最后，把方案实践于组态王上，检测方案能否运行成功，并画出梯形图，让人更清楚的了解系统的运行轨迹。
顺利如期的完成本次课程设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。比如我的设计在节约水能源上就有很大的不足，在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国奉献。
参考文献 [1]蒋样龙, 刘文超. 基于PLC及组态王水塔液位控制系统[J]. 伺服控制, 2015(7):3. [2]刘振方. 基于组态王组态软件与PLC水塔水位控制系统[J]. 数字通信世界, 2019(9). [3]姚振静, 高琴, 陈逊. 基于组态软件的水箱液位监控系统设计[J]. 中国科技信息, 2013. [4]李洪聪, 刘珍. 基于PLC和组态王的水塔水位控制系统[J]. 2010. [5]李洪聪, 刘珍. 基于PLC和组态王的水塔水位控制系统[J]. 2010. [6]李彪. 基于PLC与组态王的液位控制系统设计与实现[J]. 湖南科技学院学报, 2013, 34(8):4.