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1、2013届毕业生毕业设计说明书题 目: 家用自动供水系统水位自动控制 学院名称： 河南工业职业技术学院 系 别： 电气工程系 班 级： 电气1001班 学生姓名： 孙小欢 学 号：0401100144 指导教师： 张季萌 2013年 05 月 2 日目 次1 概述11.1 课题研究的背景11.2 课题的任务与要求12 课题方案论证22.1 控制系统的比较22.2 系统的硬件组成22.3 系统的技术路线33 系统硬件电路的设计43.1 继电器模块的选择43.2传感器模块的选择43.3 电机模块的设计63.4 PLC模块的设计84 软件方面的设计104.1 系统电机运行流程图104.2 PLC程序
2、流程图115 系统调试12结 论13致 谢14参 考 文 献15附录A 系统总原理图16附录B 系统梯形图17191 概述1.1 课题研究的背景随着人们生活水平的逐步提高，人们对生活质量的要求也不断的提高，相应的对家用自动供水系统的要求也不断的提高，新一代的家用自动供水系统也就应运而生。老一代的自动供水系统暴露出许多的缺点，如控制精度的不达标、控制效果的不灵敏、等都会导致水资源的浪费，可见在整个水位调节的过程中，控制系统具有举足轻重的作用。水位的稳定主要是有控制系统的稳定性来保证，所以保证系统的稳定性，设计出一款新型的自动供水系统是新时代的趋势所在。1.2 课题的任务与要求本课程设计的题目是家
3、用自动供水系统水位自动控制系统的设计，主要实现的任务是保证系统实现实现水位的精密控制，以及实现水位过低过高、电流过低过高的系统停机。本课题的内容主要从硬件与软件方面来设计水位的控制系统，硬件方面要选好硬件部分的元器件，设计好系统的主控电路与辅助控制电路，设计好PLC的I/O地址分配表和I/O接口电路，从而能够达到实现系统功能的目的，而对于软件方面则主要从电机的运行流程图，PLC的内部流程图。总体来说，设计的内容能够达到课程设计的目的，实现家用自动供水系统水位的控制系统的设计。2 课题方案论证对于系统的总体方案设计，本节主要从控制系统的比较，系统的硬件组成以及该系统的技术路线三个方面来阐述，更为
4、形象的说明了该控制系统的总体样式。2.1 控制系统的比较根据现如今的水位控制系统工艺并且考虑到实用、安全、价格等多种因素，本控制系统的核心控制器主要从PLC与单片机两者来选择，下面简单介绍一下两者的特点。PLC控制系统的特点：（1）PLC的编程比较的容易，它拥有好几种编程语言，像顺序功能图，梯形图，指令表，逻辑功能图，特别是梯形图，比较的容易标称，对于一般的操作人员来说都能够进行编程。（2）具有较高的可靠性，PLC作为一种通用的工业主控制器，它能够适应各种恶劣的工作环境与工作状态，且容易检修，对工业生产的出错率较低。（3）PLC使用起来方面而且灵活，在现实生活中比较的容易控制与操作，工业生产中
5、实际的控制需要的控制的开关量比较的多，PLC实现起来更加的容易。单片机控制系统的特点：（1）单片机的编程实现起来比较的困难，单片机主要使用会变或者C语言来实现，这两种编程语言应用起来比较的困难。（2）单片机不能工作在恶劣的环境中，对环境的要求比较高。（3）单片机的功能比较的单一，不过它的处理速度很快。通过比较，笔者认为在现如今需要多点开关量控制的工作环境下正常工作的条件下，选择PLC比较的适合。2.2 系统的硬件组成该家用自动供水系统水位的控制系统的硬件电路结构单元主要有以下几部分。（1）传感器：分别用来检测水箱的液位、电机的电压、电机的电流、电机的转速。（2）PLC控制器：用来接收外部开关量
6、控制信号和传感器模拟量控制信号，进行逻辑运算、计数等处理后，以开关量输出，控制电机启动，调速和停止。（3）交流电机：用来控制水泵的进水量。（4）变频器：用来改变喂料电机的转速。（5）继电器：用来实现对电磁阀的控制。（6）其它：开关按钮、灯泡若干，开关用来控制整个系统的工作，灯泡用来显示整个系统的工作状况。系统硬件框图如下图2-1所示。图2-1 系统的硬件组成2.3 系统的技术路线对于自动供水系统水位的控制系统，我们不能只从系统的组成上来说明该控制系统实现的功能，还要从其技术路线上来说明一下。下面我们来简单的描述一下其工作情况。（1）对于水泵电机的启动与停止，可直接利用PLC的开关量去控制，其中
7、要用到开关与继电器，很容易实现，直接利用开关按钮来实现磨辊电机的启动与停止。（2）对于水泵电机的速度测量和控制可以利用PLC的扩展模块A/D与D/A模块来控制。首先，通过液位传感器检测水位的高低，给出的模拟量送入PLC的内部，PLC经过处理送出模拟量的信号控制变频器，通过改变变频器的输入值来控制水泵电机的转动动速度。当液位位于设定值以内时，正常的保证变频器的输出，当液位较高时使变频器的输出变小，使电机的转速变慢，而当液位较低时使变频器的输出变大，使电机的转速变快。当液位高于设定最高值或低于设定最低值时，可以直接控制继电器使其线圈通或断电，进而能够控制电磁阀的通断，使电机停转，系统停止。其中利用
8、到了PID控制策略，能够达到系统所要求到的精度，其控制框图2-2所示。图2-2 液位的PID控制框图3 系统硬件电路的设计本节主要从继电器模块、传感器模块、电机模块以及PLC模块等四个方面来阐述，更为形象的说明了该控制系统方案的框架结构。3.1 继电器模块的选择 欧姆龙G6DF4B型固态继电器具有以下的特点： （1）该继电器的内部触点间电弧处理的比较好，保证了元件的稳定性。 （2）该继电器的内部机械的噪声低，没有机械磨损，具有比较好的可靠性能。 （3）该继电器的具有很好的控制精度，较高的灵敏度。 （4）该继电器的常开常闭开关的反应速度很快。 （5）该继电器的开与关是用半导体器件来做的，所以能够
9、拥有很长的使用寿命。 （6）该继电器具有很好的工艺水平，防震的性能好。 （7）该继电器是用绝缘材料做成的整体，具有很好的防电性能。欧姆龙G6DF4B型固态继电器的具体参数如表3-1所示。表3-1 欧姆龙G6DF4B型固态继电器的具体参数品牌名称OMRON 所属的范围固态继电器产品系列G6DF4B触点工作形式常开型额定电压DC12 V电流的性质直流外形尺寸微型触点负载中功率防护的特征敞开形式直流电阻2 吸合电流值1 A触点切换电压2 V释放电流值1 A触点间的切换电流1 A3.2传感器模块的选择3.2.1液位传感器的选择本设计选用的是W2000超声波液位传感器，该传感器的的特点如下：（1）该传感
10、器主要是用作液位的检测，可以达到很高的精度。 （2）该传感器可以承受较为恶劣的工作环境。（3）该传感器具有很好的性价比。雷达式VEGAPULS 67型线位移传感器的优势所在：（1）该传感器具有自动功率调整、增益控制、温度补偿的功能。（2）该传感器采用先进的检测技术和计算机技术。（3）该传感器具有回波抑制的功能。（4）传感器能够保证测量结果的真实与准确。W2000超声波液位传感器的具体参数如表3-2所示。表3-2 W2000超声波液位传感器的具体参数测量范围15米输出4-20mA电源DC 24V测量精度15 mm工作温度-20-60防护等级IP63.2.2电压传感器对于电压传感器选择HV-C04
11、型霍尔电压传感器，该传感器具有很好的工作稳定性，具有很好的控制精度，体积小，重量轻，对于环境的要求低。其基本的参数情况如表3-3所示。表3-3 HV-C04型霍尔电压传感器的基本参数额定电流15mA额定电压400V输出电流20mA精度0.5%线性度误差0.1%反应时间30s工作温度-25+70工作耐压2.5KV供电电源DC12V15V原边电阻250副边电阻120重量30g3.2.3电流传感器对于电压传感器选择HZIA-C06型霍尔电流传感器，该传感器具有很好的工作稳定型，具有很好的线性性能，体积小，较轻的重量，适应于各种工作场合。其基本的参数如表3-4所示。表3-4 HZIA-C06型电流传感
12、器的基本参数额定测量电流50A过载能力1000A额定输出电压4V精度1%线性度误差0.5%响应时间10s工作温度-20+70工作耐压5KV供电电源DC12V15V耗电20mA负载电阻5000重量20g3.2.4速度传感器对于速度传感器选择HN60型霍尔转速传感器，该传感器具有较高的稳定性能，适应于很多的工作场合，结构比较的简单，重量轻，体积小。其基本的参数如表3-5所示。表3-5 HN60型霍尔电流传感器的基本参数输出的波形方波工作电压DC 24V触发形式钢铁齿轮测量精度1个脉冲检测距离0.54mm响应时间10s工作温度-25+80输出电压0.7V3.3 电机模块的设计3.3.1电机模块的选择
13、对于水泵电机可利用基本的三相异步电机，三相异步电机具有价格便宜、运行性能较好、结构简单、制造方便等基本的特点。水泵电机基本的参数为：电机型号为Y-112M-4，额定电压为380V，电机的额定功率为11KW，额定频率为50 Hz，额定电压为15A，额定转速为1450r/min，绝缘等级为B级绝缘，定子绕组的接线方式为接法。3.3.2 变频器的选择德瑞斯drs3000-v变频器是具有高度的整体模块化，较高的控制度，而且具有矢量控制的变频器，具有以下的特点：（1）能够使电机控制系统中电机保持平稳的停机，如果点击停机按钮，则该变频器可以提供反电动势，从而使其平稳地达到停机的目的。（2）该电机的矢量控制
14、具有较好的精度，如果输入该电机的参数，则可以达到更好的控制效果。（3）具有很好的调速范围和电机在低速运行时的高力矩性能。（4）如果系统运行在矢量控制模式，系统可以达到很好的保护能力。3.3.3 系统电机控制接线图对于水泵电机，需要有启动和停止两种状态，其调速由变频器通过模拟量的输入来改变，所以对于启动与停止状态的控制可以直接利用PLC内部的编程和外部的接线直接完成，采用星三角启动方式，比较简单，控制可靠，需要注意的是电气控制接线图，如图3-1所示,首先三相电接入隔离开关QS1，然后接入熔断器FU1，再接入继电器KM1的常开触头，接着接入热继电器FR1，接着接入变频器Drs3000，最后接入三相电机。其控制部分为，首先接入热继电器FR1的常闭触点，在接入急停开关按钮SB1，接着是启动开关按钮SB2，在启动按钮处并联继电器KM1的常开触点实现自锁，最后连接继电器的线圈。图3-1 水泵电机电气控制原理图3.4 PLC模块的设计3.4.1 PLC的选择本次设计采用三菱FX2N32MR系列PLC，它能够满足系统所需要的开关量的个数，能够满足系统所需要的模拟量输入输出的特点，能够达到系统所要实现的功能。PLC的主要性能指标如表3-6所示。表3-6 PLC
