基于PLC的供水监控系统的设计
摘要：随着科学技术的快速发展，以及全球化的实现，人们对于自动化控制等工业方面的要求也在逐渐的提高，也因此诞生了PLC（可编程控制器）。
此次论文中所采用的系统是由PLC（可编程控制器），变频器以及水泵等组成，旨在能够改善之前的在一些地方的供水监控系统，采用PLC（可编程控制器）这一新兴技术来给与不仅仅是在各个监控站工作的监控员，甚至是那些在日常生活中的人们足够的便利，本文还概括介绍了在此设计中所包含的各种原器件的介绍，希望能够让人们能够对这个设计有更加准确的了解，该设计包含了很多方面，甚至是原器件的保护，例如指示灯，变频器以及水泵，不仅仅是使得基于PLC供水监控的便捷程度，更加为其寿命的延长起到了相当的大的作用。其中的开关设计不仅仅只有串行也可以有并行，通过变频器控制，水泵运转与PLC之间的互相作用，最终实现基于PLC的供水监控，在此设计中还包含了除湿，故障报警以及处理故障的功能，可以说是相当方便在监控站工作的监控人员，也为产品的后续可持续发展与维护提供了足够的便利。
Water supply monitoring based on PLC
Abstract: With the rapid development of science and technology and the realization of globalization, the demands for industrial aspects such as automation control have been gradually improved, and the PLC (programmable controller) has been born
The system used in this paper is made up of PLC (programmable controller), frequency converter and water pump and so on. It is designed to improve the water supply monitoring system in some places, and use the new technology of PLC (programmable controller) to give the monitors not only in the various monitoring stations, but even those in the field. People in everyday life are convenient enough, This article also summarizes the introduction of the various original devices included in the design in the hope that people can be able to understand the design more accurately. The design includes many aspects, even the protections of the original devices, such as lights, converters, and pumps, not only for PLC based water supply monitoring. The degree of Czechoslovakia has played a significant role in prolonging its life span. The switch design is not only serial but also can have parallel, through the frequency converter control, the interaction between the pump operation and the PLC, finally realizes the water supply monitoring based on the PLC. In this design, it also contains the function of dehumidification, fault alarm and malfunction. It can be said to be quite convenient to monitor the monitoring station. Personnel also provide enough convenience for subsequent sustainable development and maintenance of products.
一、选题简介、意义
随着科学技术的快速发展，以及全球化的实现，人们对于自动化控制等工业方面的要求也在逐渐的提高，也因此诞生了PLC（可编程控制器）。
此次论文中所采用的系统是由PLC（可编程控制器），变频器以及水泵等组成，旨在能够改善之前的在一些地方的供水监控系统，采用PLC（可编程控制器）这一新兴技术来给与不仅仅是在各个监控站工作的监控员，甚至是那些在日常生活中的人们足够的便利，本文还概括介绍了在此设计中所包含的各种原器件的介绍，希望能够让人们能够对这个设计有更加准确的了解，该设计包含了很多方面，甚至是原器件的保护，例如指示灯，变频器以及水泵，不仅仅是使得基于PLC供水监控的便捷程度，更加为其寿命的延长起到了相当的大的作用。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
（一）主要内容：
①PLC类型的选择
②相关监控控制系统的设计
③PLC的步骤设计：
（二）主要研究（设计）方法论述
PLC型号的选择
总体设计步骤操作
PLC控制系统的软件设计
（三）预期目标：
根据项目需求实现通过PLC对水位的监控功能等。
（四）研究步骤
本课题分为4个研究步骤：
第一阶段：查阅各种文献资料，收集资料，确定课题方案，完成开题报告。
第二阶段：完成系统框架构架，进行结构设计。
第三阶段：进行相关的内容调试。
第四阶段：整理技术资料，完成毕业设计论文答辩。
（五）工作方法及措施：
工作方法：本课题主要通过进行相关调查与实验。
措施：基于实践经验，在教师指导下，进行设计开发。
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
第一部分 引言
1课题来源以及研究意义
2本文的研究主题
3相关英文资料翻译
第二部分 基于PLC供水监控软件设计
1供水监控的结构设计
2 PLC的主要设计
3 PLC编程语言与调试
第三部分 PLC供水监控的特点
1 PLC自身软件的优点
2通过PLC监控与传统供水监控比较
第四部分 结论
第五部分 主要参考文献
致谢
一、 引言
1.1课题研究的背景和意义
随着人民生活水平的提高以及科学技术的发展，人们发现在日常生活和监控站中的供水，如果通过水泵等直接进行供水，由于用户量在不同的时间段会有所改变，导致供水量不足，这往往会造成了大量的水资源甚至是电力资源的浪费，并且为了维护水泵以及延长其使用寿命，同时，为了减少水泵运行时可能造成的噪音与对周遭环境产生的污染也是让人们头疼的一个问题，因此，如何能过寻找到一个有效且合理进行供水与监控的方式是现在人们关注的重点。在日常的供水监控过程中我们发现在这过程中，我们关注的重点别无其他就是水的流量。那么如何控制它呢，从而实现对于供水的监控，先行者们的经验是通过控制其中的阀门和转速来限流，从而做到对于水流量或者是水流量的监控，借由对阀门的开合大小程度，同时保持转速恒定，来对水流量进行监控，可是我们知道在实际生活中这样做，只是通过单纯改变水路阻力来对水流量产生改变，从而使得供等于求，第二种的常规方法与上面的大同小异，只是将恒定对象与改变对象发生了交换，实质上，两种方法没有多大的区别，只不过第二种将恒定对象变成了阀门的开合度。
随着PLC技术的发展，PLC技术在越来越多的行业成熟运用，尤其是风机，水泵，压缩机等高耗能设备上，而且运用PLC在供水监控中可以起到节能与高品质的供水，所以本次设计的重点就是PLC（可编程控制器）。
为了确保当电机启动时电机中的电流能够从初始值0渐渐增长到额定电流，现在会通过采用PLC（可编程控制）系统，借由软启动这一启动方式来实现上述效果，这就跟汽车预热发动效果一样，通过增加了自动时间，从而可以做到减轻电流增长时可能会对电网产生的冲击力，自然而然也可以降低电机在启动收到相关的启动机械带来的启动损伤，这样有利于我们对电机的保养和维护以及可持续运作，这也是我们采用这种方法的初衷。
目前，通过可编程控制器（PLC）运行供水监控逻辑控制系统，正在迅猛发展着，这种供水监控方式更加的可靠，并且具有很多大灵活性，可以更方便完成控水监控任务，这已经是当今供水监控的主流趋势了，PLC（可编程控制器）的诞生相当的符合当今时代趋势，借由个人微电子计算机技术和继电器等技术相互联动与结合，从而诞生了我们现在所熟知的PLC（可编程控制技术），其诞生从当初只是单纯为了解决工业控制领域到现在的各个控制自动化领域已经有了50多年的发展历史，它的优点包含了它所结合的产物，比如个人微电子计算机技术，使得相关领域的工作人员能够完成相关的控制要求，同时也放弃了个人微电子计算机中包含的复杂的计算机语言要求，使得人们对于这一新兴事物的门槛得以降低，从而提高了用户的基数，更加有利于PLC（可编程控制）的流行与开展使用，相关的在职人员或者是对这一技术有兴趣的人们，不必说从头开始学习困难复杂的计算机语言，只需要学习相关的PLC（可编程控制器）语言，可以说这样就能够更加推广PLC的广泛使用，甚至是只需要按照生产厂商提供给购买者的相关说明，就可以开始着手对其进行操作了，这样就能够促进PLC在基层的使用中开展应用起来，也是借由这么多优势，PLC得以成为当今现代化以及工业控制领域中的甚至可以称之为支柱，那么PLC（可编程控制器）不仅仅是因为它所使用的机器语言简单易解，便于上手，还包括了其他各种各样的优点，大部分的PLC现在都是朝着小型化的趋势发展，可体积小并没有带来任何负面影响，PLC的高可靠性以及它那强悍的逻辑性，甚至是只要有网，它就可以对程序进行修改，不仅如此，正如当今互联网的发展趋势一样，PLC也紧随时代的趋势步伐，加强了与外部程序的联动，可以进行联网远程通信，进行模数或者是数模之间的转换，可以说这样相当的便利在场工作人员的工作要求，提高了工作人员的工作效率,PLC中的运行并不是仅仅依靠文本语言还包含了图形语言，最常见的图形语言就是我们大家所了解的梯形语言图，通过图形的表达方式，其中也包含了文字表达方式，这一种表达方式，不仅仅有利于编程人员的编制与调试，甚至是对于初学者来说，想要了解PLC程序运行的原理与步骤也是直观，清晰的，这也是PLC（可编程控制器）最明显的，也是最吸引初学者和工作人员的特点。
1.2PLC的基本结构
①中央处理单元（CPU）
CPU正如它的中文翻译一样，中央处理单元，这也就说明了CPU在PLC（可编程控制器）中的作用就是对PLC进行核心处理，无论PLC中运行了任何程序与步骤，都必须要借由CPU进行处理和调整，经过接收，扫描等工作方式之后，CPU开始对它所运行或者是检测到的程序进行诊断操作，在这之后，再经过别的相关运行部件，将所运行的或者得到的结果转移到所需要的输入输出状态或者相应的输出装置，然后就会按照PLC的工作方式也就是循环扫描工作方式，这样不断的循环往复运行，直到最后的工作停止。
任何东西人们最关注的的就是其可靠性程度，为了能够确保和提升PLC（可编程控制器）的可靠性，人们把关注重点移到了类似于PLC的PC上，借由增加CPU的个数，来提升PLC的运行速度和可靠性，这样做能够保证即使PLC中的任意一个CPU发生了问题，整个系统不会受到影响，仍然能够正常运行。
存储器:能够存储系统软件的就是系统存储器，而那些存储量应用软件，不言而喻，就可以称之为用户存储器。
电源:作为给PLC（可编程控制器）提供动力的重要一环，它是重中之重，因此各个生产厂商和设计者对其也是给与了高度的重视，通常来说，其交流电压上限不会超过15％，下限不会低于10％，这样设计的目的是便于PLC能够直接连接外部交流电线或者电网上，而不需要借用额外的措施
内部结构:讨论PLC，并不是只能从外部讨论，还应该对其内部进行剖析了解，就比如说,PLC有固定式或者是结合式，类似于中央处理器，输入输出，RAM，POWER等都可以归类到固定式，结合式与固定式相比起来则是大同小异，只是多了一些外部结构，像底端板子，架子，不过与固定式不同的是，结合式PLC更强调的是通过所包含元器件，按照相应的规则进行配置结合与安装。在PLC中起到处理控制关键各种各样的任务与关键信息的就是（CPU）中央处理器单元，有的PLC中甚至有多个CPU，目的就是提高PLC运行速度，借由PLC系统程序所赋予CPU的功能来接收并且存储用户的各种相关程序和数据，PLC中主要工作方式是扫描，这点下文也会提到，通过这种工作方式，CPU将所采集到的程序或者数据再存入到规定的寄存器中，同时，还会对电源与其内部的工作状况与在编辑状况中所遇到的情况进行诊断，当PLC（可编程控制器）进入到运行状态后，再从之前所存储的程序存储器中一条一条地读取指令，在经过相关部件的分析处理之后，这些任务就会像生产线上的产品一样按照所需要的要求，达到它们最后所需要的要求或者说接受它们应该受到的调动。
PLC中的CPU和个人计算机中的CPU构成是一样的，主要有运算器，控制器，寄存器以及实现它们之间联系的数据，控制以及状态总线构成，CPU单元包括了外围芯片，总线接口以及有关电路，PLC中不可缺少的组成单元是内存，其同样用于存储程序与数据。
当然对于初学者来说，想要一口吃个饼也就是非常了解CPU内部的电路是没有必要，但是对于各部分的工作机制一定有足够的理解，其实PLC的运行状况与PC是大同小异的，就比如说CPU往往是负责控制的核心，它负责读取所需要运行的指令，编译指令最后再进行对指令的执行，而运算寄存器则是负责运算，并且把运算所得到结果存储到运算寄存器里面，同样的也是在接收控制器的指挥下进行工作。
当然在PLC（可编程控制器）中还有相当重要的两个参数就是CPU的运行处理速度和RAM容量，这两个因素往往能够直接或者间接的决定PLC的运行工作处理速度，输入输出数量甚至是所涉及到的相关软件。它们往往还能够限制控制规模。
I/O模块:I/O模块也就是所谓的输入输出模块，顾名思义，输入输出模块通常是负责PLC（可编程控制器）中的各种相关程序的输入输出，作为一个重要的模块，它不仅仅包含了PLC（可编程控制器）中的输入输出电路，而且当它输入到暂存器中还能够解释各种各样的输入信号的运行状态，作为输出点，则是负责反映输出状况，I/O模块中还包含了编程设备，它主要是负责对程序的编制，检测运行状况，甚至是到了还后期进行维护工作时，依旧是必不可少的，但是它也有一定的缺陷，缺失及时性，也就是当在现场进行控制检测等之类活动时，编程设备缺少直接参与与控制改变的能力。输入输出接口通常有几个模块例如关于模拟量的输入输出，开关量之类的输入输出。谈到模拟量，模拟量也是能够进行一番细分，例如常见的电流型或者按照bit个数进行细分。一般来说，除了通用的输入输出模块，还有特殊的模块，这些模块一般与热点或者是脉冲有关。输入输出模块的数量限制是相当的灵活但其的上限值还是会受到PLC的核心CPU所施加的限制，也就是CPU其本身所能够提供管理与配置的能力。
电源模块:电源模块的作用显而易见，就如其名一样，负责为PLC（可编程控制器）中的各个部件提供足够与相对应的电源，这其中也包括了交，直流电源。
底端构架板与机架:在PLC中使用底端构架板或者是机架的原因与作用显而易见就是因为电器上有各种各样的模块，通过使用底端构架板和机架能够实现甚至可以说是加强了各个模块之间的联系，使得PLC的核心CPU能够更加有效和合理的访问各个模块，便于管理和控制，其次就是将各个模块从一个个分散的小零部件转而集合成了一个“大家庭”。这也使得PLC做到了合一性。
1.3PLC包含的相关控制
①开关量逻辑控制
②开关量不是单纯的指简简单单的开关，它所能够涉及道的范围是当前PLC中的最宽广的领域，在他面前，那些传统的电路或者是继电器中的，都早已经被替代，淹没了在科学技术发展的长河中，它还能够实现逻辑控制，结构顺序等，甚至能够同时去控制独自的一台设备，更不用说工业化的自动流水线工程或者群体控制设备。
③模拟量控制
④许多连续变化的量在工业的生产过程中，例如：温度，压力，流量，速度以及水流量都可以冠之以模拟量来称呼，当然要想能够让PLC（可编程控制器）直接处理模拟量是不现实，我们必须先让它能够实现最必要的数字量与模拟量之间的转换或者说是模拟量与数字量之间的转换，从而最终实现了PLC(可编程控制器)对于模拟量能够做到的控制作用。
⑤运行控制
⑥PLC（可编程控制）能够像人类跑步一样进行例如直线运行或者是圆型运行，当然从早期来看，要想能够进行上述运动只能够直接通过开关量的输入输出模块连来连接到所需要进行的位置传感器上，方法看上去略显简单粗暴，随着时代进步和科学技术发展，现在早已产生了专用的控制运行模块，例如伺服电机或者步进电动机。
⑦过程控制
⑧通过对于温度，压力，流量，速度以及水流量等众多模拟量进行控制，这种闭环控制方式称之为过程控制，作为在工业控制领域以及自动化领域广泛使用的PLC，往往能够或者是需要完成各个类型的算法控制程序，来完成最终的控制，现在一般来说的话，对最终的控制进行调节的方法主要是通过比例积分微分进行控制，那些比较大型的PLC都会装有相关的控制模块来调节控制，这种模块调节处理往往也只能够运行被其本身所认可的相关程序，有排异性，确保了软件的可靠性和独立性。
⑨数据处理
⑩PLC具有以下功能例如：数学运算（矩阵，逻辑函数或者数据运算），通过对数据进行传送，转换等操作，甚至能够排序与查表，最终实现了对数据的收集，分析与处理，然后还能够与那些在早已经储存在运算寄存器中的众多数据一并进行比较，从而最终完成了定量的控制操作，再者通过借用网络功能将那些数据进行网络通信，与别的智能通信设备进行相关的联动，最后打印制表展示，进行这种大数据处理主要是为控制系统和过程控制系统而服务。
参考文献
（1）李明亮 《基于普通液压机改造的板材成对液压成形控制系统研究》
（2）张青周 《基于西门子S7-200的智能交通灯设计》
（3）方方 《自来水厂的全自动恒压力 供水监控系统的设计》
（4）《PLC基础知识简介_工业自动化_中国百科网》
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