水塔水位控制电路的PLC改造

张略

[摘要]在工农业生产和生活中，经常需要管理人员对水位进行测量和控制，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保证，非常麻烦。本文以此为背景采用PLC替代传统的工业继电器控制，对水塔水位传统继电器控制电路进行改造，为供水系统自动化控制的实现提供技术支持。以此说明PLC在现代生产生活中发挥的巨大效用。

[关键词]PLC；CPM2A；水塔水位控制

一、可编程控制器（PLC）的简介

1、PLC的产生

进入20世纪以后，伴随着现代化工业革命的加速进行，传统的工业继电器控制逐渐暴露出他在现代化生产中的局限性，为了适应更加精密和可靠的自动化控制流程，1968年，美国最大汽车制造商通用公司率先提出研发可以取代传统继电器的可编程控制器。通过招标，最后在1969年美国数字设备公司研发成功了世界上第一台PLC，并在通用汽车公司的生产线上使用，获得成功；随后，欧洲和日本也先后研发出多款功能强大的PLC，并且在现代工业生产中得到了推广和应用。PLC已广泛应用于冶金、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸、造纸、环保及娱乐等行业，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，同时还可以与变频器，电脑、触摸屏等设备实现联网控制。长期以来，PLC始终占据着工业自动化控制领域的主要位置，在现代工业控制领域扮演着举足轻重的角色，为各种各样的自动化设备提供了非常灵活的控制功能。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化控制的需求。

2、PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计，采用可编程序的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各类机械或生产过程。

3、PLC与传统继电器控制的区别

（1）控制方式的区别

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC

采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。把整个控制过程简单化，智能化。

（2）控制速度的区别

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动、无噪音。更安全，更可靠，更环保。

（3）延时控制区别

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

4、PLC的主要特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

可靠性高是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部接的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低。

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

5、本设计中PLC选择OMRON公司CPM2A系列的主要特点

（1）CPM2A的CPU单元与扩展I/O并用，可完成10点到100点的输入输出要求。并有AC和DC两种电源型号可选择。

（2）CPM2A汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速技术功能、中断功能，还备有2个模拟量设定。

（3）CPM2A由充足的程序容量，具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。

（4）CPM2A在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，还尽可能使安装空间最小化，而且还可连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求。

二、水塔水位控制工作要求

1、当水池水位低于水池低水界时，液面传感器的开关S3接通（ON），电磁阀门YV打开，水池进水。水位高于低水位界时，开关S3断开（OFF）。当水位升高到高于水池高水位界时，液面传感器使开关S4接通（ON），电磁门YV关闭，停止进水。

2、如果水塔水位低于水塔低水位界时，液面传感器的开关S2接通（ON），当此时S3为OFF，则电动机M运转，水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界时，液面传感器使开关S1接通（ON），电动机M停止运行，水泵停止抽水。

三、使用PLC改造控制电路的方案

1、输入/输出（I/O）点数的分配表

2、PLC外部接线图（图略）

3、梯形图设计（图略）

4、指令语句表

5、工作过程

（1）水池水位的控制：如图4所示，当水池水位低于水池低水界时，液面传感器的开关0.03（S3）接通（ON），电磁阀门10.00（YV）打开并自锁，水池进水；当水位升高到高于水池高水位界时，液面传感器使開关0.04（S4）接通（ON），电磁门10.00（YV）关闭，停止进水。

（2）水塔水位的控制：如图5所示，水塔水位低于水塔低水位界时，液面传感器的开关0.02（S2）接通（ON），当此时0.03（S3）为OFF，则电动机10.02（M）运转并自锁，水泵抽水；水塔水位上升到高于水塔高水界时，液面传感器使开关0.01（S1）接通（ON），电动机M停止运行，水泵停止抽水。

6、用PLC改造后的效果

在经济性、可靠性、稳定性、等方面呈现出显著优势，特别是在提倡低碳环保的情况下有很好的节能效果，达到节能目的的同时也提高了供水系统的质量，且由于PLC强大的扩展性可以适应今后城市供水建设的发展。

参考文献

[1]《PLC控制系统梯形图及指令表》 陆运华主编 中国电力出版社 2013

2[]《可编程序控制器技术与应用》 程周主编 电子工业出版社 2007

[3]《可编程控制器原理与应用》 周旭主编 国防工业出版社 2011