基于电气控制回路和PLC的水池自动排水系统设计

隋安方

摘 要：利用西门子S7-300可编程控制器编写的一个水池液位控制系统，把WinCC作为人机对话界面，检验和操作PLC控制系统的运行，另外现场配置按钮控制箱，方便现场进行手动启停抽水泵。实践证明，PLC可遍程控制器和电气控制回路结合有利于工业水池液位的设计、检测和维护，具有良好的应用价值。

关键词：PLC；气动隔膜泵；S7-300编程软件；WinCC

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0008-02

1 系统设计背景

在我厂CP工段，原料需要加热至200 ℃以上的高温在挤出机中成型，再经过水冷等环节使之冷却。我公司采用的是水冷槽进行冷却料条，该方法从生产出料到冷却切粒，无论是控制料条还是高温设备的冷却当中都需要大量的循环冷却水。循环水如果无法按时排出，所造成的损失是非常严重的，停产是必然的，工厂里大量的高温设备也将在顷刻间变成一堆废铁，后果不堪设想。

我公司生产线原循环回水池一直是靠人工控制水位，由于工人的疏忽出过几次事故，因抽干烧坏了几台泵，而且控制效果不是很理想。为了有效控制循环水的排出，保证安全、高效生产，我和厂内相关人员合作共同对该环节进行了技术创新，水位自动控制装置包括PLC和人机界面WinCC，这两种都是西门子的产品，兼容性较好。

此装置可以根据使用者的要求，自动控制水池中水位的高低，当水位高于预先设定水位时，水位控制装置会自动启动抽水泵进行排水，降到一定的水位后，抽水泵停止排水。另外，吸取教训，将电动抽水泵改为气动隔膜泵，可以有效地避免因抽空对泵的损坏，而且安全防爆。

2 PLC与WinCC的结合运用的意义

随着PLC的发展，越来越多的产品已离不开它。PLC有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用。PLC能使现在产品向微型化、网络化、PC化和开放性等方向发展，使其更具有安全、实用等特性。WinCC人机界面的出现使西门子的PLC系统又上了一个新的台阶，它不仅可以监视整个系统的运行情况并以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映PLC内部位状态，存储器数值，从而直观反应工业控制系统的流程、走向。而且通过人机界面操作可以改变PLC内部位状态和存储器数值，从而参与过程控制。

工业控制自动化技术作为21世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。大力发展工业自动化是加快传统产业改造提升、提高企业整体素质、提高国家整体国力、调整工业结构、迅速搞活大中型企业的有效途径和手段。

3 设计理念

整改该液位控制具体分下面三步进行：

①将现场水位通过浮球开关信号值接入PLC系统DI模块，逻辑运算后输出，启停电磁阀，电磁阀控制气路的通断，进而驱动气动隔膜泵的启停。

②组态方面：运用PLC系统梯形图以达到自动跟踪控制目的，在电脑WinCC人机界面加设一水位高低报警显示及控制状态界面。

③根据工艺提供参数，对现场浮球开关进行固定位置，保证能够在适当的时候启停抽水泵。

经过反复的参数调整调试后，控制已达预期效果，于是很快地就切换投入使用。但在正常运行了将近一个月，意想不到的事情发生了，中控室操作员向我们反映水位失控，我立即到现场检查发现水池已满正向外溢水而泵却未运行。后来查出原因是由于浮球液位开关卡住失灵，导致无信号输出而系统只能误认为是低水位而停止输出，但是由于现场与控制室之间距离较远，去控制室手动操作就无法看到现场状况，这样就造成了检修上的困扰，而且极易造成水池抽空对泵体造成损害，这主要是由于当时设计时没有考虑到这一点而遗留隐患，针对这项疏漏，我又在水池边装设了现场操作按钮箱。当液位控制器因故障无法投自动时，我们可以现场根据实际情况进行操作。加设这项保护可以预防当液位浮球开关实际水位信号中断或错乱，其液位都可控制在所限制超高/超低水位范围内，避免水池抽干或溢水事故。

4 液位控制系统设计

4.1 电气控制回路的设计

液位控制的电气图如图1所示。

VALUE：为气动隔膜泵的气源控制电磁阀，选型为24VDC供电，现场安装有按钮箱。

KA1：中间继电器，在控制回路中起到自锁的功能。

START：现场的启动按钮，需在手动状态时有效。

STOP：停止按钮，需在动状态时有效。

KM1：主接触器，选一组常开触点控制电磁阀电源通断，另选一组常开和常闭触点控制启停信号灯的指示。

AUTO/MAN：现场手自动切换按钮，自动状态下，能够实现无人操作自动控制电磁阀通断，从而实现气动隔膜泵的启动停止。

4.2 PLC在液位控制系统中的应用

在这套控制系统中，PLC主要是采集现场生产信息，及时向人机界面传送各类生产状态和数据如：高低液位开关的状态、气动隔膜泵控制电磁阀的状态、各部件的传感信号，使人机界面能以生动形象的动画形式及时显示出来，PLC根据程序运行结果和发布的指令来控制现场设备。绘制梯形图如图2所示。

图中：

I0.0：代表现场按钮箱就地/远程旋钮的状态；

I0.1：代表人机界面上手自动切换按钮的状态；

I0.2：代表人机界面上手动状态下启停按钮的状态；

I0.3：代表现场的水池液位下限浮球开关状态；

I0.4：代表现场的水池液位上限浮球开关状态。

4.3 WinCC人机画面的制作采用

使用SIMATIC WinCC Explorer编辑工具软件完成此次画面的制作。鉴于此系统为CP工段中的一个部分，所以在不改动原系统的基础上新加一个画面，如图3所示。

在画面中设计了手动和自动选择开关，用于选择在此画面上手动操作，还是投入自动让PLC控制现场隔膜泵自动启停：手动停止和手动启动两个按钮在投到手动才可以使用；高、低液位是显示报警状态，能够直观反映出现场水池液位情况。

5 结 语

在整个设计过程中，此次毕业设计先后经历了五个阶段，查找分析阶段，总体设计阶段，详细设计阶段，编程实现阶段和程序调试阶段，最终完成了一个基本实用的水池液位控制系统。通过这次毕业设计，受益匪浅，从中明白了许多道理，学到了很多新东西，为今后的工作打下了基础。更重要的是，懂得了以前学习的东西还不够，还要不断的认真学习新知识，还有很多地方需要提高，并要在实际工作中不断实践，不断提高设计和编程的能力，逐步弥补不足，以适应时代发展的要求。采用电气回路和PLC的双控制系统，硬件结构简单，响应速度快，性价比很高，和其他系统相比具有极高的可靠性。经现场使用考验，性能稳定，运行可靠。另外，还可以根据实际需要很方便地进行扩展。程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求，对于现代工业控制及民生工程，控制系统还可以通过通讯模块纳入到整个监控系统之中，体现出极大的灵活性和适应性，具有很好的实际推广价值。

参考文献：

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