基于FX2N-32MR可编程控制器的水塔液位控制系统(一)

时间：2021-03-19 18:55:30 自动化毕业论文我要投稿

一、PLC的简介
1、PLC的基本概念……………………………………………………………1
2、PLC的基本结构 ……………………………………………………………1
3、PLC的特点 …………………………………………………………………2
4、PLC的应用领域 ……………………………………………………………3
5、PLC未来展望………………………………………………………………4
二、方案设计
1、设计题目 …………………………………………………………………5
2、设计思路 …………………………………………………………………6
3、工程流程图 ………………………………………………………………7
4、I / O端口分配 ……………………………………………………………8
5、端子接线图…………………………………………………………………8
6、主电路图……………………………………………………………………9
7、设计方案（一）……………………………………………………………10
8、设计方案（二） …………………………………………………………12
9、系统调试 …………………………………………………………………14
心得体会 ………………………………………………………………………16
参考文献 ………………………………………………………………………17

一、PLC简介

1、PLC的基本概念

　　可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

2、PLC的基本结构
　　PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
　　a、电源
　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
　　b. 中央处理单元(CPU)
　　中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
　　为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
　　c、存储器
　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
　　d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC
与现场控制的接口界面的输入通道。
　　2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
　　e、功能模块
　　如计数、定位等功能模块。
　　f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

3、PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。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。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（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。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。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。

4、 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，
如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

5、 PLC未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

二、方案设计

1、设计题目

基于FX2N---32MR可编程控制器的水塔液位控制系统

控制要求：
如图所示，S1~S4为液位传感器，液位淹没时接通。系统控制要求如下：当水池液位低于S4时，电磁阀Y打开进水，当液位升至S3时，电磁阀关闭停止进水：此时，若水塔液位低于S2，则电动机M开始运转抽水，当水塔液位升至S1时，电动机M停止运转。

2、设计思路

系统中辅助控制软元件能实现系统的启动与停止控制，以便更好地实现对电动机和电磁阀的控制，使系统更简单、安全、可靠。
水位在不超过S4的'情况下，电动机M不可以运转抽水，因此在电动机M控制支路Y2接传感器S4的常开开关软元件，当水位液位低于S4时，电磁阀Y1接通，打开阀门，水池进水，若水位超过S4但不超过S3，电磁阀依然保持进水，因此对电磁阀也应该在控制支路上加上一个自锁环节。
当水池液位高于S3时，电磁阀关闭停止进水，因此在电磁阀Y1的控制支路上应串上S3的常闭触点，当水位到达S3时断开，导致Y1关闭。当水位超过S4时，若水塔的液位低于S2时，电动机M运转抽水，所以Y2上要接上S2的常闭触点，当水位高过S2时，仍然继续抽水，因此在Y1的控制支路接自锁环节。当水位高过S1时停止抽水，所以在Y1上接S1的常闭触点，设计师应注意电磁阀Y1的进水量大于抽水机的抽水量，才能保证系统正确运行，防止间断的抽水，降低工作效率。

3、工程流程图

如图一所示：

图一功能流程图
4、I / O端口分配

表一、输入输出设备与PLC输入输出端口的对应关系
输入设备输入端口编号输出设备输出端口编号
启动按钮SB1 X0 控制电磁阀
继电接触器 Y1
传感器S1 X1
传感器S2 X2 控制电动机M
继电接触器 Y2
传感器S3 X3
传感器S4 X4 辅助继电器M MO
停止按钮SB2 X5

5、端子接线图
水塔水位系统的输入/输出设备是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有6个开关量，开关量输出触点有3个，输入、输出触点数共有9个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制系统的端子接线图如图二所示：
图二、端子接线图
主电路图

如图三所示：

图三、主电路图

7、设计方案（一）

梯形图

如图四所示：

图四、梯形图

(2) 设计程序

      如表二所示：
          0     LD      X0
          1     OR      M0
          2     ANI     X5
          3     OUT     M0
          4     LD      X4
          5     OR      Y1
          6     AND     M0
          7     ANI     X4
          8     OUT     Y1
             9     LD      X2
          10    OR      Y2
          11    AND     M0
          12    ANI     X1
          13    ANI     X4
          14    OUT     Y2
             15    END

表二、程序指令表

8、设计方案（二）

状态转移图
如图五所示：
图五、状态转移图
(2) 步进梯形图

如图六所示：

图六、步进梯形图
步进程序

如表三所示：

0     LD      M8002                   18     SET      Y1
1     SET     S0                      19     LD       X1
2     STL     S0                      20     SET      S24
3     LD      X0                      21     STL      S24
4     SET     S20                     22     RST      Y2
5     STL     S20                     23     LD       X5
6     LDI     X4                      24     OUT      S0
7     AND     X2                      25     LDI      X5
8     OUT     S22                     26     OUT      S20
9     LD      X4                      27     STL      S23
10    SET     S21                     28     RST      Y1
11    STL     S21                     29     LD       X5
12    SET     Y1                      30     OUT      S0
13    LD      X2                      31     LDI      X5
14    SET     S22                     32     OUT      S20
15    LD      X3                      33     RST
16    SET     S23                     34     END
17    STL     S22

表三、步进程序指令表

9、系统调试

1．试验设备：三菱FX2N —30MR、PLC一台，手持编程器一台，控制开关面板一个。通过手持编程器将所编的程序输入到三菱PLC中，程序输入完毕，即可通过面板操作，根据程序的输入要求动作，并在面板自带的信号灯显示来观察相应的输出情况。另外，可以通过手持编程器的DR/WR、INS/DEL指令对程序进行修改或从新编程；并且还可以用MNT/TEST指令对已编好的程序进行检测与监控，从中可以查看程序有无错误。
调试过程
程序输入PLC后，检测无明显的程序错误，开始测试。
按下启动按钮后，
若X4闭合，Y1灯亮，表示电磁阀打开进水，X4断开后（水位超过S4液位传感器）。此时 a、若X2断开，则Y2不会亮（电动机不转），Y1持续亮着（持续进水）；直到X3闭合（液位超过S3）,Y1灯熄灭（电磁阀关闭，停止进水）。 b、若X2闭合，则Y2亮（电动机开始运转抽水），此时，Y1、Y2一起亮；当X1闭合（水塔水满），Y2灯熄灭，Y1持续亮直到X3闭合为止（水池水满）。
若X4断开（水位超过S4）Y1灯不亮（电磁阀不动作），当X2断开时，Y2也不亮，顺序无动作，当X2闭合（水塔水位低于S2）时，Y2灯亮（电动机运转），直到X1闭合（水塔水满）。
时序图

如图七所示：
图七、时序图

心得体会

通过PLC课程设计，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。这次课程设计是两个人共同完成的。通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题。在沟通交流后，我们彼此形成了默契，感情也加深了。
通过此次课程设计，让我对PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
这次设计过程中碰到了不少问题。比如用CAD画图，已经好久没用过CAD了，突然要用到CAD，感到措手不及。在同伴的帮忙下，我重新熟悉了CAD软件，我们顺利的完成了画图工作。
虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流效果很好。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了使最后设计思路统一。讨论不仅是一些理论的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学则殆。做事要学思结合。
经过三周的设计过程，我感触很深。我要感谢老师和同学的帮忙。我们顺利完成了课程设计。

参考文献

[1] 史国生．电气控制及可编程序控制器技术．3版[M]．北京：化学工业出版社，2010
[2] 张万忠．可编程控制器应用技术 [M]．北京：化学工业出版社，2001
[3]《可编程控制器使用技术》，王兆义编，北京：机械工业出版社，2004
[4]《可编程控制器原理及应用》，钟肇新编，广州：华南理工大学出版社，1999
[5]《OMRON可编程序控制器操作手册》，日本电气株式会社，1997
[6]《PLC应用技术200例》，曲非非， 2003
[7]《可编程序控制器原理及应用系统设计技术》，宋德玉主编，冶金工业出版社出版
[8]《可编程序控制器教程》，黄云龙主编，科学出版社出版
[9]《可编程控制器原理及应用》，路林吉，王坚，江龙康编著，清华大学出版社出版
[10]《可编程序控制器技术与应用系统设计》，陈在平编，北京：机械工业出版社，2003

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