基于单片机的工业循环水系统电气控制

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸第1章 前言随着工业的发展，人们越来越重视科学、稳定以及环保的生产生活方式；上述生产方式有赖于生产机器的稳定高效的运行，高效的运行可以利用一定的技术手段对设备进行改造达到目的，相应的，由于高效的生产方式，能量消耗的增加必然造成设备热能的散失加剧，这些热能使得设备的内部部件老化程度加快甚至故障，那么相应的冷却系统也就应运而生了。水冷以其卓越的散热效果以及其经济性而倍受青睐，但是在水资源日益缺乏的今天，一次性的水冷无论从它的环保性以及其花费来说都不是好的选择，那么，一个经济高效的水循环系统就满足上述要求。现在的水循环系统已经得到了广泛的运用，从大的如核电站，钢铁机加工企业到小的如电子，IT行业都有涉及，这其中前者占有绝大部分的份额。近些年，国家提出的节能减排的要求更加速了高效环保的水循环冷却系统的发展，这方面的技术也越来越受重视。在PLC还未出现时候，传统的工业控制用的是继电器控制，这种控制电路有着不可抗拒的不利因素：安装不便，检修不易，不经济，抗干扰能力差；PLC以其安装方便，经济耐用，可靠性高，抗干扰能力强等优点在近些年发挥了重大的作用，不少厂家纷纷把以前烦琐的线路改造成PLC控制。所以，PLC及相关系统电路设计及运用对电气方向的大学生来讲是必备的技能，基于PLC的工业水循环电控系统的设计不论从技术的角度还是从发展的潜力都有着相当大的意义。本篇论文从主电路的设计，控制检测电路的设计，电气设备的选择，PLC的控制线路以及端口的分配和编程集中反映了工业水循环的电控系统的设计，调试，运用，从理论上描述了PLC控制水循环的运行机制，起到抛砖引玉的作用。第2章 可编程控制器的概述可编程控制器，简称PC或PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，近年来，已被国内外广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业自动化的支柱产品。为了更好的认识可编程控制器，现在将从以下几个方面加以介绍。2.1 可编程控制器的由来与定义2.1.1可编程控制器的由来20世纪60年代，计算机技术已开始应用于控制领域，但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因而未能广泛应用于工业控制。1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，在汽车设计时以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统，降低成本，缩短时间。设想把计算机的完备功能、灵活性和通用性等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种能适应工业环境的通用装置。并把计算机的编程方法和输入方法加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语句”进行编程，使得不熟悉计算机的人也能方便使用。装置的要求充分体现在提出的招标指标中：1） 编程简单，可在现场修改程序；2） 维护方便，最好是插件式；3） 可靠性高于继电器控制柜；4） 体积小于继电器控制柜；5） 可将数据直接送入管理计算机；6） 在成本上可与继电器柜竞争；7） 输入可以是交流115V；8） 在扩展时，原有系统只需作很小变更；9） 输出交流115V以上，2A以上，能直接驱动电磁阀；10） 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。根据招标要求，一年以后，美国数字设备公司率先研制出第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的装配线上试用，获得成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度迅速地发展起来。2.1.2 可编程控制器的定义1987年2月，国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案第三稿。该草案对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数字运行操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和识字运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围有关的设备，都按易于与工业系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则进行设计。2.2 可编程控制器的功能与特点2.2.1 可编程控制器的功能 早期出现的可编程控制器只是用来取代继电器控制，它只具备逻辑控制、计数等较少功能，人们把它称为可编程逻辑控制器，简称PLC。随着微电子技术、大规模集成电路及微型计算机的发展，20世纪70年代中期微处理器和微机技术应用到产品中。使PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传输与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，进一步扩大了其工业控制领域。近年来，随着自动化技术、计算机技术和通信技术的相融，它还可以完成以下功能：1） 逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能够扫描继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。2） 定时控制 PLC具有定时控制功能。它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指令，定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中读出或修改，使用灵活，操作方便。3）计数控制 PLC还具有计数功能。它为用户设置了若干个计数器并设置了计数指令，计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中读出或修改，使用操作都很灵活方便。4） 步进控制 PLC能完成步进控制功能。步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。PC为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。5) A/D、D/A转换 有些可编程控制器还具有“模数”转换和“数模”转换功能，能完成对模拟量的控制与调节。6) 数据处理 有的PLC还具有数据处理功能，并具有并行运算指令，能进行并行数据传送、比较和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除、等运算，还能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数据转换等操作，并可对数据存储器进行间接寻址，与打印机相连而打印出有关数据及梯形图。7) 通信与网络 有些PLC采用了通信技术，可以进行远程I/O控制，多台之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接，接受计算命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和若干台PLC可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。8) 对控制系统监控 PLC配置有较强的监控功能，它能够记忆某些异常情况，或当发生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数等设定值，因而调试、使用和维护方便。2.2.2 可编程控制器的特点1) 可靠性高，抗干扰能力强 ;2) 编程简单，易于掌握;3) 组合灵活使用方便;4) 功能强，通用性好;5) 开发周期短，成功率高;6) 体积小，重量轻，功耗低。.3 传统控制电路与PLC控制电路的比较在传统的工业水循环系统中，系统的控制主要是以继电器为主的控制电路来达到目的,然而,传统的控制电路有着不可抗拒的不利因素，从继电器的材料来看，继电器的触点表面是由一层氧化层镀在上面，通常为银制，长期的碰撞和电弧温度的灼烧熔化导致时常要去检修并伴随着短路停机的发生，安全性和抗干扰性较差；同时，继电器一旦用得太多，必然伴随着导线线路的连接增加，检查起来十分不便，并且导线的发热导致电流的不稳定，对需要精确控制的系统带来了很大的不便。由于PLC的引入使得上述的情况得以解决，通过端口的设置及编程使得继电器为主所构成的控制回路可以以编程的形式得以解决，操作较为容易，除主电路外，只需要部分的检测和控制电路就可以达到控制目的，且软件自身拥有的辅助继电器数量不受限制，体积较小安装方便，价格相对长期投入的继电器来说便宜且程序可以改写，方便易行，检修容易，抗干扰能力优于传统控制电路，是工厂自动控制的发展趋势和方向。2.4可编程控制器发展概况2.4.1可编程控制器在国外主要工业国家的应用与发展自从美国研制出世界上第一台可编程控制器以后，日本、德国、法国等工业发达国家分别研制出各自的PC。70年代中期在PC中引入了微机技术，使其功能不断增强，质量不断提高，应用日益广泛。目前PC已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、数字、步进、机器人、模拟量等自动控制，有人认为PC已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。据资料介绍，美国一家公司曾对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业400多个工厂企业进行调查的结果表明，PC的需求量占各类自动化仪表或自动化设备之首。有82%的厂家使用PC，43%的厂家使用计算机控制技术，36%的厂家使用专用控制器。进入90年代，在美国登记的PC公司已有88家，产品377种。1971年日本从美国引进PC技术，很快研制日本第一台DSC-8型PC，早在1984年日本就有30多个PC的生产厂家，产品60种以上。西欧在1973年研制出他们的第一台PC，并且发展很快，年销售增长率在20%以上。目前世界上众多的PC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国公司、歌德公司、德州仪器公司、通用电气公司、德国西门子公司、日本的三菱、东芝、富士和立石公司等。它们的产品控制着世界上大部分的市场。2.4.2PLC在我国的发展状况我国研制与应用PC较晚，1973年开始研制，1977年开始应用，80年代初期以前发展较慢，80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PC,宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的PC,二期工程也使用了更多的 PC。PC市场方面，我国已有许多单位在消化吸收引进技术的基础上，仿制或研制了PC，80年代中后期，我国开发应用技术发展迅速，例如资料介绍东风汽车公司装备系统从1986年起，全面采用PC设备进行更新改造，至1991年止一共改造设备1000多台，并取得了明显的经济效益，1995年广州第二电梯厂，已把PC成功地应用于技术要求复杂的高层电梯控制上，并已投入大量生产。从近几年召开的学术会议及有关文献介绍可见，我国研制尤其是应用技术日益广泛，日趋成熟。2.5未来PLC的发展方向1) 向高速、大容量方向发展 随着复杂控制系统要求越来越高和微处理器与微型计算机技术的发展，可编程控制器的信息处理和响应速度要求越来越高，用户存储容量也越来越大，例如有的PLC产品扫描速度0.1us/步，用户存储容量最大达几十兆字节。2) 加强网络和通信能力 PLC网络控制是当前控制系统和PC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信以得到广泛应用。各种PLC制造厂都在发展自身专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。厂商之间也在协议制定通用的通信标准，以构成更大的网络系统，目前几乎所有PLC制造厂都宣布自己的PLC产品都能与通用局域网MAP相联，PLC已成为集散控制系统(DCS)不可缺少的重要组成部分。3) 致力于开发新型智能I/O功能模块 智能I/O模块是以微处理为核心的功能部件，是一种多CPU系统，他与主机CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PC系统的运行速度，信息处理速度和控制功能。专用I/O功能模块还能满足某些特殊控制对象的特殊控制要求。4) 增强外部故障的检测和处理能力 根据统计分析，在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O通道占15%，传感器占45%，执行器件占30%，线路占5%。前二项共20%故障属PC本身原因，它可以通过CPU本身的硬，软件检测、处理，而其余80%故障属于PC外部故障，无法通过自诊断检测处理。因此，各厂家都在发展专用于检测外部故障的专用智能模块，以进一步提高系统的可靠性。5)编程语言多样化 多种编程语言的并存，互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。梯形图语言虽然方便、直观、易学易懂，但主要适应于逻辑控制领域。为适应各种控制需要，目前已经出现许多编程语言，如：面向顺序控制的步进顺控语句、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（汇编、BASIC、C语言等），还有布尔逻辑语言。第3章 电气图设计3.1工业水循环的一般流程概述工业水循环系统中一般有一组水泵作为水循环的动力来源，通过叶片等把储水池里的水打入水管，对要冷却的机器进行降温，降温过后的高温水在厂房上的冷却塔上通过电机带动叶片进行降温，最后把降温后的水排入储水池，循环使用，储水池有一个进水管和一个出水管，进水是温度低的自然水，出水管排放储水池的水。示意图如下：图3.1 工业水循环示意图3.2工艺流程要求根据论文要求一铝合金压铸厂拥有250kW晶闸管中频熔炼电炉两台及4001600t铝合金压铸机数台，这些设备都要用水冷却，要求冷却水压力不应低于0.25Mpa，温度不宜高于35,为此配置一套循环水系统，3台离心式水泵流量Q=50m3/h,扬程H=32m,电动机功率PN=7.5kW，用水量最大时开两台水泵就可满足生产要求，这样可以在有1台水泵损坏需要修理时仍然能满负荷生产；100m3/h玻璃钢冷却水塔1座，其冷却风机的功率为3kW，夏季在风机运转时可使从设备返回的循环水温度下降35；冷却水塔下面的储水池约50m3。水泵出口至生产车间的供水总管上除装设就地显示的数字式压力表外，还装了00.6Mpa压力传感器及pt100铂热电阻等，它们的数字控制仪安装在电气控制柜上，当循环水的供水压力地于0.25Mpa或温度达到35以上时，发出报警信号，提示值班人员及时进行处理。循环水系统设备的电气控制柜装在水泵房内，用户还要求在生产车间也能对这些设备进行操作，为此在车间里也安装了一只操作箱。由于储水池和水泵房均在室外地下，平时无人职守，为防止水泵房内积水过多，在泵房一角设置了长宽深为0.6m0.6m0.8m的集水坑，在控制柜上有指示灯及开关等，可以手动或自动启、停潜水泵，将坑内积水排出。系统采用温度、压力数字显示控制仪表各一套，温度仪表设置上限报警，压力仪表设置下限报警，系统用一个报警铃和各一个显示灯作为报警系统。报警器应装在维修人员的值班地点。 储水池由池子和注水管道及出水管道构成，注水管道上设一浮球阀，当水位低于水位时注入水，当水位过高时关闭阀门，防止水位过高造成资源浪费。出水管道有一个阀门，当水温过高时避免停机做紧急使用，使水池的热水排放到下水道，水位下降，入水管道的阀门打开补充温度较低的自来水；由于两个阀门不为电控故没在设计图中画出。3.3 主电路的设计主电路的构成主要是被控制的电机组件，任务是通过控制电路的作用完成预定的目标，主电路设计的好坏直接关系到整个系统的功能是否完整，所需要的动力是否充足，反应是否灵敏等。3.3.1 主电路概述主电路由工业三相交流380V电源构成主线路，M1，M2，M3为型号一样的离心式水泵，流量Q=50m3/h，扬程H=32m，电动机功率PN=7.5kW，M4为一台功率为3kW的电机作为冷却塔风机电机，M5为潜水泵电机，在主线路和各个支线路上设置组合开关,熔断器和热继电器作为过热过载保护，保护电机和线路安全，同时安装接触器，其线圈连在PLC上控制开机，由于所有电机为交流异步电机且功率小于等于7.5 kW且无特殊停车要求，所以选择直接启动，自由停车。图3.2 工业水循环主电路图3.3.2主电路器件参数设定主电路的器件参数确定如下：1.电机的选择3个水泵电功率为PN=7.5kW查表可知使用Y-132S2-2系列的三项异步电机，PN=7.5kW，额定转速NN =2900r/min，额定电压UN=380V，三角形接法，额定电流IN =15A，额定效率=86.2%，功率因数cos=0.88。电机M4的电功率为PN=3kW，电机M5同样选择电功率PN =3kW。查表可知所选用的电机为Y-1328-6系列的三项异步电机，PN =3kW额定转速NN =960r/min，额定电压UN=380V，三角形接法，额定电流IN =7.2A，额定效率=83%，功率因数cos=0.76。由于全部电机都是小容量电机。在一般电网容量下，7.5kW的电机都可以认为是小容量电机，我们对与一切kW (3-1)的笼型异步电机一般都可以采用全压启动。2.熔断器的选择对于一台电动机的负载的短路保护： (3-2)上式的系数视负载性质和启动方式不同而选取；对轻载启动、启动次数少，时间短或降压启动，取小值；对重载启动、启动频繁、启动时间长或全压启动时，取大值。对于多台电动机的短路保护： (3-3)熔断器选用时其电流应大于熔体的额定电流。故M1，M2，M3的支路熔断器电流=2.5=2.515=37.5A所以选择的熔断器型号为RL1，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为60A，熔体额定电流为40A的有填充料封闭螺栓式熔断器。同理M4，M5的支路熔断器电流=2.5=2.57.2=18A所以选择的熔断器型号为RL2，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为25A，熔体额定电流为20A的有填充料封闭螺栓式熔断器。主电路总的熔断器的选定电流=2.5+其余电动机的计算负荷电流=2.515+15+15+7.2+7.2=81.9A所以选择的熔断器型号为RL1，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为100A，熔体额定电流为100A的有填充料封闭螺栓式熔断器。3.刀开关的选择由于电流比较小，所以选一般的刀开关HD17系列刀形隔离器，额定通断电流200A，额定电压380V，3极。4.热继电器的选择热继电器的额定电流应略大于电动机的额定电流。所以所选择的热继电器FR1，FR2，FR3的额定电流应该大于电动机M1，M2，M3的电流值即15A。所以FR1，FR2，FR3的型号选为JR16系列，额定电压为380V额定电流为20A的热继电器。同理FR4，FR5的额定电流应该大于电动机M4，M5的额定电流即7.2A。所以FR4，FR5的型号选为JR15系列，额定电压为380V额定电流为10A的热继电器。6接触器的选择一般情况下，接触器的主触点的额定电流应大于等于负载或电动机的额定电流，计算公式： （2-4）式中：主触点的额定电流：经验常数，一般取11.4；：被控电动机额定功率；：被控电机额定电压；所以M1，M2，M3接触器的额定电流计算：=19.7AM4,M5接触器额定电流计算：=7.9A接触器额定电压的主要根据主触点所控制的负载电路的额定电压来确定，所以此次接触器的额定电压应该选用额定电压380V以上。为了保证安全，一般接触器的线圈电压均选用较低的电压，如110V，127V，由控制变压器供电。但如果控制电路简单，所用的接触器较少，为了省去变压器，可选用380V，220V电压。我们查表得到，三菱的PLC承受的输出有2A左右的电流，而接触器的线圈的动作电流只有几百毫安，所以一般可以稳定吸合。综上，我们选用的接触器应该为：3TB43型号，规定发热电流35A，380V额定工作电流22A，可控电动机功率为11kW的交流接触器3个。3TB40型号，规定发热电流22A，380V额定工作电流9A，可控电动机功率为4kW的交流接触器2个。上述资料汇总见附件。3.4控制检测电路的设计在一个控制系统中，检测控制电路是对系统所要求的环境参数进行检测并对其发生的状况发出相应信号，提示工作人员及时进行处理。本论文的检测电路主要作用是用来检测水温、水压和潜水泵房的水位，由于潜水泵水位检测和处理方式在PLC程序内实现，由开关SQ1，SQ2完成检测，结构简单，所以这里主要讲的是水温水压的检测，而控制电路的作用主要由PLC来实现，一个控制系统的检测系统的好坏，直接关系到系统的精度和准度。3.4.1检测电路概述控制电路电源来自主电路其中2相由变压器转换而成，内接一个电源灯泡安装于控制台上以便观察控制检测电路是否通电，当主电路电机运行之时，相应的接触器带动显示仪表开始工作，面板分别都装在控制台上便于观察，仪表WP1上装一热电阻和一电流继电器KA1,当水管内的温度达到指定温度时，线圈得电，使得相应的触点动作，仪表WP2上装有一压力传感器和电流继电器KA2，当水管内压力小于预定点时线圈得电，相应触点动作。图3.3 工业水循环控制检测电路3.4.2检测电路元件参数设定参数设定如下：1变压器的选择显然，我们选的变压器为380：220的变压器所以K的取值为： (3-5)简单的变压器可以自行绕制也可购买，绕制方法不再详细说明。2仪表由于各个厂家生产的仪表使用方法在说明书上，所以必须根据仪表的说明书进行选购和调试，同样的情况还出现于热电阻和压力传感器的选择，仪表的选择要根据（1）输入电压的大小，这里我们为220V的交流电。（2）输出的方式，这里我们选择电流输出，以便配合电流继电器的线圈。具体型号根据厂家选择。必须注意的是仪表的型号一般相同。通过调查,我选择的仪表为成都怡腾自动化ES6数显仪，型号为ES6/A-HRTA1B0E和ES6/A-HRTA1B0I，误差小于0.5%F.S，并具备调教、数字滤波功能，输入信号类型：万能输入，通过设定选择；适用于电压、电流、热电阻、热电偶信号，电源为220V AC功耗小于7VA。输入信号包括：热电阻（Pt100、Pt1000），测温范围为 -200.00 500.00；热电偶（K、S、E、T），分辨力为0.1；直流电流；直流电压；直流mV。电流输出（420）mA、（010）mA或（020）mA。3.电流继电器这里的继电器的电流根据仪表输出的电流选择参数，我们选择型号为D10系列的继电器，即到了我们所设定的电流10mA左右,继电器就动作，具体调试中根据不同情况调整。技术要求为，动作电流的平均误差不应该大于5%，继电器的额定电压为220V交流或以上。4.热电阻及传感器的选择根据论文要求，热电阻选择为Pt100的热电偶，传感器选择为成都怡腾自动化FD81151DR/3051DR微差压变送器，测量范围为差压0-1.5kPa5指示灯的选择无特殊要求，选用AD1-30/31额定电压为220V，电源种类为AC50HZ，灯头型号为XZ8-1W E10/13，颜色为无色透明指示灯。3.4.3 PLC电路的设计及端口分配对与一个PLC的控制电路，正确的端口分配和接线连接关系着控制程序能否按照预定的步骤运行，错误的分配和接线会使PLC无法识别器件，甚至导致程序出现致命错误，造成不必要的损失。不同的厂家、不同系列的PLC，其端口的编号和接线方法，及其程序语言虽然大同小异，但只有按照使用手册对PLC进行正确的编程才能使得PLC正常工作。我们在这里选择PLC为三菱的FX0N系列的型号为FX0N-60MR-001，继电器输出，输入点数36，输出点数24。图3.4 三菱FX0N-60MR-001PLC控制线路接线图 图3.4表示为一三菱的FX0N-60MR-001型号PLC控制输入输出图，其端口分配如表3.1所示。 表3.1 PLC端口分配表元件端口安装位置作用描述SB11X0控制台控制台停止M1按钮SB21X1水泵房水泵房停止M1按钮SB12X2控制台控制台启动M1按钮SB22X3水泵房水泵房启动M1按钮FR1X4电气柜M1热继电器触点SB13X5控制台控制台停止M2按钮SB23X6水泵房水泵房停止M2按钮SB14X7控制台控制台启动M2按钮SB24X10水泵房水泵房启动M2按钮FR2X11电气柜M2热继电器触点SB15X12控制台控制台停止M3按钮SB25X13水泵房水泵房停止M3按钮SB16X14控制台控制台启动M3按钮SB26X15水泵房水泵房启动M3按钮FR3X16电气柜M3热继电器触点SB17X17控制台控制台停止M4按钮SB27X20水泵房水泵房停止M4按钮SB18X21控制台控制台启动M4按钮SB28X22水泵房水泵房启动M4按钮FR4X23电气柜M4热继电器触点SQ1X24集水坑上限水位浮球开关SQ2X25集水坑下限水位浮球开关SB19X26控制台控制M5停止按钮SB20X27控制台控制M5启动按钮FR5X30电气柜M5热继电器触点SB29X31控制台温度压力报警系统实验按钮SB30X32控制台温度压力报警系统消音按纽KA1X33电气柜水温报警系统线圈触点KA2X34电气柜水压报警系统线圈触点SAX35控制台潜水泵自动派水挡位SAX36控制台潜水泵手动排水挡位HL11Y0控制台M1运行指示灯HL21Y1水泵房M1运行指示灯HL12Y2控制台M2运行指示灯HL22Y3水泵房M2运行指示灯HL13Y4控制台M3运行指示灯HL23Y5水泵房M3运行指示灯HL14Y6控制台M4运行指示灯HL24Y7水泵房M4运行指示灯HL16Y10控制台集水坑上限水位指示灯HL17Y11控制台集水坑下限水位指示灯KM1Y12电气柜线圈，得电控制相应触点动作KM2Y13电气柜线圈，得电控制相应触点动作KM3Y14电气柜线圈，得电控制相应触点动作KM4Y15电气柜线圈，得电控制相应触点动作 元件端口安装位置作用描述KM5Y16电气柜线圈，得电控制相应触点动作HL15Y17控制台潜水泵运行指示灯HL1Y20控制台水温超标指示灯HL2Y21控制台水压低指示灯HAY22控制台水温水压报警COMCOMPLC自带COM06COM06PLC自带以上按钮的型号，指示灯型号，及电铃型号在见附件。3.5电气柜及控制台的安装接线电气柜与控制台的安排是否合理有利于工作的高效率展开，由于图片内容比较复杂，这里只列举控制台的接线图和布置图，其他电气接线图和布置图在附件中列出。电器元件的布置应该满足以下原则：1体积大的和较重的元件应安装在电器板的下面，发热元件应安装在电器板的上面；2强电与弱电分开应注意弱电屏蔽，防止外界干扰；3需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低；4电器元件的布置应考虑整齐、美观；5各种电器元件的布置不宜过密，要有一定的间距。在安装接线的时候就要严格按照画的位置和数字进行相应的接线，务必避免错误的接线，造成短路或者器件的不正常运行，图3.5为控制台的电气布置图，图3.6为控制台的电气接线图。 图3.5 控制台的电气布置图图3.6 控制台的电气接线图第4章 程序设计文章上一章节已经对PLC进行了I/O口分配，下面是对PLC进行程序设计，以便让机器按照我们希望的步骤进行工作。4.1PLC程序设计及其梯形图梯形图作为PLC程序的一个描述形式，有直观，适合电气工程领域的人识别的特点，所以程序的叙述由下面的梯形图开始，先给读者一个直观的印象。4.1.1水泵及冷却塔风机运行因为运行机制一致，所以水泵和冷却塔风机的程序基本一致，其运行机制为按下相应的启动按钮后控制电机的接触器线圈得电，电机开始运行，当停止按钮按下时，相应的线圈失电，电机停车。下面列出M1的梯形图，详细的程序叙述我在第3节进行讲解。图 4.1 水泵M1梯形图4.1.2潜水泵的运行潜水泵由于分自动控制和手动控制，所以，首先它就要有个控制按钮SA使得它可以在两者之间切换，当它自动运行之时要求当上限水位到达的时候自动启动水泵，即和上述电机一样令管理这个泵的接触器线圈得电，相应的触点得电使电机工作进行排水，同时控制台的指示灯给工作人员相应的信息；同理，手动运行时，要求同一般水泵一样正常控制电机工作，其程序如下，具体程序叙述在第3节。图4.2 潜水泵M5梯形图4.1.3报警系统的运行报警系统的运行机制是当水温水压达到预定值时，控制显示仪表发出电流信号使得相应的继电器线圈得电，相应继电器触点动作使得其控制的警报显示灯发光且发出警报，使工作人员能够快速地得到信息，及时处理。本报警系统比较简易，设有实验和消音功能，其程序如下，具体程序叙述详见第3节：图4.3 报警系统梯形图4.2PLC程序代码PLC程序代码根据梯形图编写，完整梯形图详见附件。 程序语言为三菱PLC语言，参考程序如下： 电机M1，M2，M3，M4：LD X2 /建立一个块同时建立常开X2OR X3 /并上一个常开X3OR M1 /并上辅助继电器常开触点M1AND X0 /串上常开X0AND X1 /串上常开X1AND X4 /串上常开X4OUT M1 /输出辅助继电器线圈M1LD M1 /建立一个块建立常开M1OUT Y0 /输出Y0OUT Y1 /输出Y1OUT Y12 /输出Y12电机M1控制结束LD X7 /建立一个块同时建立常开X7OR X10 /并上一个常开X10OR M2 /并上辅助继电器常开触点M2AND X5 /串上常开X5AND X6 /串上常开X6AND X13 /串上常开X13OUT M2 /输出辅助继电器线圈M2LD M2 /建立一个块建立常开M2OUT Y2 /输出Y2OUT Y3 /输出Y3OUT Y13 /输出Y13电机M2控制结束LD X14 /建立一个块同时建立常开X14OR X15 /并上一个常开X15OR M3 /并上辅助继电器常开触点M3AND X12 /串上常开X12AND X13 /串上常开X13AND X16 /串上常开X16OUT M3 /输出辅助继电器线圈M3LD M3 /建立一个块建立常开M3OUT Y4 /输出Y4OUT Y5 /输出Y5OUT Y14 /输出Y14电机M3控制结束LD X21 /建立一个块并建立常开X21OR X22 /并上常开X22OR M4 /并上辅助继电器常开触点M4AND X17 /串上常开X17AND X20 /串上常开X20AND X23 /串上常开X23OUT M4 /输出辅助继电器线圈M4LD M4 /建立一个块建立常开M4OUT Y6 /输出Y6OUT Y7 /输出Y7OUT Y15 /输出Y15电机M4控制结束水泵与冷却塔风机程序流程图如图4.4。图4.4 水泵与冷却塔风机程序流程示意图如流程图4.4所示，水泵和冷却塔风机的程序流程是按下开始按钮电机运行，电机过热或按下停止按钮时停止，整个过程都是由PLC内部辅助继电器和线圈控制，详细的PLC程序运行叙述见第3节。潜水泵的程序：LD X24OUT M5LD X25OUT M6 /设置限位开关辅助继电器线圈LD M5OUT Y10LD M6OUT Y11 /输出限位的指示灯LD M5OR M7AND M6AND X30OUT M7 /自动排水程序段结束LD X27OR M8 AND X26AND X30OUT M8 /手动排水程序段结束LD M7AND X35LD M8AND X36ORBOUT Y16OUT Y17 /电机M5控制结束如程序流程图4.5所示,潜水泵的程序流程和水泵与冷却塔风机相同，不同的在于其自动运行时的流程如图4.6，它是通过上下水位控制，当水位达到上限的时候，电机启动并开始排水，当水排到下限水位的时候，电机停止，当电机过热的时候，电机强制停止，详细的PLC程序运行叙述见第3节。图4.5 潜水泵手动控制程序流程示意图图4.6 潜水泵自动控制程序流程示意图报警系统的程序： LD X31OUT Y20OUT Y21OUT Y22 /报警系统实验功能LD X33OUT M9OUT Y20 /报警系统之压力灯亮LD X34OUT M10OUT Y21 /报警系统之水温灯亮LD M9OR M10OUT M11LD X32OR M12AND M11OUT M12LD M11ANI M12OUT Y22 /报警系统警铃声响带消音按钮如程序流程图4.6所示，整个报警系统由实验和正式运行两部分组成，当实验开始时，整个报警系统的电铃及水温，压力灯都开始工作，当水温超标或者压力不够时，对应的灯开始工作，同时铃声响起，当状况排除之时，灯光熄灭，铃声停止。详细的PLC程序运行叙述见第3节。图4.6 报警系统程序流程示意图4.3程序运行过程描述特别说明，由于设计方便需要，部份停止按钮的实际设计为常闭，故程序里的代表停止的语句为常开。4.3.1水泵及冷却塔风机程序描述M1的运作：当按下SB12或者SB22的时候，PLC对应的X2或X3得电闭合，PLC内部辅助继电器线圈M1得电，支路M1常开触点得电闭合，形成一个自锁状态，M1线圈一直得电。语句第二句由于线圈M1得电，对应的常开触点M1一直闭合，输出Y0，Y1，Y12，即对应的HL11，HL21，KM1得电，这时控制台的HL11，HL21发光，接触器线圈KM1得电，主电路的触点得电闭合，电机M1得电运行，控制检测电路的触点闭合，使仪表开始工作，开始测量水温水压。当按下SB11或者SB21的时候，PLC对应的X0或X1失电，原来闭合的X0或X1变断开，辅助继电器M1线圈失电，同时程序向下扫描，对应的M1触点恢复原状，Y0，Y1，Y12终止输出，即对应的HL11，HL21，KM1 失电，这时控制台HL11，HL21熄灭，接触器线圈KM1失电，主电路的KM1触点失电断开，电机失电开始停止，控制检测电路的MK1触点断开，M1这一路的仪表通路断开，具体见控制检测电路电路图。当电机M1过热的时候，主电路的热继电器FR1动作，对应的触点动作，PLC对应的X4动作，即闭合变断开，对应的辅助继电器M1失电，输出Y0，Y1，Y12终止，HL11，HL21，KM1失电，控制台显示灯熄灭，电机停止，控制电路M1一路的仪表通路断开。M2的运作：当按下SB14或者SB24的时候，PLC对应的X7或X10得电闭合，PLC内部辅助继电器线圈M2得电，支路M2常开辅助触点得电闭合，形成一个自锁状态，M2线圈一直得电。语句第四句由于辅助继电器线圈M2得电，对应的常开辅助触点M2一直闭合，输出Y2，Y3，Y13，即对应的HL12，HL22，KM2得电，这时控制台的HL12，HL22发光，接触器线圈KM2得电，主电路的触点得电闭合，电机M2得电运行，控制检测电路的KM2触点闭合，使仪表开始工作，开始测量水温水压。当按下SB13或者SB23的时候，PLC对应的X5或X6失电，原来闭合的X5或X6变断开，辅助继电器M2线圈失电，同时程序向下扫描，对应的M2辅助触点恢复原状，Y2，Y3，Y13终止输出，即对应的HL12，HL22，KM2 失电，这时控制台HL12，HL22熄灭，继电器线圈KM2失电，主电路的触点KM2失电断开，电机失电开始停止，控制检测电路的触点KM2断开，M2这一路的仪表通路断开，具体见控制检测电路电路图。 当电机M2过热的时候，主电路的热继电器FR2动作，对应的触点动作，PLC对应的X13动作，即闭合变断开，对应的辅助继电器M2失电，Y2，Y3，Y13终止输出，HL12，HL22，KM2失电，控制台显示灯熄灭，电机停止，控制检测电路M2一路的仪表通路断开。M3，M4运行机理与M1，M2相同，程序类似，不再鳌述，详情参见完整的梯形图（附件）。值得注意的是M4为冷却塔，与M1，M2，M3的区别在于电机的选择，我们在上一章有介绍。4.3.2集水坑潜水泵的程序描述程序中X24，X25分别对应上限水位浮球开关和下限水位浮球开关，当水位达到下限时候浮球开关的浮球浮起，开关接通线路，X25闭合，辅助继电器线圈M6得电；当水位达到上限的时候浮球开关的浮球浮起，开关接通线路，X24闭合，辅助继电器线圈M5得电。若线圈M5得电，即水位达到了上限开关的时候，输出一个Y10，对应的HL16得电，即上限水位显示灯发光，同样的，若线圈M6得电，即水位达到了下限水位开关的时候，输出一个Y11，对应的HL17得电，即下限水位开关得电发光。自动控制排水开关开启时，当水位达到了上限水位（此时肯定超过下限水位），线圈M5，线圈M6同时得电，线圈M7接通得电这时M7触点得电形成自锁，由于SA在自动挡位，即X35对应动作为闭合，程序中M7，X35对应的一路全部闭合，输出Y16，Y17，即接触器KM5线圈得电带动相应触点动作，M5开始运行排水，并同时排水指示灯发光。当水位排到下限水位以下时，浮球开关对应的X25失电，回到初始状态，即常开，此时线圈M6失电，相应的触点还原，此时M7线圈失电，相应的触点还原，M7，X35对应的一路断开，Y16，Y17停止输出，即排水结束，指示灯熄灭。若电机M5过热，热继电器FR5动作，对应触点FR5断开，即与PLC对应X30断开M7失电，Y16，Y17停止输出，M5停止工作，指示灯熄灭。手动控制排水开关开启之时，即SA在手动挡位时，与PLC对应的X36闭合，若要排水按下SB20，与PLC对应的X27动作，线圈M8得电，对应的M8辅助触点动作，形成自锁，由于程序中M8，X36全部闭合，此时输出Y16，Y17，电机M5开始工作同时指示灯亮。若要停止电机M5，按下SB19，此时与PLC对应的X26动作由闭合到断开，此时，线圈M8失电，对应的触点M8与X36连接的一路断开，输出Y16，Y17停止，电机M5停止工作同时指示灯熄灭。若电机M5过热，热继电器FR5动作，对应触点FR5断开，即PLC对应的X30断开，线圈M8失电，对应的触点M8与X36连接的一路断开，输出Y16，Y17停止，电机M5停止工作同时指示灯熄灭。4.3.3报警系统程序描述实验开关：当实验开关SB29一直按下时，对应的X31得电动作闭合，输出Y20,Y21,Y22，即此时HL1，HL2，HA动作，水温，水压显示灯亮，报警铃声响，松开SB29后，X31还原，输出停止。正式启用：当水温达到预定的值时，电流继电器KA1的线圈得电同时触点动作，此时触点KA1对应的X33动作，辅助继电器线圈M9得电同时输出Y20，即水温显示灯亮，同理，当水压达到预定值时候，电流继电器KA2的线圈得电同时触点动作，此时触点对应的X34动作，辅助继电器线圈M10得电同时输出Y21，即水压显示灯亮。一旦辅助继电器M9，M10的线圈得电，其对应的辅助触点得电，常开辅助触点M9，M10只要有一个闭合，辅助继电器M11线圈得电。辅助继电器M11的线圈得电以后，M11辅助常开触点闭合，输出Y22，对应HA得电警报响起。若在警报响起时候想关闭铃声，按下消音按钮SB30，此时X32得电动作，辅助继电器线圈M12得电，支路的辅助触点动作形成自锁，常闭的触点断开，Y22终止输出，警报消失。一旦问题解决，即电流继电器KA1，KA2的线圈失电，其触点从闭合到断开，X33，X34恢复常态，辅助继电器线圈M9，M10失电，相应的触点恢复常态，辅助继电器M11的线圈失电，相应触点恢复原状，辅助继电器M12线圈失电，自锁消失。总结论文是在老师的指导下，提出了设计任务和技术要求，力争使其具有高性能和广阔的扩展空间，从而满足市场的需要。本论文的知识在近几年的电气设计运用广泛，就如同论文介绍一样PLC的使用使得工业控制更加方便快捷，经济有效且精确度高，抗干扰能力强，在市场上有这极大的商业价值，在技术上有极大的发展潜力。在设计本论文时，从要求入手，明确设计目的，进行主电路，控制检测电路，PLC控制回路设计以及PLC的控制端口分配设计和程序编辑，亲生体验并了解了一个工厂在设计一个电气系统所要走的一个完整的过程。本次毕业设计涉及的知识范围较广，涉及电机的基本原理，工厂电气控制，传感器的应用，PLC基础原理以及自身的查表等实践能力的运用，对此印象深刻，受益非浅。这次实践的意义也重大，不论从今后的学习以及工作对本人有着巨大的鼓舞和激励作用，使我进一步有了发现问题解决问题的途径和方法，对以后面临的问题有相当大的参考作用。由于我的经验有限，部分之处不是太过完善，所以还需要再接再厉，不妥之处望老师们指出。致谢本次毕业设计得到了老师，同学以及学校的支持，使我不论从理论知识的巩固还是实践的能力上都有了本质上的提高，可以这么说，没有大家的支持就没有这篇论文，就没有今天的我为我的四年的大学生活画上一个完美的句号。 在此，请接受我诚挚的感谢和祝福： 首先，感谢长春大学电子信息工程学院给了我四年的美好大学时光，在大学不仅仅是学习到了尖端的科学技术，而且给了我们做为一个新时代大学生的生活方向，用自己的知识和实践为国为家添砖加瓦。 然后，我要感谢我的指导教师吴老师，他渊博的学识和对学生的热忱之心令我十分钦佩，在毕业设计的过程中，他时刻要求自己工作一丝不苟，并且主动帮助我们解决设计中的问题，可以说没有他的指导这篇论文的写作会遇到极大的困难。 我还要感谢大学四年来教育我们的老师，你们是真正的优秀的灵魂工程师，不仅仅教会了我们知识，还教会了我们怎么做人。 参考文献1 李建兴.可编程控制器应用技术 M.机械工业出版社,2004.2 张爱铃，李岚，梅丽凤.电力拖动与控制 M.机械工业出版社,2003.3 张广溢，郭前岗.电机学 M.重庆大学出版社,2006.4 张运波，刘淑荣.工厂电气控制技术M.高等教育出版社,2004.5 邵海忠.最新实用电工手册 M.化学工业出版社,2000.6 李久胜，马红飞，陈宏军，刘汉奎.电气自动化专业英语M.哈而滨工业大学出版社,2005.7 机床电器 2004年第5期. M.成都机床电器研究所主办，2004.8 易泓可.电气控制系统设计基础与范例(第2版) M.机械工业出版社，2008附件1 主电路接线图附件2 控制检测电路图附件3 电气布置图及电气装配图电气柜及潜水泵开关电气布置图 泵房电气布置图 控制面板电气布置图