PLC课程设计报告混合液体装置的控制

课程设计报告课程名称： 可编程控制器原理及应用 设计题目： 混合液体装置的控制 指导老师：班 级：姓 名：学 号：成 绩： 目 录一、 设计题目 2 2 页二、 设计要求 2 3 页三、 设计背景 4 4 页四、 设计原理 5 19 页五、 设计内容 20 29 页六、 设计结果 30 30 页七、 设计总结 31 31 页一、设 计 题 目混合液体装置的控制二、设 计 要 求（一） 装置结构及工艺要求1、 上图为两种液体的混合装置结构，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液面淹没时接通，两种液体A、B的输入由YV1、YV2控制，混合液体输出由YV3控制，M为搅拌电动机。2、 工艺要求：（1）初始状态：当装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液体打开20S将容器放空后关闭。（2）启动操作：按下启动按钮装置作如下运动 液体A打开，流入容器，当液面到达SL2时，SL2接通，关闭A阀门。打开液体B阀门，当液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅拌电动机开始转动，搅拌电动机工作1min后停止搅拌，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。 当液体下降到SL1时，SL1由接通变为断开，再经过20S后，容器放出，容器放空，混合液体阀门关闭，开始下一周期的操作。（3）停止操作：按下停止按钮后，在当前的混合操作完毕后，才停止操作，即停止在初始状态上。（二） 任务书及要求：1、 画出本控制的I/O分配图2、 画出控制梯形图3、 写出指令4、 设计控制电路图5、 上机调试（三）参考资料1、赵明等工厂电气控制设备，北京.机械工业出版社 1998 第二版2、上海工业自动化仪表研究所三菱超小型F1系列可编程控制器 19903、王兆义可编程控制器的选型问题上海电器技术NO2：2933三、设 计 背 景可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。四、设 计 原 理一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下： 接受 驱动 现场信号 受控元件接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 CPU板 电 源 部 件 一、CPU的构成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。二、I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。三、电源模块： 有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。四、底板或机架： 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。五、PLC 的外部设备: 外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类1. 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。2. 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。3. 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。4. 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。六、PLC的通信联网: PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。 了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。1 器件选择一、熔断器的选用1选用原则。正确选用熔断器（熔断器和它的熔体）才能起到保护作用。一般情况下应先选择熔体的规格，再根据熔体的规格来确定熔断器的规格。其选用的一般原则如下：熔体额定电流的选用：对负载电流比较平稳，没有冲击电流的短路保护，熔体额定电流等于或稍大于负载工作电流；用于单台电动机短路保护时，熔体额定电流=（1.52.5）电动机额定电流；用于多台电动机短路保护时，熔体额定电流=（1.52.5）额定功率最大的一台电动机额定电流+其余电动机额定电流总和。其中系数大小的选取原则为：电动机功率越大，系数选取值越大；相同功率时，启动电流越大，系数选得越大。熔断器选用：熔断器的额定电压不得小于线路的工作电压；熔断器的额定电流不得小于所装熔体的额定电流。2安装要点。瓷插式熔断器应垂直安装。螺旋式熔断器的电源进线应接在底座中心端的接线端子上，用电设备应接在螺旋壳的接线端子上。熔断器安装时应做到下一级熔体比上一级熔体小，各级熔体相互配合。严禁在三相四线制电路的中性线上安装熔断器，而在单相二线制的中性线上要安装熔断器。二、开关的选用1选用原则：开关的额定工作电压线路额定电压；开关的额定电流线路负载电流；有热脱扣器装置的开关，其热脱扣器整定电流应当与所控制负载额定电流一致；有电磁脱扣器装置的开关，其电磁脱扣器瞬时脱扣整定电流应不小于负载电路正常工作峰值电流；有欠电压脱扣器装置的开关，其欠电压脱扣器额定电压就不小于线路额定电压。2自动空气开关自动空气开关又称自动空气断路器，是低压配电网络和电力拖动系统中一种非常重要的电器。它具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、动作值可调、分断能力较高、兼有多种保护功能、动作后不需要更换元件等优点。（1）自动空气开关的分类按级数分：单极、双极和三极。按保护形式分：电磁脱扣器式、热脱扣器式、复式脱扣器式和无脱扣器式。按分断时间分：一般式和快速式（先于脱扣机构动作，脱扣时间在0.02s以内）。按结构形式分：塑壳式、框架式、限流式、直流快速式、灭磁式和漏电保护式。（2）自动空气开关的一般选用原则自动空气开关的额定工作电压线路额定电压。动空气开关的额定电流线路负载电流。热脱扣器的整定电流=所控制负载的额定电流。电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流负载电路正常工作时的峰值电流。对单台电动机来说，瞬时脱扣整定电流可按下式计算：式中，为安全系数，可取1.51.7；为电动机的启动电流。对多台电动机来说，可按下式计算：式中，取1.51.7；为其中最大容量的一台电动机的启动电流；为其余电动机额定电流的总和。自动空气开关欠电压脱扣器的额定电压线路额定电压。3安装要点开关应垂直安装，并保证操作的安全。使开关闭合操作时的手柄操作方向从下向上合，断开操作时手柄操作方向从上向下分，不允许平装或倒装，以防止产生误合闸。接线时，电源进线应接在开关上面的进线端子上，用电设备接在开关下面的出线端子上。使开关分断后，在闸刀和熔体上不带电。更换熔体必须按原规格在闸刀分断情况下进行。三、主令电器的选用1按钮开关的一般选用原则是：根据使用场合选用按钮开关的种类；根据用途选用合适的形式；根据控制回路需要，确定不同按钮数；按工作状态指示和工作情况要求，选用按钮和指示灯的颜色。2行程开关的一般选用原则是：根据使用场合及控制对象选用种类；根据安装环境选用防护形式；根据控制回路的额定电压和额定电流选用系列； 根据机械与行程开关的传动与位移关系选用合适的操作头形式。四、接触器的选用1选用原则：根据所控制的电动机及负载电流类别选用接触器的类型；接触器的主触点额定电压应大于等于负载回路额定电压；接触器的主触点额定电流应大于等于负载回路额定电流；根据吸引线圈的额定电压选用不同种类接触器。接触器吸引线圈分交流线圈（36V，110V，127V，220V，380V）和直流线圈（24V，48V，110V，220V，440V）两种。五、继电器的选用1选用原则。不同的断电器将有不同的选用原则。热继电器的一般选用原则是：用做断相保护时，对Y接法应使用一般不带断相保护装置的两相或三相热继电器。对接法应使用带断相保护装置的继电器。用做长期工作保护或间断长期保护时，根据电动机启动时间，选取6倍的额定电流（6IN）以下具有可返回时间的热继电器。其额定电流或热元件整定电流应等于或大于电动机或被保护电路的额定电流。继电器热元件的整定值一般为电动机或被保护电路额定电流的11.15倍。时间继电器的一般选用原则是：根据系统延时范围选用适当的系列和类型。根据控制电路的功能特点选用相应的延时方式。根据控制电压选择吸引线圈的电压等级。速度继电器的一般选用原则是：根据电动机的额定转速选用合适的系列和类型。中间断电器的一般选用原则是：根据被控制电路的电压等级，所需触点数量、种类和容量等要求来选择。过电流继电器的一般选用原则是：保护中、小容量直流电动机和绕线式异步电动机时，线圈的额定电流一般可按电动机长期工作的额定电流来选择；对于频繁启动的电动机，线圈的额定电流可选大一级。过电流继电器的整定值，应考虑到动作误差，可按电动机最大工作电流的1.72倍来选用。触电保护器的一般选用原则是：根据用户的使用要求来确定保护器的型号、规格。2 编程器件 FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。 一、 输入继电器 （X） PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000 X007，X010 X017，X020 X027 。它们一般位于机器的上端。二、 输出继电器（Y） PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的 。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000 Y007，Y010Y017，Y020Y027 。它们一般位于机器的下端。三、辅助继电器（M） PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。如下图中的M300，它只起到一个自锁的功能。在FX2N中普遍途采用M0M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等， 四、定时器（T） 在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。 定时器通道范围如下：100 ms定时器T0T199， 共200点，设定值：0.1 3276.7秒；10 ms定时器T200TT245，共46点，设定值：0.01327.67秒；1 ms积算定时器 T245T249，共4点，设定值：0.00132.767秒；100 ms积算定时器T250T255，共6点，设定值：0.13276.7秒； 每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。五、计数器（C） FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。 其设定值在K1K32767范围内有效。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。通用计数器的通道号：C0 C99，共100点。保持用计数器的通道号：C100C199，共100点。通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。六、 数据寄存器 数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit（最高位为正、负符号位），也可用两个数据寄存器合并起来存储32 bit数据（最高位为正、负符号位）。1） 通用数据寄存器D 通道分配 D 0D199，共200点。 只要不写入其他数据，已写入的数据不会变化。但是，由RUNSTOP时，全部数据均清零。（若特殊辅助继电器M8033已被驱动，则数据不被清零）。2） 停电保持用寄存器 通道分配 D200D511，共312点，或D200D999，共800点（由机器的具体型号定）。基本上同通用数据寄存器。除非改写，否则原有数据不会丢失，不论电源接通与否，PLC运行与否，其内容也不变化。然而在二台PLC作点对的通信时， D490D509被用作通信操作。 3） 文件寄存器 通道分配 D1000D2999，共2000点。文件寄存器是在用户程序存储器（RAM、EEPROM、EPROM）内的一个存储区，以500点为一个单位，最多可在参数设置时到2000点。用外部设备口进行写入操作。在PLC运行时，可用BMOV指令读到通用数据寄存器中，但是不能用指令将数据写入文件寄存器。用BMOV将 数据写入RAM后，再从RAM中读出。将数据写入EEPROM盒时，需要花费一定的时间，务必请注意。4） RAM文件寄存器 通道分配 D6000D7999，共2000点。 驱动特殊辅助继电器M8074，由于采用扫描被禁止，上述的数据寄存器可作为文件寄存器处理，用BMOV指令传送数据（写入或读出）。5）特殊用寄存器 通道分配 D8000D8255，共256点。是写入特定目的的数据或已经写入数据寄存器，其内容在电源接通时，写入初始化值（一般先清零，然后由系统ROM来写入）3 FX2N系列的基本逻辑指令 基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号的PLC的基本逻辑指令都大台大同小异，现在我们针对FX2N系列，逐条学习其指令的功能和使用方法，。每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明。一、 输入输出指令（LD/LDI/OUT）下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明： 符号 功 能 梯形图表示 操作元件 LD（取） 常开触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S LDI（取反） 常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,SOUT（输出） 线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。二、触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 AND（与） 常开触点串联连接 X，Y，M，T，C,S ANDI（与非） 常闭触点串联连接 X，Y，M，T，C,S OR（或） 常开触点并联连接 X，Y，M，T，C，S ORI （ 或非） 常闭触点并联连接 X，Y，M，T，C，S AND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。 三、电路块的并联和串联指令（ORB、ANB） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 ORB（块或） 电路块并联连接 无 ANB（块与） 电路块串联连接 无 含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。四、程序结束指令（END） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件结束 END（结束） 程序结束 无 在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。 其他的一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空操作、跳转指令等。 4 梯形图的设计与编程方法 梯形图是各种PLC通用的编程语言，尽管各厂家的PLC所使用的指令符号等不太一致，但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异。一、 确定各元件的编号，分配I/O地址 利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的 。我们选用的FX2N型号的PLC，其内部元件的地址编号如下表所示，使用时一定要明确，每个元件在同一时刻决不能担任几个角色。一般讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。二、 梯形图的编程规则 1、 每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。2、 梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点），如图(a)错，图(b)正确。 图 ( a ) 图 （b）3、线圈不能直接接在左边母线上。4、在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。5、在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。 下图是一个错误的桥式电路梯形图。 - 20 -