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基于FX2N-32MR可編程控制器的水塔液位控制系統(一)
目錄
一、PLC的簡(jiǎn)介
1、PLC的基本概念……………………………………………………………1
2、PLC的基本結構 ……………………………………………………………1
3、PLC的特點(diǎn) …………………………………………………………………2
4、PLC的應用領(lǐng)域 ……………………………………………………………3
5、PLC未來(lái)展望………………………………………………………………4
二、方案設計
1、設計題目 …………………………………………………………………5
2、設計思路 …………………………………………………………………6
3、工程流程圖 ………………………………………………………………7
4、I / O端口分配 ……………………………………………………………8
5、端子接線(xiàn)圖…………………………………………………………………8
6、主電路圖……………………………………………………………………9
7、設計方案（一）……………………………………………………………10
8、設計方案（二） …………………………………………………………12
9、系統調試 …………………………………………………………………14
心得體會(huì ) ………………………………………………………………………16
參考文獻 ………………………………………………………………………17
一、PLC簡(jiǎn)介
1、PLC的基本概念
可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì )（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：
“PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來(lái)在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過(guò)數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個(gè)整體，易于擴展其功能的原則而設計�！�
2、PLC的基本結構
PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：
a、電源
PLC的電源在整個(gè)系統中起著(zhù)十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去
b. 中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶(hù)程序中的語(yǔ)法錯誤。當PLC投入運行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮宅F場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶(hù)程序存儲器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶(hù)程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。
為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個(gè)CPU出現故障，整個(gè)系統仍能正常運行。
c、存儲器
存放系統軟件的存儲器稱(chēng)為系統程序存儲器。
存放應用軟件的存儲器稱(chēng)為用戶(hù)程序存儲器。
d、輸入輸出接口電路
1、現場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC
與現場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。
2、現場(chǎng)輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過(guò)現場(chǎng)輸出接口電路向現場(chǎng)的執行部件輸出相應的控制信號。
e、功能模塊
如計數、定位等功能模塊。
f、通信模塊
如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。
3、PLC的特點(diǎn)
（1）可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(cháng)。從PLC的機外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線(xiàn)及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個(gè)系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規模的系列化產(chǎn)品�？梢杂糜诟鞣N規模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語(yǔ)言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。
（4）系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設備外部的接線(xiàn)，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。
（5）體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實(shí)現機電一體化的理想控制設備。
4、 PLC的應用領(lǐng)域
目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。
（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領(lǐng)域，它取代傳統的繼電器電路，實(shí)現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。如注塑機、印刷機、訂書(shū)機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。
（2）模擬量控制
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。
（3）運動(dòng)控制
PLC可以用于圓周運動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)的控制。從控制機構配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專(zhuān)用的運動(dòng)控制模塊。如可驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都有運動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場(chǎng)合。
（4）過(guò)程控制
過(guò)程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專(zhuān)用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應用。
（5）數據處理
現代PLC具有數學(xué)運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無(wú)人控制的柔性制造系統；也可用于過(guò)程控制系統，
如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。
（6）通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著(zhù)計算機控制的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )發(fā)展得很快，各PLC廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò )系統。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
5、 PLC未來(lái)展望
21世紀，PLC會(huì )有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會(huì )更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會(huì )有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產(chǎn)品規模上看，會(huì )進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì )更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會(huì )更好地適應各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì )隨著(zhù)國際競爭的加劇而打破，會(huì )出現少數幾個(gè)品牌壟斷國際市場(chǎng)的局面，會(huì )出現國際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展情況來(lái)看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )和國際通用網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
二、方案設計
1、設計題目
基于FX2N---32MR可編程控制器的水塔液位控制系統
控制要求：
如圖所示，S1~S4為液位傳感器，液位淹沒(méi)時(shí)接通。系統控制要求如下：當水池液位低于S4時(shí)，電磁閥Y打開(kāi)進(jìn)水，當液位升至S3時(shí)，電磁閥關(guān)閉停止進(jìn)水：此時(shí)，若水塔液位低于S2，則電動(dòng)機M開(kāi)始運轉抽水，當水塔液位升至S1時(shí)，電動(dòng)機M停止運轉。
2、設計思路
系統中輔助控制軟元件能實(shí)現系統的啟動(dòng)與停止控制，以便更好地實(shí)現對電動(dòng)機和電磁閥的控制，使系統更簡(jiǎn)單、安全、可靠。
水位在不超過(guò)S4的情況下，電動(dòng)機M不可以運轉抽水，因此在電動(dòng)機M控制支路Y2接傳感器S4的常開(kāi)開(kāi)關(guān)軟元件，當水位液位低于S4時(shí)，電磁閥Y1接通，打開(kāi)閥門(mén)，水池進(jìn)水，若水位超過(guò)S4但不超過(guò)S3，電磁閥依然保持進(jìn)水，因此對電磁閥也應該在控制支路上加上一個(gè)自鎖環(huán)節。
當水池液位高于S3時(shí)，電磁閥關(guān)閉停止進(jìn)水，因此在電磁閥Y1的控制支路上應串上S3的常閉觸點(diǎn)，當水位到達S3時(shí)斷開(kāi)，導致Y1關(guān)閉。當水位超過(guò)S4時(shí)，若水塔的液位低于S2時(shí)，電動(dòng)機M運轉抽水，所以Y2上要接上S2的常閉觸點(diǎn)，當水位高過(guò)S2時(shí)，仍然繼續抽水，因此在Y1的控制支路接自鎖環(huán)節。當水位高過(guò)S1時(shí)停止抽水，所以在Y1上接S1的常閉觸點(diǎn)，設計師應注意電磁閥Y1的進(jìn)水量大于抽水機的抽水量，才能保證系統正確運行，防止間斷的抽水，降低工作效率。
3、工程流程圖
如圖一所示：
圖一 功能流程圖
4、I / O端口分配
表一、輸入輸出設備與PLC輸入輸出端口的對應關(guān)系
輸入設備 輸入端口編號 輸出設備 輸出端口編號
啟動(dòng)按鈕SB1 X0 控制電磁閥
繼電接觸器 Y1
傳感器S1 X1
傳感器S2 X2 控制電動(dòng)機M
繼電接觸器 Y2
傳感器S3 X3
傳感器S4 X4 輔助繼電器M MO
停止按鈕SB2 X5
5、端子接線(xiàn)圖
水塔水位系統的輸入/輸出設備是一個(gè)單體控制小系統，沒(méi)有特殊的控制要求，它有6個(gè)開(kāi)關(guān)量，開(kāi)關(guān)量輸出觸點(diǎn)有3個(gè)，輸入、輸出觸點(diǎn)數共有9個(gè)，只需選用一般中小型控制器即可。據此，可以對輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配，水塔水位控制系統的端子接線(xiàn)圖如圖二所示：
圖二、端子接線(xiàn)圖
主電路圖
如圖三所示：
圖三、主電路圖
7、設計方案（一）
梯形圖
如圖四所示：
圖四、梯形圖
(2) 設計程序
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、設計方案（二）
狀態(tài)轉移圖
如圖五所示：
圖五、狀態(tài)轉移圖
(2) 步進(jìn)梯形圖
如圖六所示：
圖六、步進(jìn)梯形圖
步進(jìn)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、步進(jìn)程序指令表
9、系統調試
1．試驗設備：三菱FX2N —30MR、PLC一臺，手持編程器一臺，控制開(kāi)關(guān)面板一個(gè)。通過(guò)手持編程器將所編的程序輸入到三菱PLC中，程序輸入完畢，即可通過(guò)面板操作，根據程序的輸入要求動(dòng)作，并在面板自帶的信號燈顯示來(lái)觀(guān)察相應的輸出情況。另外，可以通過(guò)手持編程器的DR/WR、INS/DEL指令對程序進(jìn)行修改或從新編程；并且還可以用MNT/TEST指令對已編好的程序進(jìn)行檢測與監控，從中可以查看程序有無(wú)錯誤。
調試過(guò)程
程序輸入PLC后，檢測無(wú)明顯的程序錯誤，開(kāi)始測試。
按下啟動(dòng)按鈕后，
若X4閉合，Y1燈亮，表示電磁閥打開(kāi)進(jìn)水，X4斷開(kāi)后（水位超過(guò)S4液位傳感器）。此時(shí) a、若X2斷開(kāi)，則Y2不會(huì )亮（電動(dòng)機不轉），Y1持續亮著(zhù)（持續進(jìn)水）；直到X3閉合（液位超過(guò)S3）,Y1燈熄滅（電磁閥關(guān)閉，停止進(jìn)水）。 b、若X2閉合，則Y2亮（電動(dòng)機開(kāi)始運轉抽水），此時(shí)，Y1、Y2一起亮；當X1閉合（水塔水滿(mǎn)），Y2燈熄滅，Y1持續亮直到X3閉合為止（水池水滿(mǎn)）。
若X4斷開(kāi)（水位超過(guò)S4）Y1燈不亮（電磁閥不動(dòng)作），當X2斷開(kāi)時(shí)，Y2也不亮，順序無(wú)動(dòng)作，當X2閉合（水塔水位低于S2）時(shí)，Y2燈亮（電動(dòng)機運轉），直到X1閉合（水塔水滿(mǎn)）。
時(shí)序圖
如圖七所示：
圖七、時(shí)序圖
心得體會(huì )
通過(guò)PLC課程設計，我學(xué)會(huì )了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。這次課程設計是兩個(gè)人共同完成的。通過(guò)合作，我們的合作意識得到加強，合作能力得到提高。上大學(xué)后，很多同學(xué)都沒(méi)有過(guò)深入的交流，在設計的過(guò)程中，我們用了分工與合作的方式，每個(gè)人負責一定的部分，同時(shí)在一定的階段共同討論，以解決分工中個(gè)人不能解決的問(wèn)題。在溝通交流后，我們彼此形成了默契，感情也加深了。
通過(guò)此次課程設計，讓我對PLC梯形圖、指令表、順序功能圖有了更好的了解，也讓我了解了關(guān)于PLC設計原理。有很多設計理念來(lái)源于實(shí)際，從中找出最適合的設計方法。
這次設計過(guò)程中碰到了不少問(wèn)題。比如用CAD畫(huà)圖，已經(jīng)好久沒(méi)用過(guò)CAD了，突然要用到CAD，感到措手不及。在同伴的幫忙下，我重新熟悉了CAD軟件，我們順利的完成了畫(huà)圖工作。
雖然本次課程設計是要求自己獨立完成，但是，彼此還是脫離不了集體的力量，遇到問(wèn)題和同學(xué)互相討論交流效果很好。我們在做課程設計的過(guò)程中要不停的討論問(wèn)題，這樣，我們可以盡可能的統一思想，這樣就不會(huì )使自己在做的過(guò)程中沒(méi)有方向，并且這樣也是為了使最后設計思路統一。討論不僅是一些理論的問(wèn)題，還可以深入的討論一些技術(shù)上的問(wèn)題，這樣可以使自己的處理問(wèn)題要快一些，少走彎路。多改變自己設計的方法，在設計的過(guò)程中最好要不停的改善自己解決問(wèn)題的方法，這樣可以方便自己解決問(wèn)題。在設計的過(guò)程中我們還得到了老師的幫助與意見(jiàn)。在學(xué)習的過(guò)程中，不是每一個(gè)問(wèn)題都能自己解決，向老師請教或向同學(xué)討論是一個(gè)很好的方法，不是有句話(huà)叫做思而不學(xué)則殆。做事要學(xué)思結合。
經(jīng)過(guò)三周的設計過(guò)程，我感觸很深。我要感謝老師和同學(xué)的幫忙。我們順利完成了課程設計。
參考文獻
[1] 史國生．電氣控制及可編程序控制器技術(shù)．3版[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010
[2] 張萬(wàn)忠．可編程控制器應用技術(shù) [M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001
[3]《可編程控制器使用技術(shù)》，王兆義編， 北京：機械工業(yè)出版社，2004
[4]《可編程控制器原理及應用》，鐘肇新編，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1999
[5]《OMRON可編程序控制器操作手冊》，日本電氣株式會(huì )社，1997
[6]《PLC應用技術(shù)200例》，曲非非， 2003
[7]《可編程序控制器原理及應用系統設計技術(shù)》，宋德玉主編，冶金工業(yè)出版社出版
[8]《可編程序控制器教程》，黃云龍主編，科學(xué)出版社出版
[9]《可編程控制器原理及應用》，路林吉，王堅，江龍康編著(zhù)，清華大學(xué)出版社出版
[10]《可編程序控制器技術(shù)與應用系統設計》，陳在平編， 北京：機械工業(yè)出版社，2003
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