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1、第1章 抽水泵的设计方案1.1、设计任务说明本次设计是为说明PLC在工业自动化控制过程中的应用和地位。采用PLC进行监测和控制水泵来控制向水塔供水，满足用户的需要。设计要求：1. 如液位传感器SQ4检测到地上蓄水池有水，并且SQ2检测到水塔未满水位时，抽水水泵电动机运行抽水至水塔。2. 若SQ4检测蓄水池无关，电动机停止运行，同时指指示灯亮。3. 若SQ3检测到水塔水位低于下限，水塔无水指示灯亮。4. 若SQ2检测到水塔满水位，电动机停止工作。5. 发生停电，恢复供电时，抽水泵自动控制系统能继续工作。水位控制SQ3SQ4蓄水池电动机SQ1SQ2 图1-1 抽水实物图设计任务：1. 根据以上题意
2、要求，试采用PLC进行控制，并设计控制程序，。2. 若增加一台变频器，两台抽水泵电动机。试设计恒压变频供水PLC控制系统。3. 有特定的信号指示灯指示状态。4. 要具有必要的电气保护和互锁关联1.2、设计方案 PLC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。现用PLC进行抽水泵的设计，水池和水塔的各水位通过传感器的检测，用来向提供控制信号，接着由PLC进行控制；还有电动机的故障检测装置，用来切换电动机。第2章 抽水泵的PLC控制系统原理2.1、抽水泵的PLC控制系统框图 从上面的设计要求和任务和PLC 运行的工作环境分析,此抽水泵PLC控制系统可以分成由交流接触器和电动机构成的
3、主电路，还有以PLC为核心的智能控制系统，以及为PLC提供电源的电源模块；再加上检测模块 图.抽水泵的PLC控制系统框图2.2、抽水泵PLC的控制原理从老师给我们的设计任务书中分析，本次课程设计要解决的几个问题有： （1）、水塔水位的检测。水塔水位的检测是本次本次课程设计硬件电路的关键，检测电路的准确和稳定是次控制系统的质量。水塔水位检测有三个位置：一、水塔底部水位监测点；二、水塔低水位检测点，它是启动供水电动机的触发信号；三、水塔的高水位检测，它是检测水塔里水是否已经装满，如若没有满，供水电动机继续供水，如若满了，它是停止供水电动机的信号。 （2）、水池水位的检测。它是检测水池是否有水，如果
4、有水，当水塔缺水是允许电动机给水塔供水；如果水池无水则不允许电动机向水塔供水，并发出警报。 （3）、整个电路的保护，每台电动机都有过载保护，和短路保护。第3章 PLC的选型及特点介绍3.1、PLC的选型3.1.1、PLC型号的选择国内外生产的可编程控制器，都没有统一的产品型号，在设计之前要先了解选用的产品的型号说明、技术性能和规格标准，本设计中我们选择了比较熟悉的日本三菱公司FX2N系列的FX2N-48MR型号的产品。本设计我采用PLC的型号为日本三菱公司的FX系列FX2N-48MR，特点为编程步数为8000步，I/O总数为48，每条指令的执行时间为12s。输入点数为24个，对应的输入继电器地
5、址编号为X000X027，每八点为一组；输出点数为24个，对应的地址编号为Y000Y027；辅助继电器为524点（ M50010523），主从M800M899，从主 M900M999；状态继电器为500点（S0S499），初始用S0S9，返回原点用S10S19；定时器为46点 10s（T200T245）定时范围：0327.67s；计数器为32位可逆，20点（C200C219），计数范围：-2147483648 +2147483648。FX系列PLC输入特性表如表3-1：项目DC输入AC输入品种FX0，FXON， FX2，FX2CFXON，FX2C （X10以内）FX2输入信号电压DC24V10
6、%AC100V-120V10%50/60Hz输入信号电流7mA/DC24V5mA/DC24V6.2Ma/DC110V60Hz输入ON电流4.5mA以上3.5mA以上3.8m以上A输入OFF电流1.5mA以下1mA以下1.7mA以下输入响应时间约100ms但FX0的X0-X7，0-15ms约30ms不可高速输入输入信号形式无电压接点或NPN集电极 开路输出晶体管AC电压3.1.2、三菱FX2N系列PLC的主要特点超小型可编程序控制器与FX2系列相比，面积、容积小50%。高速大容量a.超高速程式处理：0.08S/基本指令b.大容量存储器，内附8k步RAM（RUN过程中可更改程序）：最大可达16k。
7、c.可选择性：可使用RAM（8k），EPROM（8k），E2PROM（4k，8k，16k）或带实时时针的存储器卡盒。多种功能表3-2 多种功能说明指令的种类指令数备注基本指令27种继电器顺控、逻辑指令步进指令2种SFC程序用指令应用指令128种，2984种数据的传送、比较和四则运算等 丰富的软件表3-3 软件说明辅助继电器3072点状态继电器1000点定时器256点计数器（一般）（高速）235点1相6点，亦可2相2点数据寄存器（通用）（变址用）235点（可设定至7000点文件寄存器）16点跳步指令中断指令128点15点表内附高速计数器，新增多种编程指令功能扩展FX2N-48MR可选择不同种类的
8、通信或电位器模块扩展模块兼容FX2N可选用FX2N及FX0N的扩展模块及特殊扩展模块。3.2 PLC内部模块介绍多品种PL在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300C产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。3.2.1、PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大
9、量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算
10、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。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性
11、高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.2.2、CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套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
12、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。 CPU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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。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。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并
13、存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3.2.3、I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电
14、压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型 （0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。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。接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。3.2.4、电源模块的选择电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择
15、。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、IO模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后IO模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。3.2.5、编程器的选择对于小型控制系统或不需要在线编程的系统，一般选用价格便宜的简易编程器。对于由中、高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可以选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较贵。如果有现成的个人计算机，也可以选用PLC的编程软件，在个人计算机上实现编程器的功能。3.2.6、写入器的选择为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序
16、，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM 写入的功能。第4章 主控制电路设计4.1、主控制电路元件选择4.1.1、电动机的选择一台电机（M）功率：由式P（1-K）QV/102计算式中： K为平衡系数（0.45-0.5） Q为负载重量 V为运行速度为效率在本设计中：K取0.5 Q取612kg V取1m/s 取0.75所以 P=0.510001/1020.75=4（KW）选用YTDT225M14/16交流异步电动机。YTDT交流异步电动机为强迫通风型鼠笼式异步电动机。具有振动小、噪声低、运行平稳等特点4.1.2、交流接触器的选择选择原则
17、：主触头额定电压 额定电流 最大控制容量 1、电机接触器（KM）的选择主触头的额定电压： 380V额定电流：IN=PN1000/KUN （式中K取1.0到1.4） =7.51000/380 =20（A）故选CJ10-40满足要求表3-1 CJ10-40 电动机数据表型号额定功率（KW）额定电流（A）额定转速（r/min）堵转电流/额定电流堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩转动惯量（Kgm2）噪声dB(A)YDF-21112.51.313607.03.02.80.00169704.1.3 、熔断器的选择(1) 主电路熔断器FU1-FU2的选用因为是安装在柜内的所以选用螺旋式的；安装在主电路所以
18、熔断器额定电压选用380V的；熔体额定电流由下面计算得出I（1.5-2.5）INmaxIN=2.523+20.60.304=47.5A故熔体额定电流选用50A的；又熔断器的额定电流熔体额定电流，选用60A的。综上所述选用：RL160/504.1.4、 热继电器的选用热元件的额定电流IN应大于电动机的额定电流，一般为1.1-1.25倍。热继电器整电值一般为被保护电动机额定电流的1.0倍热元件调节范围应在热元件额定电流的约60-100%之间，根据实际需要调节。热继电器的工作环境温度与被保护设备温度的差别不应超过15-25 IN=（1.1-1.25）INOM=（1.1-1.25）23 = 25.3-
19、28.75（A）故选用JR 16-60/34.2、抽水泵主电路控制说明根据生产工艺要求，主电路设计主要功能提供动力源，主电路采用交流380V电压供电，QS为隔离开关，控制电路的导通与断开，KM控制电动机M的运转。FR为热继电器，FU1、FU2为熔断器，用于保护电动机M，通过变压器输出220V交流电，供控制电路用，如图3-1所示。4-1主电路电路图第5章 抽水泵的PLC控制系统设计5.1 I/O点的统计输入点有6个，输出点有3个5.2、I/O口的分配I/O分配表：PLC输入点所接输入X1启动按钮P02X2停止按钮P03X3水塔高水位SQ2检测X4水塔低水位SQ3检测X5水池无水SQ4检测PLC输
20、出点所接输出Y1电动机运行Y2停电动机指示Y3无水指示5.3、I/O外接线图5.4、梯形图设计5.5、语句表0LDX0011ORM1012ANIX0023OUTM1014LDM1005MCN0M1008LDX0059ANIX00310OUTY00111LDIX00512OUTY00213LDX00414OUTY00315MCRN017END第6章 调试及结果程序写好后，在学校的PLC技术实验室对其调试并记录结果。按接线图在实验箱上接好线路。对与在抽水泵中用到的水位检测传感器，实验箱上没有，用带有自锁的按钮代替，电动和指示灯都用实验上的发光二极管代替。I/O分配表：输入装置替代装置按钮开关X1启
21、动按钮P02X2停止按钮P03SQ2开关PS2SQ3开关PS3SQ4开关PS4 输出装置替代装置发光二极管电动机接触器KMZJ2停电动机指示灯ZJ0无水指示灯ZJ1按接线图接好线后，就要设置各开关的初始状态了。假设开始时水池水位上正常，水塔水位正常，电动机没有工作，指示灯指示水塔水位正常。对在调试中记录的结果分析如下：（1） 当水塔的水位低于最低水位时，低水位检测传感器SQ3失电，其常开触点闭合，即X4闭合，Y3线圈得电，水塔无水指示灯亮。驱动KM1线圈得电，带动KM1触点闭合，Y1线圈（M）得电，开始给水塔供电。直到水塔的水满，高水位检测传感器SQ2得电，其常闭触电断开，即X3断开，电动机停
22、止供水。（2） 当水池有水时，检测传感器SQ4失电，其常闭触点断开，即X5断开，Y2线圈失电，可向水塔供水。对于其他的情况在这就不再做分析了。第7章 元器件清单第8章 设计体会通过本次课程设计，使我对以PLC为核心的控制系统我了一个比较清晰的认识，在PLC的使用用中，PLC的接线须注意的一些问题。以及锻炼了我编写程序的能力，特别是只电气控制的自锁和互锁有了一个比较周全的保护考虑。做这次课程设计培养了我的独立思考的能力。例如刚开始时，设计的程序编写好后，在实验室调试中，都没有达到预定的目标。思考在三，还是得不到解决。没有找到问题的关键。通过对原理的一再分析，发现是我没有确定各检测器件的初始状态。发现了问题的关键，问题就迎刃而解。只要在编写程序是考虑该使用常开触头，还是使用常闭触头。而且在编译程序下载到PLC后，接线后。对于替代传感器的自锁开关的状态要与程序在的输入要一一对应。这次课程设计锻炼了我的对与PLC外部的接线的能力，和对PLC设计积累了一定的经验。同时培养了自学的能力。- 16 -