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水箱水位控制

水箱水位控制

电气控制与PLC课程设计

课题：

水箱水位控制

院系：

电气与信息工程学院

专业：

自动化

姓名：

学号：

指导教师：

河南城建学院

2013年6月21日

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

课程设计成绩评定

1．引言…………………………………………………………………………4

2.系统总体方案设计………………………………………………………4

2.1系统硬件配置及组成原理………………………………………………4

2.2系统变量定义及分配表………………………………………………7

2.3系统接线图……………………………………………………………8

2.4系统可靠性设计…………………………………………………………9

3.控制系统设计…………………………………………………………10

3.1控制程序流程图设计…………………………………………………12

3.2控制程序时序图设计……………………………………………………12

3.3控制程序设计图………………………………………………………12

3.4创新设计内容……………………………………………………………12

4.系统调试及结果分析………………………………………………………12

4.1系统调试……………………………………………………………………12

4.2结果分析……………………………………………………………………12

结束语……………………………………………………………………………13

参考文献…………………………………………………………………………14

附录………………………………………………………………………………15

1．引言

本课程设计要求学生综合运用本课程及前期课程的相关知识和技能，相对独立地设计和调试一个小型PLC应用系统，使学生获得控制技术工程的基本训练，提高工程意识和实践技能。

同时提高学生对文献资料的检索和信息处理的能力，以及编写和整理设计文档的能力。

在设计的过程中要求学生熟悉工艺流程及生产设备的工作原理；根据控制要求，画出硬件电路图、PLC接线图及控制梯形图；利用编程软件编制程序，可先在计算机上进行仿真，然后在实验室完成调试；完成课程设计说明书。

2.系统总体方案设计

2.1系统硬件配置及组成原理

三菱PLC控制系统：

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。

由于FX2N系列具备如下特点：

最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

本设计我采用PLC的型号为日本三菱公司的FX2N系列FX2N-32MR。

图2.1为PLC的原理图。

图2.1PLC的原理图

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的规则组合配合。

1、CPU的构成及功能

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，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。

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，从用户程序存储器中逐条读取指令，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。

对使用者来说，不必详细分析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PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2、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种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。

 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I/O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。

3、内存

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。

4、电源模块

PLC电源用于为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。

电源输入类型有：

交流电源和直流电源（常用的为24V/AC）。

5、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。

6、PLC系统的其它设备

1）编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机充当编程器。

2）人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机充当人机界面也非常普及。

3）输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

7、PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

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。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

对于一个自动化工程来讲，选择网络非常重要的。

首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

注水水箱系统：

根据要求，我们需要三个贮水水箱，并且有三个注水口，三个出水口，以及每个水箱两个传感器，人为控制出水。

当水位低于低液位传感器时，停止出水，进行注水注水顺序与出水顺序一致，每次只能对一个水箱注水。

注水水箱模型图见图2.2.

图2.2注水水箱系统示意图

2.2系统变量定义及分配表

1.有传感器，3个贮水水箱，每个水箱有2个液位，S1，S3，S5（动合触点）用于指示每个水箱的“满”；S2，S4，S6（动断触点）用于指示每个水箱的“空”。

S1—S6通过模拟器自动检测给出信号。

3个贮水水箱放水开关S7，S8，S9在PLC外部操作设定，通过人为的方式，按随机的顺序将水箱放空。

只要检测到水箱“空”的信号，系统就自动的向水箱注水，直到检测到水箱“满”的信号为止。

2.电磁阀Y1，Y2，Y3分别是用于3个水箱的注水操作；电磁阀Y4，Y5，Y6分别是用于3个水箱的放空操作。

贮水水箱系统的示意图见图2.2。

3.水箱注水的顺序要与水箱放空的顺序相同，例如水箱放空顺序是2-1-3，水箱注水的顺序也应当是2-1-3。

4.每次只能对1个水箱进行注水操作。

I/O口分配情况及作用见表2.1。

表2.1输出/输入I/O口地址分配表

类型

电气元件

PLC软元件

作用

输入（I）

SQ1

X1

水箱1“满”

SQ2

X2

水箱1“空”

SQ3

X3

水箱2“满”

SQ4

X4

水箱2“空”

SQ5

X5

水箱3“满”

SQ6

X6

水箱3“空”

SB2

X7

水箱1放水开关

SB3

X10

水箱2放水开关

SB4

X11

水箱3放水开关

输出（O）

YV1

Y1

电磁阀1

YV2

Y2

电磁阀2

YV3

Y3

电磁阀3

YV4

Y4

电磁阀4

YV5

Y5

电磁阀5

YV6

Y6

电磁阀6

其他电气元件分配如下表2.2。

表2.2其他编程元件的地址分配表

编程元件

PLC软元件

作用

辅助继电器

M0

水箱1空

M1

水箱2空

M2

水箱3空

2.3系统接线图

由I/O口分配情况图以及其他编程元件的分配图可以得到系统接线图的设计。

在启动系统以后，通过人为随机打开S7、S8，S9的放水开关，液位触发到低位传感器S2,S4或S6后就会触发M1、M2或M3进而输出Y1或Y2或Y3,待到触发S1、S3或S5就会触发M4、M5或M6，从而停止注水,则可得出系统接线图如下图2.3所示。

图2.3系统接线图

2.4系统可靠性设计

水箱液位控制系统可靠性设计有联锁保护系统。

联锁保护实质上是一种自动操作系统，能使有关设备按照规定的条件或程序完成操作任务，达到消除异常，防止事故的目的。

联锁保护系统通常由三部分组成。

（1）发信元件

包括工艺参数或设备状态检测点，控制开关，按钮，选择开关，以及操作指令等。

它们起到参数检测，发布指令的作用，这些元件的通断状态也就是系统的输入信号。

（2）执行元件

也叫输出元件，这些元件由系统的输出信号驱动。

（3）逻辑元件

又叫中间元件，它们根据输入信号进行逻辑运算，并向执行元件发出控制信号。

逻辑元件以前多采用有触点的继电器，接触器等。

同时，我们在硬件方面也进行了一些措施来保证系统的可靠性。

抗干扰的原则是抑制干扰源、破坏干扰通道和提高感受扰体的抗干扰能力。

电源方面采用了隔离性能较好的隔离变压器。

外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%～30%的余量。

对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。

在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；绝对禁止采用共通接地方法。

如图2.4所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm，接地电阻一般应小于10Ω。

图2.4接地方法

PLC的接线包括输入接线和输出接线。

输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m，安装与布线采取一定的抗干扰措施：

PLC电源、I/O电源一般都采用带屏蔽层的隔离变压器供电,PLC电源线,I/O电源线,输入、输出信号线,交、直流线都应尽量分开布线，有的还需要屏蔽线，甚至还要接地。

在程序设计时，设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。

若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。

对于PLC系统的可靠性做了一个完全的保障。

3．控制系统设计

3.1控制程序流程图设计

根据设计要求，我们需要三个贮水水箱，并且有三个注水口，三个出水口，以及每个水箱两个传感器，分别控制高低液位，代表满和空的情况。

人为控制哪个出水口先出水。

当先出水的水箱液位水位低于低液位传感器时，停止出水，与此同时，进行注水。

注水顺序与出水顺序一致，每次只能对一个水箱注水。

由此可得出程序流程图见下图3.1。

N

Y

NNN

YYY

NNN

YYY

图3.1控制程序流程图

3.2控制程序时序图设计

由于该设计是三个水箱的顺序放水和注水，通过高低液位传感器给出信号触发继电器进行注水放水。

故每个水箱的工作时序是一致的，所谓的顺序就是放水的顺序，进而触发继电器的时间不同，通过互锁，保证先开水箱的优先性，防止在注水过程中，被别的水箱干扰。

由于一次只能注一个水箱，从而保障了出水顺序与入水顺序一致性。

则由于三个水箱在过程中独立的时序一致故得出水箱1的时序图，如图3.2所示：

图3.2控制程序时序图

3.3控制程序设计图

控制程序设计图见附图

4．系统调试及结果分析

4.1系统调试

PLC程序的调试可分为模拟调试和现场调试两个调试过程，首先用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。

然后，将设计好的用户程序写入PLC后，逐条仔细检查，在实验室模拟调试；最后，到现场调试，PLC系统的现场调试方法有信号模拟、信号监视、寻找/替换与换线、变量监控与修改、强制输出/输入等。

4.2结果分析

在系统调试中不断的进行修改，克服了许多困难，最终完成了梯形图与指令表。

通过GX-DEVELOPER进行程序的编译和仿真。

实现了对水箱液位的控制，首先通过人为的方式按不同顺序启动放水开关，当液位达到低液位传感器，触发辅助继电器，从而开始进水。

并且在程序设计中用到联锁，从而保证先放水的就先进水，以及不能同时进水出水，从而保证了顺序性，待到第一个满了后，就开始第二个水箱的进水，以此类推，从而实现了水箱的液位控制。

结束语

本课程设计是基于三菱FX2N系列PLC的水位水箱控制。

通过这次PLC课程设计，让我更加深刻认识到书本上的知识重要性，并使我熟悉和掌握了PLC基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。

在课程设计的过程中我还得到了老师的帮助与意见。

在学习的过程中，并不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或和同学讨论是一个很好的办法，别人的一些观点或建议，可能会给自己带来很大的启发。

这次课程设计提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼，使我在PLC的基本原理以及编程设计思路技巧方面的掌握都能向前迈了一大步。

本课题在选题及研究过程中得到孙老师的悉心指导。

孙老师对我们在设计的过程中出现的疑惑给予了耐心的点拨，帮助我们开拓思路，找到合适的方法。

孙老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，非常值得我们在以后的工程实践中学习。

在这次课程设计中，其他指导老师也向我们提供了指导和帮助，在此我们向诸位老师表示衷心的感谢！

参考文献

[1] 秦春斌,张继伟.PLC基础及应用教程[M].北京：

机械工业出版社，2012.

[2] 邓则名.电器与可编程控制器应用技术[M].北京：

机械工业出版社，2006.

[3] 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器[M].南京：

东南大学出版社,2006.

[4] 高钦和.可编程控制器应用技术与建设[M].北京：

人民邮电出版社,2009.

[5] 汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].北京：

人民邮电出版社,2008.

[6]尹宏业.可编程控制器应用[M].北京：

航天出版社，2005.

[7]吴丽.电气控制与PLC实用教程[M].河南：

黄河水利出版社，2005.

[8]顾战松.可编程控制器原理及应用[M].北京：

国防工业出版社，2007.

[9]尤田涑.参数检测与过程控制[M].浙江：

浙江大学出版社，2007.

附录：

LDX007人为控制开水顺序ORY002

SETY004ORX005

LDX010RSTY003

SETY005

LDX011

SETY006

LDX0021号水箱放水

SETM0

RSTY004

LDM1

ORM2

ORY001

RSTM0

LDX0042号水箱放水

SETM1

RSTY005

LDM0

ORM2

ORY002

RSTM1

LDX0063号水箱放水

SETM2

RSTY006

LDM0

ORM1

ORY003

RSTM2

LDM01号水箱注水

SETY001

LDY002

ORY003

ORX001

RSTY001

LDMI2号水箱注水

SETY002

LDY001

ORY003

ORX003

RSTY002

LDM23号水箱注水

SETY003

LDY001