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基于FX2N-32MR可編程控制器的水塔液位控制系統(tǒng)(一)
目錄
一、PLC的簡介
1、PLC的基本概念……………………………………………………………1
2、PLC的基本結(jié)構(gòu) ……………………………………………………………1
3、PLC的特點 …………………………………………………………………2
4、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 ……………………………………………………………3
5、PLC未來展望………………………………………………………………4
二、方案設(shè)計
1、設(shè)計題目 …………………………………………………………………5
2、設(shè)計思路 …………………………………………………………………6
3、工程流程圖 ………………………………………………………………7
4、I / O端口分配 ……………………………………………………………8
5、端子接線圖…………………………………………………………………8
6、主電路圖……………………………………………………………………9
7、設(shè)計方案（一）……………………………………………………………10
8、設(shè)計方案（二） …………………………………………………………12
9、系統(tǒng)調(diào)試 …………………………………………………………………14
心得體會 ………………………………………………………………………16
參考文獻 ………………………………………………………………………17
一、PLC簡介
1、PLC的基本概念
可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準草案中對PLC做了如下定義：
“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。”
2、PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：
a、電源
PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，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(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。
為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。
c、存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
d、輸入輸出接口電路
1、現(xiàn)場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(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。
2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。
e、功能模塊
如計數(shù)、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
（1）可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)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(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)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(guī)模的系列化產(chǎn)品�？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，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(tǒng)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(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)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言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
（4）系統(tǒng)的設(shè)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邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
（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(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。
4、 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域
目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。
（1）開關(guān)量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
（2）模擬量控制
在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)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，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。
（3）運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進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廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
（4）過程控制
過程控制是指對溫度、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(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)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處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。
（5）數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)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?qū)⑺鼈兇蛴≈票�。�?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，
如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
（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(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
5、 PLC未來展望
21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進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)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)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(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(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)揮越來越大的作用。
二、方案設(shè)計
1、設(shè)計題目
基于FX2N---32MR可編程控制器的水塔液位控制系統(tǒng)
控制要求：
如圖所示，S1~S4為液位傳感器，液位淹沒時接通。系統(tǒng)控制要求如下：當(dāng)水池液位低于S4時，電磁閥Y打開進水，當(dāng)液位升至S3時，電磁閥關(guān)閉停止進水：此時，若水塔液位低于S2，則電動機M開始運轉(zhuǎn)抽水，當(dāng)水塔液位升至S1時，電動機M停止運轉(zhuǎn)。
2、設(shè)計思路
系統(tǒng)中輔助控制軟元件能實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與停止控制，以便更好地實現(xiàn)對電動機和電磁閥的控制，使系統(tǒng)更簡單、安全、可靠。
水位在不超過S4的情況下，電動機M不可以運轉(zhuǎn)抽水，因此在電動機M控制支路Y2接傳感器S4的常開開關(guān)軟元件，當(dāng)水位液位低于S4時，電磁閥Y1接通，打開閥門，水池進水，若水位超過S4但不超過S3，電磁閥依然保持進水，因此對電磁閥也應(yīng)該在控制支路上加上一個自鎖環(huán)節(jié)。
當(dāng)水池液位高于S3時，電磁閥關(guān)閉停止進水，因此在電磁閥Y1的控制支路上應(yīng)串上S3的常閉觸點，當(dāng)水位到達S3時斷開，導(dǎo)致Y1關(guān)閉。當(dāng)水位超過S4時，若水塔的液位低于S2時，電動機M運轉(zhuǎn)抽水，所以Y2上要接上S2的常閉觸點，當(dāng)水位高過S2時，仍然繼續(xù)抽水，因此在Y1的控制支路接自鎖環(huán)節(jié)。當(dāng)水位高過S1時停止抽水，所以在Y1上接S1的常閉觸點，設(shè)計師應(yīng)注意電磁閥Y1的進水量大于抽水機的抽水量，才能保證系統(tǒng)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(shè)備與PLC輸入輸出端口的對應(yīng)關(guān)系
輸入設(shè)備 輸入端口編號 輸出設(shè)備 輸出端口編號
啟動按鈕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、端子接線圖
水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有6個開關(guān)量，開關(guān)量輸出觸點有3個，輸入、輸出觸點數(shù)共有9個，只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此，可以對輸入、輸出點作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的端子接線圖如圖二所示：
圖二、端子接線圖
主電路圖
如圖三所示：
圖三、主電路圖
7、設(shè)計方案（一）
梯形圖
如圖四所示：
圖四、梯形圖
(2) 設(shè)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(shè)計方案（二）
狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
如圖五所示：
圖五、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
(2) 步進梯形圖
如圖六所示：
圖六、步進梯形圖
步進程序
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、步進程序指令表
9、系統(tǒng)調(diào)試
1．試驗設(shè)備：三菱FX2N —30MR、PLC一臺，手持編程器一臺，控制開關(guān)面板一個。通過手持編程器將所編的程序輸入到三菱PLC中，程序輸入完畢，即可通過面板操作，根據(jù)程序的輸入要求動作，并在面板自帶的信號燈顯示來觀察相應(yīng)的輸出情況。另外，可以通過手持編程器的DR/WR、INS/DEL指令對程序進行修改或從新編程；并且還可以用MNT/TEST指令對已編好的程序進行檢測與監(jiān)控，從中可以查看程序有無錯誤。
調(diào)試過程
程序輸入PLC后，檢測無明顯的程序錯誤，開始測試。
按下啟動按鈕后，
若X4閉合，Y1燈亮，表示電磁閥打開進水，X4斷開后（水位超過S4液位傳感器）。此時 a、若X2斷開，則Y2不會亮（電動機不轉(zhuǎn)），Y1持續(xù)亮著（持續(xù)進水）；直到X3閉合（液位超過S3）,Y1燈熄滅（電磁閥關(guān)閉，停止進水）。 b、若X2閉合，則Y2亮（電動機開始運轉(zhuǎn)抽水），此時，Y1、Y2一起亮；當(dāng)X1閉合（水塔水滿），Y2燈熄滅，Y1持續(xù)亮直到X3閉合為止（水池水滿）。
若X4斷開（水位超過S4）Y1燈不亮（電磁閥不動作），當(dāng)X2斷開時，Y2也不亮，順序無動作，當(dāng)X2閉合（水塔水位低于S2）時，Y2燈亮（電動機運轉(zhuǎn)），直到X1閉合（水塔水滿）。
時序圖
如圖七所示：
圖七、時序圖
心得體會
通過PLC課程設(shè)計，我學(xué)會了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(shè)計是兩個人共同完成的。通過合作，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)都沒有過深入的交流，在設(shè)計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負責(zé)一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題。在溝通交流后，我們彼此形成了默契，感情也加深了。
通過此次課程設(shè)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(shè)計原理。有很多設(shè)計理念來源于實際，從中找出最適合的設(shè)計方法。
這次設(shè)計過程中碰到了不少問題。比如用CAD畫圖，已經(jīng)好久沒用過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圖工作。
雖然本次課程設(shè)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，遇到問題和同學(xué)互相討論交流效果很好。我們在做課程設(shè)計的過程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了使最后設(shè)計思路統(tǒng)一。討論不僅是一些理論的問題，還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的處理問題要快一些，少走彎路。多改變自己設(shè)計的方法，在設(shè)計的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。在設(shè)計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學(xué)習(xí)的過程中，不是每一個問題都能自己解決，向老師請教或向同學(xué)討論是一個很好的方法，不是有句話叫做思而不學(xué)則殆。做事要學(xué)思結(jié)合。
經(jīng)過三周的設(shè)計過程，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(shè)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] 張萬忠．可編程控制器應(yīng)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(yīng)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》，日本電氣株式會社，1997
[6]《PLC應(yīng)用技術(shù)200例》，曲非非， 2003
[7]《可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用》，路林吉，王堅，江龍康編著，清華大學(xué)出版社出版
[10]《可編程序控制器技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》，陳在平編， 北京：機械工業(yè)出版社，2003
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