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三种液体混合加热控制系统毕业设计 0 毕业设计指导书 毕业设计题目 三种液体混合加热控制系统 专 业 电气自动化 姓 名 学号 指导教师 职称 日 期 2011 年 5 月 31 日 三种液体混合加热控制系统毕业设计 1 毕业设计任务书 系系 部部 电气工程系 专专 业业 电气自动化 学学 生生 姓姓 名 名 学学 号 号 设设计计题题目目 起起 迄迄 日日 期期 年 月 日 年 月 日 指指 导导 教教 师师 发任务书日期 2011 年 2 月 28 日 三种液体混合加热控制系统毕业设计 2 三种液体混合加热控制系统毕业设计 3 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 1 毕业设计课题的任务和要求 要求通过对三种液体混合加热控制系统的工业应用背景的学习 掌握其 原理和实现机制 在此基础上 重点确定系统的设计方案 设计以 plc 控 制三种液体混合加热模拟装置实现液体的混合 搅拌 加热 2 毕业设计课题的具体工作内容 包括原始数据 技术要求 工作要求等 1 可编程控制器 plc 概述 2 传感器及应用技术 3 plc 控制混合液体加热程序设计 4 程序设计及运行 5 撰写毕业设计论文 要求设计合理 语句通顺 格式规范 图表正确 表述清晰 打印成 册 三种液体混合加热控制系统毕业设计 4 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 毕业设计题目 毕业设计题目 三种液体混合加热控制系统 专专 业 业 电气自动化 专专 科科 生 生 签名 指指 导导 教教 师 师 签名 摘摘 要要 可编程控制器 plc 是以计算机技术为核心的通用自动控制装置 也可以说它是一 种用程序来改变控制功能的计算机 随着微处理器 计算机和通信技术的飞速发展 可编程序控制器 plc 已在工业控制中得到广泛应用 而且所占比重在迅速的上升 plc 主要由 cpu 模块 输入模块 输出模块和编程装置组成 它应用于工业混合搅拌设备 使得搅拌过程实现了自动化控制 并且提升了搅拌设备工作的稳定性 为搅拌机械顺 利 有序 准确的工作创造了有力的保障 本文主要对可编程控制器的特点 用途和发展进行一些介绍 液体混合加热系统 的控制设计考虑到其动作之间的连续性以及各个被控制设备的动作之间的相互关联性 针对不同的工作状态 进行定时的动作控制输出 从而实现液体混合加热系统从加入 一种液体到混合加热完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现 根据控制要求 对控制系统的分析给出 i o 列表 控制梯形图以及程序的调试 并给出了调试过程和 控制系统逻辑控制部分的方法 另外还对可编程控制器在现代工业中的作用进行了相应 的介绍 关键词 plc 混合加热系统 三种液体混合加热控制系统毕业设计 5 graduationgraduation designdesign topic topic three kinds of liquid heating control system industry industry electrical automation studentsstudents signed instructorinstructor signed summarysummary programmable controller plc is a universal automatic control device with computer technology as the core or say it is a program to change the control function of the computer with the rapid development of microprocessors computers and communications technology programmable controller plc has been widely used in industrial control and share in a rapidly rising plc main cpu modules input and output modules and programming device it should be used for industrial mixing equipment makes the mixing process is automated control and mixing equipment works to enhance the stability for mixing machinery for smooth orderly accurate work to create a strong protection this article mainly on the characteristics of programmable logic controller describe the use and development control design of liquid hybrid heating system considering its actions between continuity and interrelatedness between the actions of the control device for different job status timing movements control output resulting from adding a liquid to liquid heating system hybrid heating through the output of such a cycle control program according to requirements analysis of control systems to i o list control of ladder diagram and the program debugging and provides debugging method of logical control part of the process and control systems also on the programmable controller s role in modern industry is introduced 三种液体混合加热控制系统毕业设计 6 key words plc hybrid heating system 目目 录录 摘 要 i 目 录 ii 第 1 章 绪 论 1 第 2 章 可编程控制器 plc 概 述 3 2 1 可编程控制器简 介 3 2 2 可编程控制器的基本组 成 3 2 3 fx2n 系列可编程控制器的概 述 14 第 3 章 传感器及应用技 术 18 3 1 传感器概 述 三种液体混合加热控制系统毕业设计 7 18 3 2 温度传感 器 19 3 3 液位传感 器 20 第 4 章 plc 控制混合液体加热程序设 计 22 4 1 课题背景介 绍 22 4 2 液位传感器的选 择 23 4 3 温度传感器选 择 24 4 4 搅拌电动机选 择 24 4 5 电磁阀的选 择 25 4 6 接触 器 26 4 7 热继电器选 三种液体混合加热控制系统毕业设计 8 择 26 4 8 plc 选 择 26 4 9 i o 分配 表 27 4 10 外部接线 图 28 第 5 章 程序设计及运 行 29 5 1 梯形 图 30 5 2 指令 表 30 5 3 程序测 试 31 5 4 过程分 析 31 结 论 32 三种液体混合加热控制系统毕业设计 9 致 谢 33 参考文 献 34 附 录 35 三种液体混合加热控制系统毕业设计 10 第第 1 1 章章 绪论绪论 了提高产品质量 缩短生产周期 适应产品迅速更新换代的要求 产品生产正在 向缩短生产周期 降低成本 提高生产质量等方向发展 在炼油 化工 制药等行业 中 多种液体混合是必不可少的工序 而且也是其生产过程中十分重要的组成部分 但 由于这些行业中多为易燃易爆 有毒有腐蚀性的介质 以致现场工作环境十分恶劣 不适合人工现场操作 另外 生产要求该系统要具有混合精确 控制可靠等特点 这 也是人工操作和半自动化控制所难以实现的 所以为了帮助相关行业 特别是其中的 中小型企业实现多种液体混合的自动控制 从而达到液体混合的目的 液体混合自动 配料势必就是摆在我们眼前的一大课题 借助实验室设备熟悉工业生产中 plc 的应用 了解不同公司的可编程控制器的型号和原理 熟悉其编程方式 而多种液体混合装置 的控制更常见于工业生产中 适合大中型饮料生产厂家 尤其见于化学化工业中 便 于学以致用 计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光 1968 年 美国最大的汽车制造厂 商通用汽车 gm 公司提出了公开招标方案 设想将功能完备 灵活 通用的计算机 技术与继电器便于使用的特点相结合 把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化 用面向过程 面向问题的 自然语言 编程 生产一种新型的工业通用控制器 使人 们不必花费大量的精力进行计算机编程 也能像继电器那样方便地使用 这个方案首 先得到了美国数字设备 dec 公司的积极响应 并中标 该公司于 1969 年研制出了 第一台符合招标要求的工业控制器 命名为可编程逻辑控制器 programmable logic 三种液体混合加热控制系统毕业设计 11 controller 简称 plc 有的称为 pc 并在 gm 公司的汽车自动装配线上试验获得了 成功 plc 一经出现 由于它的自动化程度高 可靠性好 设计周期短 使用和维护简便 等独特优点 备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注 生产 plc 的厂家云 起 随着大规模集成电路和微处理器在 plc 中的应用 使 plc 的功能不断得到增强 产品得到飞速发展 采用基于 plc 的控制系统来取代原来由单片机 继电器等构成的控制系统 采用 模块化结构 具有良好的可移植性和可维护性 对提高企业生产和管理自动水平有很 大的帮助 同时又提高了生产线的效率 使用寿命和质量 减少了企业产品质量的波 动 因此具有广阔的市场前景 用 plc 进行开关量控制的实例很多 在冶金 机械 纺织 轻工 化工 铁路等行业几乎都需用到它 如灯光照明 机床电控 食品加工 印刷机械 电梯 自动化仓库 液体混合自动配料系统 生产流水线等方面的逻辑控 制 都广泛应用 plc 来取代传统的继电器控制 本次设计是将 plc 用于多种液体混合 灌装设置的控制 对学习与实用是很好的结合 三种液体混合加热控制系统毕业设计 12 第第 2 2 章章 可编程控制器 可编程控制器 plcplc 的简述 的简述 2 12 1 可编程控制器简介可编程控制器简介 2 1 1 可编程控制器的基本概念 可编程控制器 programmable controller 简称 pc 个人计算机 personal computer 也简称 pc 为了避免混在一起 人们将最初用于逻辑控制的可编程器叫做 plc programmable logic controller 通常也称为可编程控制器 它是以微处理器 为基础 综合了计算机技术 自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装 置 具有体积小 功能强 程序设计简单 灵活通用 维护方便等优点 本系统采用 在工业领域有着广泛应用的三菱公司 fx 系列系列 plc 作为主控制器 2 1 2 plc 的指导思想 plc 是采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作的 即在 plc 运行时 cpu 根 据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序 按指令步序号 或地址号 作周 期性循环扫描 如无跳转指令 则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序 直至程 序结束 然后重新返回第一条指令 开始下一轮新的扫描 在每次扫描过程中 还要 完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作 plc 扫描一个周期必经输入采样 程序执行和输出刷新三个阶段 plc 在输入采样阶段 首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端 子的通断状态或输入数据读入 并将其写入各对应的输入状态寄存器中 即刷新输入 随即关闭输入端口 进入程序执行阶段 plc 在程序执行阶段 按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令 经相应 三种液体混合加热控制系统毕业设计 13 的运算和处理后 其结果再写入输出状态寄存器中 输出状态寄存器中所有的内容随 着程序的执行而改变 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕 输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶 段送至输出锁存器中 并通过一定的方式 继电器 晶体管或晶闸管 输出 驱动相应 输出设备工作 2 1 3 plc 的历史和发展过程 世界上公认的第一台 plc 是 1969 年美国数字设备公司 dec 研制的 限于当时的 元件条件及计算机发展水平 早期的 plc 主要由分立元件和中小规模集成电路组成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处理器 人们 很快将其引入可编程控制器 使 plc 增加了运算 数据传送及处理等功能 成为真正 具有计算机特征的工业控制装置 为了方便熟悉继电器 接触器系统的工程技术人员 使用 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 并将参加 运算及处理的计算机存储单元都以继电器命名 因而人们称可编程控制器为微机技术 和继电器常规控制概念相结合的产物 plc 的发展与计算机技术 半导体集成技术 控制技术 数字技术 通讯网络技术 等高新技术的发展是分不开的 他们推动了 plc 的发展 而 plc 的发展又对这些高新 技术提出了更高更新的要求 plc 的发展经历了以下四个阶段 1 初始阶段 从第一台 plc 问世到 70 年代中期 产品主要用于逻辑运算和计时 计数运算 cpu 由中小规模的集成电路组成 控制 功能较简单 因为它能完成逻辑运算功能 又被称为可编程序逻辑控制器 plc 典型 的产品 modicon 公司的 084 allen badley 公司的 pdq ii dec 公司的 pdp 14 日本日立公司的 scy 022 2 扩展阶段 70 年代中期到 70 年代末期 产品主要在控制功能上得到较大的发展 来自两个方面 从可编程序控制器发展的控制器 完成的是逻辑运算及扩展了其它运算功能 称之为可编程序控制器 programmable control 即 pc plc 从模拟仪表发展的控制器 完成的是模拟运算及扩展其它逻辑运算功能 称 之为单回路或多回路控制器 数字调节仪表 典型的产品 modicon 公司的 184 284 三种液体混合加热控制系统毕业设计 14 和 384 西门子公司的 simatic s3 系列 日本立石公司 omron 的 sysmac c 系列等 日本三菱公司的 fx1 系列和 fx2 系列等 3 通讯阶段 70 年代末期到 80 年代中期 与计算机通讯的发展相联系 初步形成了分布式的通讯网络体系 但各制造厂各 自为政 通讯系统自成体系 产品的功能得到发展 可靠性也大大提高 典型的产品 西门子公司的 simatic s6 系列 gould 公司的 m84 884 等 4 开放阶段 80 年代中期开始至现在 开放系统的提出 使 plc 得到了较大的发展 主要表现在通讯系统的开放 通讯 协议的标准化使各厂家的产品可以通讯 这期间产品的规模增大功能不断的完善 大 中型产品多数有 crt 显示功能 采用标准软件 增加高级编程语言等 典型的产品 西门子公司的 simatic s5 系列 allen bradley 公司的 plc 5 等 2 1 4 可编程控制器的特点 作为一种新型的工业自动控制装置 plc 有以下一些特点 1 高可靠性和强抗干扰能力 高可靠性和强抗干扰能力是 plc 最突出的特点之一 主要表现在 用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器 仅有与输入 和输出有关的少量硬件 接线大大减少 因触点接触不良造成的故障大为减少 所有的 i o 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 plc 内部电路之间 电气上隔离 各输入端均采用 rc 滤波器 并采取屏蔽措施 采用性能优良的开关电源 对采用 的器件进行严格的筛选 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 cpu 立即采用有效措 施 以防止故障扩大 大型 plc 还可以采用由双 cpu 构成冗余系统或有 3 个 cpu 构成的表决系统 使可 行性更进一步增强 因此 plc 具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力 平均无故障工 作时间可达数万小时 可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场并持续工作 2 丰富的 i o 接口模块 为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接 plc 除具有普通 计算机的基本部分 如 cpu 存储器等 外 卷板机 还有丰富的 i o 接口模块 对不同 三种液体混合加热控制系统毕业设计 15 的工业现场信号 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱 电等 设计有相应的 i o 模块与工业现场的器件或设备 按钮 行程开关 传感器及变 送器 电磁线圈 控制阀等 直接连接 另外 为了提高系统的操作灵活性 许多 plc 还有多种人机对话的接口模块 为了组成工业局部网络 还有多种通信联网的接口模 块等 3 灵活性好 为了适应各种工业控制需要 除了一些小型 plc 以外 绝大多数 plc 均采用模块 化结构 plc 的各个部件 包括 cpu 蒸汽喷射器 电源 i o 等均采用模块化设计 由 机架及电缆将各模块连接起来 系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 相对于传统的电气控制线路 plc 为改进和修改原设备提供了极其方便的手段 通 过修改或重新编写应用软件 就可以用一台 plc 实现不同的控制功能 4 编程简单易学 plc 大多采用梯形图作为主要的编程语言 梯形图是一种面向用户的编程语言 它 的表达方式类似于继电器控制系统电路图 具有形象直观 易学易懂的特点 对于熟悉继电器控制电路图的电气技术人员来讲 很快就可以学会梯形图语言 并用来编制用户所需程序 5 系统安装简单 维修方便 plc 不需要专门的机房 喷射器 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需现 场的各种设备与 plc 相应的 i o 端相连接 即可投入运行 plc 的各种模块上大多都有运行和故障指示装置 便于用户了解运行情况和查找故 障 由于采用模块化结构 因此一旦某模块发生故障 用户可以通过更换模块的方法 使系统迅速恢复运行 2 1 5 plc 的工作原理 由于 plc 以微处理器为核心 故具有微机的许多特点 但它的工作方式却与微机 有很大不同 微机一般采用等待命令的工作方式 如常见的键盘扫描方式或 i o 扫描 方法 若有键按下或有 i o 变化 则转入相应的子程序 若无则继续扫描等待 plc 则是采用循环扫描的工作方式 对每个程序 cpu 从第一条指令开始执行 按 指令步序号做周期性的程序循环扫描 如果无跳转指令 则从第一条指令开始逐条执 行用户程序 直至遇到结束符后又返回第一条指令 如此周而复始不断循环 每一个 三种液体混合加热控制系统毕业设计 16 循环称为一个扫描周期 扫描周期的长短主要取决于以下几个因素 一是 cpu 执行指 令的速度 二是执行每条指令占用的时间 三是程序中指令条数的多少 一个扫描周 期主要可分为 3 个阶段 1 输入刷新阶段 在输入刷新阶段 cpu 扫描全部输入端口 读取其状态并写入输入状态寄存器 完 成输入端刷新工作后 将关闭输入端口 转入程序执行阶段 在程序执行期间即使输 入端状态发生变化 输入状态寄存器的内容也不会改变 而这些变化必须等到下一工 作周期的输入刷新阶段才能被读入 2 程序执行阶段 在程序执行阶段 根据用户输入的控制程序 从第一条开始逐步执行 并将相应 的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器 当最后一条控制程序 执行完毕后 即转入输入刷新阶段 3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后 将输出状态寄存器中的内容 依次送到输出锁存电路 输 出映像寄存器 并通过一定输出方式输出 驱动外部相应执行元件工作 这才形成 plc 由此可见 输入刷新 程序执行和输出刷新三个阶段构成 plc 一个工作周期 由 此循环往复 因此称为循环扫描工作方式 由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后 马上进行的 所以亦将这两个阶段统称为 i o 刷新阶段 实际上 除了执行程序和 i o 刷新外 plc 还要进行各种错误检测 自诊断功能 并与编程工具通讯 这些操作统称为 监视服务 一般在程序执行之后进行 综上述 plc 的扫描工作过程如图 2 1 所示 三种液体混合加热控制系统毕业设计 17 图 2 1 plc 的扫描过程 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短 扫描周期越长 响应速度越慢 由 于每个扫描周期只进行一次 i o 刷新 即每一个扫描周期 plc 只对输入 输出状态寄 存器更新一次 所以系统存在输入输出滞后现象 这在一定程度上降低了系统的响应 速度 但是由于其对 i o 的变化每个周期只输出刷新一次 并且只对有变化的进行刷 新 这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的 不但不会造成影响 还会提高抗 干扰能力 这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行 plc 在一个工作周期的大部 分时间是与外设隔离的 而工业现场的干扰常常是脉冲 短时间的 误动作将大大减 小 但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象 这个一般 plc 都会采取高速模块 总之 plc 采用扫描的工作方式 是区别于其他设备的最大特点之一 2 1 6 plc 的应用及其未来 plc 的应用领域 目前 plc 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归纳为如下几类 开关量的逻辑控制 这是 plc 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器 电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自 动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流 水线等 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液 位和速度等都是模拟量 为了控制器处理模拟量 必须实现模拟量 analog 和数字 量 digital 之间的 a d 转换及 d a 转换 plc 产配套的 a d 和 d a 转换模块 使可 编程控制器用于模拟量控制 运动控制 plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早 期直接用于开关量 i o 模块连接位和执行机构 现在一般使用专用的运动控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控 三种液体混合加热控制系统毕业设计 18 世界上各主要 plc 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机 器人 电梯等场合 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控 制计算机 plc 能编制各种各样控制算法程序 完成闭环控制 pid 调节是一般闭环控 制系统中用得较多的调节方法 大中型 plc 都有 pid 模块 目前许多小型 plc 也具有此 功能模块 pid 处理一般是运行专用的 pid 子程序 过程控制在冶金 化工 热炉控制 等场合有非常广泛的应用 数据处理 现代 plc 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传 送 数据转换 排序 查表 功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可 以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定 控制操作 也可以利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理 一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 通信及联网 plc 通信含 plc 间的通信及 plc 与其它智能设备间的通信 随着计算 机控制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 plc 厂商都十分重视 plc 的通信功能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 plc 都具有通信接接口 通信非常方便 plc 的国内外状况 世界上公认的第一台 plc 是 1969 年美国数字设备公司 dec 研制的 限于当时 的元器件条件及计算机发展水平 早期的 plc 主要由分立元件和中小规模集成电路组 成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处理器 人们很快将其引入可编程控制器 使 plc 增加了运算 数据传送及处理完成了真正具 有计算机特征的工业控制装置 为了方便熟悉继电器 接触器系统的工程技术人员使 用控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 并将参加运算及处理 的计算机存储元件器命名 此时的 plc 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产 物 20 世纪 70 年代中末期 可编程控制器进入实用化发展阶段 计算机技术已全面引 入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小型体积 更可靠的 工业抗干扰设计 模拟量运算 pid 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位 三种液体混合加热控制系统毕业设计 19 20 世纪 80 年代初 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用期可编程控制 器发展的特点是大规模 高速度 高性能 产品系列化 这个阶段的另一个特点是世 界编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控制器已步入成熟阶 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 从控制规 模上来说 这个时期型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样的特殊功 能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配套能力来 说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控制控制设备的配套更加容 易 目前 可编程控制器在机械制造 石油化工 冶金钢铁 汽车 轻工业等领域的 应用都得到了长足的发展 我国可编程控制器的引进 应用 研制 生产是伴随着改革开放开始的 最初是 在引进设备中大量使用 程控制器 接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 plc 的应用 目前 我国自己已可以生产中小型可编程控制器 上海东屋电气有限公司 生产的 cf 系列 杭州机床电器厂生产的 dkk 及 d 系列 大连组合机床研究所生产的 s 系列 苏州电子计算机厂生产的 yz 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品 中获得了应用 此外 无锡华光公司 上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著 名的 plc 生产厂家 可以预期 随着我国现代化进程的深入 plc 在我国将有更广阔的 应用天地 21 世纪 plc 会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多地应用 于可编程控制器的设上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型 方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人 机界面 完备的通信好地适应各种工业控制场合的需求 从市场上看 各国各自生产 多品种产品的情况会随着国际竞争的破 会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看控制器和其它工业控制计算机组 网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向 目前的计算制系统 dcs distributed control system 中已有大量的可编程控制器应用 伴随着计算机 网络的编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分 将在工业及 工业以外的众多领域发大的作用 三种液体混合加热控制系统毕业设计 20 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 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 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 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 输出 do 模拟量输入 ai 模拟量输出 ao 等模块 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 14b 等 除了上述通用 io 外 还有特殊 io 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 即受最大的底板或制 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 三种液体混合加热控制系统毕业设计 21 220vac 或 110vac 直流电源 常用的为 24vdc 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 机械模块间的连接 使各模块构成一个整体 2 1 7 plc 系统的其它设备 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 编程 对系统作一些设定 监控控制的系统的工作状况 但它不直接参与现场控制运 行 小编程器 plc 一般有手持型编程器 目前一般由计算机 运行充当编程器 也就 是我们系统的上位机 人机界面 最简单的人机界面是指示灯和按钮 目前液晶屏 或触摸屏 式的一 体式操作员终端应用越来越广机 运行组态软件 充当人机界面非常普及 2 1 8 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 的通信现在主要采用通过 pi 的数据通讯 profibus 或工业以太网进行联网 2 22 2 可编程控制器的基本组成可编程控制器的基本组成 2 2 1 可编程控制器的基本结构 可编程控制器虽然外观各异 但其硬件结构大体相同 主要由中央处理器 cpu 存储器 ram rom 输入输出器件 i o 接口 电源及编程设备几大部分构成 plc 的 硬件结构框图如图 2 2 所示 三种液体混合加热控制系统毕业设计 22 cpu 模块 cpu 模块主要由微处理器 cpu 芯片 和存储器组成 在可编程控制器系统中 cpu 模块相当于人的大脑和心脏 它不断地采集输入信号 执行用户程序 刷新系统的输 入输出 存储器用来储存程序和数据 i o 模块 输入 input 模块和输出 output 模块简称为 i o 模块 它们是系统的眼 耳 手 脚 是联系外部现场和 cpu 模块的桥梁 输入模块用接收和采集输入信号 输入信号 有两类 一类是从按钮 选择开关 数字拔码开关 限位开关 接近开关 光电开关 压力继电器等开关量输入信号 另一类是由电位器 热电偶 测速发电机 各种变送 器提供的连续变化的模拟量输入 输出信号电压一般较高 如直流 24v 和交流 220v 从外部引入的尖锐电压和干扰噪声可能损坏 cpu 模块中的元器件 或使用权可编程控 制器不能正常工作 在 i o 模块中 用光电耦合器 光电可控硅 小型继电器等器件 来隔离外部输入电路和负载 i o 模块除了传递信号外 还有电平转换与隔离的作用 编程器 编程器除了用来输入和编辑用户程序外 还可以用来监视可编程控制器运行中各 种编程元件的工作状态 编程器可以永久地连接在可编程控制器上 将编程取下来后系统也可以运行 一 般只在程序逻辑输入 调试和检修时使用编程器 一台编程器可供多台编程序控制器 公用 电源 可编程控制器使用 220v 交流电源或 24v 直流电源 可编程控制器内部的直流稳压 电源为各模块内的电路供电 某些可编程控制器可以输入电路和外部电子检测装置 如 接近开关 提供 24v 真流电源 驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供 2 2 2 可编程控制器的分类 根据硬件结构的不同 可以将可编程控制器分整体式 模块式和叠装式 图 2 2 plc 控制系统示意图 三种液体混合加热控制系统毕业设计 23 1 整体式可编程序控制器 整体式又叫做单元式或箱体式 cup 模块 i o 模块和电源装在一个箱状机壳内 结 构非常紧凑 它的体积小 价格低 小型可编程序控制器一般采用整体式结构 图 2 3 中示出三菱公司的 f1 系列整体式可编程序控制器 上面是编程器 后面的小开头是模 拟调试用户程序用的 整体式可编程序控制器提供多种不同 i o 点数的基本元和扩展 单元供用户选用 基本单元内有 cpu 模块 i o 模块和电源 扩展单元内只有 i o 模块 和电源 基本单元之间用扁平电缆连接 各单元的输入点与输出点的比例一般是固定 的 有的可编程序控制器有全输入型和全输出型的扩展单元 选择不同的基本单和扩 展单元 可以满足用户的不同要求 整体式可编程控制器一般配备有许多专用的特殊功能单元 如模拟量 i o 单元 位置控制单元 数据输入输出单元等 使可编程控制器的功能得到扩展 2 模块式可编程控制器 大 中型可编程控制器和部分小型可编程控制器采用模块式结构 模块式可编程 控制器用搭积木的方式组成系统 它由框架和模块组成 见图 2 4 模块插在模块插座 上 后者焊在框架中的总线连接板上 可编程控制器厂家备有不同的槽数的框架供用 户选用 如果一个框架容纳不下所选用的模块 可以增设一个或数个扩展框架 各框 架之间用 i o 扩展电缆相连 有的可编程控制器没有框架 各各种模块安装在基板上 用户可以选用不同档次的 cpu 模块 品种繁多的 i o 模块和特殊功能模块 对硬件配 置的选择余地较大 维修时更换模块也很方便 3 叠装式可编程控制器 三菱公司的 fx 系列可编程控制器吸取了整体式和模块式可编程控制器的优点 它 的基本单元 扩展单元和扩展模块的高度和深度相同 但是宽度不同 它们不用基板 仅用扁平电缆连接 紧密拼接后组成一个整齐的长方体 输入 输出点数的配置也相 当灵活 有人将这种结构成为叠装式 如图 2 5 所示 2 32 3 fx2nfx2n 系列可编程控制器的概述系列可编程控制器的概述 2 3 1 fx2n 系列 plc fx2n 是 fx 系列中功能最强 速度最高的微型可编程序控制器 其基本单元如表 2 6 所示 扩展单元如表 2 7 所示 用户存储器容量可扩展到 16k 步 i o 点最大可扩 展到 256 点 它有 27 条基本指令 其基本指令的执行速度超过了很多大型 plc 有多 三种液体混合加热控制系统毕业设计 24 种特殊功能模块 使用特殊功能模块和功能扩展板 可实现模拟量控制 位置控制和 联网通信等功能 fx2n 有 3000 多点辅助继电器 1000 点状态继电器 200 多点定时器 200 点 16 位加计数器 35 点 32 位加 减计数器 800 多点 16 位数据寄存器 128 点跳步指针 15 点中断指针 这为应用程序的设计提供了丰富的资源 表 2 6 fx2n 系列 plc 基本单元 型号 输入 继电器输出可控硅输出晶体管输出 输出 点数 扩展 点数 模块 可用 点数 fx2n 16mr 001 fx2n 16mt 0018824 32 fx2n 32mr 001fx2n 32ms 001fx2n 32mt 001161624 32 fx2n 48mr 001fx2n 48ms 001fx2n 48mt 001242448 64 三种液体混合加热控制系统毕业设计 25 fx2n 64mr 001fx2n 64ms 001fx2n 64mt 001323248 64 fx2n 80mr 001fx2n 80ms 001fx2n 80mt 001404048 64 fx2n 128mr 001 fx2n 128mt 001646448 64 表 2 7 fx2n 系列 plc 扩展单元 2 3 2 fx2n 的软元件 fx 系列 plc 内部有 cpu 存储器 输入 输出接口单元等硬件资源 按存储数据 的性质把这些数据寄存器 ram 命名为输入继电器 x 输出继电器 y 辅助继电器 m 状态继电器 s 定时器 t 计数器 c 数据寄存器 d 变址寄存器 指针 常数等 1 输入继电器 x 输入继电器与 plc 的输入端子相连 是 plc 接收外部开关信号的窗口 plc 通过 输入端子将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中 在 plc 内部 与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器 采用八进 制编号 用无数个常开和常闭触点 2 输出继电器 输出继电器与 plc 的输出端子相连 是 plc 向外部负载发送信号的窗口 输出继 电器将 plc 的输出信号传送给输出单元 再由后者驱动负载 输出继电器采用八进制编号 有内部触点和外部输出触点 继电器触点 双向可控 硅 晶体管等输出元件 之分 由程序驱动 在 plc 内部 外部输出触点输出端子相连 向外部负载输出信号 且一个输出继 型号 输入 继电器输出可控硅输出晶体管输出 输出 点数扩展 点数模块可用 点数 fx2n 32er fx2n 32et161624 32 fx2n 48er fx2n 48et242448 64 三种液体混合加热控制系统毕业设计 26 电器只有一个常开型外部输出触点 输出继电器有无数个内部常开和常闭触点 编程时可随意使用 3 辅助继电器 辅助继电器是一种内部的状态标志 它相当于继电器控制系统中的中间继电器 用于信息的传递 转移等功能 特点 常开 常闭触点在 plc 的梯形图内可以无限次的自由使用 但是不能直接 驱动负载 种类 通用型辅助继电器 电池后备 锁存辅助继电器 特殊辅助继电器 5 状态继电器 状态继电器是构成状态转换图的重要元件 它与后述的步进指令配合使用 特点 常开 常闭触点在 plc 的梯形图内可以自由使用 不用步进指令时也可作 为 m 使用 也不能直接驱动负载 种类 初始状态继电器 回零状态继电器 通用状态继电器 保持状态继电器 报警用状态继电器 如表 2 9 2 9 状态继电器 plcfx2n 初始状态继电器10 点 s0 s9 通用状态继电器490 点 s10 s499 锁存状态继电器400 点 s500 s899 信号报警器100 点 s900 s999 6 定时器 定时器在 plc 中的作用相当于一个时间继电器 它有一个设定值寄存器 一个当 前值寄存器以及无限个触点 种类 通用型 积算型 定时器如表 2 10 表 2 10 定时器 三种液体混合加热控制系统毕业设计 27 100ms 一 般用途 100ms 可用于子 程序或中断程序 10ms 一般 用途 1ms 中断 累计型 100ms 累计型 t0 t191 共 192 点 t192 t199 共 8 点 t200 t245 共 46 点 t246 t249 共 4 点 t250 t255 共 6 点 定时器包括 一个线圈 一对触点 一个设定值和一个经过值 设定值与经过值 均为 16 位 7 计数器 计数器在 plc 中用于计数功能 它有一个设定值寄存器 一个当前值寄存器以及 无限个触点 种类 内部计数器 高速计数器 如表 2 11 表 2 11 计数器 16 位加计数器 0 32767 32 位加 减计数器 214783648 214783647 一般用停电保持用一般用停电保持用 c0 c99 共 100 点 c100 c199 共 100 点 c200 c219 共 20 点 c220 c234 共 15 点 高速计数器 外部计数器 c235 c255 共 21 点 与 m235 m255 有关 单相无起动 复位端子高速计数器 c235 c240 单相带起动 复位端子高速计数器 c241 c245 单相双输人 双向 高速计数器 c246 c250 三种液体混合加热控制系统毕业设计 28 双相输入 a b 相型 高速计数器 c250 c255 8 数据寄存器 通用数据寄存器 d0 d199 共 200 点 只要不写入其它数据 已写入的数据不会变 化 但是 plc 状态由运行 停止时 全部数据均清零 断电保持数据寄存器 d200 d511 共 312 点 只要不改写 原有数据不会丢失 特殊数据寄存器 d8000 d8255 共 256 点这些数据寄存器供监视 plc 中各种元件 的运行方式用 文件寄存器 d1000 d2999 共 2000 点 三种液体混合加热控制系统毕业设计 29 第第 3 3 章章 传感器及应用技术传感器及应用技术 3 13 1 传感器概述传感器概述 3 1 1 传感器的定义和作用 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展 都需要在传感 器的开发方面有相应的进展 微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应 用 随着这些系统能力的增强 作为信息采集系统的前端单元 传感器的作用越来越 重要 传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件 作为系统中的一个结构 组成 其重要性变得越来越明显 目前 无论在生产 科学实验 还是在日常生活中 计算机都已得到了极大的发 展和应用 人们常把计算机比做人的大脑而称之为 电脑 而计算机发出各种指令的 依据 则是对各种被控制量的测量结果 对被控制量的测量一般是由传感器来完成的 因此 传感器的作用就像人的五官一样 可称之为 电五官 随着科技的进步 传感器的应用越来越广泛 早已引起世界各国的重视 日本在 20 世界 80 年代将传感技术列为该国优先发展的十大技术之首