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机械机电毕业设计论文
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毕业设计8抽水泵的PLC控制系统设计说明书,机械机电毕业设计论文
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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 。 图 1-1 抽水实物图 设计任务 ： 1. 根据以上题意要求，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。 水位控制 SQ3 SQ4 蓄水池 电动机 SQ1 SQ2 nts - 2 - 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，供水电以电动机为主的主电路以 P L C 为核心的智能控制为 P L C 提供电源模块各状态检测模块nts - 3 - 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 12 s。输入点数为 24个，对应的输入继电器地址编号为 X000 X027，每八点为一组；输出点数为 24个，对应的地址编号为 Y000 Y027；辅助继电器为 524点（ M500 10523），主从 M800 M899，从主 M900 M999；状态继电器为 500点（ S0 S499），初始用 S0 S9，返回原点用 S10 S19；定时器为 46点 10 s（ T200 T245）定时范围：0 327.67s；计数器为 32位可逆， 20点（ C200 C219），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，FX2C FXON， FX2C （ X10以内） FX2 输入信号电压 DC24V10% AC100V-120V10%50/60H z 输入信号电流 7mA/DC24V 5mA/DC24V 6.2Ma/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%。 nts - 4 - 高速大容量 a.超高速程式处理： 0.08 S/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。 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 表 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 nts - 5 - 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 Programmable Controller（ 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 Programmable Logic Controller（ 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。 nts - 6 - PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、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： nts - 7 - 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 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。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、 I O 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 I O 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，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） Q V/102 计算 式中： K为平衡系数（ 0.45-0.5） Q为负载重量 nts - 8 - 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=0.5 1000 1/102 0.75 =4（ KW） 选用 YTDT225M1 4/16 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：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=PN 1000/KUN （式中 K取 1.0到 1.4） =7.5 1000/380 =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-2111 2.5 1.3 1360 7.0 3.0 2.8 0.00169 70 4.1.3 、 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） INmax IN =2.5 23+2 0.6 0.304 =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。 nts - 9 - 综上所述选用： RL1 60/50 4.1.4、 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 = 25.3-28.75（ A） 故选用 JR 16-60/3 4.2、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。 nts - 10 - 电源开关及保护 主电动机L2L1L32L12L22L3FU125AKMFR4.5 7.2MFU236.8A2AQS3KW1500r/min50Hz380V4-1 主电路电路图 nts - 11 - 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 P02 X2 停止按钮 P03 X3 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 nts - 12 - 5.4、 梯形图设计 5.5、语句表 MC N 0 M100M 101M 100N 0M 101X 001 X 002X 004X 003X 005M 500Y 001X 005Y 003Y 002M C R N 0E N D启动按钮 停止按钮SQ 4 有水通电 SQ 2 满水位断开 通电电动机启动SQ 3 检测到水位下限通电SQ 4 有水断开水塔下限无水指示灯蓄水池无水指示灯掉电保持nts - 13 - 0 LD X001 1 OR M101 2 ANI X002 3 OUT M101 4 LD M100 5 MC N0 M100 8 LD X005 9 ANI X003 10 OUT Y001 11 LDI X005 12 OUT Y002 13 LD X004 14 OUT Y003 15 MCR N0 17 END nts - 14 - 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 启动 按钮 P02 X2 停止按钮 P03 SQ2 开关 PS2 SQ3 开关 PS3 SQ4 开关 PS4 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
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