基于PLC的工业水循环电控系统设计

摘要摘要 工业水冷系统 不仅安全实用 而且水的吸热量大 被广泛应用于工业生产现场 在国家越来越重视可持续性发展的今天 循环水的应用不仅仅令工厂节约了大量的成 本 而且在发展与环境方面做到了协调平衡的作用 减少了资源的浪费 降低了污染 传统的水循环控制系统不仅设计安装复杂 更重要的是由于设备的老化速度快 可靠性较差 抗干扰能力不强 靠继电器线圈控制的回路检修不便 浪费了宝贵的生 产时间 近年来流行的 PLC 控制回路解决了上述问题 不论从设计安装及可靠性 还是抗干扰性都优于传统的控制系统 本文提出了一个基于 PLC 的工业水循环的电控系统的解决方案 详细介绍了 PLC 发展及其特点 工艺流程的设计及其软件的设计 关键词关键词 水循环 电气控制 PLC 目录 摘要 III 第一章 绪论 1 1 1 PLC 的概述 2 1 2 PLC 的产生和发展 2 1 3 PLC 的特点和应用技术 3 1 4 传统控制电路与 PLC 控制电路的比较 5 第二章 电气图设计 6 2 1 工业水循环的一般流程概述 6 2 2 工艺流程要求 6 2 3 主电路的设计 7 2 4 控制检测电路的设计 11 2 5 电气柜及控制台的安装接线 16 第三章 程序设计 18 3 1 PLC 程序设计及其梯形图 18 3 2 PLC 程序代码 20 3 3 程序运行过程描述 26 第四章 总结与展望 30 致谢 31 参考文献 32 附件 1 主电路接线图 33 附件 2 控制检测电路图 34 附件 3 电气布置图及电气装配图 35 附件 4 PLC 端口分配接线图 40 附件 5 PLC 程序梯形图 41 附件 6 电气元件明细表 44 0 第一章第一章 绪论绪论 随着工业的发展 人们越来越重视科学 稳定以及环保的生产生活方式 上述生 产方式有赖于生产机器的稳定高效的运行 高效的运行可以利用一定的技术手段对设 备进行改造达到目的 相应的 由于高效的生产方式 能量消耗的增加必然造成设备 热能的散失加剧 这些热能使得设备的内部部件老化程度加快甚至故障 那么相应的 冷却系统也就应运而生了 水冷以其卓越的散热效果以及其经济性而倍受青睐 但是在水资源日益缺乏的今 天 一次性的水冷无论从它的环保性以及其花费来说都不是好的选择 那么 一个经 济高效的水循环系统就满足上述要求 现在的水循环系统已经得到了广泛的运用 从大的如核电站 钢铁机加工企业到 小的如电子 IT 行业都有涉及 这其中前者占有绝大部分的份额 近些年 国家提 出的节能减排的要求更加速了高效环保的水循环冷却系统的发展 这方面的技术也越 来越受重视 在 PLC 还未出现时候 传统的工业控制用的是继电器控制 这种控制电路有着 不可抗拒的不利因素 安装不便 检修不易 不经济 抗干扰能力差 PLC 以其安装 方便 经济耐用 可靠性高 抗干扰能力强等优点在近些年发挥了重大的作用 不少 厂家纷纷把以前烦琐的线路改造成 PLC 控制 所以 PLC 及相关系统电路设计及运用对电气方向的大学生来讲是必备的技能 基于 PLC 的工业水循环电控系统的设计不论从技术的角度还是从发展的潜力都有着 相当大的意义 本篇论文从主电路的设计 控制检测电路的设计 电气设备的选择 PLC 的控制 线路以及端口的分配和编程集中反映了工业水循环的电控系统的设计 调试 运用 从理论上描述了 PLC 控制水循环的运行机制 起到抛砖引玉的作用 前面我们提到传统的电路的控制主要是以继电器组成的控制电路来达到目的 然 而 传统的控制电路有着不可抗拒的不利因素 安装不便 检修不易 不经济 抗干 扰能力差 与之相反 PLC 优点在于安装方便 经济耐用 可靠性高 抗干扰能力强 等优点 了解两者的优劣就是本章的所要达到的目的 1 1 1 PLCPLC 的概述的概述 PLC 是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来 并逐渐发展成以微处理 器为核心 把自动化技术 计算机技术 通信技术融为一体的新型工业控制装置 目 前 PLC 已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中 成为最重要 最普 及 应用场合的工业控制装置 被公认为现代工业自动化的三大支柱 PLC 机器人 CAD CAM 之一 可编程序控制其定义如下 可编程序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储器 用来在其内部存储运算 顺 序控制 定时 计数和算术运算 等操作的指令 并通过数字式和模拟式的输入和输 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外围设备 都应按易 于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 定义强调了 PLC 应用于工业环境 必须具有很强的抗干扰能力 广泛的适应能 力和广阔的应用范围 这是区别于一般微机控制系统的重要特征 同时 也强调了 PLC 用软件方式实现的 可编程 与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变 程序有本质区别 1 2 PLCPLC 的产生和发展的产生和发展 在可编程序控制器出现前 在工业电气控制领域中 继电器控制占主导地位 应 用广泛 但是传统的电气控制系统存在体积大 可靠性低 查找和排除故障困难等缺 点 特别是其接线复杂 不易更改 对生产工艺变化的适应性差 从 1969 年美国数字设备公司 DEC 根据美国通用汽车公司的要求 研制成功 了世界上第一台可编程序控制器 并在通用汽车公司的自动装配线上试用 取得很好 的效果 从此这项技术迅速发展起来 早期的可编程序控制器仅有逻辑运算 定时 计数等功能 只是用来取代传统的 继电器 通常称为可编程序控制器 Prongrammable Logic Controller 随着微电子技 术和计算机技术的发展 20 世纪 70 年代中期微处理器技术应用到 PLC 中 使 PLC 不仅具有逻辑控制功能 还增加了算术运算 数据传送和数据处理等功能 20 世纪 80 年代以后 随着大规模 超大规模集成电路等微电子技术的发展 16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中 使 PLC 得到迅速的发展 PLC 不仅控制功能增 2 强 同时可靠性提高 功耗 体积减小 成本降低 编程和故障检测更加灵活方便 而且具有通信和联网 数据处理和图象显示等功能 使 PLC 真正成为具有逻辑控制 过程控制 运动控制 数据处理和联网通信等功能的名符其实的多功能控制器 自从第一台 PLC 研制出现以后 日本 德国 法国等也相继开始研制 PLC 并 得到了迅速的发展 目前 世界上有 200 多家 PLC 厂家 400 多品种的 PLC 产品 按地域可分成美国 欧洲和日本等三个流派产品 各流派 PLC 都各具特色 如日本 主要发展中小型 PLC 其小型 PLC 性能先进 结构紧凑 价格便宜 在国际市场上 占有重要地位 世界上著名的 PLC 生产厂家主要有美国 A B 公司 GE 公司 日本 的三菱电动机公司 欧姆龙公司 德国的 AEG 公司 西门子公司 法国的 TE 公司 等 从近年的统计数据看 在世界范围内 PLC 产品的产量 销量 用量高居工业控 制装置榜首 而且市场需求量一直以每年 15 的比率上升 PLC 已成为工业自动化 控制领域中占主导的控制装置 1 3 PLCPLC 的特点和应用技术的特点和应用技术 一 PLC 的特点 PLC 技术之所以高速发展 除了工业自动化的客观需要外 主要是因为它具有 许多独特的优点 它较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠 安全 灵活 方便 经济等问题 主要有以下特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 可靠性高 抗干扰能力强是 PLC 最重要的特点之一 PLC 的平均无故障时间可 达几十万个小时 之所以有这么高的可靠性 是由于它采用了一系列的硬件和软件的 抗干扰措施 A 硬件方面 I O 通道采用光电隔离 有效地抑制了外部干扰源对 PLC 的影 响 对供电电源及线路采用多种形式的滤波 从而消除或抑制高频干扰 对 PLC 等 重要部件采用良好的导电 导磁材料进行屏蔽 以减少空间电磁干扰 对有些模块设 置了连锁保护 自诊断电路等 B 软件方面 PLC 采用的是扫描工作方式 减少了由于外界环境干扰引起故 障 在 PLC 系统程序中设有故障检测和自诊断程序 能对系统硬件电路等故障实现 检测和判断 当由外界干扰引起故障时 能立即将当前重要信息加以封存 禁止任何 3 不稳定的读写操作 一旦外界环境正常后 便可恢复到故障前的状态 继续原来的工 作 2 编程简单 使用方便 目前 大多数的 PLC 采用的编程语言是梯形图语言 它是一种面向生产 面向 用户的编程语言 梯形图与电器控制线路图相似 形象 直观 不需要掌握计算机知 识 很容易让广大工程技术人员掌握 3 功能完善 通用性强 现代 PLC 不仅具有逻辑运算 定时 计数 顺序控制等功能 而且还具有 A D 和 D A 转换 数值运算 数据处理 PID 控制 通信联网等许多功能 同时 由于 PLC 产品的系列化 模块化 有品种齐全的各种硬件装置供用户选用 可以组成满足 各种要求的控制系统 4 设计安装简单 维护方便 由于 PLC 是用软件代替了传统电气控制系统的硬件 控制柜的设计 安装接线 工作量大为减少 PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试 缩短了应用设计 和调试周期 在维修方面 由于 PLC 的故障率极低 维修工作量很小 而且 PLC 具 有很强的自诊断功能 如果出现故障 可根据 PLC 上的指示或编程器上提供的故障 信息 迅速查明原因 维修极为方便 5 体积小 重量轻 能耗低 由于 PLC 采用了集成电路 其结构紧凑 体积小 能耗低 因而是实现机电一 体化的理想控制设备 二 PLC 的应用领域 目前 在国内外 PLC 已广泛应用冶金 石油 化工 建材 机械制造 电力 汽车 轻工 环保及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格比的不断提高 其应 用领域不断扩展 从应用类型看 PLC 的应用大致可归纳为以下几个方面 1 开关量逻辑控制 利用 PLC 最基本的逻辑运算 定时 计数等功能实现逻辑控制 可以取代传统 的继电器控制 用于单机控制 多机控制 生产自动线控制等 例如 机床 注塑机 印刷机械 装配生产线 电镀流水线及电梯的控制等 这是 PLC 最基本的应用 也 是 PLC 最广泛的应用领域 4 2 运动控制 大多数 PLC 都有拖动步进机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块 这一功 能广泛用于各种机械设备 如各种机床 装配机械 机器人等进行运动控制 3 过程控制 大 中型 PLC 都具有多路模拟量 I O 模块和 PID 控制功能 有的小型 PLC 也 具有模拟量输入输出 所以 PLC 可实现模拟量控制 而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构成闭环控制 用于过程控制 这一功能已广泛用于锅炉 反应堆 水处理以及闭 环位置控制和速度控制等方面 4 数据处理和通信联网 现代的 PLC 都具有数学运算 数据传送 转换 排序和查表等功能 如计算机 数值控制设备 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC PLC 与计算机 PLC 与其他智能设备之间的通 信 PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元 通信转换单元相连构成网络 以实现信息的交换 并可构成 集中管理 分散控制 的多级分布式控制系统 满足 工厂自动化系统发展的需要 1 4 传统控制电路与传统控制电路与 PLCPLC 控制电路的比较控制电路的比较 在传统的工业水循环系统中 系统的控制主要是以继电器为主的控制电路来达到 目的 然而 传统的控制电路有着不可抗拒的不利因素 从继电器的材料来看 继电器 的触点表面是由一层氧化层镀在上面 通常为银制 长期的碰撞和电弧温度的灼烧熔 化导致时常要去检修并伴随着短路停机的发生 安全性和抗干扰性较差 同时 继电 器一旦用得太多 必然伴随着导线线路的连接增加 检查起来十分不便 并且导线的 发热导致电流的不稳定 对需要精确控制的系统带来了很大的不便 由于 PLC 的引入使得上述的情况得以解决 通过端口的设置及编程使得继电器为 主所构成的控制回路可以以编程的形式得以解决 操作较为容易 除主电路外 只需 要部分的检测和控制电路就可以达到控制目的 且软件自身拥有的辅助继电器数量不 受限制 体积较小安装方便 价格相对长期投入的继电器来说便宜且程序可以改写 方便易行 检修容易 抗干扰能力优于传统控制电路 是工厂自动控制的发展趋势和 方向 5 第二章第二章 电气图设计电气图设计 2 1 工业水循环的一般流程概述工业水循环的一般流程概述 工业水循环系统中一般有一组水泵作为水循环的动力来源 通过叶片等把储水池 里的水打入水管 对要冷却的机器进行降温 降温过后的高温水在厂房上的冷却塔上 通过电机带动叶片进行降温 最后把降温后的水排入储水池 循环使用 储水池有一 个进水管和一个出水管 进水是温度低的自然水 出水管排放储水池的水 示意图如下 图 2 1 工业水循环示意图 2 2 工艺流程要求工艺流程要求 根据论文要求一铝合金压铸厂拥有 250kW 晶闸管中频熔炼电炉两台及 400 1600t 铝合金压铸机数台 这些设备都要用水冷却 要求冷却水压力不应低于 0 25Mpa 温度不宜高于 35 为此配置一套循环水系统 3 台离心式水泵流量 Q 50m3 h 扬程 H 32m 电动机功率 PN 7 5kW 用水量最大时开两台水泵就可满足生 产要求 这样可以在有 1 台水泵损坏需要修理时仍然能满负荷生产 100m3 h 玻璃钢 6 冷却水塔 1 座 其冷却风机的功率为 3kW 夏季在风机运转时可使从设备返回的循 环水温度下降 3 5 冷却水塔下面的储水池约 50m3 水泵出口至生产车间的供水总管上除装设就地显示的数字式压力表外 还装了 0 0 6Mpa 压力传感器及 pt100 铂热电阻等 它们的数字控制仪安装在电气控制柜上 当循环水的供水压力地于 0 25Mpa 或温度达到 35 以上时 发出报警信号 提示值 班人员及时进行处理 循环水系统设备的电气控制柜装在水泵房内 用户还要求在生产车间也能对这些 设备进行操作 为此在车间里也安装了一只操作箱 由于储水池和水泵房均在室外地 下 平时无人职守 为防止水泵房内积水过多 在泵房一角设置了长 宽 深为 0 6m 0 6m 0 8m 的集水坑 在控制柜上有指示灯及开关等 可以手动或自动启 停潜水泵 将坑内积水排出 系统采用温度 压力数字显示控制仪表各一套 温度仪表设置上限报警 压力仪 表设置下限报警 系统用一个报警铃和各一个显示灯作为报警系统 报警器应装在维 修人员的值班地点 储水池由池子和注水管道及出水管道构成 注水管道上设一浮球阀 当水位低于 水位时注入水 当水位过高时关闭阀门 防止水位过高造成资源浪费 出水管道有一 个阀门 当水温过高时避免停机做紧急使用 使水池的热水排放到下水道 水位下降 入水管道的阀门打开补充温度较低的自来水 由于两个阀门不为电控故没在设计图中 画出 2 3 主电路的设计主电路的设计 主电路的构成主要是被控制的电机组件 任务是通过控制电路的作用完成预定的 目标 主电路设计的好坏直接关系到整个系统的功能是否完整 所需要的动力是否充 足 反应是否灵敏等 2 3 1 主电路概述主电路概述 主电路由工业三相交流 380V 电源构成主线路 M1 M2 M3为型号一样的离心 式水泵 流量 Q 50m3 h 扬程 H 32m 电动机功率 PN 7 5kW M4为一台功率为 3kW 的电机作为冷却塔风机电机 M5为潜水泵电机 在主线路和各个支线路上设置 组合开关 熔断器和热继电器作为过热过载保护 保护电机和线路安全 同时安装接 7 触器 其线圈连在 PLC 上控制开机 由于所有电机为交流异步电机且功率小于等于 7 5 kW 且无特殊停车要求 所以选择直接启动 自由停车 图 2 2 工业水循环主电路图 2 3 2 主电路器件参数设定主电路器件参数设定 主电路的器件参数确定如下 1 电机的选择 3 个水泵电功率为 PN 7 5kW 查表可知使用 Y 132S2 2 系列的三项异步电机 PN 7 5kW 额定转速 NN 2900r min 额定电压 UN 380V 三角形接法 额定电流 IN 15A 额定效率 86 2 功率因数 cos 0 88 电机 M4的电功率为 PN 3kW 电机 M5同样选择电功率 PN 3kW 查表可知所选用的电机为 Y 1328 6 系列的三项异步电机 PN 3kW 额定转速 NN 960r min 额定电压 UN 380V 三角形接法 额定电流 IN 7 2A 额定效率 83 功率因数 cos 0 76 由于全部电机都是小容量电机 在一般电网容量下 7 5kW 的电机都可以认为是 小容量电机 我们对与一切 kW 2 1 5 7 N P 8 的笼型异步电机一般都可以采用全压启动 2 熔断器的选择 对于一台电动机的负载的短路保护 2 2 电机额熔体额 II 5 2 5 1 上式的系数视负载性质和启动方式不同而选取 对轻载启动 启动次数少 时间 短或降压启动 取小值 对重载启动 启动频繁 启动时间长或全压启动时 取大值 对于多台电动机的短路保护 2 3 电流其余电动机的计算负荷 最大电机额熔体额 II 5 2 5 1 熔断器选用时其电流应大于熔体的额定电流 故 M1 M2 M3的支路熔断器电流 2 5 2 5 15 37 5A 熔体额 I 电机额 I 所以选择的熔断器型号为 RL1 额定电压为交流 380V 熔断器额定电流为 60A 熔体额定电流为 40A 的有填充料封闭螺栓式熔断器 同理 M4 M5的支路熔断器电流 2 5 2 5 7 2 18A 熔体额 I 电机额 I 所以选择的熔断器型号为 RL2 额定电压为交流 380V 熔断器额定电流为 25A 熔体额定电流为 20A 的有填充料封闭螺栓式熔断器 主电路总的熔断器的选定电流 2 5 其余电动机的计算负荷电流 熔体额 I 最大电机额 I 2 5 15 15 15 7 2 7 2 81 9A 熔体额 I 所以选择的熔断器型号为 RL1 额定电压为交流 380V 熔断器额定电流为 100A 熔体额定电流为 100A 的有填充料封闭螺栓式熔断器 3 刀开关的选择 由于电流比较小 所以选一般的刀开关 HD17 系列刀形隔离器 额定通断电流 200A 额定电压 380V 3 极 4 热继电器的选择 9 热继电器的额定电流应略大于电动机的额定电流 所以所选择的热继电器 FR1 FR2 FR3的额定电流应该大于电动机 M1 M2 M3的电流值即 15A 所以 FR1 FR2 FR3的型号选为 JR16 系列 额定电压为 380V 额定电流为 20A 的热继电器 同理 FR4 FR5的额定电流应该大于电动机 M4 M5的额定电流即 7 2A 所以 FR4 FR5的型号选为 JR15 系列 额定电压为 380V 额定电流为 10A 的热继 电器 6 接触器的选择 一般情况下 接触器的主触点的额定电流应大于等于负载或电动机的额定电流 计算公式 2 4 式中 主触点的额定电流 N I 经验常数 一般取 1 1 4 K 被控电动机额定功率 N P 被控电机额定电压 N U 所以 M1 M2 M3接触器的额定电流计算 19 7A 3801 105 7 3 N I M4 M5接触器额定电流计算 7 9A 3801 103 3 N I 接触器额定电压的主要根据主触点所控制的负载电路的额定电压来确定 所以此 次接触器的额定电压应该选用额定电压 380V 以上 为了保证安全 一般接触器的线圈电压均选用较低的电压 如 110V 127V 由 N N N KU P I 3 10 10 控制变压器供电 但如果控制电路简单 所用的接触器较少 为了省去变压器 可选 用 380V 220V 电压 我们查表得到 三菱的 PLC 承受的输出有 2A 左右的电流 而接触器的线圈的动 作电流只有几百毫安 所以一般可以稳定吸合 综上 我们选用的接触器应该为 3TB43 型号 规定发热电流 35A 380V 额定工作电流 22A 可控电动机功率为 11kW 的交流接触器 3 个 3TB40 型号 规定发热电流 22A 380V 额定工作电流 9A 可控电动机功率为 4kW 的交流接触器 2 个 上述资料汇总见附件 2 4 控制检测电路的设计控制检测电路的设计 在一个控制系统中 检测控制电路是对系统所要求的环境参数进行检测并对其发 生的状况发出相应信号 提示工作人员及时进行处理 本论文的检测电路主要作用是用来检测水温 水压和潜水泵房的水位 由于潜水 泵水位检测和处理方式在 PLC 程序内实现 由开关 SQ1 SQ2完成检测 结构简单 所以这里主要讲的是水温水压的检测 而控制电路的作用主要由 PLC 来实现 一个 控制系统的检测系统的好坏 直接关系到系统的精度和准度 2 4 1 检测电路概述检测电路概述 控制电路电源来自主电路其中 2 相由变压器转换而成 内接一个电源灯泡安装于 控制台上以便观察控制检测电路是否通电 当主电路电机运行之时 相应的接触器带 动显示仪表开始工作 面板分别都装在控制台上便于观察 仪表 WP1上装一热电阻 和一电流继电器 KA1 当水管内的温度达到指定温度时 线圈得电 使得相应的触点 动作 仪表 WP2上装有一压力传感器和电流继电器 KA2 当水管内压力小于预定点 时线圈得电 相应触点动作 11 图 2 3 工业水循环控制检测电路 2 4 2 检测电路元件参数设定检测电路元件参数设定 参数设定如下 1 变压器的选择 显然 我们选的变压器为 380 220 的变压器 所以 K 的取值为 2 5 7 1 220 380 K 简单的变压器可以自行绕制也可购买 绕制方法不再详细说明 2 仪表 由于各个厂家生产的仪表使用方法在说明书上 所以必须根据仪表的说明书进行 选购和调试 同样的情况还出现于热电阻和压力传感器的选择 仪表的选择要根据 1 输 入电压的大小 这里我们为 220V 的交流电 2 输出的方式 这里我们选择电流输出 以便配合电流继电器的线圈 具体型号根据厂家选择 必须注意的是仪表的型号一般相同 通过调查 我选择的仪表为成都怡腾自动化 ES6 数显仪 型号为 ES6 A HRTA1B0E 和 ES6 A HRTA1B0I 误差小于 0 5 F S 并具备调教 数字滤波功能 输入信号类型 万能输入 通过设定选择 适用于电压 电流 热电阻 热电偶信号 电源为 220V AC 功耗小于 7VA 输入信号包括 热电阻 Pt100 Pt1000 测温范 12 围为 200 00 500 00 热电偶 K S E T 分辨力为 0 1 直流 电流 直流电压 直流 mV 电流输出 4 20 mA 0 10 mA 或 0 20 mA 3 电流继电器 这里的继电器的电流根据仪表输出的电流选择参数 我们选择型号为 D10 系列 的继电器 即到了我们所设定的电流 10mA 左右 继电器就动作 具体调试中根据不 同情况调整 技术要求为 动作电流的平均误差不应该大于 5 继电器的额定电压为 220V 交流或以上 4 热电阻及传感器的选择 根据论文要求 热电阻选择为 Pt100 的热电偶 传感器选择为成都怡腾自动化 FD81151DR 3051DR 微差压变送器 测量范围为差压 0 1 5kPa 5 指示灯的选择 无特殊要求 选用 AD1 30 31 额定电压为 220V 电源种类为 AC50HZ 灯头型号为 XZ8 1W E10 13 颜色为无色透明指示灯 2 4 3 PLC 电路的设计及端口分配电路的设计及端口分配 对与一个 PLC 的控制电路 正确的端口分配和接线连接关系着控制程序能否按照 预定的步骤运行 错误的分配和接线会使 PLC 无法识别器件 甚至导致程序出现致 命错误 造成不必要的损失 不同的厂家 不同系列的 PLC 其端口的编号和接线方法 及其程序语言虽然大 同小异 但只有按照使用手册对 PLC 进行正确的编程才能使得 PLC 正常工作 我们在这里选择 PLC 为三菱的 FX0N 系列的型号为 FX0N 60MR 001 继电器输 出 输入点数 36 输出点数 24 13 图 2 4 三菱 FX0N 60MR 001PLC 控制线路接线图 图 2 4 表示为一三菱的 FX0N 60MR 001 型号 PLC 控制输入输出图 其端口分配 如表 2 1 所示 表 2 1 PLC 端口分配表 元件端口安装位置作用描述 SB11X0控制台控制台停止 M1 按钮 SB21X1水泵房水泵房停止 M1 按钮 SB12X2控制台控制台启动 M1 按钮 14 SB22X3水泵房水泵房启动 M1 按钮 FR1X4电气柜M1 热继电器触点 SB13X5控制台控制台停止 M2 按钮 SB23X6水泵房水泵房停止 M2 按钮 SB14X7控制台控制台启动 M2 按钮 SB24X10水泵房水泵房启动 M2 按钮 FR2X11电气柜M2 热继电器触点 SB15X12控制台控制台停止 M3 按钮 SB25X13水泵房水泵房停止 M3 按钮 SB16X14控制台控制台启动 M3 按钮 SB26X15水泵房水泵房启动 M3 按钮 FR3X16电气柜M3 热继电器触点 SB17X17控制台控制台停止 M4 按钮 SB27X20水泵房水泵房停止 M4 按钮 SB18X21控制台控制台启动 M4 按钮 SB28X22水泵房水泵房启动 M4 按钮 FR4X23电气柜M4 热继电器触点 SQ1X24集水坑上限水位浮球开关 SQ2X25集水坑下限水位浮球开关 SB19X26控制台控制 M5 停止按钮 SB20X27控制台控制 M5 启动按钮 FR5X30电气柜M5 热继电器触点 SB29X31控制台温度压力报警系统实验按钮 SB30X32控制台温度压力报警系统消音按纽 KA1X33电气柜水温报警系统线圈触点 KA2X34电气柜水压报警系统线圈触点 SAX35控制台潜水泵自动派水挡位 SAX36控制台潜水泵手动排水挡位 HL11Y0控制台M1 运行指示灯 HL21Y1水泵房M1 运行指示灯 HL12Y2控制台M2 运行指示灯 HL22Y3水泵房M2 运行指示灯 HL13Y4控制台M3 运行指示灯 15 HL23Y5水泵房M3 运行指示灯 HL14Y6控制台M4 运行指示灯 表 2 1 PLC 端口分配表 元件端口安装位置作用描述 HL24Y7水泵房M4 运行指示灯 HL16Y10控制台集水坑上限水位指示灯 HL17Y11控制台集水坑下限水位指示灯 KM1Y12电气柜线圈 得电控制相应触点动作 KM2Y13电气柜同上 KM3Y14电气柜同上 KM4Y15电气柜同上 KM5Y16电气柜同上 HL15Y17控制台潜水泵运行指示灯 HL1Y20控制台水温超标指示灯 HL2Y21控制台水压低指示灯 HAY22控制台水温水压报警 COMCOMPLC 自带 COM0 6COM0 6同上 以上按钮的型号 指示灯型号 及电铃型号在见附件 2 5 电气柜及控制台的安装接线电气柜及控制台的安装接线 电气柜与控制台的安排是否合理有利于工作的高效率展开 由于图片内容比较复 杂 这里只列举控制台的接线图和布置图 其他电气接线图和布置图在附件中列出 电器元件的布置应该满足以下原则 体积大的和较重的元件应安装在电器板的下面 发热元件应安装在电器板的上 面 强电与弱电分开应注意弱电屏蔽 防止外界干扰 需要经常维护 检修 调整的电器元件安装位置不宜过高或过低 电器元件的布置应考虑整齐 美观 各种电器元件的布置不宜过密 要有一定的间距 16 在安装接线的时候就要严格按照画的位置和数字进行相应的接线 务必避免错误 的接线 造成短路或者器件的不正常运行 图 2 5 为控制台的电气布置图 图 2 6 为 控制台的电气接线图 图 2 5 控制台的电气布置图 图 2 6 控制台的电气接线图 第三章第三章 程序设计程序设计 文章上一章节已经对 PLC 进行了 I O 口分配 下面是对 PLC 进行程序设计 以便 17 让机器按照我们希望的步骤进行工作 3 1 PLCPLC 程序设计及其梯形图程序设计及其梯形图 梯形图作为 PLC 程序的一个描述形式 有直观 适合电气工程领域的人识别的特 点 所以程序的叙述由下面的梯形图开始 先给读者一个直观的印象 3 1 1 水泵及冷却塔风机运行水泵及冷却塔风机运行 因为运行机制一致 所以水泵和冷却塔风机的程序基本一致 其运行机制为按下 相应的启动按钮后控制电机的接触器线圈得电 电机开始运行 当停止按钮按下时 相应的线圈失电 电机停车 下面列出 M1的梯形图 详细的程序叙述我们在第 3 节 进行讲解 图 3 1 水泵 M1梯形图 3 1 2 潜水泵的运行潜水泵的运行 潜水泵由于分自动控制和手动控制 所以 首先它就要有个控制按钮 SA 使得它 可以在两者之间切换 当它自动运行之时要求当上限水位到达的时候自动启动水泵 即和上述电机一样令管理这个泵的接触器线圈得电 相应的触点得电使电机工作进行 排水 同时控制台的指示灯给工作人员相应的信息 同理 手动运行时 要求同一般 水泵一样正常控制电机工作 其程序如下 具体程序叙述在第 3 节 18 图 3 2 潜水泵 M5梯形图 3 1 3 报警系统的运行报警系统的运行 报警系统的运行机制是当水温水压达到预定值时 控制显示仪表发出电流信号使 得相应的继电器线圈得电 相应继电器触点动作使得其控制的警报显示灯发光且发出 警报 使工作人员能够快速地得到信息 及时处理 本报警系统比较简易 设有实验 和消音功能 其程序如下 具体程序叙述详见第 3 节 19 图 3 3 报警系统梯形图 3 2 PLCPLC 程序代码程序代码 PLC 程序代码根据梯形图编写 完整梯形图详见附件 程序语言为三菱 PLC 语言 参考程序如下 电机 M1 M2 M3 M4 LD X2 建立一个块同时建立常开 X2 OR X3 并上一个常开 X3 OR M1 并上辅助继电器常开触点 M1 AND X0 串上常开 X0 20 AND X1 串上常开 X1 AND X4 串上常开 X4 OUT M1 输出辅助继电器线圈 M1 LD M1 建立一个块建立常开 M1 OUT Y0 输出 Y0 OUT Y1 输出 Y1 OUT Y12 输出 Y12 电机 M1 控制结束 LD X7 建立一个块同时建立常开 X7 OR X10 并上一个常开 X10 OR M2 并上辅助继电器常开触点 M2 AND X5 串上常开 X5 AND X6 串上常开 X6 AND X13 串上常开 X13 OUT M2 输出辅助继电器线圈 M2 LD M2 建立一个块建立常开 M2 OUT Y2 输出 Y2 OUT Y3 输出 Y3 OUT Y13 输出 Y13 电机 M2 控制结束 LD X14 建立一个块同时建立常开 X14 OR X15 并上一个常开 X15 OR M3 并上辅助继电器常开触点 M3 AND X12 串上常开 X12 AND X13 串上常开 X13 AND X16 串上常开 X16 OUT M3 输出辅助继电器线圈 M3 LD M3 建立一个块建立常开 M3 OUT Y4 输出 Y4 OUT Y5 输出 Y5 OUT Y14 输出 Y14 电机 M3 控制结束 21 LD X21 建立一个块并建立常开 X21 OR X22 并上常开 X22 OR M4 并上辅助继电器常开触点 M4 AND X17 串上常开 X17 AND X20 串上常开 X20 AND X23 串上常开 X23 OUT M4 输出辅助继电器线圈 M4 LD M4 建立一个块建立常开 M4 OUT Y6 输出 Y6 OUT Y7 输出 Y7 OUT Y15 输出 Y15 电机 M4 控制结束 水泵与冷却塔风机程序流程图如图 3 4 图 3 4 水泵与冷却塔风机程序流程示意图 22 如流程图 3 4 所示 水泵和冷却塔风机的程序流程是按下开始按钮电机运行 电 机过热或按下停止按钮时停止 整个过程都是由 PLC 内部辅助继电器和线圈控制 详细的 PLC 程序运行叙述见第 3 节 潜水泵的程序 LD X24 OUT M5 LD X25 OUT M6 设置限位开关辅助继电器线圈 LD M5 OUT Y10 LD M6 OUT Y11 输出限位的指示灯 LD M5 OR M7 AND M6 AND X30 OUT M7 自动排水程序段结束 LD X27 OR M8 AND X26 AND X30 OUT M8 手动排水程序段结束 LD M7 AND X35 LD M8 AND X36 ORB OUT Y16 23 OUT Y17 电机 M5 控制结束 如程序流程图 3 5 所示 潜水泵的程序流程和水泵与冷却塔风机相同 不同的在于 其自动运行时的流程如图 3 6 它是通过上下水位控制 当水位达到上限的时候 电 机启动并开始排水 当水排到下限水位的时候 电机停止 当电机过热的时候 电机 强制停止 详细的 PLC 程序运行叙述见第 3 节 图 3 5 潜水泵手动控制程序流程示意图 图 3 6 潜水泵自动控制程序流程示意图 报警系统的程序 LD X31 OUT Y20 OUT Y21 OUT Y22 报警系统实验功能 LD X33 OUT M9 OUT Y20 报警系统之压力灯亮 LD X34 24 OUT M10 OUT Y21 报警系统之水温灯亮 LD M9 OR M10 OUT M11 LD X32 OR M12 AND M11 OUT M12 LD M11 ANI M12 OUT Y22 报警系统警铃声响带消音按钮 如程序流程图 3 6 所示 整个报警系统由实验和正式运行两部分组成 当实验开 始时 整个报警系统的电铃及水温 压力灯都开始工作 当水温超标或者压力不够时 对应的灯开始工作 同时铃声响起 当状况排除之时 灯光熄灭 铃声停止 详细的 PLC 程序运行叙述见第 3 节 25 图 3 6 报警系统程序流程示意图 3 3 程序运行过程描述程序运行过程描述 特别说明 由于设计方便需要 部份停止按钮的实际设计为常闭 故程序里的代 表停止的语句为常开 3 3 1 水泵及冷却塔风机程序描述水泵及冷却塔风机程序描述 M1的运作 当按下 SB12或者 SB22的时候 PLC 对应的 X2 或 X3 得电闭合 PLC 内部辅助继电器线圈 M1 得电 支路 M1 常开触点得电闭合 形成一个自锁状态 26 M1 线圈一直得电 语句第二句由于线圈 M1 得电 对应的常开触点 M1 一直闭合 输出 Y0 Y1 Y12 即对应的 HL11 HL21 KM1得电 这时控制台的 HL11 HL21 发光 接触器线圈 KM1得电 主电路的触点得电闭合 电机 M1得电运行 控制检测 电路的触点闭合 使仪表开始工作 开始测量水温水压 当按下 SB11或者 SB21的时候 PLC 对应的 X0 或 X1 失电 原来闭合的 X0 或 X1 变断开 辅助继电器 M1 线圈失电 同时程序向下扫描 对应的 M1 触点恢复原 状 Y0 Y1 Y12 终止输出 即对应的 HL11 HL21 KM1 失电 这时控制台 HL11 HL21熄灭 接触器线圈 KM1失电 主电路的 KM1触点失电断开 电机失电开 始停止 控制检测电路的 MK1触点断开 M1这一路的仪表通路断开 具体见控制检 测电路电路图 当电机 M1过热的时候 主电路的热继电器 FR1动作 对应的触点动作 PLC 对 应的 X4 动作 即闭合变断开 对应的辅助继电器 M1 失电 输出 Y0 Y1 Y12终止 HL11 HL21 KM1失电 控制台显示灯熄灭 电机停止 控制电路 M1一路的仪表通 路断开 M2的运作 当按下 SB14或者 SB24的时候 PLC 对应的 X7 或 X10 得电闭合 PLC 内部辅助继电器线圈 M2 得电 支路 M2 常开辅助触点得电闭合 形成一个自锁 状态 M2 线圈一直得电 语句第四句由于辅助继电器线圈 M2 得电 对应的常开辅 助触点 M2 一直闭合 输出 Y2 Y3 Y13 即对应的 HL12 HL22 KM2得电 这时 控制台的 HL12 HL22发光 接触器线圈 KM2得电 主电路的触点得电闭合 电机 M2得电运行 控制检测电路的 KM2触点闭合 使仪表开始工作 开始测量水温水压 当按下 SB13或者 SB23的时候 PLC 对应的 X5 或 X6 失电 原来闭合的 X5 或 X6 变断开 辅助继电器 M2 线圈失电 同时程序向下扫描 对应的 M2 辅助触点恢 复原状 Y2 Y3 Y13 终止输出 即对应的 HL12 HL22 KM2 失电 这时控制台 HL12 HL22熄灭 继电器线圈 KM2失电 主电路的触点 KM2失电断开 电机失电开 始停止 控制检测电路的触点 KM2断开 M2这一路的仪表通路断开 具体见控制检 测电路电路图 当电机 M2过热的时候 主电路的热继电器 FR2动作 对应的触点动作 PLC 对 应的 X13 动作 即闭合变断开 对应的辅助继电器 M2 失电 Y2 Y3 Y13 终止输 27 出 HL12 HL22 KM2失电 控制台显示灯熄灭 电机停止 控制检测电路 M2一路 的仪表通路断开 M3 M4运行机理与 M1 M2相同 程序类似 不再鳌述 详情参见完整的梯形 图 附件 值得注意的是 M4为冷却塔 与 M1 M2 M3的区别在于电机的选择 我们在上一章有介绍 3 3 2 集水坑潜水泵的程序叙述集水坑潜水泵的程序叙述 程序中 X24 X25 分别对应上限水位浮球开关和下限水位浮球开关 当水位达到 下限时候浮球开关的浮球浮起 开关接通线路 X25 闭合 辅助继电器线圈 M6 得电 当水位达到上限的时候浮球开关的浮球浮起 开关接通线路 X24 闭合 辅助继电器 线圈 M5 得电 若线圈 M5 得电 即水位达到了上限开关的时候 输出一个 Y10 对应的 HL16 得电 即上限水位显示灯发光 同样的 若线圈 M6 得电 即水位达到了下限水位开 关的时候 输出一个 Y11 对应的 HL17得电 即下限水位开关得电发光 自动控制排水开关开启时 当水位达到了上限水位 此时肯定超过下限水位 线圈 M5 线圈 M6 同时得电 线圈 M7 接通得电这时 M7 触点得电形成自锁 由于 SA 在自动挡位 即 X35 对应动作为闭合 程序中 M7 X35 对应的一路全部闭合 输出 Y16 Y17 即接触器 KM5线圈得电带动相应触点动作 M5开始运行排水 并 同时排水指示灯发光 当水位排到下限水位以下时 浮球开关对应的 X25 失电 回到初始状态 即常 开 此时线圈 M6 失电 相应的触点还原 此时 M7 线圈失电 相应的触点还原 M7 X35 对应的一路断开 Y16 Y17 停止输出 即排水结束 指示灯熄灭 若电机 M5过热 热继电器 FR5动作 对应触点 FR5断开 即与 PLC 对应 X30 断开 M7 失电 Y16 Y17 停止输出 M5停止工作 指示灯熄灭 手动控制排水开关开启之时 即 SA 在手动挡位时 与 PLC 对应的 X36 闭合 若要排水按下 SB20 与 PLC 对应的 X27 动作 线圈 M8 得电 对应的 M8 辅助触点 动作 形成自锁 由于程序中 M8 X36 全部闭合 此时输出 Y16 Y17 电机 M5开 始工作同时指示灯亮 若要停止电机 M5 按下 SB19 此时与 PLC 对应的 X26 动作由闭合到断开 此 时 线圈 M8 失电 对应的触点 M8 与 X36 连接的一路断开 输出 Y16 Y17 停止 28 电机 M5停止工作同时指示灯熄灭 若电机 M5过热 热继电器 FR5动作 对应触点 FR5断开 即 PLC 对应的 X30 断开 线圈 M8 失电 对应的触点 M8 与 X36 连接的一路断开 输出 Y16 Y17 停止 电机 M5停止工作同时指示灯熄灭 3 3 2 报警系统程序叙述报警系统程序叙述 实验开关 当实验开关 SB29一直按下时 对应的 X31 得电动作闭合 输出 Y20 Y21 Y22 即此时 HL1 HL2 HA 动作 水温 水压显示灯亮 报警铃声响 松 开 SB29后 X31 还原 输出停止 正式启用 当水温达到预定的值时 电流继电器 KA1的线圈得电同时触点动作 此时触点 KA1对应的 X33 动作 辅助继电器线圈 M9 得电同时输出 Y20 即水温显 示灯亮 同理 当水压达到预定值时候 电流继电器 KA2的线圈得电同时触点动作 此时触点对应的 X34 动作 辅助继电器线圈 M10 得电同时输出 Y21 即水压显示灯 亮 一旦辅助继电器 M9 M10 的线圈得电 其对应的辅助触点得电 常开辅助触点 M9 M10 只要有一个闭合 辅助继电器 M11 线圈得电 辅助继电器 M11 的线圈得电以后 M11 辅助常开触点闭合 输出 Y22 对应 HA 得电警报响起 若在警报响起时候想关闭铃声 按下消音按钮 SB30 此时 X32 得电动作 辅助 继电器线圈 M12 得电 支路的辅助触点动作形成自锁 常闭的触点断开 Y22 终止 输出 警报消失 一旦问题解决 即电流继电器 KA1 KA2的线圈失电 其触点从闭合到断开 X33 X34 恢复常态 辅助继电器线圈 M9 M10 失电 相应的触点恢复常态 辅助 继电器 M11 的线圈失电 相应触点恢复原状 辅助继电器 M12 线圈失电 自锁消失 29 第四章第四章 总结总结与展望与展望 4 14 1 总结总结 论文是在老师的指导下 提出了设计任务和技术要求 力争使其具有高性能和广 阔的扩展空间 从而满足市场的需要 本论文的知识在进几年的电气设计运用广泛 就如同论文介绍一样 PLC 的使用 使得工业控制更加方便快捷 经济有效且精确度高 抗干扰能力强 在市场上有这极 大的商业价值 在技术上有极大的发展潜力 在设计本论文时 笔者从要求入手 明确设计目的 进行主电路 控制检测电路 PLC 控制回路设计以及 PLC 的控制端口分配设计和程序编辑 亲生体验并了解了一 个工厂在设计一个电气系统所要走的一个完整的过程 本次毕业设计涉及的知识范围较广 涉及电机的基本原理 工厂电气控制 传感 器的应用 PLC 基础原理以及自身的查表等实践能力的运用 笔者由于需要 亲历工 厂现场观察水循环的过程 对此印象深刻 受益非浅 这次实践的意义也重大 不论从今后的学习以及工作对笔者有着巨大的鼓舞和激 励作用 使笔者进一步有了发现问题解决问题的途径和方法 对以后面临的问题有相 当大的参考作用 4 24 2 展望展望 随着计算机和工业技术的飞速发展 现代社会需要制造业对市场需求做出迅速的 反应 生产出小批量 多品种 多规格 低成本和高质量的产品 为满足这一需要 生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性 可编程序控制器 正是顺应这一潮流而出现的 已经成为当代工业自动化的主要支柱之一 通过采用PLC对工业水循环的控制系统进行设计 突现了PLC性能远优普通人工操 作 具有简单易懂 便于安装 体积小 低耗能等优点 且软件编程采用了广大电气 工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图 控制系统构成简单 通用 性强 深受广大使用者的欢迎 由于笔者的经验有限 部