三种液体混合加热控制系统 精品.doc

题目： 三种液体混合加热控制系统第1章 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 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。第2章 可编程控制器（PLC）的简述2.1 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 puter)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PDQII、DEC公司的PDP14、日本日立公司的SCY022。（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和384、西门子公司的SIMATIC S3系列、日本立石公司(OMRON)的SYSMACC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、ALLENBRADLEY公司的PLC5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。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 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。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。 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： （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。 2.2 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。图2-2 PLC控制系统示意图 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。(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。2.3 FX2N系列可编程控制器的概述2.3.1 FX2N系列PLCFX2N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 输入输出点数扩展点数模块可用点数继电器输出可控硅输出晶体管输出FX2N-16MR-001FX2N-16MT-001882432FX2N-32MR-001FX2N-32MS-001FX2N-32MT-00116162432FX2N-48MR-001FX2N-48MS-001FX2N-48MT-00124244864FX2N-64MR-001FX2N-64MS-001FX2N-64MT-00132324864FX2N-80MR-001FX2N-80MS-001FX2N-80MT-00140404864FX2N-128MR-001FX2N-128MT-00164644864表2-7 FX2N系列PLC扩展单元型号 输入输出 点数扩展 点数模块可用 点数继电器输出可控硅输出晶体管输出FX2N-32ERFX2N-32ET16162432FX2N-48ERFX2N-48ET242448642.3.2 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2-92-9 状态继电器PLCFX2N初始状态继电器10点，S0S9通用状态继电器490点，S10S499锁存状态继电器400点，S500S899信号报警器100点，S900S999(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T0T191共192点T192T199共8点T200T245共46点T246T249共4点T250T255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03276732位加/减计数器-214783648+214783647一般用停电保持用一般用停电保持用C0C99共100点C100C199共100点C200C219共20点C220C234共15点高速计数器(外部计数器)C235C255共21点(与M235M255有关)单相无起动/复位端子高速计数器C235C240；单相带起动/复位端子高速计数器C241C245；单相双输人(双向)高速计数器C246C250；双相输入(AB相型)高速计数器C250C255。(8) 数据寄存器通用数据寄存器D0D199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D200D511共312点，只要不改写，原有数据不会丢失。特殊数据寄存器D8000D8255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D1000D2999共2000点。第3章 传感器及应用技术3.1 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；美国学术界认为20世纪80年代是传感器的时代。目前，传感器已渗入到各行各业的各个角落。3.1.2 传感器的组成传感器的作用一般是把被测的非电量转换成电量输出，因此它首先应包括一个元件去感受被测非变量的变化。在完成非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能用现有的技术直接转换为电量，而是先进行预转换，然后再转换为电量。传感器中完成这一功能的元件称为敏感元件(或预变换器)。传感器中将敏感元件输出的中间非变量转换成电量输出的元件称为转换元件(或转换器)，它是利用某种物理的、化学的、生物的、或其他的效应来达到这一目的。转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制，这时需要将其进一步变换成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分成为测量电路。测量电路的选择视转换元件的类型而定，经常采用的有电桥电路、脉冲调制电路等。有的传感器还需要辅助电源。综上所述，传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分，如图3-1所示。其中敏感元件和转换元件可能和二为一，而有的传感器不需要辅助电源。图3-1 传感器的组成框图3.2 温度传感器3.2.1 温度传感器热电偶温度传感器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是测量精度高；测量范围广；构造简单，使用方便。(1) 温度传感器热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。(2) 温度传感器热电偶的种类常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所谓标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶 我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。3.2.2 温度传感器热电阻的应用原理温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。(1) 温度传感器热电阻测温原理及材料温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是液位传感器(静压液位计液位变送器液位传感器水位传感器)是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器(液位计)是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号(一般为420mA15VDC)。3.3 液位传感器液位传感器(静压液位计液位变送器液位传感器水位传感器)是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器(液位计)是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号(一般为420mA15VDC)。3.3.1 液位传感器的应用静压投入式液位变送器(液位计)适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、05v、010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。DX130液位传感器利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。DX130F1防腐液位传感器是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。3.3.2 液位传感器的工作原理用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：=gH+Po。式中P-变送器迎液面所受压力；-被测液体密度；g-当地重力加速度；Po-液面上大气压；H-变送器投入液体的深度；同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为gH，显然通过测取压力P，可以得到液位深度。3.3.3 液位传感器的特点(1) 稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.%FS/年。在补偿温度070范围内，温度飘移低于0.1%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.3%FS。(2) 具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在35MA以内。(3) 固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。(4) 安装方便、结构简单、经济耐用。第4章 PLC控制混合液体加热程序设计4.1 课题背景介绍液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌并控制温度，如图4-1所示。装置需要控制的元件有：其中L1、L2、L3为液面传感器，液面淹没该点时为ON。Y1、Y2、Y3、Y4为电磁阀，M为搅拌电机，T为温度传感器，H为加热器。另外还有控制电磁阀和电动机的1个交流接触器KM。所有这些元件的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。 （1） 初始状态 容器是空的，各个阀门Yl、Y2、Y3、Y4均为OFF，液位传感器L1、L2、L3均为OFF，电动机M为OFF，加热器H为OFF。 （2） 启动操作 按下启动按扭，开始下列操作:1) Y1=Y2=ON，液体A和B同时注人容器。当液面达到L2时，L2=ON，使Y1=Y2=OFF，Y3=ON，即关闭Y1和Y2阀门，打开液体C的阀门Y3。 2) 液面达到L1时，Y3=OFF，M=ON，即关闭阀门Y3，搅拌机M启动，开始搅拌。 3) 经10s钟搅匀后，M=OFF，停止搅动，H=ON，加热器开始加热。4) 当混合液温度达到某一指定值时，T=ON，H=OFF，停止加热，使电磁阀Y4=ON，开始放出混合液体。 5) 液面低于L3时，L3从ON到OFF,再经过5s，容器放空，使Y4=OFF，开始下一周期。 （3） 停止操作 按下停止键，无论处于什么状态均停止。图4-1 混合液体装置示意图4.2 液位传感器的选择选用LSF-2.5型液位传感器其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF 光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下：（1） 工作压力可达2.5Mpa （2） 工作温度上限为125C （3） 触点寿命为100万次 （4） 触点容量为70w （5） 开关电压为24V DC （6） 切换电流为0.5A 3.34.3 温度传感器的选择 选用KTY81-210A型温度传感器，其中“T” 表示温度，KTY系列温度传感器采用进口Philips硅电