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化工混料系统PLC控制系统设计
化工
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摘 要混料系统是一种比较典型的现代机械设备，在化工、筑路和建筑行业中都有很广泛的应用。本设计的目的在于运用现代plc技术对化工混料系统进行控制。本设计先介绍了现代plc技术的发展现状以及本次设计的基本目的，介绍了本次设计选用的三菱plc和plc的基本工作原理。同时对本次要进行控制的化工混料系统的功能以及工作流程进行了分析，确定了设计的总体方案，对该系统的输入与输出点数进行了分析计算。确定了plc的基本型号（FX2N-16MR），对设计中的其它设备的选取做了说明。最后通过该次设计绘制了该控制系统的电气原理图、梯形图以及相应的语句表。关键词：混料系统；plc；系统控制；三菱；CADAbstractMixing system is typical modern machinery and equipment, in the chemical industry, road construction and building industry has a wide range of applications. The purpose of this design is to use modern PLC technology to control chemical blending system. This design first introduced the PLC technology development present situation as well as the basic purpose of this design, introduced the design chooses the basic working principle of Mitsubishi PLC and PLC. This secondary at the same time to control the chemical mixture system function and the working process are analyzed, and determine the overall scheme design, the system analyzes the input and output points of computing. Determine the basic models of PLC (FX2N -16 MR ), to account for the selection of other equipment in the design. Finally, this time design drawing of the electrical schematic diagram and ladder diagram of control system and the corresponding statement table.Keywords: Mixing System; PLC; System Control; Mitsubishis; CAD目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论41.1 国内外研究现状41.2 本次设计的基本目的6第二章 化工混料系统简介72.1三菱plc基本介绍72.2 PLC的基本工作原理9第三章 化工混料控制系统设计113.1 化工混料系统的功能分析113.2 总体方案设计113.3 I-O分配133.4 基本设备的选型133.4.1 PLC的选型133.4.2 其它设备的选型153.5 电气原理图193.6 梯形图的绘制203.7 PLC程序设计22第四章 常见故障分析与维护254.1 PLC控制系统的一般结构和故障类型254.2 PLC控制系统故障的宏观诊断264.3 PLC控制系统的故障自诊断274.4 PLC控制系统的维护30致 谢32参考文献33第一章 绪 论1.1 国内外研究现状在工业生产过程中，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，美国数字设备公司（DEC）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 ,是世界上公认的第一台PLC。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、数据传送及处理等功能，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，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元件都以继电器命名。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。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）。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。这个时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上生产可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段。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。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，这个时期发展了大型机和超小型机；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，使应用可编程控制器的工业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了可编程控制器。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。PLC未来展望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计和制造上，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，会进一步向超小型及超大型方向发展；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、完备的通信设备会更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加剧而打破，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，可编程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。目前的计算机集散控制系统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发展，可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挥越来越大的作用。1.2 本次设计的基本目的化工混料系统是一个较典型的机械装置，在化工机械中应用很广。化工混料系统将两种不同的液体按照一定的比例混合，并进行循环、搅拌以达到均匀混合的目的，最后输出到存储设备中。本次设计的目的与任务在于：1）了解化工混料系统的工作原理，设计混料系统的PLC控制系统。2）了解化工混料系统的生产流程；3）了解化工混料系统组成，控制元件组成、作用；4）确定化工混料系统控制接口信号表；5）设计化工混料系统PLC控制总体方案；6）PLC选型、控制电路设计、控制梯形图设计第二章 化工混料系统简介2.1三菱plc基本介绍三菱PLC英文名又称：Mitsubish Power Line Communication，是三菱电机在大连生产的主力产品。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。三菱PLC在中国市场常见的有以下型号： FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q）。PLC系统组成及各部分的功能：1 CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为35年。3输入/输出接口1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。2.2 PLC的基本工作原理一PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。二PLC与继电器控制系统、微机区别1PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。2PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点：1每个梯形图由多个梯级组成。2梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。3继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。4每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。5输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。主要技术性能用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数，移位指令占2个字。数据操作指令占24个字。PLC的分类按结构分类：1整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。2模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修第三章 化工混料控制系统设计3.1 化工混料系统的功能分析按要求该液体混合控制装置由液面传感器SQ1、SQ2、SQ3；液体A的输入阀门K1、液体B的输入阀门K2和混合液体的流出阀门K3；搅拌电机M等部件组成。控制要求：1）初始状态：投入运行时，控制液体A和液体B的阀门K1、K2关闭，放混合液体阀门K3打开20秒，将装置内剩余液体放空后关闭。2）启动操作：按下启动按钮SB1，控制液体A的阀门K1打开，液体A流入装置，当液面上升到SQ2位置时，关闭阀门K1，打开控制液体B的阀门K2，当液面升高到SQ1位置时，关闭阀门K2，搅拌电机M开始转动，60秒后，电机停止工作，阀门K3打开，开始放出混合液体。当液面下降到SQ3位置时，SQ3由接通变为断开，20秒后，混合液体放空，阀门K3关闭，开始下一周期操作。3）停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合操作周期处理完毕后，才停止工作，回到初始状态。3.2 总体方案设计选用PLC作为控制核心，各种开关、电动机和传感器作为主令和执行器件，并附加短路和过载等安全保护措施以及必要的工作指示等完成系统控制。化工混料系统总流程如图3-1所示图3-1 化工混料系统总流程图当装置投入运行后，系统进入初始化，K3打开20秒将装置内剩余液体放空后关闭，由PLC控制阀门K5打开，计时可通过软件实现。初始化完成后，当系统由SB1（X000）向PLC输入启动指令后，由PLC控制阀门K1（Y000）打开，开始注入液体A，并通过液位开关SQ2（X003）来检测其液位，当液位到达SQ2位置时，将向PLC输入下一步的转换指令。SQ2动作后，PLC输出关闭K1，打开K2（Y001）阀门信号，开始注入液体B，并通过液位开关SQ1（X002）来检测其液位，当液位到达SQ1位置时，SQ1动作，继续向PLC输入下一步的转换指令。SQ1动作后，PLC输出关闭阀门K2，启动搅拌电机（Y003）的信号，同时PLC进行60秒计时。60秒后，搅拌充分，放出混合液体，PLC输出打开阀门K3（Y002）的信号。混合液体是否放干通过液位开关SQ3（X004）来检测，SQ3开始处于闭合状态，当液位低于SQ3位置时，SQ3由闭合变为断开，PLC收到SQ3的断开信号后，开始计时20秒，等待剩余液体放完。20秒后，若本周期内未按下SB2（X002）停止按钮，则自动进入下一个工作周期，若本周期内按下过SB2则系统进入等待启动状态，停止工作。3.3 I-O分配PLC的X000，X001输入端口接SB1、SB2分别控制系统的启动和停止操作，X002-X004分别接SQ1，SQ2，SQ3三个液位传感器，X005作为过载保护输入。PLC的Y000-Y002输出端口分别控制电磁阀门K1，K2，K3的开启和关闭，Y003控制KM1的通断来控制电机启停，Y004和Y005分别作为电源指示和过载指示输出。因此可以得到表3-1所示的IO端口分配表。表3-1 IO端口分配表输入输出点设备功能X000按钮SB1常开触点启动X001按钮SB2常开触点停止X002液位开关SQ1常开触点液位SQ1X003液位开关SQ2常开触点液位SQ2X004液位开关SQ3常闭触点液位SQ3X005热继电器常闭触点电机过载保护Y000电磁阀K1线圈开/关K1Y001电磁阀K2线圈开/关K2Y002电磁阀K3线圈开/关K3Y003交流接触器KM1线圈电机启/停Y004电源指示灯HL1电源指示Y005过载指示灯HL2过载指示3.4 基本设备的选型3.4.1 PLC的选型根据上述设计可以知道该化工混料系统在控制时：总共用到12个PLC输入、输出点位。 目前，PLC主要有国外的产品：西门子；以及国内产品：三菱。同时结合在几年的大学学习中，使用熟练的是三菱PLC，因此根据上述输入输出点位数和使用熟练程度，本次毕业设计选用的PLC型号可以为三菱FX2N-16MR型PLC作为控制核心。FX2N-16MR是FX2N系列中的一种，FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强三菱PLC-FX2N系列：控制规模：16256点。内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。CPU运算处理速度0.08S/基本指令。在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型） 。快速断开端子块，其采用优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能，所有的FX2N PLC中都有实时时钟标准。持续扫描功能，为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。输入滤波器调节功能，可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。注解记录功能，元件注解可以记录在程序寄存器中。在线程序编辑，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。RUN/STOP 开关，面板上运行/停止开关易于操作。远程维护，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据密码保护，使用一个八位数字密码保护您的程序。三菱FX2N系列继电器输出部分产品如下：FX2N-128MR-001 输入点： 64，64 继电器输出FX2N-80MR-001 输入点： 40，40 继电器输出FX2N-64MR-001 输入点： 32，32 继电器输出FX2N-48MR-001 输入点： 24，24 继电器输出FX2N-32MR-001 输入点： 16，16 继电器输出FX2N-16MR-001 输入点： 8， 8 继电器输出根据上述设计要求，选用FX2N-16MR-001 输入点： 8， 8 继电器输出就能够满足设计要求。FX2N-16MR-001如图3-2所示：图3-2 FX2N-16MR-0013.4.2 其它设备的选型1、电机搅拌电动可根据系统需求选用不同型号功率的电动机，转速如要求不高可选用8极的三相异步电动机，本系统选用Y132S-8型号的异步电动机。2、电磁阀电磁阀（Electromagnetic valve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。液体的流入和流出只要求打开和闭合两个状态，所以只需选用通用型的液体电磁阀即可，根据系统需求可选用重庆环茂电磁阀有限公司的ZCO型直动式电磁阀。3、接触器接触器（Contactor）狭义上是指能频繁关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。它应用于电力、配电与用电。接触器广义上是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场， 产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合。直流接触器的工作原理跟温度开关的原理有点相似。交流接触器作为电机驱动，由于电机的功率比较小，接触器的额定电流可以选择12A的，系统不需要用到辅助触头，所以可以选用只有一个常开辅助触头的接触器，综合起来选用正泰CJX2-1210型接触器作为电机驱动。4、液位开关液位开关，也称水位开关，液位传感器，顾名思义，就是用来控制液位的开关。从形式上主要分为接触式和非接触式。目前常用的液位开关主要有以下几种：1）MEMS压阻式液位开关2）电容式液位开关3）电缆浮球液位开关4）电子式液位开关5）压力式液位开关6）浮球式液位开关7）外贴式超声波液位开关液位的检测可使用液位开关来实现，本系统选用北京北方华瑞测控技术有限公司的EA-L200型的侧装式浮球开关。5、热继电器热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护热继电器的符号为FR。热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。1、原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响(不动作)。2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。例如，热继电器的整定值可等于0.951.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋入电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。热继电器作为电动机的过载保护，由于电动机的额定电流为5.8A，则可选择JRS2 系列，整定电流在5-8A的热继电器。6、熔断器熔断器（fuse）是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器是一种过电流保护器。熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。 使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。它是利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时， 因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。熔断器作为电机和控制电路的短路保护。由于电机的额定电流为5.8A，电机为频繁启、停，电动机线路的熔断器额定电流选择电机额定电流的3倍，20A的可以满足。PLC控制线路的熔断器额定电流选择4A的即可。3.5 电气原理图如图3-3，主电路由三相电源供电，交流接触器KM1作为通断控制信号驱动，热继电器FR起过载保护作用，熔断器FU1作为短路保护FU2起短路保护作用，由220V电源供电。控制电路以PLC为核心，输入输出均采用多组汇点式。图3-3 电气原理图3.6 梯形图的绘制梯形图（LAD, LadderLogic Programming Language）是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。软继电器PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。将继电器电路转换为功能相同的PLC外部接线图和梯形图步骤如下：1）了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。2）确定PLC的输入信号和输出负载，以及与它们对应的梯形图中的输入位和输出位的地址，画出PLC的外部接线图。3）确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的位存储器（M）和定时器（T）的地址。4）根据上述关系画出梯形图。图3-4 化工混料控制系统梯形图3.7 PLC程序设计初始化程序由特殊中间继电器M8002来启动，当PLC投入运行时，M8002会有一个初始脉冲，M8002由断开到闭合后，系统进入初始化过程，由定时器T1计时20秒，同时复位Y000（K1）、Y001（K2），置位Y003（K3），置位M2。20秒后，复位Y003，复位M2，初始化完毕。按下启动按钮SB1，X000接通，第4逻辑行M0闭合一个扫描周期，Y000置位，同时复位M1（停止时被置位），阀门K1打开，液体A开始注入。当液体达到SQ2位置时，X003闭合，复位Y000，置位Y001，阀门K1关闭，阀门K2打开。当液体达到SQ1位置时，X002闭合，复位Y001，置位M5，由于X005此时为闭合状态，第24逻辑行T0接通开始计时，并且Y003得电，电动机启动。60秒之后，T0常开触头闭合，第30逻辑行Y002置位，M5复位，阀门K3打开，混合液体流出。当液体下降到SQ3位置时，SQ3由闭合变为断开，第38逻辑行X004在断开后接通一个扫描周期，置位M3。第41逻辑行T1得电，计时20秒。20秒后，T1常开触头闭合，复位Y002，复位M3，M4输出一个扫描周期的脉冲，作为下个周期的自启动脉冲（若为初始状态，M2被置位，常闭触头断开，不能输出自启动脉冲），然后复位M2。根据上述基本控制流程以及上述图中的基本梯形图可以的到下面的基本指令：N0.1: LD M8000N0.2: OUT Y004N0.3: LDI X005N0.4: OUT Y005N0.5: LD X000N0.6: ANI Y000N0.7: ANI Y001N0.8: ANI Y003N0.9: PLS M0N0.11: LD X001N0.12: SET Y000N0.13: LD M4N0.14: ANI M1N0.15: OR M0N0.16: SET Y000N0.17: RST M1N0.18: LD X003N0.19: RST Y000N0.20: SET Y001N0.21: LD X002N0.22: RST Y001N0.23: SET Y001N0.24: LD M5N0.25: AND X005N0.26: OUT T0 K600N0.29: OUT Y003N0.30: LD T0N0.31: OR M8002N0.32: SET Y002N0.33: RST M5N0.34: LD M8002N0.35: SET M2N0.36: RST Y000N0.37: RST Y001N0.38: LDF X004N0.40: SET M3N0.41: LD M2N0.42: OR M3N0.43: OUT T1N0.46: LD T1 N0.47: RST Y002N0.48: RST M3N0.49: MPSN0.50: ANI M2N0.51: PLS M4N0.53: MPPN0.54: RST M2N0.55: END第四章 常见故障分析与维护PLC （可编程控制器）技术已广泛应用于各控制领域，尤其是在工业生产过程控制中，它具有其它控制器无可比拟的优点，可靠性高、抗干扰能力强，在恶劣的生产环境 里，仍然可以十分正常地工作。作为PLC本身，它的故障发生率非常低，但对以PLC为核心的PLC控制系统而言，组成系统的其他外部元器件（如传感器和执行器）、外部输入信号和软件本身，都很可能发生故障，从而使整个系统发生故障，有时还会烧坏PLC，使整个系统瘫痪，造成极大的经济损失，甚至危及人的生 命安全。所以技术人员必须熟悉PLC 技术,并能够熟练地诊断和排除PLC在运行中的故障。PLC控制系统故障诊断技术的基本原理是利用PLC的逻辑或运算功能，把连续获得的被控过程的各种状 态不断地与所存储的理想（或正确）状态进行比较发现它们之间的差异，并检查差异是否在所允许的范围内（包括时间范围和数值范围）。若差异超出了该范围， 则按事先设定的方式对该差异进行译码，最后以简单的、或较完善的方式给出故障信息报警。故障诊断的功能包括故障的检测和判断及故障的信息输出。常见的 PLC控制系统中，其故障的情况是多种多样的。4.1 PLC控制系统的一般结构和故障类型PLC控制系统主要由输入部分、CPU、采样部分、输出控制和通讯部分组成，如图1所 示。输入部分包括控制面板和输入模板；采样部分包括采样控制模板、AD转换模板和传感器；CPU作为系统的核心，完成接收数据，处理数据，输出控制信号； 输出部分有的系统用到DA模板，将输出信号转换为模拟量信号，经过功放驱动执行器；大多数系统直接将输出信号给输出模板，由输出模板驱动执行器工作；通讯 部分由通讯模板和上位机组成。因为PLC本身的故障可能性极小，系统的故障主要来自外围的元部件，所以它的故障可分为如下几种：（1）输入故障，即操作人员的操作失误；1、传感器故障；2、执行器故障；3、PLC软件故障这些故障，都可以用合适的故障诊断方法进行分析和用软件进行实时监测，对故障进行预报和处理。4.2 PLC控制系统故障的宏观诊断故障的宏观诊断就是根据经验，参照发生故障的环境和现象来确定故障的部位和原因。PLC控制系统的故障宏观诊断方法如下：1、是否为使用不当引起的故障，如属于这类故障，则根据使用情况可初步判断出故障类型、发生部位。常见的使用不当包括供电电源故障、端子接线故障、模板安装故障、现场操作故障等。2、如果不是使用故障，则可能是偶然性故障或系统运行时间较长所引发的故障。对于这类故障可按PLC的故障分布，依次检查、判断故障。首先检查与实际过程 相连的传感器、检测开关、执行机构和负载是否有故障：然后检查PLC的I/O模板是否有故障：最后检查PLC的CPU是否有故障。3、在检查PLC本身故障时，可参考PLC的CPU模板和电源模板上的指示灯。4、采取上述步骤还检查不出故障部位和原因，则可能是系统设计错误，此时要重新检查系统设计，包括硬件设计和软件设计。 图4-1 PLC控制系统一般结构4.3 PLC控制系统的故障自诊断故障自诊断是系统可维修性设计的重要方面，是提高系统可靠性必须考 虑的重要问题。自诊断主要采用软件方法判断故障部分和原因。不同控制系统自诊断的内容不同。PLC有很强的自诊断能力，当PLC出现自身故障或外围设备故 障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮、灭来查找。总体诊断根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如图4-2所示。 图4-2 总体诊断流程图电源故障诊断电源灯不亮,需对供电系统进行诊断.如果电源灯不亮,首先检查是否有电,如果有 电,则下一步就检查电源电压是否合适,不合适就调整电压,若电源电压合适,则下一步就是检查熔丝是否烧坏,如果烧坏就更换熔丝检查电源,如果没有烧坏,下 一步就是检查接线是否有误,若接线无误,则应更换电源部件。运行故障诊断电源正常，运行指示灯不亮，说明系统已因某种异常而终止了正常运行。检查流程如图4-3所示. 图4-3 运行故障诊断流程图输入输出故障诊断输人输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与联接配线、接线端子、保险丝等元件状态有关。出现输入故障时，首先检查LED电源指示器是否响应现场元件（如按钮、行程开关等）。如果输入器件被激励（即现场元件已动作），而指示器不亮，则下一步 就应检查输入端子的端电压是否达到正确的电压值。若电压值正确，则可替换输入模块。若一个LED逻辑指示器变暗，而且根据编程器件监视器、处理器未识别输 入，则输入模块可能存在故障。如果替换的模块并未解决问题且连接正确，则可能是IO机架或通信电缆出了问题。出现输出故障时，首先应察看输出设备是否响应LED状态指示器。若输出触点通电，模块指示器变亮，输出设备不响应。那么，首先应检查保险丝或替换模块。若保险丝完好，替换的模块未能解决问题，则应检查现场接线。若根据编程设备监视器显示一个输出器被命令接通，但指示器关闭，则应替换模块。在诊断输入输出故障时，最佳方法是区分究竟是模块自身的问题，还是现场连接上的问题。如果有电源指示器和逻辑指示器，模块故障易于发现。通常，先是更 换模块，或测量输入或输出端子板两端电压测量值正确，模块不响应，则应更换模块。若更换后仍无效，则可能是现场连接出问题了。输出设备截止，输出端间电压 达到某一预定值，就表明现场连线有误。若输出器受激励，且LED指示器不亮，则应替换模块。如果不能从IO模块中查出问题，则应检查模块接插件是否接触 不良或未对准。最后，检查接插件端子有无断线，模块端子上有无虚焊点。指示诊断LED状态指示器能提供许多关于现场设备、连接和IO模块的信息。大部分输入输出模块至少有一个指示器。输入模块常设电源指示器，输出模块则常设一个逻辑指示器。对于输入模块，电源LED显示表明输入设备处于受激励状态，模块中有一信号存在。该指示器单独使用不能表明模块的故障。逻辑LED显示表明输入信号已被输入电路的逻辑部分识别。如果逻辑和电源指示器不能同时显示，则表明模块不能正确地将输入信号传递给处理器。输出 模块的逻辑指示器显示时，表明模块的逻辑电路已识别出从处理器来的命令并接通。除了逻辑指示器外，一些输出模块还有一只保险丝熔断指示器或电源指示器，或 二者兼有。保险丝熔断指示器只表明输出电路中的保护性保险丝的状态；输出电源指示器显示时，表明电源已加在负载上。像输入模块的电源指示器和逻辑指示器一 样，如果不能同时显示，表明输出模块就有故障了。4.4 PLC控制系统的维护日常维护PLC的日常维护和保养比较简单，主要是更换保险丝和锂电池, 基本没有其它易损元器件。由于存放用户程序的随机存储器（RAM）、计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保护，锂电池的寿命大约为5年，当锂电 池的电压逐渐降低到一
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