1、电气控制与 PLC课程设计说明书题 目： 抽水泵的 PLC 控制 专业班级： 自动化 姓 名： 学 号： 2 指导教师： 评语：成绩：指导老师签名：日期： 目 录1 系统概述11.1 抽水泵的 PLC 控制应用背景和意义11.2 课题的设计任务及要求12 方案论证13 硬件设计23.1 系统的原理方框图23.2 主电路 23.3 I/O 分配 33.4 I/O 接线图 43.5 元器件选型44 软件设计 124.1 主流程124.2 梯形图135 系统调试145.1 硬件调试145.2 软件调试155.3 总调试16设计心得 17参考文献18附图 A18附图 B19附图 C2001 系统概述1
2、.1 抽水泵的 PLC 控制应用背景和意义随着电子计算机控制技术的迅速发展，以微控制处理器为核心的可编程控制器（PLC）控制已逐步取代了继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制在领域。当然抽水泵也不例外，例如水塔水位自动控制系统，但是有些还采用人工控制，但是效果很差，人员很难预测水位，这将会影响这些地方的自动化管理水平和经济效益。目前，抽水泵 PLC 控制可以应用于许多实际生产中去，可以是许多问题得到解决，关于如何实现水塔水位 PLC 自动控制，本课程设计将提出一种抽水泵的 PLC 设计方案，并对其工作原理和结构做详细的介绍。1.2 课题的设计任务及要求用电动机 4KW 380V 50HZ
3、抽水至储水塔。其动作如下：1）若液位传感器 SQ4 检测到地上蓄水池有水，并且 SQ2 检测到水塔未到满水位时， 抽水泵电动机运行抽水至水塔。2）若 SQ4 检测到蓄水池无水，电动机停止运行，同时水池无水指示灯亮。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（高于上限），电动机停止运转。5）发生停电，恢复供电时，抽水泵自动控制系统能继续工作。2 方案论证根据设计课题要求提出设计方案，简述方案设计的基本理论依据。通常可以选择一个以上的方案进行比较，通过剖析各个方案的优缺点，达到论证自己的方案是较合理的目的。（1）根据设计课题要求提出两套设计方案，传统
4、的继电器控制方案和 PLC系统控制方案。传统继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外继1电器触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。控制速度：传统继电器控制系统依靠机械触点的动作实现的，工作频率低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。可靠性和可维护差。由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多，触点开闭时存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和可维护性差。（2）相比传统的继电器控制
5、PLC 控制具有很多优点。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3 硬件设计3.1 系统的原理方框图水池和水塔的各水位限位开关来实时监测水位变化，同时将监测信息传输给 PLC，PLC 根据收到的信息进行逻辑输出，从而控制主电路做出相应的动作（启动抽水泵开始抽水或者停止抽水），PLC、主电路、监测电路的能量来源由电源模块提供。如图 3-1 所示为系统的原
6、理方框图。图 3-1 系统原理方框图3.2 主电路主电路由热继电器、熔断器、开关和抽水泵电动机等组成，采用交流 380V电 源PLC主电路检测电路指示灯电路2的电压供电，QF 为隔离开关，控制主电路的导通与断开;KM1 控制电动机运转；FR 为热继电器，起到过载保护的功能;FU1 为熔断器，起到短路保护，用于保护电动机 M;通过变压器输出 220V 交流电，供给控制电路使用。主电路属于执行机构，当外部条件满足时，抽水电动机便开始工作将蓄水池中的水抽到水塔中，否则则处于待机状态。如图 3-2-1 所示为主电路接线图。图 3-2-1 主电路接线图3.3 I/O 分配类型 电器元件 PLC 软元件
7、功能SB1 X1 启动按钮SB2 X2 停止按钮PS1（传感器 SQ2） X3 水塔高水位监侧PS2（传感器 SQ3） X4 水塔低水位监侧输入PS3（传感器 SQ4） X5 蓄水次无水监侧KM1 Y1 抽水泵运行HL1 Y2 水池无水指示灯输出HL2 Y3 水塔无水指示灯表 系统 I/O 分配图33.4 I/O 接线图表 I/O 接线图3.5 元器件选型3.5.1 主电路元件的选择（A）电动机的选择由功率公式：P=（1-K）*Q*V/102* 式（1），式子中： K：为平衡系数（0.45-0.5）Q：为负载重量V：为运行速度：效率此次 PLC 设计中：K 取 0.5；Q 取 612kg;V
8、取 1m/s； 取 0.75；所以 P=0.5*1000*1/102*0.75=4(KW) 因此选用 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。（B）交流接触器的选择选择原则：主触头额定电压 额定电流 最大控制容量电动机接触器主触头（KM1）的选择4主触头的额定电压：380V额定电流 IN=PN *1000/KUN (式子中 K 取 1.0 到 1.4)=7.5*1000/380=20（A） 故选择 CJ-40 满足要求型号 额定功率（kw）额定电流（A）额定转速（r/min）堵转电流/额定电流最大转
9、矩/额定转矩转动惯量（kg*m2）噪声dB（A）最大转矩/额定转矩YDF-21112.5 1.3 1360 7.0 3.0 2.8 0.0016 70表 CJ10-40 电动机数据表（C）.熔断器的选择因为主电路是安装在柜内的，所以熔断器选用螺旋式的，方便维护，且根据熔断器是在主电路中的，因此熔断器额定电压选用 380V，熔体额定电流由式（c）计算得出：式（c） =2.5*23+2*0.6+0.304=47.5(A) 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，故选用 60A 的。故选择用：RL 1-60/50.（D）热继电器的选用热元件的额定电流 NI 应大于电动机的额定
10、电流，一般为 1.1-1.25 倍；热元件调节范围应在热元件额定电流的 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该超过 15-25。 根据： 式（D ） 5=（1.1-1.25）*23=25.3-28.75（A） 故选用 JR 16-60/3. 3.5.2 PLC 的选择该设计的核心就是 PLC 的选择，鉴于这学期我们学习了日本三菱公司的 FX2N系列的 PLC,有关 FX 系列输入特性详见表，因此此次 PLC 课程设计我们选用 FX2N-32MR 型号的产品。它的特点有： 控制规模:14 点 MR/MT； 内置 2K 容量的 EEPROM 存储器
11、,无需电池,免维护； CPU 运算处理速度 0.550.7S/基本指令； 基本单元内置 2 轴独立最高 100kHz 定位功能(晶体管输出型)； 有 32 个 I/O 点的基本单元，输入点数和输出点数都是 16 个； 继电器输出型，电源为交流 220V。如图表 3-42 为 FX-2N 系列 PLC 的电源指标（AC 电源、DC 电源）项目 指标电源电压 AC100240V电压允许范围 AC85264V额定频率 50/60Hz允许瞬间断电时间 10s 以内的瞬时停电，可继续运行电源熔断器 250V 3.15A（3A）直径 5*20mm(32 点以下)，250V 5A 直径 5*20mm(32
12、点以上)功率/V.A FX2N-16M30,FX2N-32M40,FX2N-48M50,FX2N-64M 60,FX2N-80M 70,FX2N-128M 100表 3-426如图表 3-521 为 FX2N 系列 PLC 的输入指标项目 DC 输入 DC 扩展 AC 输入机型 AC 电源型、DC 电源型基本单元、扩展单元扩展模块 基本单元、 扩展单元输入信号电压 DC24V（1-+10） DC24V（1-+10） AC100120V-1510输入信号电流 7mA/DC24V 5mA/DC24V 6.2mA/AC110V 60Hz输入 ON 电流 4.5mA 以上 3.5mA 以上 3.8mV
13、 以上输入 OFF 电流 1.5mA 以下 1.5mA 以下 1.7mA 以上输入响应时间 约 10ms X0X17 内置数字滤波器，X0，X1 为最小20us约 2530us输入信号 触头输入或者 NPN 型集电极开路晶体管 不可以高速输入回路绝缘 光耦隔离 光耦隔离输入动作的显示 输入 ON 时，LED 灯亮 输入 NO 是，LED 灯亮表 3-521FX 系列 PLC 输入特性表当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （一）
14、输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二） 用户程序执行阶段 7在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路
15、进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则
16、可以直接存取 I/O 点。即使用I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 （三） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。3.5.3 辅助电路器件的选择（A） 选择常用的水位检测传感器：代号：SQI-4；名称：侧装浮球液位开关， 型号：CZ10BHM CZ-10EQ8图 3-431 侧装浮球液位开关 产品实物图 如图 3-532 所示为侧装浮
17、球液位开关产品安装使用和工作状态图，使用时将上下限位开关分别安装到水塔的侧壁的上位和下位，设置好开关逻辑状态，然后就可以使用了图 3-532 侧装浮球液位开关产品实物安装位置示意图如图 3-533 所示当水塔水位触发上限位开关时，抽水泵停止向水塔抽水，系统处于待机暂停状态。图 3-533 水塔水位触发上限位开关示意图9如图 3-434 所示当水塔水位触发下限位开关时，抽水泵开始向水塔抽水，系统处于抽水工作状态。图 3-434 水塔水位触发下限位开关示意图补充说明：蓄水池中侧装浮球液位开关产品实物安装位置示意图和使用情况同上。（B）指示灯的选择：文字符号 LI-I5（ 220V）全名：伊莱科指示
18、灯 ，AD16-22DS 220V。图 3-4-3-4 伊莱科指示灯产品实物图（C）导线选择速查表中所列导线基于以下条件：BV 型铜芯塑料线穿钢管的敷设方式；环境温度 40；O.7522kW 电动机按轻载全压不频繁起动，30kW 及以上电动机按轻载降压不频繁起动；4 根导线穿钢管方式。电动机配线口诀：“1.5 加二，2.5 加三“ “4 后加四，6 后加六“ 10“25 后加五，50 后递增减五“ “百二导线，配百数“ 该口诀是按三相 380V 交流电动机容量直接选配导线的。“1.5 加二“表示1.5mm2 的铜芯塑料线，能配 3.5kW 的及以下的电动机。由于 4kW 电动机接近3.5kW
19、的选取用范围，而且该口诀又有一定的余量，所以在速查表中 4kW 以下的电动机所选导线皆取 1.5mm2。“2.5 加三“、“4 后加四“，表示 2.5mm2 及 4mm2的铜芯塑料线分别能配 5.5kW、8kW 电动机。“6 后加六“，是说从 6mm2 的开始，能配“加大六“kW 的电动机。即 6mm2 的可配 12kW，选相近规格即配 1lkW 电动机。10mm2 可配 16kW，选相近规格即配 15kW 电动机。16mm2 可配 22kW 电动机。这中间还有 18.5kW 电动机，亦选 16mm2 的铜芯塑料线。综上所述，本次课程设计中主电路电动机选择 2.5mm2 的铜导线；综合考虑其他
20、因素照明灯电路导线和逻辑开关电路连接线选择 2mm2 铝线。(D）按钮的选择如图 9-1 所示所选择的按钮示意图（使用时将红色的作为停止按钮绿色的作为启动按钮）图 9-1如图 9-2 所示为所选按钮内部结构示意图。使用时将 11 和 13 端口配合使用形成常开按钮，11 和 12 配合使用形成常闭按钮图 9-2产品规格：LA38/203 AC15 220V/380V5.5A/4A生产厂家:上海展越电子有限公司,商品毛重：1.0kg,11货号： LA 38-11D 平头自复位综上所述，可以得出此次 PLC 课程设计中用到的元器件如下表 9-3 所示：12序号文字符号名称 型号 规格 数量1 PL
21、C PLC FX2N-32MR（详见 PLC 介绍）12 FU 熔断器 RLI-60/503A 53 KM1 水位监测传感器CZ10-BHM 5A/250VAC 34 FR 交流接触器 CJ10-40 20A380V 15 SQI-4 热继电器 JR16-60/324-36A/380V 16 LI-I5 指示灯（红） AD16-22DS220V 27 SB 按钮（自复位） LA38-11 AC15 220V/5.5A2表 9-3 总系统所需要元器件表4 软件设计本课程软件设计在输入与输出逻辑方面需要满足以下要求：1）若液位传感器 SQ4（蓄水池下限位传感器）检测到地上蓄水池有水，并且 SQ2检
22、测到水塔（水塔上限位传感器）未到满水位 时，抽水泵电动机运行抽水至水塔。2）若 SQ4 检测到蓄水池无水，电动机停止运行，同时水池无水指示灯亮。3）若 SQ3（水塔下限位传感器）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（高于上限），电动机停止运转。4.1 主流程13如图 4-11 所示，为系统总流程图，系统启动后，就处于待机状态，当满足蓄水池内部有水且水塔未到满水位时抽水泵开始工作，将水从蓄水池中抽到水塔内部，抽水泵在工作过程中水塔水位达到满水位时或者蓄水池内部水位低于下限水位时候，抽水泵停止工作，处于待机状态，否则，抽水泵继续工作。14图 4-11 水塔水位
23、控制系统主流程图 4-12 抽水泵的 PLC 控制现场安装示意图4.2 梯形图 (1)如图 4-21 所示为整个系统工作的梯形图， 各个逻辑元件按照特定的逻辑关系进行了特定的链接。（软硬件对应关系具体参见 I/O 连接图）开始地上蓄水池有水且水塔未到满水位抽水泵电动机运行Y蓄水池没水或者水塔水位高于上限结束抽水泵电动机待机YNN15图 4-21 系统梯形图5 系统调试系统调试分为硬件调试和元件调试两个部分，两者之间关系密切、相互联系、相互作用。5-1 硬件调试5-1-1 主电路调试系统断电状态下，按照主电路接线图 3-2-1 的连接关系，将各个部件连接到一起。（先用旋转开关代替接触器 KM1）
24、当电路接好后，通过旋转开关开关状态的切换来检验主电路的连接质量，如果，抽水泵电动机不能正常工作或者工作状态不稳定，则需要仔细排查各个环节，直到达到理想状态为止。165-1-2 各个限位开关和指示灯电路的调试将各个限位开关按照如图 3-431 到图 3-434 的方式安装在蓄水池和水塔上面，电路指示灯也安装到配电图里面合适的位置，然后将这两个模块通过 PLC 连接到一起，编写梯形图程序，给 PLC 供电，将梯形图程序下载到里面，让这个临时测试调试系统处于待机工作状态，人为的模拟蓄水池和水塔内水位变化对限位开关的触动来等效的触动各个限位开关，观测各个部分的逻辑响应关系是否正确，（详细接线对应关系见
25、 I/O 接线图）不断调试直到成功为止。注意：系统调试过程中一定要注意安全！防止安全事故发生！5-2 软件调试1) 如图 4-22 为系统正常工作梯形仿真图（软开关为蓝色表示接通状态）打开主开关，当蓄水池下液位开关处于动作“NO”状态，水塔上限位开关处于常态闭合状态，时抽水泵开始工作 将水从蓄水池抽到水塔中去。图 4-22 系统正常工作（部分）梯形仿真图2) 如图 4-23 所示，当蓄水池中“没有水”时，蓄水池下限位开关“打开”，蓄水池无水指示灯亮。此时，抽水机处于停止工作状态。图 4-23173）如图 4-24 所示，水塔中“没水”时，水塔下限位开关“打开”，水塔无水指示灯亮。抽水机开始工作
26、。图 4-244）如图 4-25 所示，当系统开关断开时，系统停止工作，所有电路断开。图 4-25说明：本小章中的名词“动作”、“上电”、“工作”、“接通”、“开启”等表示与常态相反的状态，其他状态表示常态。5.3 总调试将硬件和软件组合到一起，测试到成功为止，然后将硬件安装到现场工作位置，之后检测各个部分的电路之后通电，经行现场测试，反复经行多次直到系统工作稳定为止。18设计心得通过这次设计实践。我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，
27、当我们把自己想出来的程序与到 PLC 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对 PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。希望自己在以后的学习中会做的更好。19参 考 文 献1 任胜杰.电气控制与 PLC 系统J.机械工业出版社，2003.22 三菱电机公司.FX（2NC）编程手册，2004.3 赵燕，周新建. 小型可编程控制器使用技术M. 北京：中国林业出版社，20064 王兆义，杨新志.小型可编程控制器使用技术M.北京：机械工业出版社2 版5 三菱电机公司.FX 系列可编程控制器用户手册.2004附图 A：抽水泵的 PLC 控制电气安装接线图20
