基于PLC控制的液体混合加热系统设计.docx
《基于PLC控制的液体混合加热系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC控制的液体混合加热系统设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC控制的液体混合加热系统设计
南京化工职业技术学院
毕业论文设计
题目：
基于PLC控制的液体混合加热系统设计
姓名：
陈艳
所在系部：
自动控制系
班级名称：
检测技术及应用
学号：
0803250112
指导老师：
廖一
2010年12月
目录
第1章可编程控制器（PLC）概述2
1.1可编程控制器的基本概念2
1.2可编程控制器的特点3
1.3可编程控制器的基本结构及工作原理5
1.4三菱FX系列PLC简介8
第2章传感器及应用技术12
2.1传感器的概述12
2.2温度传感器12
2.3液位传感器14
第3章PLC控制混合液体加热程序设计15
3.1设计内容15
3.2混合液体装置示意图16
3.3PLC外部接线图16
3.4梯形图17
3.5指令表18
第4章PLC程序的调试19
4.1PLC内存的清除19
4.2程序的写入19
4.3程序的运行20
4.4程序的检验20
参考文献21
致谢22
摘要
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的生产装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题，可编程控制器系统不断满足各个生产领域的生产需要,提高生产效益。
本文主要对可编程控制器的特点，用途和发展进行一些介绍并着重以三菱PLC为例介绍了可编程控制器（PLC）在控制混合液体加热中的应用，根据控制要求，对控制系统的分析给出I/O列表、控制梯形图以及程序的调试，并给出了调试过程和控制系统逻辑控制部分的方法;另外还对可编程控制器在现代工业中的作用进行了相应的介绍。
关键词：
PLC；梯形图；控制系统
第1章可编程控制器概述
1.1可编程控制器的基本概念
1.1.1可编程控制器的定义
可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止，还未能对其下最后的定义，美国电气制造商学会NEMA在1980年给可编程控制器作了如下的定义：
“可编程控制器是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。
一部数字电子计算机若是用来执行PLC之功能者，亦被视同为PLC，但不包括鼓式或机械式顺序控制器。
”国际电工委员会曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。
草案中对可编程控制器的定义是：
“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。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
此定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，即它也是一种计算机。
它是“专为在工业环境下应用而设计”的计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力，并且容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
定义还强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别于一般微机控制系统的重要特征。
应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的鼓式，机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别，由于PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。
1.1.2可编程控制器的发展
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。
接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。
1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。
1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。
进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。
进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。
1.2可编程控制器的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）容易改造
系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦。
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。
1.3可编程控制器的基本结构及工作原理
1.3.1可编程控制器的基本结构
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。
PLC的结构框图如图1.1所示。
图1.1PLC的结构框图
（1）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。
（2）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。
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,14bit,16bit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，即受最大的底板或机架槽数限制。
（3）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：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
（4）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，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
（5）PLC系统的其它设备
a.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PLC及PLC所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（运行编程软件）充当编程器。
也就是我们系统的上位机。
b.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泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
1.3.2可编程控制器的基本原理
（1）扫描技术
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。
a.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映象区中的相应得单元内。
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。
b.用户程序执行阶段
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。
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。
c.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。
1.4三菱FX系列PLC简介
FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。
其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。
它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。
其最基本单元如表1-1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1-1FX2N系列PLC基本单元
继电器输出
可控硅输出
晶体管输出
输入
点数
输出
点数
扩展模块
可用点数
FX2N-16MR-001
FX2N-16MT-001
8
8
24-32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MR-001
FX2N-32MR-001
16
16
24-32
FX2N-48MR-001
FX2N-32MR-001
FX2N-48MR-001
24
24
48-64
FX2N-64MR-001
FX2N-6MR-0014
FX2N-64MR-001
32
32
48-64
FX2N-80MR-001
FX2N-80MR-001
FX2N-80MR-001
40
40
48-64
FX2N-128MR-001
FX2N-128MR-001
64
64
48-64
1.4.1FX系列PLC内部资源
FX系列PLC内部有CPU、存储器、输入/输出接口单元等硬件资源，按存储器数据的性质把这些数据寄存器RAM命名为输入继电器区，输出继电器区，辅助继电器区，状态继电器区，定时器，计数器去，数据寄存器区，变址寄存器区等。
PLC将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器内，即输入继电器中。
外部输入电路接通时对应的映像寄存器存储为ON。
表示该输入继电器常开触点闭合，常闭触点断开。
输入继电器的状态唯一地取决于外部输入信号，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器线圈。
输出继电器用来将可编程序控制器的输出信号传送给输出模块，再向后者驱动外部负载。
1.4.2辅助继电器区
PLC内部有很多辅助继电器（M），辅助继电器和PLC外部无任何直接联系，它的线圈只能由PLC内部程序控制。
它的常开常闭触点只能在PLC内部编程时使用，且可以无限次自由使用，但不能直接驱动外部负载。
外部负载只能由输出继电器触点驱动。
FX2N系列PLC的辅助继电器有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器。
1.4.3编程的基本环节
FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称为“软继电器”。
这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。
它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
（1）输入继电器（X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致，线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000~X007，X010~X017,X020~X027.它们一般位于机械的上端。
（2）输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000~Y007,Y010~Y017,Y020~Y027。
它们一般位于机械的下端。
（3）辅助继电器（M）
PLC内有很大的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。
辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。
它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。
但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
在FX2N中普遍采用M0~M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。
辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。
（4）定时器（T）
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数字寄存器（D）的内容作为设定值。
在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数字寄存器。
即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。
（5）计数器（C）
FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。
每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1，当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。
直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开ia，设定值又写入，再又进入计数状态。
（6）PLC常用程序设计语言简介
在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。
国际电工委员会1994年5月公布的可编程控制器语言标准详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：
功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本。
梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
第2章传感器及应用技术
2.1传感器的概述
国家标准GB7665－87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。
物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
2.2温度传感器
2.2.1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。
2.2.2温度传感器热电阻
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
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，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。
2、温度传感器热电阻的种类
（1）精通型温度传感器热电阻：
工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
（2）铠装温度传感器热电阻：
铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2～φ8mm。
与普通型温度传感器热
升级会员 