热继电器的选择与应用毕业论文.docx
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热继电器的选择与应用毕业论文
热继电器的选择与应用毕业论文
摘要i
ABSTRACTii
目录iii
1绪论1
1.1课题背景1
1.2研究目的和意义1
1.3本文的主要工作2
2PLC的介绍3
2.1PLC的定义3
2.2PLC的应用概况3
2.3S7-200系列PLC系统基本构成4
2.4PLC特点9
2.5PLC的工作原理10
3系统设计方案12
3.1控制程序流程图设计12
3.2控制要求13
3.3设计要求14
3.4总体设计思路14
3.5工作原理15
4系统硬件设计16
4.1液位传感器的选择16
4.2搅拌电动机的选择16
4.3电磁阀的选择17
4.4接触器的选择18
4.5热继电器的选择18
4.6PLC的选择18
5软件程序设计20
5.1I/O分配图20
5.2梯形图21
5.3仿真图23
结束语28
致谢29
参考文献31
附录一33
附录二35
1绪论
1.1课题背景
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。
在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，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配料精确、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自动混合的目的,液体自动混合配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。
随着计算机技术的发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行管理等多方面的要求。
设计的多种液体混合装置利用可编程控制器实现在混合过程中精确控制，提高了液体混合比例的稳定性、运行稳定、自动化程度高，适合工业生产的需要。
1.2研究目的和意义
在工艺加工最初，把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。
实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合远远不能满足当前自动化的需要。
可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。
充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点：
（1）系统自动工作；
（2）控制的单周期运行方式;
（3）由传感器送入设定的参数实现自动控制；
（4）启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。
本系统采用PLC是基于以下两个原因：
（1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上：
（2）编程能力强、可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现。
根据多种液体自动混合系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富、可以接各种输出、输入扩充设备,有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。
本系统就是应用可编程序控制器（PLC）对多种液体自动混合实现控制。
1.3本文的主要工作
本文首先回顾多种液体自动混合装置的发展过程，说明了种液体自动混合装置的PLC控制的重要性和必然性。
然后，讲述了可编程程序控制器的应用，通过论述可编程程序控制器的优点对可控制编程器对多种液体混合装置的控制有一个总体的认识。
综合多种液体自动混合装置的控制系统的要求，进行了外部电路的连线和PLC程序设计，从部件的选择，流程的分析，程序顺序控制的设计等方面，完成了本次的设计任务。
最后，通过对程序液位控制系统的程序的调试、检测再进行是对系统的更正，使控制系统更加完善，确保系统能顺利运行。
PLC的介绍
1.4PLC的定义
PLC一直在发展中.所以至今尚未对其下最后的定义.国际电工学会.IEC
曾先后于1982.11、1985.1和1987.2发布了PLC标准草案的第一、二、三搞。
在第三搞中.对PLC作了如下定义.PLC是一种数字运算操作电子系统.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.用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计时和算术运算等操作的指令.并通过数字的、模拟的输出和输入.控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备.都应按易于与工业控制系统形成以整体、易于扩展其功能的原则设计。
该定义强调了PLC是
（1）数字运算操作的电子系统—也是一种计算机。
（2）专为在工业环境下应用而设计。
（3）面向用户指令—编程方便。
（4）逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作。
（5）数字量或模拟量输出输出控制。
（6）易于控制系统连成一体。
（7）易于扩充。
1.5PLC的应用概况
（1）高速度大容量发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms每千步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的设备已使用了磁泡存储器或硬盘。
（2）向超大化、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多个CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
超小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了实际的需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC.
（3）向智能模块、联网通信方向发展
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC使用者通常采用通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
（4）向较强的自检能力方向发展
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，提高系统的故障检测与处理能力势在必行。
1.6S7-200系列PLC系统基本构成
PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元（CPU），如图2-1所示。
图2-1基本结构
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC控制中枢。
它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器。
等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。
这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（2）存储器
存放系统软件存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件存储器称为用户程序存储器。
1、PLC常用存储器类型
1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除只读存储器。
断电情况下，存储器所有容保持不变。
紫外线连续照射下可擦除存储器容。
3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除只读存储器。
使用编程器就能很容易对其所存储容进行修改。
2、PLC存储空间分配
各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
1）系统程序存储区
2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
3）用户程序存储区
系统程序存储区：
系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：
逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
1）I/O映象区：
PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。
它需要一定数量存储单元（RAM）以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。
整个I/O映象区可看作两个部分组成：
开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
2）系统软设备存储区：
I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。
该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
用户程序存储区：
主要用来存放用户的应用程序。
所谓用户程序时指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。
次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。
也可将用户程序存放在EEPROM中。
（3）输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。
现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。
由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。
输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。
可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。
这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。
数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。
数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。
模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。
由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。
模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。
现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。
模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。
模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。
（4）扩展模块
当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。
模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。
只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。
（5）编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。
目前编程器主要有以下三种类型：
1）便携式编程器（也叫简易编程器）；
2）图形编程器；
3）用于IBM—PC及其兼容机的编程器。
便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。
图形编程器以液晶显示器（LCD）或阴极射线管（CRT）作屏幕，用来显示编程容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。
使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。
图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。
但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。
用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。
编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。
监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。
因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。
编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。
显示一般用液晶显示器，主要的显示容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。
键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。
现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。
不同厂家、不同型号的PLC的输入／输出点数也不同，有的大型机输入／输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。
因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。
扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。
主要有数字输入／输出模板，模拟输入／输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。
用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：
用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。
当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。
特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。
（6）电源
PLC中的电源一般有三类：
1）+5V、±15V直流电源：
供PLC中TTL芯片和集成运放使用；
2）供输出接口使用的高压大电流的功率电源；
3）锂电池及其充电电源。
考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。
1.7PLC特点
（1）高可靠性
1）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部电路之间电气上隔离
2）各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10～20ms.
3）各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰
4）采用性能优良的开关电源
（2）丰富的I/O接口模块
1）PLC针对不同的工业现场信号如：
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。
2.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀。
3）直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（3）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型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。
（4）编程简单易学、安装方便
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
1.8PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
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。
（1）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。
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。
（2）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。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区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。
（3）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。
（4）PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可行性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。
为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。
系统设计方案
1.9控制程序流程图设计
图3-1系统示意图
图3-2状态流程图
1.10控制要求
多种液体自动混合装置的PLC控制
如图3-1所示为三种液体混合装置，SL1、SL2、SL3和SL4为液面传感器，液面淹没时接通，液体A、B、C与混合液阀由电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4控制，M为搅匀电动机，其控制要求如下：
1.初始状态
装置投入运行时,液体A、B、C阀门关闭，混合液阀门打开20s将容器放空后关闭。
2.起动操作
按下启动按钮SB1,装置开始按下列给定规律运转:
1）液体A阀门打开，液体A流入容器。
当液面达到SL3时，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。
2）当液面达到SL2时，关闭液体B阀门，打开液体C阀门。
3）当液面达到SL1时，关闭液体C阀门，搅匀电动机开始搅拌。
4）搅匀电动机工作1min后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。
5）当液面下降到SL4时，SL4由接通变断开，再过20s后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。
3.停止操作
按下停止按钮SB2后，要将当前的混合操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态）
1.11设计要求
根据生产设备工作方面及其它方面的需要,本次设计要达到如下设计要求
（1）要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现;
（2）要能完全满足控制要求。
（3）按下停止按钮后，要将当前的混合操作处理完毕后,才停止操作
1.12总体设计思路
经过对上述设计要求的深入思考后.对系统的设计过程有了一定的构架。
具体的想法有一下几点.本系统为两种液体混合比控制电路的设计.需要对两种液体的液面的高度监控.因此.需要运用到传感器进行液面高度的监控。
各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制.入池后的搅拌.则需要电机控制。
对各个控件的控制.需要一个完整的控制流程.运用PLC技术进行编程.可以实现对各个控件的控制。
具体控制方法根据题目要求.按下启动按钮时.A种液体进入容器.当达到一定值时.停止进入.B种液体开始进入.当达到一定值时.停止进入B种液体。
搅拌机进行搅拌.一分钟后搅拌均匀.停止搅拌.放出液体。
经20s后停止放出.按停止键停止操作。
液体的进入和放出.
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