1、机电一体化技术专业毕业综合实践报告 毕业综合实践论文 姓 名： 苗鋆烨 学 号： 10140236 系 部： 电子电气工程系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 电气 1034 指导教师： 韩亮 中文 摘要 2 摘要 随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断 提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性
2、差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。 水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点。在水资源日益匮乏的今天，节约用水、提高水资源的利用率就显得十分必要。传统的水塔水位控制为粗放式的，基本没有对水泵的合理控制，且多为人为控制，工作强度大、危险。所以除了浪费电能外，还造成了人力资源的浪费。采用新型的 PLC 控制供水方式与过去旧的控制方式相比在运行中的经济性、可靠性、稳定性、等方面有显著优势，特别是在提倡低碳的情况下有很好的节能效果，且由于 PLC 强大的扩展性可以适应今后城市供水建设的发展。 在现代工业设备及自动化项目中， PLC
3、的可靠性、抗干扰性等诸因素是继电器无法比拟的。随着计算机技术的不断发展，它给工业自动化带来了革命性的变革。这个变革是由继 电器控制到计算机控制的飞跃 。利用 PLC控制的特点是 ： 可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎 4; 系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；体积小、质量轻、功耗低。 因此综上所述，为了达到节能的目的提高供水系统的质量，考虑采用可编程控制器（ PLC）、继电器。传感器技术和数据采集，设计一套实用水位控制方案，使系统实现自动控制，以提高控制精度、可靠性和供水质量。并通过模机电一体化技术专业毕业综合实践报告 拟仿
4、真来验证程序编写的正确性。 本文首先阐述了课题背景 ，在分析了当前研究中存在的问题的基础上，论 述了本课题研究的重要意义。 并根据水塔水位控制系统的控制要求以及控制原理确定水塔水位控制系统的硬件设计，画出系统流程图，确定 PLC系统的输入输出分配，编写程序，系统的模拟仿真等。最终完成基于 PLC的水塔水位控制系统的设计。 关键字 ： PLC 自动控制 供水系统 机电一体化技术专业毕业综合实践报告 2 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 1 1.2 水塔水位控制系统的组成 . 2 1.3 数控系统概述 . 2 第 2 章 可编程控制器（ PLC）概述 . 4 2.1 可编
5、程控制器简介 . 4 2.2 可编程控制器（ PLC）的特点 . 5 2.3 可编程控制器（ PLC）的应用 . 5 2.4 可编程控制器（ PLC）的组成 . 6 2.5 可编程控制器的工作方式及过程 . 9 2.6 可编程控制器的编程语言 梯形图 . 10 第三章 系统硬件设计 . 12 3.1 恒压供水系统的基本构成 . 14 3.2 系统控制 要求 . 17 3.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 . 17 3.4 系统选型 . 19 3.5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用 . 19 3.5.1 EM235 模拟量工作单元性能指标 . 19 3.5.2 校准及配置 . 21 3
6、.5.3 EM235 的安装使用 . 21 3.5.4 电气控制系统原理图 . 22 第四章 系统程序设计 . 24 4.1 由“恒压 ” 要求出发的工作泵组数量控制管理 . 24 4.2 多泵组泵站泵组管理规范 . 24 4.3 程序的结果以及程序功能的实现 . 24 第 5 章 总结 . 37 5.1 系统的优点 . 37 5.2 结束语 . 37 参考文献 . 39 致 谢 . 40 第 1 章 绪论 1 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及意义 众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水
7、、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高 的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有 :恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下 : 1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都
8、依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运 行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 3、液力祸合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修 ;优点是价格低廉
9、，结构简单明了，维修方便。 4、单片机变频调速供水 系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源 ;效率低 ;可靠性差 ;自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。 目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，采用 PLC 水塔水位控制系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在机电一体化技术专业毕业综合实践报告 2 能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系
10、统，对于提高企业效 率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.2 水塔水位控制系统的组成 水位自动控制系统由 PLC（核心控制部件）、高低位的水位检测电路、高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路（ PLC 控制程序实现的此水位控制 ） 1.3 数控系统概述 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，多品种，中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工业消费生产的高速增长，形状复杂的零件越来越多，精度要求也越来越高。 在传统的加工设备和制造方法难以满足这样的多样化、柔性化与 形状复杂零件的高效高质量加工要求的情况下，数控机床作
11、为一种自动化的加工设备而被广泛采用 l。数控技术作为数控机床的关键技术，已经成为当今制造技术的一个重要组成部分。美国麻省理工学院伺服机构实验室于 1952 年研制出世界上第一台三坐标铣床，从此人类迎来了机械制造的一个新的数控时代。纵观数控系统发 展史，数控系统经历了两个阶段共六代的发展 。 第一阶段 :数控 (NC)阶段 (1952 一 1970)，这个阶段经历了三代，即第一代采用电子管元件的数控系统，体积大、可靠性低、价格高，主要用于军工生产 ;第二代采用晶体管和印制电路 板组成的数控系统，可靠性有所提高，体积大为缩小，但是还没有得到广大用户的认可 ;第三代采用集成电路的数控系统，不仅体积大
12、大缩小，其可靠性也得到了实质性的提高，成为一般用户能接受的数控系统。第一个阶段的数控系统主要靠硬件来实现各种控制功能。第二阶段 :计算机数控 (NCC)阶段 (1970 一至今 )，这个阶段也经历了三代，即第四代采用小型计算机以软件的形式实现数控功能 ;第五代采用微处理器或微型计算机 ;第六代以 CP 机为控制系统的硬件部分，在 CP 机上安装 NC 软件系统，第六代数控也称为基于 CP 的智能数控系统。第二阶段的数控系 统主要是由计算机硬件和软件组成。其最大特点是利用存储在存储器里的软件控制系统工作。这种系统较第一阶段的数控系统容易扩展，柔性好，可靠性高。就系统硬件和软件组成及其结构形式而言
13、，当今世界上的数控系统大致可分为 4 种类型 : 传统数控系统。如 FANUCO 系统、 MITSUBISHIM50 系统、 SiemenS810 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具 (如 Sinelnes 的 WSSOOA)，耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目 前，这类系统还是占领了制造业的大部分市第 1 章 绪论 3 3 场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在接受挑战 。 “ PC 嵌入 NC”结构的数控系统。如 FANUC181 系统、 51emens840D 系统
14、、 Numl060系统等。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的 NC 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。 “ NC 嵌入 CP”结构的数控系统。它由开放体系结构运动控制卡 +PC 机构成。这种运动控制卡通常选用高速 DSP 作为 CUP，具有很强的运动控制和 PLC 控制能力。它开放的函数库供用户在 W 工 NDOWS 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国 DELATAT
15、U 公司用 PMAC 多轴运动控制卡构造的 PMAC 一 NC 数控系统、旧本 MAAZK 公司用三菱电机的MELDASMAGIC64 构造的 MAZATROL640CNC 等。 SOF r 型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系统。它的 CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计 算机与伺服驱动和外部 1/0 之间的标准化通用接口。用户可以在 W 工 ND 娜 S 平台上，利用开放 CNC 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比， SOTF 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国 MDSI 公司的OpenCN
16、C、德国 PowerAutomation 公司的 AP80OONT 等 数控技术是机械、电子、自动控制理论、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术，它能把机械装备的功能、可靠性、效率和产品质量提高到一个新水平，使机械电子行业发生深刻的变化。 可以说，数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。总之，数控技术己成为当今工业设备、制造业不可忽视的关键高新技术 ，对我国今后的技术进步和科学发展具有重要的先导作用，需大力发展机电一体化技术专业毕业综合实践报告 4 第 2 章 可编程控制器（ PLC）概述 2.1 可编程控制器简介 可编程序控制器
17、(program logical controller)，简称 pLc，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的 一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于 PLC 采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗千扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求 ;再加上 PLC 发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，
18、开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱 9。目前， PLC 在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞 跃。旱期的可编程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。 1969 年，美国数字设备公司 (DEC)研制出世界上第一台可编
19、程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成 电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。 70 年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 1/0 模块和各种特殊功能模块。在软件方面， PLC 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微处理器的档次普 遍提高
20、。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了 PLC 软、硬件功能。在发达工业国家， PLC 己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界 PLC 以及软件市场报告称， 1995 年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元。 机电一体化技术专业毕业综合实践报告 5 2.2 可编程控制器（ PLC）的特点 随着电子技术和计算机技术的发展， PLC 的功能得到大大的增强，具有以下特点 10: l)可靠性高。 PLC 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 2)具有丰富的 1/0 接口模块
21、。 PLC 针对不同的工业现场信号，有相应的 1/0 模块与工业现场的器件或设备直接连接。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。 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、 1/0 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。 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
22、术人员所理解和掌握。 5)安装简单，维修方便。 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均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。 2.3 可编程控制器（ PLC）的应用 由于 PLC 强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。 PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加 矾、水泵变频调速、 SCADA 系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水
23、质监测等 。 机电一体化技术专业毕业综合实践报告 6 2.4 可编程控制器（ PLC）的组成 图 2.1 PLC 结构图 可编程控制器 PC 或 PLC 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。 PLC 机硬件主要由中央处理单元 (CPU)、存贮器、输入 /输出单 元以及编程器、电源和智能输入 /输出单元等构成。 PLC 可分为以下几个部分 : l)中央处理单元 (CPU):同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制的核心部件
24、，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。常用的 CPU 有通用微处理器，如 MOTOROLA6800，单片机有 8031，8051 和双极型位式微处理器，如 AMD2903。 目前，小型 PLC 为单 CPU 系统，而中型及大型 PLC 则为双 CPU 甚至多 CPU 系统。对于双 CPU 来说，一般具有一个位处理器和一个字处理器。字处理器 是 CPU 这个核心的核心，常由通用的 8 位、 16 位或 32 位微处理器担任，位处理器也称布尔处理机，如美国 ri 公司的 TI 一 530 等，它不仅使 PLC 增加了功能，提高了速度，也加强了PLC 的保密性能。 中央处理器的功能是 :CPU 按系统程序所赋予的功能，接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据 ;CPU 按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入 CPU 内的指令寄存器中 ;指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生相
