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1 1.1 抽水泵的 PLC 控制应用背景和意义1 1.2 课题的设计任务及要求1 2 方案论证1 3 硬件设计2 3.1 系统的原理方框图2 3.2 主电路 2 3.3 I/O 分配 3 3.4 I/O 接线图 4 3.5 元器件选型4 4 软件设计 12 4.1 主流程12 4.2 梯形图13 5 系统调试14 5.1 硬件调试14 5.2 软件调试15 5.3 总调试16 设计心得 17 参考文献18 附
2、图 A18 附图 B19 附图 C20 0 1 系统概述 1.1 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
3、的介绍。 1.2 课题的设计任务及要求 用电动机 4KW 380V 50HZ 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
4、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
5、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 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
6、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 P L C 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
7、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 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 3 3.4 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
8、（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 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：
9、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 矩/额定 转矩 转动惯 量 （kg*m2 ） 噪声 dB（A） 最 大转 矩/额 定转 矩 YDF- 2111 2.5 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，
10、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
11、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,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-
12、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 点以上) 功率/V.A FX2N-16M30,FX2N-32M40,FX2N-48M50,FX2N- 64M 60,FX2N-80M 70,FX2N-128M 100 表 3-42 6 如图表 3-521 为 FX2N 系列 PLC 的输入指标 项目
13、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 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
14、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） 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
15、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
16、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。
17、 （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-10EQ 8 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
18、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
19、：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 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。
20、“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 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
21、 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/380V 5.5A/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 PLC PLC FX2N- 32MR （详见 PLC
22、介 绍） 1 2 FU 熔断器 RLI- 60/50 3A 5 3 KM1 水位监测传感 器 CZ10-BHM 5A/250VAC 3 4 FR 交流接触器 CJ10-40 20A380V 1 5 SQI-4 热继电器 JR16- 60/3 24-36A/380V 1 6 LI-I5 指示灯（红） AD16- 22DS 220V 2 7 SB 按钮（自复位） LA38-11 AC15 220V/5.5A 2 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 检测
23、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
24、图 4-11 水塔水位控制系统主流程 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 Y N N 15 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
25、 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）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。 16 5-1-2 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
26、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 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
27、-23 17 3）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。 图 4-24 4）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
28、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，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，2003.2 2 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， 2006 4 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
