1、電氣控制與PLC課程設計說明書題 目： 抽水泵的PLC控制 專業班級： 自動化 姓 名： 學 號： 2 指導教師： 評語：成績：指導老師簽名： 日期： 目 錄1 系統概述11.1 抽水泵的PLC控制應用背景和意義11.2 課題的設計任務及要求12 方案論證13 硬件設計23.1 系統的原理方框圖23.2 主電路 23.3 I/O分配 33.4 I/O接線圖 43.5 元器件選型44 軟件設計 124.1 主流程124.2 梯形圖135 系統調試145.1 硬件調試145.2 軟件調試155.3 總調試16設計心得 17參考文獻18附圖A18附圖B19 附圖C201 系統概述1.1 抽水泵的PL

2、C控制應用背景和意義 隨著電子計算機控制技術的迅速發展，以微控制處理器為核心的可編程控制器（PLC）控制已逐步取代了繼電器控制，普遍應用于各行各業的自動化控制在領域。當然抽水泵也不例外，例如水塔水位自動控制系統，但是有些還采用人工控制，但是效果很差，人員很難預測水位，這將會影響這些地方的自動化管理水平和經濟效益。目前，抽水泵PLC控制可以應用于許多實際生產中去，可以是許多問題得到解決，關于如何實現水塔水位PLC自動控制，本課程設計將提出一種抽水泵的PLC設計方案，并對其工作原理和結構做詳細的介紹。1.2 課題的設計任務及要求 用電動機4KW 380V 50HZ抽水至儲水塔。其動作如下：1） 若

3、液位傳感器SQ4檢測到地上蓄水池有水，并且SQ2檢測到水塔未到滿水位時， 抽水泵電動機運行抽水至水塔。2）若SQ4檢測到蓄水池無水，電動機停止運行，同時水池無水指示燈亮。3）若SQ3檢測到水塔水位低于下限，水塔無水指示燈亮。4）若SQ2檢測到水塔滿水位（高于上限），電動機停止運轉。5）發生停電，恢復供電時，抽水泵自動控制系統能繼續工作。2 方案論證 根據設計課題要求提出設計方案，簡述方案設計的基本理論依據。通常可以選擇一個以上的方案進行比較，通過剖析各個方案的優缺點，達到論證自己的方案是較合理的目的。 （1）根據設計課題要求提出兩套設計方案，傳統的繼電器控制方案和PLC系統控制方案。傳統繼電器

4、的控制是采用硬件接線實現的，是利用繼電器機械觸點的串聯或并聯極延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統構成后，想再改變或增加功能較為困難。另外繼電器觸點數量有限，所以繼電器控制系統的靈活性和可擴展性受到很大限制。控制速度：傳統繼電器控制系統依靠機械觸點的動作實現的，工作頻率低，觸點的開關動作一般在幾十毫秒數量級，且機械觸點還會出現抖動問題。可靠性和可維護差。由于繼電器控制系統使用了大量的機械觸點，連線多，觸點開閉時存在機械磨損、電弧燒傷等現象，觸點壽命短，所以可靠性和可維護性差。 （2）相比傳統的繼電器控制PLC控制具有很多優點。PLC由于采用現代大規模集成

5、電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性；配套齊全，功能完善，適用性強；易學易用，深受工程技術人員歡迎；系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。3 硬件設計3.1 系統的原理方框圖 水池和水塔的各水位限位開關來實時監測水位變化，同時將監測信息傳輸給PLC，PLC根據收到的信息進行邏輯輸出，從而控制主電路做出相應的動作（啟動抽水泵開始抽水或者停止抽水），PLC、主電路、監測電路的能量來源由電源模塊提供。如圖3-1所示為系統的原理方框圖。 圖3-1系統原理方框圖3.2 主電路 主電路由熱繼

6、電器、熔斷器、開關和抽水泵電動機等組成，采用交流380V的電壓供電，QF為隔離開關，控制主電路的導通與斷開;KM1控制電動機運轉；FR為熱繼電器，起到過載保護的功能;FU1為熔斷器，起到短路保護，用于保護電動機M;通過變壓器輸出220V交流電，供給控制電路使用。主電路屬于執行機構，當外部條件滿足時，抽水電動機便開始工作將蓄水池中的水抽到水塔中，否則則處于待機狀態。如圖3-2-1所示為主電路接線圖。 圖3-2-1主電路接線圖3.3 I/O分配類型電器元件PLC軟元件功能輸入SB1X1啟動按鈕SB2X2停止按鈕PS1（傳感器SQ2）X3水塔高水位監側PS2（傳感器SQ3）X4水塔低水位監側PS3（

7、傳感器SQ4）X5蓄水次無水監側輸出KM1Y1抽水泵運行HL1Y2水池無水指示燈HL2Y3水塔無水指示燈 表 系統I/O分配圖3.4 I/O接線圖 表 I/O接線圖3.5 元器件選型3.5.1 主電路元件的選擇（A）電動機的選擇 由功率公式：P=（1-K）*Q*V/102* 式（1）， 式子中： K：為平衡系數（0.45-0.5）  Q：為負載重量  V：為運行速度  ：效率此次PLC設計中：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)    因此選用Y

8、TDT225M1-4/16交流異步電動機。YTDT交流異步電動機為強迫通風型鼠籠式異步電動機。具有振動小、噪聲低、運行平穩等特點。（B）交流接觸器的選擇選擇原則：主觸頭額定電壓 額定電流 最大控制容量電動機接觸器主觸頭（KM1）的選擇11主觸頭的額定電壓：380V額定電流 IN=PN *1000/KUN (式子中K取 1.0到1.4) =7.5*1000/380 =20（A） 故選擇CJ-40滿足要求型號額定功率（kw）額定電流（A）額定轉速（r/min）堵轉電流/額定電流最大轉矩/額定轉矩轉動慣量（kg*m2）噪聲dB（A）最大轉矩/額定轉矩YDF-21112.51.313607.03.02

9、.80.001670 表 CJ10-40電動機數據表（C）.熔斷器的選擇  因為主電路是安裝在柜內的，所以熔斷器選用螺旋式的，方便維護，且根據熔斷器是在主電路中的，因此熔斷器額定電壓選用380V，熔體額定電流由式（c）計算得出： 式（c） =2.5*23+2*0.6+0.304=47.5(A) 故熔體額定電流選用50A的，又熔斷器的額定電流熔體額定電流，故選用60A的。故選擇用：RL 1-60/50.（D）熱繼電器的選用  熱元件的額定電流NI應大于電動機的額定電流，一般為1.1-1.25倍；熱元件調節范圍應在熱元件額定電流的60-100%之間

10、，根據實際需要調節；熱繼電器的工作環境溫度與被保護設備溫度的差別不應該超過15-25。 根據： 式（D）  =（1.1-1.25）*23=25.3-28.75（A） 故選用JR 16-60/3. 3.5.2 PLC的選擇該設計的核心就是PLC的選擇，鑒于這學期我們學習了日本三菱公司的FX2N系列的PLC,有關FX系列輸入特性詳見表，因此此次PLC課程設計我們選用FX2N-32MR型號的產品。它的特點有：  控制規模:14點 MR/MT；  內置2K容量的EEPROM存儲器,無需電池,免維護；  CPU運算

11、處理速度0.550.7S/基本指令；  基本單元內置2軸獨立最高100kHz定位功能(晶體管輸出型)； 有32個I/O點的基本單元，輸入點數和輸出點數都是16個；  繼電器輸出型，電源為交流220V。如圖表3-42 為FX-2N系列PLC的電源指標（AC電源、DC電源）項目指標電源電壓AC100240V電壓允許范圍AC85264V額定頻率50/60Hz允許瞬間斷電時間10s以內的瞬時停電，可繼續運行電源熔斷器250V 3.15A（3A）直徑5*20mm(32點以下)，250V 5A直徑5*20mm(32點以上)功率/V.AFX2N-16M30,FX2N-32M40,FX2N

12、-48M50,FX2N-64M 60,FX2N-80M 70,FX2N-128M 100 表3-42 如圖表3-521為FX2N系列PLC的輸入指標項目DC輸入DC擴展AC輸入機型AC電源型、DC電源型 基本單元、擴展單元擴展模塊基本單元、 擴展單元輸入信號電壓DC24V（1-+10）DC24V（1-+10）AC100120V-1510輸入信號電流7mA/DC24V5mA/DC24V6.2mA/AC110V 60Hz輸入ON 電流4.5mA以上3.5mA以上3.8mV以上輸入OFF電流1.5mA以下1.5mA以下1.7mA以上輸入響應時間約10ms X0X17內置數字濾波器，X0，X1為最小2

13、0us約2530us輸入信號觸頭輸入或者NPN型集電極開路晶體管不可以高速輸入回路絕緣光耦隔離光耦隔離輸入動作的顯示輸入ON時，LED燈亮輸入NO是，LED燈亮 表3-521FX系列PLC輸入特性表當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 （一） 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應的單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在

14、這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二） 用戶程序執行階段  在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要

15、執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。即在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區別。 （

16、三） 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。3.5.3 輔助電路器件的選擇 （A） 選擇常用的水位檢測傳感器：代號：SQI-4； 名稱：側裝浮球液位開關， 型號：CZ10BHM CZ-10EQ 圖3-431 側裝浮球液位開關 產品實物圖 如圖3-532所示為側裝浮球液位開關產品安裝使用和工作狀態圖，使用時將上下限位開關分別安裝到水塔的側壁的上位和下位，設置好開關邏輯狀態，然后就可以使用了 圖3-532 側裝浮球液位開關產品實物安裝位

17、置示意圖 如圖3-533所示當水塔水位觸發上限位開關時，抽水泵停止向水塔抽水，系統處于待機暫停狀態。 圖3-533水塔水位觸發上限位開關示意圖 如圖3-434所示當水塔水位觸發下限位開關時，抽水泵開始向水塔抽水，系統處于抽水工作狀態。 圖3-434水塔水位觸發下限位開關示意圖補充說明：蓄水池中側裝浮球液位開關產品實物安裝位置示意圖和使用情況同上。（B）指示燈的選擇： 文字符號LI-I5（220V）全名：伊萊科指示燈 ，AD16-22DS 220V。 圖 3-4-3-4 伊萊科指示燈產品實物圖（C）導線選擇 速查表中所列導線基于以下條件：BV型銅芯塑料線穿鋼管的敷設方式；環境溫度40；O.752

18、2kW電動機按輕載全壓不頻繁起動，30kW及以上電動機按輕載降壓不頻繁起動；4根導線穿鋼管方式。電動機配線口訣： "1.5加二，2.5加三" "4后加四，6后加六"  "25后加五，50后遞增減五" "百二導線，配百數"  該口訣是按三相380V交流電動機容量直接選配導線的。"1.5加二"表示1.5mm2的銅芯塑料線，能配3.5kW的及以下的電動機。由于4kW電動機接近3.5kW的選取用范圍，而且該口訣又有一定的余量，所以在速查表中4kW以下的電動機所選導線皆取1.

19、5mm2。"2.5加三"、"4后加四"，表示2.5mm2及4mm2的銅芯塑料線分別能配5.5kW、8kW電動機。"6后加六"，是說從6mm2的開始，能配"加大六"kW的電動機。即6mm2的可配12kW，選相近規格即配1lkW電動機。10mm2可配16kW，選相近規格即配15kW電動機。16mm2可配22kW電動機。這中間還有18.5kW電動機，亦選16mm2的銅芯塑料線。綜上所述，本次課程設計中主電路電動機選擇 2.5mm2的銅導線；綜合考慮其他因素照明燈電路導線和邏輯開關電路連接線選擇2mm2鋁線。(D）按鈕的選

20、擇 如圖9-1所示所選擇的按鈕示意圖（使用時將紅色的作為停止按鈕綠色的作為啟動按鈕） 圖9-1 如圖9-2所示為所選按鈕內部結構示意圖。使用時將11和13端口配合使用形成常開按鈕，11和12配合使用形成常閉按鈕 圖9-2產品規格：LA38/203 AC15 220V/380V 5.5A/4A生產廠家:上海展越電子有限公司,商品毛重：1.0kg,貨號： LA38-11D平頭自復位綜上所述，可以得出此次PLC課程設計中用到的元器件如下表9-3所示：序號文字符號名稱型號規格數量1PLCPLCFX2N-32MR（詳見PLC介紹）12FU熔斷器RLI-60/503A53KM1水位監測傳感器CZ10-BH

21、M5A/250VAC34FR交流接觸器CJ10-4020A380V15SQI-4熱繼電器JR16-60/324-36A/380V16LI-I5指示燈（紅）AD16-22DS220V27SB按鈕（自復位）LA38-11AC15 220V/5.5A2 表 9-3總系統所需要元器件表4 軟件設計 本課程軟件設計在輸入與輸出邏輯方面需要滿足以下要求：1）若液位傳感器SQ4（蓄水池下限位傳感器）檢測到地上蓄水池有水，并且SQ2 檢測到水塔（水塔上限位傳感器）未到滿水位 時，抽水泵電動機運行抽水至水塔。2）若SQ4檢測到蓄水池無水，電動機停止運行，同時水池無水指示燈亮。3）若SQ3（水塔下限位傳感器）檢測

22、到水塔水位低于下限，水塔無水指示燈亮。4）若SQ2檢測到水塔滿水位（高于上限），電動機停止運轉。4.1 主流程 如圖4-11所示，為系統總流程圖，系統啟動后，就處于待機狀態，當滿足蓄水池內部有水且水塔未到滿水位時抽水泵開始工作，將水從蓄水池中抽到水塔內部，抽水泵在工作過程中水塔水位達到滿水位時或者蓄水池內部水位低于下限水位時候，抽水泵停止工作，處于待機狀態，否則，抽水泵繼續工作。13 圖4-11水塔水位控制系統主流程 圖4-12抽水泵的PLC控制現場安裝示意圖4.2 梯形圖 (1)如圖4-21所示為整個系統工作的梯形圖， 各個邏輯元件按照特定的邏輯關系進行了特定的鏈接。（軟硬件對應關系具體參見

23、I/O連接圖） 圖4-21系統梯形圖5 系統調試 系統調試分為硬件調試和元件調試兩個部分，兩者之間關系密切、相互聯系、相互作用。5-1 硬件調試5-1-1 主電路調試 系統斷電狀態下，按照主電路接線圖3-2-1的連接關系，將各個部件連接到一起。（先用旋轉開關代替接觸器KM1）當電路接好后，通過旋轉開關開關狀態的切換來檢驗主電路的連接質量，如果，抽水泵電動機不能正常工作或者工作狀態不穩定，則需要仔細排查各個環節，直到達到理想狀態為止。5-1-2 各個限位開關和指示燈電路的調試 將各個限位開關按照如圖3-431到圖3-434的方式安裝在蓄水池和水塔上面，電路指示燈也安裝到配電圖里面合適的位置，然后將這兩個模塊通過PLC連接到一起，編寫梯形圖程序，給PLC供電，將梯形圖程序下載到里面，讓這個臨時測試調試系統處于待機工作狀態，人為的模擬蓄水池和水塔內水位變化對限位開關的觸動來等效的觸動各個限位開關，觀測各個部分的邏輯響應關系是否正確，（詳細接線對應關系見 I/O接線圖）不斷調試直到成功為止。注意：系統調試過程中一定要注意安全！防止安全事故發生！5-2 軟件調試 1) 如圖4-22為系統正常工作梯形仿真圖（軟開關為藍色表示接通狀態）打開主開關，當蓄水池下液位開關處于