三菱PLC混合液课程设计教学文稿.doc

集 美 大 学

机制专业课程设计论文
（机电方向）

专 业： 机械设计制造及其自动化 （08级）
姓 名： 郑长安
班 级： 机制0811-0814（机电方向）
学 号： 2008710047
指导 教 师： 弓清忠 雷慧

集美大学机制专业（机电方向）课程设计任务书
姓名：郑长安 院（系）： 机械工程学院
专业： 机械设计制造及其自动化 班级及学号： 机制0812班2008710047
任务起至日期：2011年 12月 26日至2012年 1月13日
课程设计题目：基于FX0N–60MR可编程控制器的液体混合装置自动控制
立题的目的和意义：
现代制造业要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的。它已经成为当代工业自动化的三大支柱之一。《可编程控制器原理及其应用》课程是培养学生具有机电一体化设计能力的技术基础课，其专业课程设计是本课程的重要实践环节，是本专业方向第一次较全面的设计训练。专业课程设计要达到的如下主要目的：
1） 培养学生综合运用本课程及其它有关先修课程的知识，去分析、解决实际工
程问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识；
2） 能够对原有的继电器接触控制系统进行改造和设计新的控制系统；
3） 使学生掌握可编程控制器系统设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程
设计能力，树立正确的设计思想，为今后工作打下良好的本专业工程基础。
通过绘制完整的电器原理图，端子接线图，控制流程图，编制相应程序，进行系统调试等环节，掌握PLC系统软、硬件设计方法，了解这项技术的最新发展动态，熟悉国家标准，培养学生的基本技能，从而为接下来的毕业设计打下良好的基础和知识积累。
技术要求与主要内容：
PLC系统课程设计的一般过程是：从初拟设计方案开始，分析设计电路图，控制流程，并编制相应的指令程序，然后进行必要的实践环节对所设计系统进行调试和正确性检验，最后，编制详细、统一格式的技术文件。
1） 绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2） 根据前述控制分析，并绘出过程时序图；
3） 按控制系统设计图接线，并进行系统调试及问题分析；
4）编写技术文件。
进度安排：
1．第一周
周一：开题阶段，动员、布置任务。根据题目查阅相关的资料（包括：图书资料和
网上资料等），初步规划设计内容和步骤。
周四：进入方案设计阶段，初步确定设计方案。
这一阶段针对课题本身答疑，不检查程序。
2．第二周
周一：
1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2）根据上述控制分析，编制相应指令程序。
周四：内容同上。
这一阶段针对编程中个别问题答疑，不检查程序。
3. 第三周
周一：去电工实验室调试程序。
周四：检查论文电子档，包括内容及格式。
周五：收设计报告，进行答辩。
第三周的某一天进行现场实习，以提高感性认识：①到集美大学现代设计与制造技术中心参观、分析柔性制造系统的PLC系统运用。②参观机械工程学院实验室。
同组设计者及分工：
张志彬 ——侧重系统的理论研究
郑长安 ——侧重实践过程及控制
答辩前成果检查的教师意见：

年 月 日

目 录

一、概述 ……………………………………………………
1.1课程设计的目的……………………………………………
1.2 可编程控制器(PLC)简介 …………………………………
二、课程设计题目 …………………………………………
三、系统方案及元件介绍 …………………………………
四、控制系统设计 …………………………………………
4.1 系统I/O口分配和端子接线图 ……………………………
4.2 主电路图设计 ……………………………………………
4.3控制程序流程图 …………………………………………
4.4控制梯形图以及状态转移图 ……………………………
4.5指令表………………………………………………………
4.6控制程序时序图 …………………………………………
五、系统调试及结果分析 …………………………………
5.1 系统调试 …………………………………………………
5.2问题及结果分析 …………………………………………
六、心得体会 ………………………………………………
七、参考文献 ………………………………………………

一、概 述
1.1课程设计的目的：
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器—接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通信于一体，为工业自动化提供了近乎完美的现代化自动控制装置。
近年来，可编程序控制器由于其优良的控制性能，极高的可靠性，在各行各业中的应用日益广泛普及。为此，各高校的电气自动化、电器工程、供用电技术、机电一体化等相关专业相继开设了有关可编程序控制器原理及应用的课程。
高等工科院校培养目标的首要任务是培养具有创新精神的实践能力的各类技术人才，这种人才培养的目标实现必须具有一定的实践教学环节。学生通过实践教学环节的训练与锻炼，才能在实践中不断巩固和加深理论知识，提高独立工作能力和创新能力。
可编程序控制器（PLC）课程设计是各种实践性环节的综合训练，是工程实用技能的锻炼。可编程序控制器应用技术是先进的自动化控制技术，是亟待掌握的实用技术，对于这样一门应用性广、实践性强的专业课，必须通过各种形式的实训环节，构筑实践环境，强化工程意识，提高应用能力。
具体来讲，它要达到的目的是：
（1）培养学生综合运用可编程序控制器（PLC）及其他有关先修课程的知识，去分析、解决工程实际问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识。
（2）使学生掌握可编程序控制器设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程设计能力，树立正确的设计思想，为今后设计工作打下良好的基础。
（3）课程设计贯穿PLC教学的全过程，通过分析系统工艺过程、比较设计方案、编制设计程序、上机调试程序等一系列过程，培养可编程序控制器（PLC）设计的基本技能。
（4）通过这一次专业课程设计还为别的专业设计和毕业设计打下基础。
1.2 可编程控制器(PLC)简介：
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
    70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，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，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。
    可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
（1）维护性好：PLC有成熟的技术和完善的质量保障体系，因此PLC出故障的可能性很小，其硬件部分在其寿命期内基本不需要维护。PLC是一种长线产品，备品备件都有保障，可维护性好。
（2）高速率：PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在1M－200Mbps之间。远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。
（3）PLC的体积小：PLC的几何尺寸都不大。体积小的PLC可以装入机器设备内部，使机器结构紧凑。便于实现机电一体化。
（4）低功率消耗：针对电池移动场所的直流输入规格,整机消耗仅为24V/6MA 交流工作型的功率消耗低到0.1W--0.3W
（5）系统构成灵活：PLC系统扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。
（6）使用方便：编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
（7）抗干扰能力强：能适应各种恶劣的运行环境，可靠性强，远高于其他各种机型。

二、课程设计题目

基于FX0N–60MR可编程控制器的液体混合装置自动控制
控制要求：上限位、下限位和中限位液位传感器被液体淹没时为ON，阀A、阀B和阀C为电磁阀，线圈通电时打开，线圈断电时关闭。开始时容器是空的，各阀门均关闭，各传感器均为OFF。按下启动按钮后，打开阀A，液体A流入容器，中限位开关变为ON时，关闭阀A，打开阀B，液体B流入容器。当液面到达上限位开关时，关闭阀B，电机M开始运行，搅动液体，6s后停止搅动，打开阀C，放出混合液，当液面降至下限位开关之后再过2s，容器放空，关闭阀C，打开阀A，又开始下一周期的操作。在任何时候按下停止按钮，在当前工作周期的操作结束后，才停止操作（停在初始状态）。

图2-1 液体混合装置示意图
三、系统方案及元件介绍
1、系统方案：本设计以两种液体的混合控制为例，其要求是将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。并自动开始新的周期，形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接等）,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。在设计论文中将详细介绍系统的硬件设计、软件设计。其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、输入/输出的分配表及外部接线；软件设计包括系统控制的梯形图、指令表及工作过程。整个程序采用结构化的设计方法, 具有调试方便, 维护简单, 移植性好的优点。
2、元件介绍：
（1）液位传感器：
液位传感器主要由以1cm间隔均匀分布的干簧管阵列、全密封不锈钢防护管、球型磁浮子、检测电路、变送电路及LCD显示器等组成。其基本原理是检测干簧管阵列中某一个或几个干簧管触点闭合状态来表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的检测方法是采用电阻分压方式，其输出电压Vo是第i个闭合干簧管的分压值。这种测量方法需精确稳定的电源Ve和分压电阻R，通过适当的变换电路（V/I），可获得4～20mA标准电流输出。但是，如果多个干簧管同时接通，就会影响其分压电阻比，产生较大的测量误差。若在测量中产生一个或多个干簧管永久性导通（干簧管失效），则测量无法正常进行。为避免这种情况发生，增强传感器的适应性（现场显示和通信）。
（2）熔断器
选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锡合金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。当短路电流较大时，宜采用具有高分断能力的熔断器。当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的熔断器。
（3）PLC的选型
首先要对控制任务进行详细分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器还是晶体管型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能用相同种类和等级的电源。所以一旦它们是供交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以，要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。

四、控制系统设计
4.1 系统I/O口分配表和端子接线图：
（1） I/O口分配表：
输入
作用
代号
输出
作用
代号
X000
启动按钮(打开阀A)
SB1
Y000
液体A流入电磁阀

X001
中限位(打开阀B)
SQ1
Y001
液体B流入电磁阀

X002
上限位(驱动电机,定时器T0(6S))
SQ2
Y002
搅拌电动机M

X003
下限位 (驱动定时器T1(2S))
SQ3
Y003
液体C流入电磁阀

X004
停止按钮
SB2

表4-1 系统I/O接口分配表

（2）端子接线图：

图4-1 端子接线图
4.2 主电路图设计：

图4-2 主电路图

4.3控制程序流程图：
是否按下停止按钮？
液面下降至下限位SQ3, 2S后电磁阀C关闭，电磁阀A打开。
搅拌6S后，电动机M停止运行，电磁阀C打开，放出混合液。
液面上升至中限位SQ1，电磁阀A关闭，电磁阀B开启，流入液体B。
启动按钮SB1，电磁阀A打开，流入液体A。
液面上升至上限位SQ2，电磁阀B关闭，电动机M运行，搅动液体。
启动/清零
开始

否

是

图4-3 工作流程图
4.4控制状态转移图以及梯形图：
（1）状态转移图：

M8002
S0

S20

X000 启动
电磁阀A打开
Y000

Y001
X001 中限位SQ1
电磁阀B打开
S21

X002 上限位SQ2
电动机M运行
Y001
S22

定时器为6S
T0

T0

电磁阀C打开
Y003
SET
S23

T1
S23
X003 下限位SQ3

定时器为2S

T1

X010 X010

S0 S20

图4-4-1 状态转移图

（2）梯形图：

图4-4-2 梯形图

0 LD M8002
运行开始对状态S0驱动
4.5指令表：

下限位开关闭合，时间继电器TI开启，2S后电磁阀C关闭
Y003置位，X003接通，电磁阀C开启
X002接通，电动机M运行，时间继电器TO打开
X001接通，电磁阀B开启
X000接通，电磁阀A打开
激活初始状态S0，PLC运行

图4-5 指令表

4.6控制程序时序图：

图4-6 时序图
五、系统调试及结果分析
5.1 系统调试

当按下启动按钮SB1，X000的常开触点为接通状态，Y000接通，电磁阀A打开，液体A流入，一段时间后液面达到中限位

液面到达中限位时，中限位的液面传感器SQ1变为ON时， X001的常开触点为接通状态，Y000断开， Y001接通，电磁阀阀B打开，液体B流入，一段时间后达到上限位

液面到达上限位时，上限位的液面传感器SQ2变为ON时， X002的常开触点为接通状态，Y001断开， Y002接通，线圈KM得电，电动机M运行，驱动搅拌机工作，同时搅拌时间为6S，6S后， T0常开触点为接通状态，Y003端口置位，电磁阀C打开，混合液流出。

当液面到达下限位时，下限位的液面传感器SQ3变为OFF状态， X003的常开触点为接通状态， T1得电工作，2S后T1常开触点为闭合状态，Y003端口复位，电磁阀C关闭，根据停止按钮SB2是否按下选择返回路线。当停止按钮SB2按下时，X010的常开触点为接通状态，系统返回到初始状态S0，当停止按钮SB2未按下时，X010的常闭触点为闭合状态，系统返回到S20。
5.2问题及结果分析：
1）在起初的程序设计中没有设计使程序停止的功能，所以为了满足题目中“在任何时候按下停止按钮，在当前工作周期的操作结束后，才停止操作（停在初始状态）”这一要求，经过探讨，在程序末尾设计了一个常闭触点与常开触点的停止按钮，这样当无停止按钮按下时，就可以自动循环整个过程，如有停止按钮按下时，那么在程序末尾检测到这个信号，常开触点动作，程序回到初始状态，直到按下启动按钮后才继续运行。
2）最初设计程序时，由于没有在程序末尾设计进栈和出栈，导致在实验室调试时，系统无法实现正确的跳转。经研究探讨，加上了进栈出栈指令。
3）在电路中可以提供一个备用电源，这样做的目的就是保证掉电之后也能使系统完成该周期的工作，从而保证系统在完成当前周期的操作时，停止在初始状态，使容器为空。以便在恢复电源后能顺利的从第一步开始进行循环。这样就避免了在混合某些化学物质，比如具有腐蚀性的物质时。因为掉电，长时间储存在容器中，从而造成对装置的腐蚀或损坏；也避免了引起环境污染的可能。同时取代了掉电保持这样一个麻烦和考虑不周的过程。
六、心得体会
这次PLC课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了PLC基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。通过调试找出问题的所在，相应的修改程序。在编程过程中难免会有不足之处，因此通过调试，再修改程序可以更好实现相应的功能。
通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。从而提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理以及编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。

七、参考文献
[1] 史国生. 电气控制与可编程控制器技术. 北京：化学工业出版社，2011
[2] 张万忠. 可编程控制器应用技术. 北京：化学工业出版社，2002
[3] 叶真. 可编程控制器原理及应用. 上海：上海应用技术学院，2003年.
[4] 杨公源. 可编程控制器（PLC）原理与应用. 电子工业出版社，2004
[5] 金广业. 可编程序控制器应用技术. 中国电力出版社，2003