化工混料系統PLC控制系統設計

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The purpose of this design is to use modern PLC technology to control chemical blending system. This design first introduced the PLC technology development present situation as well as the basic purpose of this design, introduced the design chooses the basic working principle of Mitsubishi PLC and PLC. This secondary at the same time to control the chemical mixture system function and the working process are analyzed, and determine the overall scheme design, the system analyzes the input and output points of computing. Determine the basic models of PLC (FX2N -16 MR ), to account for the selection of other equipment in the design. Finally, this time design drawing of the electrical schematic diagram and ladder diagram of control system and the corresponding statement table.Keywords: Mixing System; PLC; System Control; Mitsubishis; CAD目 錄摘 要1Abstract2第一章 緒 論41.1 國內外研究現狀41.2 本次設計的基本目的6第二章 化工混料系統簡介72.1三菱plc基本介紹72.2 PLC的基本工作原理9第三章 化工混料控制系統設計113.1 化工混料系統的功能分析113.2 總體方案設計113.3 I-O分配133.4 基本設備的選型133.4.1 PLC的選型133.4.2 其它設備的選型153.5 電氣原理圖193.6 梯形圖的繪制203.7 PLC程序設計22第四章 常見故障分析與維護254.1 PLC控制系統的一般結構和故障類型254.2 PLC控制系統故障的宏觀診斷264.3 PLC控制系統的故障自診斷274.4 PLC控制系統的維護30致 謝32參考文獻33第一章 緒 論1.1 國內外研究現狀在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字設備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺PLC。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家。可以預期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。PLC未來展望21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。1.2 本次設計的基本目的化工混料系統是一個較典型的機械裝置，在化工機械中應用很廣?；せ炝舷到y將兩種不同的液體按照一定的比例混合，并進行循環(huán)、攪拌以達到均勻混合的目的，最后輸出到存儲設備中。本次設計的目的與任務在于：1）了解化工混料系統的工作原理，設計混料系統的PLC控制系統。2）了解化工混料系統的生產流程；3）了解化工混料系統組成，控制元件組成、作用；4）確定化工混料系統控制接口信號表；5）設計化工混料系統PLC控制總體方案；6）PLC選型、控制電路設計、控制梯形圖設計第二章 化工混料系統簡介2.1三菱plc基本介紹三菱PLC英文名又稱：Mitsubish Power Line Communication，是三菱電機在大連生產的主力產品。 它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。三菱PLC在中國市場常見的有以下型號： FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q）。PLC系統組成及各部分的功能：1 CPU運算和控制中心起“心臟”作用?？v：當從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后CPU根據系統所賦予的功能（系統程序存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成PLC內部所認可的用戶編譯程序。橫：輸入狀態(tài)和輸入信息從輸入接口輸進，CPU將之存入工作數據存儲器中或輸入映象寄存器。然后由CPU把數據和程序有機地結合在一起。把結果存入輸出映象寄存器或工作數據存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅動器。組成：CPU由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數據總線與I/O接口電路相連接。2存儲器具有記憶功能的半導體電路。分為系統程序存儲器和用戶存儲器。系統程序存儲器用以存放系統程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器組成。廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數據存儲區(qū)。由隨機存取存儲器（RAM）組成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為35年。3輸入/輸出接口1）輸入接口：光電耦合器由兩個發(fā)光二極度管和光電三極管組成。發(fā)光二級管：在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發(fā)光二極管就產生與輸入信號變化規(guī)律相同的光信號。光電三級管：在光信號的照射下導通，導通程度與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區(qū)內，輸出信號與輸入信號有線性關系。輸入接口電路工作過程：當開關合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號。當開關斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導通。向內部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成PLC內部所能接受的數字信號。2）輸出接口PLC的繼電器輸出接口電路工作過程：當內部電路輸出數字信號1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓。當內部電路輸出數字信號0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數字電路化成一種信號使負載動作或不動作。三種類型：繼電器輸出：有觸點、壽命短、頻率低、交直流負載晶體管輸出：無觸點、壽命長、直流負載晶閘管輸出：無觸點、壽命長、交流負載4編程器編程器分為兩種，一種是手持編程器，方便。我們實驗室使用的就是手持編程器。二種是通過PLC的RS232口。與計算機相連。然后敲擊鍵盤。通過NSTP-GR軟件（或WINDOWS下軟件）向PLC內部輸入程序。2.2 PLC的基本工作原理一PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式1每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。2輸入刷新過程。當輸入端口關閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。3一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。4元件映象寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。5掃描周期的長短由三條決定。（1）CPU執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數6由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現象，即輸入/輸出響應延遲。二PLC與繼電器控制系統、微機區(qū)別1PLC與繼電器控制系統區(qū)別前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“軟件”，后者用“硬件”。2PLC與微機區(qū)別前者工作方式是“循環(huán)掃描”。后者工作方式是“待命或中斷”PLC 編程方式PLC最突出的優(yōu)點采用“軟繼電器”代替“硬繼電器”。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯”。PLC編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤其前兩者為常用。梯形圖語言特點：1每個梯形圖由多個梯級組成。2梯形圖中左右兩邊的豎線表示假想的邏輯電源。當某一梯級的邏輯運算結果為“1”時，有假想的電流通過。3繼電器線圈只能出現一次，而它的常開、常閉觸點可以出現無數次。4每一梯級的運算結果，立即被后面的梯級所利用。5輸入繼電器受外部信號控制。只出現觸點，不出現線圈。主要技術性能用戶程序存儲容量：是衡量可存儲用戶應用程序多少的指標。通常以字或K字為單位。16位二進制數為一個字，每1024個字為1K字。PLC以字為單位存儲指令和數據。一般的邏輯操作指令每條占1個字。定時/計數，移位指令占2個字。數據操作指令占24個字。PLC的分類按結構分類：1整體式：是把PLC各組成部分安裝在一起或少數幾塊印刷電路板上，并連同電源一起裝在機殼內形成一個單一的整體，稱之為主機或基本單元、小型、超小型PLC采用這種結構。2模塊式：是把PLC各基本組成做成獨立的模塊。中型、大型PLC采用這種方式。便于維修第三章 化工混料控制系統設計3.1 化工混料系統的功能分析按要求該液體混合控制裝置由液面?zhèn)鞲衅鱏Q1、SQ2、SQ3；液體A的輸入閥門K1、液體B的輸入閥門K2和混合液體的流出閥門K3；攪拌電機M等部件組成?？刂埔螅?）初始狀態(tài)：投入運行時，控制液體A和液體B的閥門K1、K2關閉，放混合液體閥門K3打開20秒，將裝置內剩余液體放空后關閉。2）啟動操作：按下啟動按鈕SB1，控制液體A的閥門K1打開，液體A流入裝置，當液面上升到SQ2位置時，關閉閥門K1，打開控制液體B的閥門K2，當液面升高到SQ1位置時，關閉閥門K2，攪拌電機M開始轉動，60秒后，電機停止工作，閥門K3打開，開始放出混合液體。當液面下降到SQ3位置時，SQ3由接通變?yōu)閿嚅_，20秒后，混合液體放空，閥門K3關閉，開始下一周期操作。3）停止操作：按下停止按鈕SB2后，在當前的混合操作周期處理完畢后，才停止工作，回到初始狀態(tài)。3.2 總體方案設計選用PLC作為控制核心，各種開關、電動機和傳感器作為主令和執(zhí)行器件，并附加短路和過載等安全保護措施以及必要的工作指示等完成系統控制?；せ炝舷到y總流程如圖3-1所示圖3-1 化工混料系統總流程圖當裝置投入運行后，系統進入初始化，K3打開20秒將裝置內剩余液體放空后關閉，由PLC控制閥門K5打開，計時可通過軟件實現。初始化完成后，當系統由SB1（X000）向PLC輸入啟動指令后，由PLC控制閥門K1（Y000）打開，開始注入液體A，并通過液位開關SQ2（X003）來檢測其液位，當液位到達SQ2位置時，將向PLC輸入下一步的轉換指令。SQ2動作后，PLC輸出關閉K1，打開K2（Y001）閥門信號，開始注入液體B，并通過液位開關SQ1（X002）來檢測其液位，當液位到達SQ1位置時，SQ1動作，繼續(xù)向PLC輸入下一步的轉換指令。SQ1動作后，PLC輸出關閉閥門K2，啟動攪拌電機（Y003）的信號，同時PLC進行60秒計時。60秒后，攪拌充分，放出混合液體，PLC輸出打開閥門K3（Y002）的信號。混合液體是否放干通過液位開關SQ3（X004）來檢測，SQ3開始處于閉合狀態(tài)，當液位低于SQ3位置時，SQ3由閉合變?yōu)閿嚅_，PLC收到SQ3的斷開信號后，開始計時20秒，等待剩余液體放完。20秒后，若本周期內未按下SB2（X002）停止按鈕，則自動進入下一個工作周期，若本周期內按下過SB2則系統進入等待啟動狀態(tài)，停止工作。3.3 I-O分配PLC的X000，X001輸入端口接SB1、SB2分別控制系統的啟動和停止操作，X002-X004分別接SQ1，SQ2，SQ3三個液位傳感器，X005作為過載保護輸入。PLC的Y000-Y002輸出端口分別控制電磁閥門K1，K2，K3的開啟和關閉，Y003控制KM1的通斷來控制電機啟停，Y004和Y005分別作為電源指示和過載指示輸出。因此可以得到表3-1所示的IO端口分配表。表3-1 IO端口分配表輸入輸出點設備功能X000按鈕SB1常開觸點啟動X001按鈕SB2常開觸點停止X002液位開關SQ1常開觸點液位SQ1X003液位開關SQ2常開觸點液位SQ2X004液位開關SQ3常閉觸點液位SQ3X005熱繼電器常閉觸點電機過載保護Y000電磁閥K1線圈開/關K1Y001電磁閥K2線圈開/關K2Y002電磁閥K3線圈開/關K3Y003交流接觸器KM1線圈電機啟/停Y004電源指示燈HL1電源指示Y005過載指示燈HL2過載指示3.4 基本設備的選型3.4.1 PLC的選型根據上述設計可以知道該化工混料系統在控制時：總共用到12個PLC輸入、輸出點位。 目前，PLC主要有國外的產品：西門子；以及國內產品：三菱。同時結合在幾年的大學學習中，使用熟練的是三菱PLC，因此根據上述輸入輸出點位數和使用熟練程度，本次畢業(yè)設計選用的PLC型號可以為三菱FX2N-16MR型PLC作為控制核心。FX2N-16MR是FX2N系列中的一種，FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先進的系列。有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊，靈活性和控制能力強三菱PLC-FX2N系列：控制規(guī)模：16256點。內置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴展到16K。CPU運算處理速度0.08S/基本指令。在FX2N系列右側可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊?；締卧獌戎?軸獨立最高20kHz定位功能(晶體管輸出型） 。快速斷開端子塊，其采用優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能，所有的FX2N PLC中都有實時時鐘標準。持續(xù)掃描功能，為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。輸入濾波器調節(jié)功能，可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中x000到x017）。注解記錄功能，元件注解可以記錄在程序寄存器中。在線程序編輯，在線改變程序不會損失工作時間或停止生產運轉。RUN/STOP 開關，面板上運行/停止開關易于操作。遠程維護，遠處的編程軟件可以通過調制解調器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數據密碼保護，使用一個八位數字密碼保護您的程序。三菱FX2N系列繼電器輸出部分產品如下：FX2N-128MR-001 輸入點： 64，64 繼電器輸出FX2N-80MR-001 輸入點： 40，40 繼電器輸出FX2N-64MR-001 輸入點： 32，32 繼電器輸出FX2N-48MR-001 輸入點： 24，24 繼電器輸出FX2N-32MR-001 輸入點： 16，16 繼電器輸出FX2N-16MR-001 輸入點： 8， 8 繼電器輸出根據上述設計要求，選用FX2N-16MR-001 輸入點： 8， 8 繼電器輸出就能夠滿足設計要求。FX2N-16MR-001如圖3-2所示：圖3-2 FX2N-16MR-0013.4.2 其它設備的選型1、電機攪拌電動可根據系統需求選用不同型號功率的電動機，轉速如要求不高可選用8極的三相異步電動機，本系統選用Y132S-8型號的異步電動機。2、電磁閥電磁閥（Electromagnetic valve）是用電磁控制的工業(yè)設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動。用在工業(yè)控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節(jié)閥等。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關閉不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。液體的流入和流出只要求打開和閉合兩個狀態(tài)，所以只需選用通用型的液體電磁閥即可，根據系統需求可選用重慶環(huán)茂電磁閥有限公司的ZCO型直動式電磁閥。3、接觸器接觸器（Contactor）狹義上是指能頻繁關合、承載和開斷正常電流及規(guī)定的過載電流的開斷和關合裝置。它應用于電力、配電與用電。接觸器廣義上是指工業(yè)電中利用線圈流過電流產生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。接觸器由電磁系統（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。接觸器的工作原理是：當接觸器線圈通電后，線圈電流會產生磁場， 產生的磁場使靜鐵心產生電磁吸力吸引動鐵心，并帶動交流接觸器點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，兩者是聯動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，常開觸點斷開，常閉觸點閉合。直流接觸器的工作原理跟溫度開關的原理有點相似。交流接觸器作為電機驅動，由于電機的功率比較小，接觸器的額定電流可以選擇12A的，系統不需要用到輔助觸頭，所以可以選用只有一個常開輔助觸頭的接觸器，綜合起來選用正泰CJX2-1210型接觸器作為電機驅動。4、液位開關液位開關，也稱水位開關，液位傳感器，顧名思義，就是用來控制液位的開關。從形式上主要分為接觸式和非接觸式。目前常用的液位開關主要有以下幾種：1）MEMS壓阻式液位開關2）電容式液位開關3）電纜浮球液位開關4）電子式液位開關5）壓力式液位開關6）浮球式液位開關7）外貼式超聲波液位開關液位的檢測可使用液位開關來實現，本系統選用北京北方華瑞測控技術有限公司的EA-L200型的側裝式浮球開關。5、熱繼電器熱繼電器是由流入熱元件的電流產生熱量，使有不同膨脹系數的雙金屬片發(fā)生形變，當形變達到一定距離時，就推動連桿動作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，實現電動機的過載保護。繼電器作為電動機的過載保護元件，以其體積小，結構簡單、成本低等優(yōu)點在生產中得到了廣泛應用。熱繼電器的作用是：主要用來對異步電動機進行過載保護，他的工作原理是過載電流通過熱元件后，使雙金屬片加熱彎曲去推動動作機構來帶動觸點動作，從而將電動機控制電路斷開實現電動機斷電停車，起到過載保護的作用。鑒于雙金屬片受熱彎曲過程中，熱量的傳遞需要較長的時間，因此，熱繼電器不能用作短路保護，而只能用作過載保護熱繼電器的符號為FR。熱繼電器主要用于保護電動機的過載，因此選用時必須了解電動機的情況，如工作環(huán)境、啟動電流、負載性質、工作制、允許過載能力等。1、原則上應使熱繼電器的安秒特性盡可能接近甚至重合電動機的過載特性，或者在電動機的過載特性之下，同時在電動機短時過載和啟動的瞬間，熱繼電器應不受影響(不動作)。2、當熱繼電器用于保護長期工作制或間斷長期工作制的電動機時，一般按電動機的額定電流來選用。例如，熱繼電器的整定值可等于0.951.05倍的電動機的額定電流，或者取熱繼電器整定電流的中值等于電動機的額定電流，然后進行調整。3、當熱繼電器用于保護反復短時工作制的電動機時，熱繼電器僅有一定范圍的適應性。如果短時間內操作次數很多，就要選用帶速飽和電流互感器的熱繼電器。4、對于正反轉和通斷頻繁的特殊工作制電動機，不宜采用熱繼電器作為過載保護裝置，而應使用埋入電動機繞組的溫度繼電器或熱敏電阻來保護。它由發(fā)熱元件、雙金屬片、觸點及一套傳動和調整機構組成。發(fā)熱元件是一段阻值不大的電阻絲，串接在被保護電動機的主電路中。雙金屬片由兩種不同熱膨脹系數的金屬片輾壓而成。圖中所示的雙金屬片，下層一片的熱膨脹系數大，上層的小。當電動機過載時，通過發(fā)熱元件的電流超過整定電流，雙金屬片受熱向上彎曲脫離扣板，使常閉觸點斷開。由于常閉觸點是接在電動機的控制電路中的，它的斷開會使得與其相接的接觸器線圈斷電，從而接觸器主觸點斷開，電動機的主電路斷電，實現了過載保護。熱繼電器作為電動機的過載保護，由于電動機的額定電流為5.8A，則可選擇JRS2 系列，整定電流在5-8A的熱繼電器。6、熔斷器熔斷器（fuse）是指當電流超過規(guī)定值時，以本身產生的熱量使熔體熔斷，斷開電路的一種電器。熔斷器是根據電流超過規(guī)定值一段時間后，以其自身產生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開；運用這種原理制成的一種電流保護器。熔斷器廣泛應用于高低壓配電系統和控制系統以及用電設備中，作為短路和過電流的保護器，是應用最普遍的保護器件之一。熔斷器是一種過電流保護器。熔斷器主要由熔體和熔管以及外加填料等部分組成。 使用時，將熔斷器串聯于被保護電路中，當被保護電路的電流超過規(guī)定值，并經過一定時間后，由熔體自身產生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，從而起到保護的作用。以金屬導體作為熔體而分斷電路的電器，串聯于電路中，當過載或短路電流通過熔體時，熔體自身將發(fā)熱而熔斷，從而對電力系統、各種電工設備以及家用電器都起到了一定的保護作用。具有反時延特性，當過載電流小時，熔斷時間長；過載電流大時，熔斷時間短。因此，在一定過載電流范圍內至電流恢復正常，熔斷器不會熔斷，可以繼續(xù)使用。它是利用金屬導體作為熔體串聯于電路中，當過載或短路電流通過熔體時， 因其自身發(fā)熱而熔斷，從而分斷電路的一種電器。熔斷器結構簡單，使用方便，廣泛用于電力系統、各種電工設備和家用電器中作為保護器件。熔斷器作為電機和控制電路的短路保護。由于電機的額定電流為5.8A，電機為頻繁啟、停，電動機線路的熔斷器額定電流選擇電機額定電流的3倍，20A的可以滿足。PLC控制線路的熔斷器額定電流選擇4A的即可。3.5 電氣原理圖如圖3-3，主電路由三相電源供電，交流接觸器KM1作為通斷控制信號驅動，熱繼電器FR起過載保護作用，熔斷器FU1作為短路保護FU2起短路保護作用，由220V電源供電?？刂齐娐芬訮LC為核心，輸入輸出均采用多組匯點式。圖3-3 電氣原理圖3.6 梯形圖的繪制梯形圖（LAD, LadderLogic Programming Language）是PLC使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。軟繼電器PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線(Bus bar)。在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側母線（左母線和右母線）之間有一個左正右負的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動。右母線可以不畫出。根據梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像寄存器中的值，而不是根據解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。將繼電器電路轉換為功能相同的PLC外部接線圖和梯形圖步驟如下：1）了解和熟悉被控設備的工藝過程和機械的動作情況，根據繼電器電路圖分析和掌握控制系統的工作原理，這樣才能做到在設計和調試控制系統時心中有數。2）確定PLC的輸入信號和輸出負載，以及與它們對應的梯形圖中的輸入位和輸出位的地址，畫出PLC的外部接線圖。3）確定與繼電器電路圖的中間繼電器、時間繼電器對應的梯形圖中的位存儲器（M）和定時器（T）的地址。4）根據上述關系畫出梯形圖。圖3-4 化工混料控制系統梯形圖3.7 PLC程序設計初始化程序由特殊中間繼電器M8002來啟動，當PLC投入運行時，M8002會有一個初始脈沖，M8002由斷開到閉合后，系統進入初始化過程，由定時器T1計時20秒，同時復位Y000（K1）、Y001（K2），置位Y003（K3），置位M2。20秒后，復位Y003，復位M2，初始化完畢。按下啟動按鈕SB1，X000接通，第4邏輯行M0閉合一個掃描周期，Y000置位，同時復位M1（停止時被置位），閥門K1打開，液體A開始注入。當液體達到SQ2位置時，X003閉合，復位Y000，置位Y001，閥門K1關閉，閥門K2打開。當液體達到SQ1位置時，X002閉合，復位Y001，置位M5，由于X005此時為閉合狀態(tài)，第24邏輯行T0接通開始計時，并且Y003得電，電動機啟動。60秒之后，T0常開觸頭閉合，第30邏輯行Y002置位，M5復位，閥門K3打開，混合液體流出。當液體下降到SQ3位置時，SQ3由閉合變?yōu)閿嚅_，第38邏輯行X004在斷開后接通一個掃描周期，置位M3。第41邏輯行T1得電，計時20秒。20秒后，T1常開觸頭閉合，復位Y002，復位M3，M4輸出一個掃描周期的脈沖，作為下個周期的自啟動脈沖（若為初始狀態(tài)，M2被置位，常閉觸頭斷開，不能輸出自啟動脈沖），然后復位M2。根據上述基本控制流程以及上述圖中的基本梯形圖可以的到下面的基本指令：N0.1: LD M8000N0.2: OUT Y004N0.3: LDI X005N0.4: OUT Y005N0.5: LD X000N0.6: ANI Y000N0.7: ANI Y001N0.8: ANI Y003N0.9: PLS M0N0.11: LD X001N0.12: SET Y000N0.13: LD M4N0.14: ANI M1N0.15: OR M0N0.16: SET Y000N0.17: RST M1N0.18: LD X003N0.19: RST Y000N0.20: SET Y001N0.21: LD X002N0.22: RST Y001N0.23: SET Y001N0.24: LD M5N0.25: AND X005N0.26: OUT T0 K600N0.29: OUT Y003N0.30: LD T0N0.31: OR M8002N0.32: SET Y002N0.33: RST M5N0.34: LD M8002N0.35: SET M2N0.36: RST Y000N0.37: RST Y001N0.38: LDF X004N0.40: SET M3N0.41: LD M2N0.42: OR M3N0.43: OUT T1N0.46: LD T1 N0.47: RST Y002N0.48: RST M3N0.49: MPSN0.50: ANI M2N0.51: PLS M4N0.53: MPPN0.54: RST M2N0.55: END第四章 常見故障分析與維護PLC （可編程控制器）技術已廣泛應用于各控制領域，尤其是在工業(yè)生產過程控制中，它具有其它控制器無可比擬的優(yōu)點，可靠性高、抗干擾能力強，在惡劣的生產環(huán)境 里，仍然可以十分正常地工作。作為PLC本身，它的故障發(fā)生率非常低，但對以PLC為核心的PLC控制系統而言，組成系統的其他外部元器件（如傳感器和執(zhí)行器）、外部輸入信號和軟件本身，都很可能發(fā)生故障，從而使整個系統發(fā)生故障，有時還會燒壞PLC，使整個系統癱瘓，造成極大的經濟損失，甚至危及人的生 命安全。所以技術人員必須熟悉PLC 技術,并能夠熟練地診斷和排除PLC在運行中的故障。PLC控制系統故障診斷技術的基本原理是利用PLC的邏輯或運算功能，把連續(xù)獲得的被控過程的各種狀 態(tài)不斷地與所存儲的理想（或正確）狀態(tài)進行比較發(fā)現它們之間的差異，并檢查差異是否在所允許的范圍內（包括時間范圍和數值范圍）。若差異超出了該范圍， 則按事先設定的方式對該差異進行譯碼，最后以簡單的、或較完善的方式給出故障信息報警。故障診斷的功能包括故障的檢測和判斷及故障的信息輸出。常見的 PLC控制系統中，其故障的情況是多種多樣的。4.1 PLC控制系統的一般結構和故障類型PLC控制系統主要由輸入部分、CPU、采樣部分、輸出控制和通訊部分組成，如圖1所 示。輸入部分包括控制面板和輸入模板；采樣部分包括采樣控制模板、AD轉換模板和傳感器；CPU作為系統的核心，完成接收數據，處理數據，輸出控制信號； 輸出部分有的系統用到DA模板，將輸出信號轉換為模擬量信號，經過功放驅動執(zhí)行器；大多數系統直接將輸出信號給輸出模板，由輸出模板驅動執(zhí)行器工作；通訊 部分由通訊模板和上位機組成。因為PLC本身的故障可能性極小，系統的故障主要來自外圍的元部件，所以它的故障可分為如下幾種：（1）輸入故障，即操作人員的操作失誤；1、傳感器故障；2、執(zhí)行器故障；3、PLC軟件故障這些故障，都可以用合適的故障診斷方法進行分析和用軟件進行實時監(jiān)測，對故障進行預報和處理。4.2 PLC控制系統故障的宏觀診斷故障的宏觀診斷就是根據經驗，參照發(fā)生故障的環(huán)境和現象來確定故障的部位和原因。PLC控制系統的故障宏觀診斷方法如下：1、是否為使用不當引起的故障，如屬于這類故障，則根據使用情況可初步判斷出故障類型、發(fā)生部位。常見的使用不當包括供電電源故障、端子接線故障、模板安裝故障、現場操作故障等。2、如果不是使用故障，則可能是偶然性故障或系統運行時間較長所引發(fā)的故障。對于這類故障可按PLC的故障分布，依次檢查、判斷故障。首先檢查與實際過程 相連的傳感器、檢測開關、執(zhí)行機構和負載是否有故障：然后檢查PLC的I/O模板是否有故障：最后檢查PLC的CPU是否有故障。3、在檢查PLC本身故障時，可參考PLC的CPU模板和電源模板上的指示燈。4、采取上述步驟還檢查不出故障部位和原因，則可能是系統設計錯誤，此時要重新檢查系統設計，包括硬件設計和軟件設計。 圖4-1 PLC控制系統一般結構4.3 PLC控制系統的故障自診斷故障自診斷是系統可維修性設計的重要方面，是提高系統可靠性必須考 慮的重要問題。自診斷主要采用軟件方法判斷故障部分和原因。不同控制系統自診斷的內容不同。PLC有很強的自診斷能力，當PLC出現自身故障或外圍設備故 障，都可用PLC上具有的診斷指示功能的發(fā)光二極管的亮、滅來查找?？傮w診斷根據總體檢查流程圖找出故障點的大方向，逐漸細化，以找出具體故障，如圖4-2所示。 圖4-2 總體診斷流程圖電源故障診斷電源燈不亮,需對供電系統進行診斷.如果電源燈不亮,首先檢查是否有電,如果有 電,則下一步就檢查電源電壓是否合適,不合適就調整電壓,若電源電壓合適,則下一步就是檢查熔絲是否燒壞,如果燒壞就更換熔絲檢查電源,如果沒有燒壞,下 一步就是檢查接線是否有誤,若接線無誤,則應更換電源部件。運行故障診斷電源正常，運行指示燈不亮，說明系統已因某種異常而終止了正常運行。檢查流程如圖4-3所示. 圖4-3 運行故障診斷流程圖輸入輸出故障診斷輸人輸出是PLC與外部設備進行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和輸入輸出單元有關外，還與聯接配線、接線端子、保險絲等元件狀態(tài)有關。出現輸入故障時，首先檢查LED電源指示器是否響應現場元件（如按鈕、行程開關等）。如果輸入器件被激勵（即現場元件已動作），而指示器不亮，則下一步 就應檢查輸入端子的端電壓是否達到正確的電壓值。若電壓值正確，則可替換輸入模塊。若一個LED邏輯指示器變暗，而且根據編程器件監(jiān)視器、處理器未識別輸 入，則輸入模塊可能存在故障。如果替換的模塊并未解決問題且連接正確，則可能是IO機架或通信電纜出了問題。出現輸出故障時，首先應察看輸出設備是否響應LED狀態(tài)指示器。若輸出觸點通電，模塊指示器變亮，輸出設備不響應。那么，首先應檢查保險絲或替換模塊。若保險絲完好，替換的模塊未能解決問題，則應檢查現場接線。若根據編程設備監(jiān)視器顯示一個輸出器被命令接通，但指示器關閉，則應替換模塊。在診斷輸入輸出故障時，最佳方法是區(qū)分究竟是模塊自身的問題，還是現場連接上的問題。如果有電源指示器和邏輯指示器，模塊故障易于發(fā)現。通常，先是更 換模塊，或測量輸入或輸出端子板兩端電壓測量值正確，模塊不響應，則應更換模塊。若更換后仍無效，則可能是現場連接出問題了。輸出設備截止，輸出端間電壓 達到某一預定值，就表明現場連線有誤。若輸出器受激勵，且LED指示器不亮，則應替換模塊。如果不能從IO模塊中查出問題，則應檢查模塊接插件是否接觸 不良或未對準。最后，檢查接插件端子有無斷線，模塊端子上有無虛焊點。指示診斷LED狀態(tài)指示器能提供許多關于現場設備、連接和IO模塊的信息。大部分輸入輸出模塊至少有一個指示器。輸入模塊常設電源指示器，輸出模塊則常設一個邏輯指示器。對于輸入模塊，電源LED顯示表明輸入設備處于受激勵狀態(tài)，模塊中有一信號存在。該指示器單獨使用不能表明模塊的故障。邏輯LED顯示表明輸入信號已被輸入電路的邏輯部分識別。如果邏輯和電源指示器不能同時顯示，則表明模塊不能正確地將輸入信號傳遞給處理器。輸出 模塊的邏輯指示器顯示時，表明模塊的邏輯電路已識別出從處理器來的命令并接通。除了邏輯指示器外，一些輸出模塊還有一只保險絲熔斷指示器或電源指示器，或 二者兼有。保險絲熔斷指示器只表明輸出電路中的保護性保險絲的狀態(tài)；輸出電源指示器顯示時，表明電源已加在負載上。像輸入模塊的電源指示器和邏輯指示器一 樣，如果不能同時顯示，表明輸出模塊就有故障了。4.4 PLC控制系統的維護日常維護PLC的日常維護和保養(yǎng)比較簡單，主要是更換保險絲和鋰電池, 基本沒有其它易損元器件。由于存放用戶程序的隨機存儲器（RAM）、計數器和具有保持功能的輔助繼電器等均用鋰電池保護，鋰電池的壽命大約為5年，當鋰電 池的電壓逐漸降低到一定程度時，PLC基本單元上電池電壓跌落到指示燈亮，提示用戶注意有鋰電池所支持的程序還可保留一周左右，必須更換電池，這是日常維 護的主要內容。調換鋰電池的步驟為：1、在拆裝前，應先讓PLC通電15秒以上（這樣可使作為存儲器備用電源的電容器充電，在鋰電池斷開后，該電容可對PLC做短暫供電，以保護RAM 中的信息不丟失）；2、斷開PLC的交流電源；3、打開基本單元的電池蓋板；4、取下舊電池，裝上新電池；5、蓋上電池蓋板。注意更換電池時間要盡量短，一般不允許超過3分鐘。如果時間過長，RAM中的程序將消失。此外,應注意更換保險絲時要采用指定型號的產品。I/O模塊的更換若需替換一個模塊，用戶應確認被安裝的模塊是同類型。有些I/O系統允許帶電更換模塊，而有些則需切斷電源。若替換后可解決問題，但在一相對較短時間后 又發(fā)生故障，那么用戶應檢查能產生電壓的感性負載，也許需要從外部抑制其電流尖峰。如果保險絲在更換后易被燒斷，則有可能是模塊的輸出電流超限，或輸出設備被短路。PLC的故障診斷是一個十分重要的問題，是保證PLC控制系統正常、可靠運行的關鍵。本文對常用的故障診斷方法進行了探討。在實際工作過程中，應充分考慮到對PLC的各種不利因素，定期進行檢查和日常維護，以保證PLC控制系統安全、可靠地運行。致 謝本論文是在指導老師的悉心指導下完成的，在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了指導老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了指導老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。在此我們向指導老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時也感謝班主任邵琪珺老師在這三年來對我們的虛心的教導。感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的幫助。感謝領導和老師對我的關心和幫助。再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們。參考文獻1 廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用M.重慶：重慶大學出版社，2001 2 廖常初.可編程序控制器基礎及應用(第2版)M.北京：機械工業(yè)出版社，20073 段梅、李新PLC在混料控制系統的應用J控制系統，2003，(4)：50-544 熊志奇.微機自動化配料控制系統J.電子技術應用.1997，23(10)：30-34. 5 趙進奎.失重秤及其在水泥熟料配料系統中的應用J.自動化儀表，1999 (4)：23-256 張本舉.自動配料系統的設計.中國鋁業(yè)中州分公司計控室，2000 7 宋建成.PLC控制和應用M.北京：科學出版社，20028 趙明.工廠電氣控制設備M.北京：機械工業(yè)出版社，19989 劉艷梅.三菱PLC基礎與系統設計M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.10 史宜巧.PLC技術及應用項目教程M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.11 孫振強.可編程控制器原理及應用教程.2005.清華大學出版社.12 常曉玲.電氣控制系統與可編程控制器.北京：機械工業(yè)出版社,2004.13 MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION FX2N系列微型可編程控制器使用手冊.JAPAN：MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION, 199914 陳立定.電氣控制與可編程控制器.廣州：華南理工大學出版社,200015 田瑞庭.可編程控制器應用技術M.北京：機械工業(yè)出版，1994.16 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