【正文】 緒論 選題背景 隨著自動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng) 用 , 原有電氣控制系統(tǒng)大量的被自動(dòng)控制系統(tǒng)所代替。而對(duì)于這種由接觸器、繼電器所組成的控制電路 , 復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)一方面使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度加大，另一方面過(guò)多的電氣元件和電氣連接點(diǎn)導(dǎo)致發(fā)生故障的情況大大的增加。 化肥生產(chǎn)廢熱水池水循環(huán)系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)方法其實(shí)很簡(jiǎn)單， 其原理 主要是通過(guò)液位變送器檢測(cè)廢熱水池中 1m、 3m、 5m、 7m、 9m五個(gè)不同的測(cè)量位置，作為輸入信號(hào)； 通過(guò) PLC的特殊功能模塊 4AD 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)?PLC 的緩沖存儲(chǔ)器 D1 中，緩沖寄存器 D1 中的數(shù)值隨著 液位的變化而變化，根據(jù) 緩沖存儲(chǔ)器 D1 中數(shù)值的不同來(lái)選擇不同數(shù)量的泵進(jìn)行工作，將水抽到高位噴淋下來(lái)使水降溫，這個(gè)過(guò)程通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成。 傳統(tǒng)的 化肥生產(chǎn)廢熱水池水循環(huán)系統(tǒng) 是低壓電器控制系統(tǒng)，基本是通過(guò)人工進(jìn)行實(shí)際操作的。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以 PLC 為核心的通用工業(yè) 自動(dòng)化設(shè)備，以其功能強(qiáng)大、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、聯(lián)網(wǎng)方便等突出的優(yōu)越性迅速普及并成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化控制的支柱設(shè)備之一。主要功能是根據(jù)不同的液位高度，選擇不同數(shù)量的泵進(jìn)行工作。 圖 是 FX2N 系列小型 PLC 的主觀外觀圖 1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）首先成功研制了第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司（ GM）的自動(dòng)生產(chǎn)線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面；1971 年，日本開始生產(chǎn)可編程控制器； 1973 年，歐洲各國(guó)開始生產(chǎn)可編程控制器； 1974 年，中國(guó)開始研制可編程控制器， 1977 年開始工業(yè)應(yīng)用。 目前，在中國(guó)市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的三菱公司、歐姆龍公司、西門子公司及 AB公司所推出的 PLC 均從小到大全系列的產(chǎn)品，可以滿足各種各樣的要求。 （ 1）硬件措施。 ? 采用模塊式結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù)。 ? 信息保護(hù)和恢復(fù)：信息保護(hù)和恢復(fù)軟件是 PLC偶發(fā)性故障條件出 現(xiàn)時(shí)，將PLC 內(nèi)部信息進(jìn)行保護(hù)，不遭破壞。由于采用了以上抗干擾的措施，一般 PLC 的 平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制要求改變時(shí)，只需修改程序，就能變更控制功能。另外，由于 PLC 具有豐富的I/O 接口模塊，其擴(kuò)展靈活性是它的又一個(gè)重要特點(diǎn)。采取了與繼電器、接觸器控 制的原理相似的梯形圖語(yǔ)言，易學(xué)、易懂。這對(duì)現(xiàn)代化的小批量、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)尤其適合。然后再?gòu)念^開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運(yùn)行（ RUN）切換到停止（ STOP）工作狀態(tài)。下面具體介紹 PLC 的掃描工作過(guò)程。在這兩個(gè)階段中，即使 輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。 3. 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。 因此 ， PLC 最顯著的不足之處是輸入 /輸出有響應(yīng)滯后現(xiàn)象。掃描周期越長(zhǎng)，滯后就越嚴(yán)重。 PLC 的組成 PLC 是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映像區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 （ 2）存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是存放程序及數(shù)據(jù)的地方，通常存儲(chǔ)器插裝在 CPU 模塊中。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)，用規(guī)定的 PLC 編程語(yǔ)言編寫的控制程序，可 由用戶任意修改或增減。對(duì)相同驅(qū)動(dòng)能力，繼電器輸出形式價(jià)格較低。 （ 5）電源 PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。整體式 PLC 是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。 ? 小型 PLC：指 I/O 點(diǎn)數(shù)小于 256 點(diǎn)，單 CPU、 8 位或 16 位處理器、用戶存儲(chǔ)器容 量 4KB 以下，如三菱 FX0s 系列等。 [3] PLC 的選型小結(jié) 為了適應(yīng)市場(chǎng)各方面的需求，各生產(chǎn)廠家對(duì) PLC 不斷的進(jìn)行改進(jìn)，推出功能更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更完善的新產(chǎn)品。其型號(hào)為 FX2N32MR，該型號(hào)表示三菱 FX2N 系列， I/O 點(diǎn)點(diǎn)數(shù)為 32 點(diǎn)的基本 PLC 單元，采用繼電器輸出。 幾種液位變送器簡(jiǎn)介 由 于液面測(cè)量應(yīng)用廣泛，所以液位傳感器種類也很多。 ? 安裝方便：內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)尤其顯示出這一特點(diǎn)，無(wú)需任何專用工具。 ? 現(xiàn)場(chǎng)顯示：模擬顯示 0100%、數(shù)字顯示、現(xiàn)場(chǎng)深度 (2) STHSB 系列射頻電容液位變送器 STHSB 系列射頻電容液位變送器是我公司吸收國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)精華研制而成的新型液價(jià)測(cè)量?jī)x表。 ? 多種信號(hào)輸出 ，方便不同系統(tǒng)配置。 ? 全密封鋁合金外殼及不銹鋼聯(lián)接件。 ： ? 測(cè)量范圍： － 20 米 ? 精 度： 級(jí)、 級(jí)、 級(jí) ? 探極耐溫： 40－ +250℃ ? 允許容器壓力： ～ ? 測(cè)量介質(zhì)：電導(dǎo)率不低 J： 103s／ m 的酸、堿、水等非結(jié)晶導(dǎo)電液體 ? 供電電源： DCl235V(隔離式為 DC2127V) ? 工作電流； (輸出 20mA 時(shí) ) 非隔離二線。適用于不同的安裝要求，可帶指針表頭和液晶數(shù)字表示 ，用于現(xiàn)場(chǎng)指示。 泵及配套電動(dòng)機(jī)的選型 泵選 型的主要內(nèi)容是根據(jù)工程所需的楊程、流量及其變化規(guī)律，確定合適的泵類型、型號(hào)和臺(tái)數(shù)等，選型 的依據(jù)是工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)液體流經(jīng)蝸殼到排液口時(shí)，部分動(dòng)壓能轉(zhuǎn) 化成靜壓能。反之，葉輪直徑越小，水流輸送的高度就越小。 ② 揚(yáng) 程 H 是指單位質(zhì)量的液體通過(guò)泵 獲得的能量，以 H 表示。 Pu=ρ gHQ/1000(kW) () 式中 Q泵的流量， m3/s； H泵的楊程， m； ρ 介質(zhì)密度， kg/ m3 ； g重力加速度， g=。 泵及配套電動(dòng)機(jī)選型小結(jié) 離心泵在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，這是由于其具有性能適用范圍廣（包括流量、壓力及對(duì)介質(zhì)性質(zhì)的適用性）、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、流量均勻、故障少、壽命長(zhǎng)、購(gòu)置費(fèi)和操作費(fèi)均較低等突出優(yōu)點(diǎn)。 MCGS 嵌入版組態(tài)軟件 版即可滿足模擬仿真本課題的設(shè)計(jì)要求。 （ 2）設(shè)備窗口 設(shè)備窗口是 MCGS 嵌入版系統(tǒng)與作為測(cè)控對(duì)象的外部設(shè)備建立聯(lián)系的后臺(tái)作業(yè)環(huán)境，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是 MCGS 嵌入版系統(tǒng)的核心，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。運(yùn)行策略的建立使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件，操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制用戶窗口的打開、關(guān)閉以及設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程精確控制及有序調(diào)度管理的目的。 圖中有外 部輸入的接線方式、外部輸出的接線方式及 4AD 與 PLC 通信的外部接線方式。 表 FX2N4AD 模擬量輸入模塊性能指標(biāo) 15 (3)FX2N4AD 的外部接線 FX2N4AD 通過(guò)擴(kuò)充電纜與 PLC 主單元相連，四個(gè)通道的外部連接根據(jù)信號(hào)源的不同而不同，具體如圖 所示。 b. 模擬量輸入模塊的性能如下： ? 電壓或電流輸入的選擇基于物理接線方式， 4 個(gè)輸入點(diǎn)可同時(shí)使用。 ? 電壓分辨率為 5mA，電流分辨率為 20μ A。 BFM 是特殊功能模塊工作設(shè)定及與基本單元交換數(shù)據(jù)的中介單元，是 FROM/TO 指令讀 /寫的操作目標(biāo)。 ②模塊確認(rèn) FX2N4AD 的識(shí)別碼為 K2021 存放在其 BFM30 中。程序中可應(yīng)用 TO 指令將通道初始化字 H3310 寫入的 BFM0 單元。程序可使用 FROM 指令將模塊 BFM29 中的信息（ 16 位）讀到 PLC的位組合元件（如 K4M0），若 b10 位（ M10）為 0，表明通道設(shè)置 及采樣值正常，即可讀取當(dāng)前采樣值。而 2AD 模塊大多應(yīng)用于溫度的測(cè)量，針對(duì)本研究課題測(cè) 液位高度 和 輸出設(shè)備的特點(diǎn)，故選用 4AD 特殊功能模塊。 圖 設(shè)備窗口 ④雙擊 “ 通用串口父設(shè)備 ” ，進(jìn)入 “ 通用串口設(shè)備屬性編輯 ” 對(duì)話框（見(jiàn) 圖 ），按三菱 FX 系列編程口的通用要求，做如下設(shè)置： ? 串口端口號(hào)（ 1~255）設(shè)置為： 1COM2； ? 通信波特率設(shè)置為： 69600； ? 數(shù)據(jù)位位數(shù)： 07 位； ? 數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式： 2偶校驗(yàn)； ? 其他設(shè)置為默認(rèn) 。如 圖 所示。分配信息如表 所示。 表 數(shù)字量輸出模塊輸出地址分配表 22 （ 4）數(shù)模轉(zhuǎn)換部分 液位變送器的電流輸入，經(jīng)過(guò) 4AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存放在 PLC 的 數(shù)據(jù)寄存器 D1中， 實(shí)際 液高、電流、 D1 對(duì)照 如表 所示。 開始 與 PLC 聯(lián)機(jī) 測(cè)的液高經(jīng) PLC 處理存 D1 中 Y D1=100 100D1=300 300D1=500 500D1=700 700D1=900 2 號(hào)泵運(yùn)行 1 號(hào)泵 運(yùn)行 1~4 號(hào)泵 運(yùn)行 1~5 號(hào)泵 運(yùn)行 1~7 號(hào)泵 運(yùn)行 結(jié)束 Y Y Y Y Y 24 圖 系統(tǒng) 手動(dòng) 控制流程圖 GXDeveloper 編程軟件 GXDeveloper 編程軟件簡(jiǎn)介 三菱 GXDeveloper 編程軟件是應(yīng)用于三菱系列 PLC 的中文編程軟件，可在Windows9x 及以上操作系統(tǒng)中運(yùn)行。 （ 4）該程序可脫離 PLC 進(jìn)行仿真調(diào)試 。 開始 觀察水位用 A 表示（單位： m） Y A=1m 1mA=3m 3mA=5m 5mA=7m 7mA=9m 2 號(hào)泵運(yùn)行 1 號(hào)泵 運(yùn)行 1~4 號(hào)泵 運(yùn)行 1~5 號(hào)泵 運(yùn)行 1~7 號(hào)泵 運(yùn)行 結(jié)束 Y Y Y Y Y 25 圖 初始化設(shè)置 如圖 所 示，按下 啟動(dòng)按鈕 x0，線圈 m100 得電 并自鎖，此時(shí) m100 常開觸電閉合，將 0 號(hào)模塊的 0 號(hào)緩沖寄存器 的通道初始化 恢復(fù)出廠設(shè)置 ；將 21 號(hào)緩沖存儲(chǔ)器的零點(diǎn)和增益值調(diào)整恢復(fù)初始值；將 22 號(hào)緩沖存儲(chǔ)器的零點(diǎn)（偏移量）、通道增益設(shè)置恢復(fù)出廠設(shè)置；將 23 號(hào)緩沖存儲(chǔ)器的零點(diǎn)（偏移量）設(shè)置恢復(fù)初始值；將 24 號(hào)緩沖存儲(chǔ)器的增益值設(shè)置恢復(fù)初始值。 （ 2） 泵的手動(dòng)控制部分：將 x2 置 1， y0 線圈得點(diǎn)， 1 號(hào)泵工作；將 x2 置 0，x3 置 1， y0 和 y1 線圈得點(diǎn)， 1 號(hào)和 2 號(hào)泵工作；將 x3 置 0， x4 置 1， y0~y3 線圈得點(diǎn)， 1~4 號(hào)泵 工作； 將 x4 置 0， x5 置 1， y0~y5 線圈得點(diǎn)， 1~6 號(hào)泵工作；將 x5置 0， x6 置 1， y0~y6 線圈得點(diǎn)， 1~7 號(hào)泵工作。七臺(tái)泵依次編號(hào)為 1~7 號(hào)。 圖 模擬仿真界面 注： 循環(huán) 策略中的 腳本程序 如下： IF d1=100 THEN D2=1 ENDIF IF d1=300 THEN D2=3 28 ENDIF IF d1=500 THEN D2=5 ENDIF IF d1=700 THEN D2=7 ENDIF IF d1=900 THEN D2=9 ENDIF 程序的調(diào)試與分析 通過(guò) MCGS 組態(tài)軟件對(duì)所編的程序進(jìn)行調(diào)試與分析，調(diào)試界面如圖 所示。 （ 4）給 4AD 的輸入端輸入 12~（不包括 12mA）的電流， PLC 讀取的數(shù)據(jù)為 700，實(shí)際水位顯示為 7，此時(shí) 1~6 號(hào)泵工作。 （ 2）通過(guò)操作人員觀察，當(dāng) 1m水位 =3m 時(shí)，將水位 =1m 的啟停開關(guān)置 0，同時(shí)將 1m水位 =3m 的啟停開關(guān)置 1，此時(shí)， 1 號(hào)和 2 號(hào)泵工作。 分析：在 調(diào)試之。 （ 4）通過(guò)操作人員觀察，當(dāng) 5m水位 =7m時(shí)，將 3m水位 =5m 的啟停開關(guān)置 0，同時(shí)將 3m水位 =5m 的啟停開關(guān)置 1，此時(shí)， 1~6 號(hào)泵工作。 注：操作開始前必須先按下啟 動(dòng)按鈕 SB1，而按下停止按鈕 SB2，自動(dòng)控制系統(tǒng)將會(huì)停止工作。 （ 2） 給 4AD 的輸入端 輸入 ~（不包括 ）的電流 ， PLC 讀取的數(shù)據(jù)為 300，實(shí)際水位顯示為 3，此時(shí) 1 號(hào)和 2 號(hào)泵工作。手動(dòng)控制部分用開關(guān)來(lái)控制，通過(guò)操作人員觀察廢熱水池中液位的高低來(lái)手動(dòng)控制泵的運(yùn)行。 上位機(jī) (MCGS)的界面 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)思路， 該系統(tǒng) 模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制情況，如圖 所示。 26 圖 泵的控制部分 如圖 所示，泵的控制部分包括自動(dòng)控制 和手動(dòng)控制 兩個(gè) 部分?；趯?shí)驗(yàn)室的設(shè)備及所學(xué)知識(shí)的限制，針對(duì)該 研究課題使用三菱 PLC的特點(diǎn)，故選用三菱 GXDeveloper 編程軟件進(jìn)行程序的編程工作。 （ 2）創(chuàng)建 PLC 程 序以及將其存儲(chǔ)為文件，用打印機(jī)打印。 （ 1）