抽水泵PLC控制参考设计 -

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 附图A???????????????????????????????18 附图B???????????????????????????????19 附图C???????????????????????????????20

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。另外继电器

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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。

电 源主电路 图3-1系统原理方框图

P L C检测电路指示灯电路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

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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 输入 电器元件 SB1 SB2 PS1（传感器SQ2） PS2（传感器SQ3） PS3（传感器SQ4） 输出 KM1 HL1 HL2 PLC软元件 X1 X2 X3 X4 X5 Y1 Y2 Y3 功能 启动按钮 停止按钮 水塔高水位监侧 水塔低水位监侧 蓄水次无水监侧 抽水泵运行 水池无水指示灯 水塔无水指示灯

表 系统I/O分配图

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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 （A）电动机的选择

由功率公式：P=（1-K）*Q*V/102*η 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 η：效率

此次PLC设计中：K取0.5；Q取 612kg;V取1m/s；η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

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主触头的额定电压：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 额定功额定电额定转堵转电流/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 率（kw） 流（A） 速（r/min） 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，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）

=（1.1-1.25）*23=25.3-28.75（A） 故选用JR 16-60/3.

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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0.55~0.7μS/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3-42 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 电压允许范围 额定频率 允许瞬间断电时间 电源熔断器 AC100~240V AC85~264V 50/60Hz 10s以内的瞬时停电，可继续运行 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

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如图表3-521为FX2N系列PLC的输入指标

项目 机型 DC输入 AC电源型、DC电源型 基本单元、扩展单元 输入信号电压 DC24V（1-+10％） DC24V（1-+10％） DC扩展 扩展模块 AC输入 基本单元、 扩展单元 AC100~120V-15％~10％ 输入信号电流 7mA/DC24V 5mA/DC24V 6.2mA/AC110V 60Hz 输入ON 电流 输入OFF电流 输入响应时间 输入信号 回路绝缘 输入动作的显示 4.5mA以上 1.5mA以下 3.5mA以上 1.5mA以下 3.8mV以上 1.7mA以上 约10ms X0~X17内置数字滤波器，X0，X1为最小20us 约25~30us 触头输入或者NPN型集电极开路晶体管 光耦隔离 输入ON时，LED灯亮 不可以高速输入 光耦隔离 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

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，

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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。 （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

图3-431 侧装浮球液位开关 产品实物图

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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

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

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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：BV型铜芯塑料线穿钢管的敷设方式；环境温度40℃；O.75～22kW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：

\加二，2.5加三\后加四，6后加六\ \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。\加二\表示1.5mm2

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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。\加三\、\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。\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, 货号： LA38-11D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：

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序号 文字符号 1 2 3 4 5 6 7 PLC FU KM1 FR SQI-4 LI-I5 SB 名称 PLC 熔断器 水位监测传感器 交流接触器 热继电器 指示灯（红） 按钮（自复位） 型号 FX2N-32MR RLI-60/50 CZ10-BHM CJ10-40 JR16-60/3 AD16-22DS LA38-11 规格 数量 （详见PLC介绍） 1 3A 5A/250VAC 20A380V 24-36A/380V 220V AC15 220V/5.5A 5 3 1 1 2 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

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。

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开始抽水泵电动机待机N地上蓄水池有水且水塔未到满水位Y抽水泵电动机运行YN蓄水池没水或者水塔水位高于上限结束 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）

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