PLC 两部抽水机控制系统设计

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 PLC控制系统课程设计 目 两部抽水机控制系统设计 题 院 系 电气信息工程学院 专业班级 自动化 学生姓名 学生学号 指导教师

2011年 11 月 18 日

东北石油大学课程设计任务书

课程 PLC控制系统课程设计 题目 两部抽水机控制程序设计 专业

自动化 姓名 学号

主要内容：

学生根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行两部抽水机交替运行控制系统原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。

主要内容包括：

1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等； 2. 系统有启动、停止功能；

3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序； 4. 程序结构与控制功能自行创新设计；

5. 进行系统调试，实现两部抽水机交替工作流程的控制要求

主要参考资料：

[1] 廖常初．S7-300/400 PLC应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2008 [2] 史国生．电气控制与可编程控制器技术[M]．北京：化学工业出版社，2010. [3] 王承义．PLC控制程序精编108例[M]．北京：电子工业出版社，2009. [4] 宋伯生．PLC编程实用指南[M].北京：机械工业出版社，2007. [5] 杨锦忠．电动机及控制线路[M]．北京：化学工业出版社，2009.

完成期限 2011.11.14~2011.11.18 指导教师 专业负责人

2011年 10 月 24 日

目录

第一章控制工艺流程分析............................................................................................ 1

1.1两部抽水机控制过程描述............................................................................... 1 1.2两部抽水机控制工艺分析............................................................................... 1 第二章控制系统总方案设计........................................................................................ 3

2.1系统硬件组成................................................................................................... 3 2.2 I/O分配 ............................................................................................................ 5 2.4系统接线图设计............................................................................................... 5 第三章 控制系统梯形图程序设计.............................................................................. 6

3.1控制系统程序流程图....................................................................................... 6 3.2控制程序时序图............................................................................................... 7 第四章监控系统设计.................................................................................................... 8

4.1 PLC与上位监控软件通讯 .............................................................................. 8 4.2实现的效果....................................................................................................... 9 第五章调试系统结果分析.......................................................................................... 10

5.1系统调试......................................................................................................... 10 5.2结果分析......................................................................................................... 11 第六章课程设计心得.................................................................................................. 12 参考文献...................................................................................................................... 13 附录.............................................................................................................................. 14

PLC控制系统课程设计

第一章控制工艺流程分析

1.1两部抽水机控制过程描述

本设计需要同时控制两部抽水机进行抽水工作，当按下电源时，电路启动，可以正常运行。正常工作时两部抽水机由同一按钮控制，初次按下按钮时，1号抽水机先运行，松开后则停止；再次按下时2号抽水机开始运转，两部抽水机交替循环工作，该按钮每按、放一次，抽水机便运转、停止一次，两部抽水机交替完成这个过程。

为了保护电路正常运行，需在电路中加入继电器，分别对应两部抽水机。当继电器运转，则对应的抽水机停止工作。因按钮按下后，两部抽水机不能同时停止，此时则有报警音断续响起，十秒后，报警音停止，另一部抽水机开始工作，即由一部抽水机在按钮的控制下反复完成运转、停止的动作。若两部继电器都运转，则两部抽水机同时停止工作，此时无论如何按下、放开按钮两部抽水机均不工作，同时有警报响起，直到按下警报停止按钮才会停止。

当继电器复位后，整个系统恢复正常工作状态。按下停止键，则整个系统停止工作，电源指示灯灭。 1.2两部抽水机控制工艺分析

启动PLC，电源指示灯PL5亮。按下按钮PB2Hvf，PL1灯亮，同时电机MC1运转，1号抽水机开始正常工作。松开按钮，则MC1停止，PL1灭，1号电机不再工作。再次按下PB2，PL2 灯亮，电机MC2运转，松开PB2时，MC2停止，PL2灭。

HR1、HR2工作 警报

图1-1 控制过程示意图

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MC1工作 HR1工作 MC2工作 停止 MC2工作 HR2工作 MC1工作 停止 PLC控制系统课程设计

若电机运转温度过高，则对应的热继电器启动，同时对应的指示灯亮起。当1号抽水机的继电器HR1启动时，灯PL3亮起，MC1停止工作，PL1灭，同时蜂鸣器BZ连续响10秒，MC2开始工作，PL2亮起。此时，每按一次PB2，MC2工作、停止一次，PL2亮灭一次，BZ不再响起。同理，2号抽水机的继电器HR2运行时，MC2停止工作，PL2灭，PL4亮，蜂鸣器BZ报警10秒后，1号抽水机工作。若HR1、HR2同时运转，则MC1、MC2停止，PL1、PL2灭，PL3、PL4亮，蜂鸣器持续报警，按下PB3，BZ停止。

运行过程如图1-1所示，当继电器都不运行时，运行顺序为MC1启动→停止→MC2启动→停止→MC1启动……依此循环，此时为系统正常运行状态。

假设MC1运行一段时间后电机过热，则过程为MC1启动→HR1运行→MC2启动→停止→MC2启动→停止……此时为单机运转，HR2启动时过程相同，最终由MC1单机运转。

当HR1，HR2同时运转时，此时系统故障，报警器报警，系统停止运转，即如图1-1第三种情况所示，此时应对继电器进行复位，使系统回复正常的工作状态，再次按下启动按钮时，系统恢复为第一种工作状态。

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第二章控制系统总方案设计

2.1系统硬件组成

（1）传感器的选择

根据PLC控制系统控制流程选择传感器为：开关传感器、水压传感器、热继电器。

开关传感器：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。

水压传感器是由一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动化检测和控制的首要环节。水压传感器芯体通常选用扩散硅，工作原理是被测水压的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与水压成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号。

热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。

热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护。

由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，我们要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的，比如在电动机起动或短时过载时，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，则按下复位按钮即可。

（2）控制器件的选择

输入器件为按钮、电阻、电动机、定时器。启动按钮为非锁定式按钮，电阻

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应选用热敏电阻，同时可以对继电器产生控制作用，电机为控制抽水机运转的电动机，定时器用于控制警报的鸣响时间。输出器件为指示灯，蜂鸣器。

控制器件为PLC控制器。根据控制要求欧姆龙PLC-CPM1A系列。它适用于小型设备、小点数配电箱的省空间化经济型微型PLC的标准机型，小型机种包含了CPU为AC电源、DC电源、继电器输出、晶体管输出的4种不同型号。电源、输出I/O点数按需要选择使用。它具有中断输入功能、脉冲锁存输入功能、高速计数器功能、间隔计数器功能、间隔定时器中断功能、模拟量设定功能、与计算机的链接\\通信、与PT相连接可直接存取信息，实现高速通信等功能。

欧姆龙PLC- CQM1H系列是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。CQM1H也能用于包装系统，并支 HACCP(寄生脉冲分析关键控制点)过程处理标准。有四种型号CPU单元可供选用。其中两种支持内装板和Controller Link单元。也可根据程序容量,I/O容量,EM区域和支持RS232C端口与否,选择最适合你应用要求的CPU单元。有六种内装板.内装板可安装在CQM1H-CPU51或CQM1H-CPU61的槽1或槽2中.(一些内装板仅可插槽1或槽2)

PLC系列 - C200H系列适应情报化的控制器C200HX/C200HG/C200HE，控制同情报化相融合，实现扩展性优良的生产现场；它能进一步增强PC的基本功能，可靠，方便的数据处理提高生产现场工作效率；它致力生产现场情报化充实适应Windows的软件；它的单元品种齐全，对各种各样的机械设备实现最佳控制。它具有功能：通信协议宏功能，用简易的通信连接简化系统开发；PC卡加速现场数据处理；CompoBus/D(设备网)和CompoBus/S提供了一个完整的器件网络；改善系统开发--内置的通讯协议宏功能；全系列的通信板为应用提供理想的PC；新改进的特殊I/O单元使得PC应用更为容易；PC卡直接连接办公自动化局域网(LAN)；具有完整的器件网络,通向开往式结构的大门；用Controller Link的数据链接信号，实现容量大，灵活方便，高效率的数据链功能。

PLC系列 - CPM2A系列可以高速计数器能方便地测量高速运动的加工件；进行同步脉冲控制提供方便的脉冲比例调整；带高速扫描和高速中断的高速处理；可方便的与OMRON的可编程控制终端（PT）相连接；通过脉冲输出可实现各种基本的位置控制，可进行分散控制和模拟量控制，可以使用CPM1A的扩展单元

它有模拟量控制、输入时间常数、时钟功能、通信功能、扩展单元所附带的功能、断电保持功能、存储器后备、自我诊断功能、程序检查等功能。

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2.2 I/O分配

表2-1 I/O分配表

输入点 关断按钮PB1 起停控制按钮PB2 报警消除按钮PB3 1号热继电器HR1 2号热继电器HR2 输出点 1号抽水机MC1 1号指示灯PL1 2号抽水机MC2 2号指示灯PL2 1号报警灯PL3 2号报警灯PL4 电源指示灯PL5 蜂鸣器BZ

2.4系统接线图设计

输入端口 X0 X1 X2 X3 X4 输出端口 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07

PB1 X0 MC1 Y0 PB2 X1 Y1 PL1 PB3 MC2 X2 Y2 HR1 X3 PL2 Y3 HR2 X4 PL3 Y4 Y5 PL4 Y6 PL5 Y7 BZ +24v COM 220V

图2-1控制系统接线图

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第三章 控制系统梯形图程序设计

3.1控制系统程序流程图

开始 启动 按钮

继电器是 是 否工作

否 警报 1号抽水机工作 警报

按钮

是 继电器是 否工作

否 2号抽水机工作

图3-1控制系统程序流程图

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3.2控制程序时序图

X0 X1

X2 X3 X4 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6

10s Y7

图3-2控制系统时序图

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第四章监控系统设计

4.1 PLC与上位监控软件通讯

上位机与CMP2A的通信有两种方式：上位机命令与PLC通信命令。上位机命令方式上位机处于主动,命令由上位机发往PLC。采用上位机命令方式能方便的实现上位机对PLC的监控。CPM2A的数据是以帧的格式发送的，其中正文最多122个字符。当命令块内容大于一帧时，由起始帧、中间帧、及结果帧组成。起始帧最多131个字符，中间帧及结束帧最多128个字符。起始帧由设备号、命令码、正文、 FCS、和分界符构成。中间帧有正文、FCS、分界符组成。结束帧由正文FCS、结束符组成。上位机每发送完一帧，在收到PLC发回的分界符后再发送下一帧。命令块中的校验码FCS是８位二进制数转换成的２位ASCⅡ字符。这８位数据是将一帧数据中校验码前的所有字符的ASCⅡ码位按连续异或的结果。转换成字符时，按照２位十六进制数转换成对应的数字字符。PLC接收到上位机发送的命令帧后，自动产生响应块，响应块的格式与图２格式类似，只是在命令码后面多了两位的响应码，响应码表示了上位机命令的出错信息。响应码00表示PLC正常完成上位机命令。

在上位链接系统中，通信一般都是由上位机发起的，按PLC标准通信进行连接。上位机给PLC发送操作指令，PLC按照指令执行相应的操作，同时给上位机返回数据。串口通信流程如下图。

图4-1 PLC与上位机通信流程图

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编写通信程序建立了上位机与PLC的连接.在PLC的任何工作方式下都可以通过”读”指令读取PLC的状态。从而对PLC进行监视.只有当PLC的工作方式为监视的情况下才可以通过上位机对PLC进行控制.所以在需要上位机实施控制的系统里面PLC都必须设置为监视工作方式.上位机只需要设置PLC的相应工作位就可以实现对PLC的控制。 4.2实现的效果

通过上位机对PLC控制系统进行监控，上位机只需要设置PLC的相应工作位即可实现对PLC的控制，PLC正常工作时的输入位均可由上位机指令来完成，如下图所示

a PLC正常工作

b上位机控制

图4-1 PLC上位机控制

图a表示上位机正常工作时输出由输入0.00控制，当需要把PLC控制专程由上位机来控制时，只需要通过向PLC输入@00RR00030001，置3.00为ON，切断0.00的通路，这样输出的10.00就转由4.00控制，当输入@00WR00040001时，4.00为ON，输出位10.00产生输出。

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第五章调试系统结果分析

5.1系统调试

调试范围：硬件检查及设备检查，对PLC系统所需的测量信号必须保证正确无误，对每一步序所涉及的系统和信号进行检查无误后，进行系统的步序试验。静态试验：用信号发生器或短接就地开关等方法模拟一次测量参数的变化进行程控系统的静态模拟试验。对顺控系统进行分项试验和整体联动试验。动态试验：随着各个辅机程控系统的投入逐步投入程控系统，在投入过程中，根据试运中出现的问题，合理地修改控制逻辑、延迟时间、步序和保护定值等动态参数。

调试顺序： 1.各个模块送电

依次插入各个模块，观察其状态指示是否正确，或者用工作站对控制主机模块的基本功能或性能进行测试。

2.程控系统I/O通道完好性检查

在断开外部信号电缆的前提下，用高精度信号发生器及高精度万用表对顺控系统的输入和输出通道进行完好性检查。

3.电压电流型模拟量输入通道检查

用模拟量信号发生器发出所需要的模拟量信号（如4-20mA，1-5V），在工作站或其它编程器上检查显示值（一般为工程单位值），纪录下每一个通道的输入信号值和输出显示值。每一个通道检查3点：0%，50%，100%。

4.开关量输入输出通道检查

用短接线短接开关量输入信号，在工作站或其它编程器上检查显示状态（可能的工程显示单位为：开门/关门，启动/停止等）。

对于有源开关量输出，在工作站上或其它编程器上发出不同的指令信号（可能的工程单位信号为：开门/关门，启动/停止等），在输出通道的接线端子上，用电压表测试其输出状态的变化（有电压/没有电压）。

对于无源开关量输出，在工作站上或其它编程器上发出不同的指令信号（可能的工程单位信号为：开门/关门，启动/停止等），在输出通道的接线端子上，用通灯或万用表测试其状态的变化。对于干接点输出，用通灯即可；对于固态继电器输出，则用万用表的欧姆档（放在10M档以上比较明显）进行测试。

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5.2结果分析

根据附录梯形图所示，按下开关PB2后，常开触电0.01闭合，使2.01状态改变，常开触电闭合，常闭触点断开，则1.00，1.01同时改变状态，即MC1运转，灯PL1亮起。同时第5行的常开触电2.01变为常闭，使得2.02改变状态并保持不变，在第七行的2.01，2.02此时全部闭合，此时2.06改变状态并在2.01断开后依然保持不变，此时第2行中常闭触点2.06断开，第3行中2.06闭合。PB2松开，MC1停止，PL1灭。再次按下时，由于第2行2.06已断开，第3行2.06闭合，则此次1.02，1.03开始工作，即MC2运转，灯PL2亮。

当1号抽水机继电器工作时，常开触电0.03闭合，常闭触点0.03断开，1.00和1.01无法工作，2.03状态改变，灯1.04亮起，蜂鸣器1.07开始报警，同时计时器开始计时，同时常开触电2.06闭合。TIM0000由100→0历时10s，然后常闭触点T0000断开，1.07停止工作。1.02和1.03开始工作，灯PL2亮，MC2工作。

若继电器0.03和0.04同时工作，则常开触点变为常闭触点，常闭触点变为常开触点，此时第2行、第3行均断开，两台抽水机都停止运行。第8行，第9行中，常开触点闭合，灯PL3，PL4亮。第10行中常开触点2.03闭合，但常闭触点0.04断开，定时器无法工作，第11行中，常开触点0.03、0.04均闭合，报警器1.07开始工作，此时警报不受定时器控制。按下PB3后，常闭触点0.02断开，警报才能停止。

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第六章课程设计心得

通过这次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分配方法、如何将PLC与上位机进行连接，并由上位机对PLC进行监控、程序调试等方法。这次的课程设计还让我认识到了自己对知识掌握的许多不熟练之处，许多知识只是知道理论，而不能很好的和实际结合起来，这次自己设计整个系统，才知道一个完整的控制系统需要考虑很多的问题，需要对PLC的知识熟练应用并且深刻理解，才能将之完美的应用到实际设计当中，这次的设计不知是对这些知识的巩固与深入认识，更是锻炼的了我们自己的逻辑思维能力和创造能力，并对如何设计一个完整的、可用的控制系统有了一定的经验。

例如在选择PLC时首先要对生产工艺和被控对象进行分析，进行I/O点数和I/O点的类型(数字量、模拟量等)统计，适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型。在进行设计前应首先进行I/O分配，以确定这个程序该如何编写，梯形图如何绘制，各个按钮和指示灯所对应的指令等。在设计完成后，还要将之与上位机连接，进行监控与调试，这让我学会了如何在调试过程中检验系统的缺陷与故障，并能对其进行及时的修改，对整个控制系统的的各个器件的作用和程序的使用了解的更多，并且得到了大量的练习，大大增加了熟练度，已经能够较为熟练地进行操作。

总之这次的课程设计让我受益匪浅，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

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参考文献

[1] 廖常初．S7-300/400 PLC应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2008. [2] 史国生．电气控制与可编程控制器技术[M]．北京：化学工业出版社，2010. [3] 王承义．PLC控制程序精编108例[M]．北京：电子工业出版社，2009. [4] 宋伯生．PLC编程实用指南[M].北京：机械工业出版社，2007. [5] 杨锦忠．电动机及控制线路[M]．北京：化学工业出版社，2009.

[6] 张凤珊．电器控制及可编程序控制器[M]．北京：中国轻工业出版社，1999.

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附录

梯形图

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程序：

LD NOT 00000 LD NOT 00000 OUT 10006 AND 00003 LD NOT 00000 OUT 10004 AND 00001 LD NOT 00000 OUT 20001 AND 00004 LD NOT 00000 OUT 10005 AND NOT 00003 LD 20003 AND 20001 AND NOT 00004 AND NOT IL（02） OUT OUT ILC（03） LD NOT AND NOT AND AND IL(02) OUT OUT ILC(03)

LD NOT AND OUT LD AND NOT LD AND NOT OR LD

AND NOT OUT LD AND NOT OUT LD NOT OR OR LD OR AND LD

AND NOT AND NOT OUT 20006 10000 10001 00000 00004 20001 20006 10002 10003 00000 00003 20003 20002 20004 20001 20006 00000 20002 20001 20006 20004 20001 20006 20003 20001 20002 00004 00000 20006

TIM LD AND AND NOT LD NOT AND AND NOT OR LD

AND NOT OUT 15

000 #0100 00003 00004 00002 TIM000 00003 00004 00000 10007

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 序号 陈彤 评价项目 工作量、工作态度和出勤率 学号 PLC控制系统课程设计 两部抽水机控制程序设计 080601140312 指导教师姓名 杨莉 任伟建 职称 满分 讲师 教授 评分 指 标 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问1 20 2 课程设计质量 题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 45 3 4 总分 创新 答辩 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。 能正确回答指导教师所提出的问题。 5 30 评语： 指导教师： 年 月 日

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