小型船闸PLC控制系统设计

小型船闸PLC控制系统设计

院系：机电与自动化学院

专业班：电气工程及其自动化1002班

姓名：李亚萍

学号：20101131069

指导教师：屈虹

2014年5月

小型船闸PLC控制系统设计

The Design of Small Ship Lock Control System Based on PLC

摘要

本课题为小型船闸的PLC控制。船闸是在水位集中跌落的情况下（例如，建造闸、坝处），用以保证通航的水利工程建筑物。利用河水灌溉农田，或者利用水力推动水力发电机进行工作时需要在河流上修建拦河坝，用以提高水位。这样，河水被大坝隔断，上下游的水位差较大，航船无法通过。于是人们就利用连通器的原理，在运输频繁的江河上，在大坝的旁边修建了船闸。本文对船闸的结构、控制过程、作用等方面做了较全面的介绍，对PLC的基本组成、工作原理、发展过程及趋势进行大致的分析，以此引出用PLC实现对小型船闸的自动控制，用PLC代替传统的继电器接触控制逻辑电路，充分利用PLC的优点进行设计，给出了比较详细的系统设计过程，系统的配置，相应及程序运行的结构框图。本文还对船闸运行发生故障时的自动报警与查询系统做了探讨与研究，对PLC船闸自动控制系统的完善具有重要意义。

关键词：PLC 船闸自动控制自动报警

Abstract

This topic is The Design of Small Ship Lock Control System Based on PLC. The lock is the hydraulic engineering building concentrated in the case of the fall of water level (for example, construction of the lock, dam) , in order to ensure https://www.360docs.net/doc/b014897595.html,ing river water for irrigation of farmland, or using hydraulic drive hydraulic generator is built on the river to dam,in order to raise the water level. So, the river is cut off by the dam, water level upstream and downstream of the difference, the ship cannot pass. So people using the principle of communicating vessels, in the transport of frequent River, to build the dam next to lock. In this paper, the structure of lock control process, and other aspects of the role is introduced, analysis the basic composition, working principle, development process and trends of PLC, this leads to the automatic control of the small lock using PLC. Using PLC instead of the traditional relay contact controlling logic circuit. Making full use of the advantages of PLC design, to gives a more detailed system design, system configuration, and the block diagram of the program is running, and the corresponding procedures, and describes the structure and working principle of lock. This article is also alarm and query lock system, fieldbus communication in the host computer and research are also discussed, on the PLC automatic control system locks the improvement of great significance.

Keywords: PLC ship lock automatic control automatic alarm

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

绪论 (1)

1 可编程控制器（PLC）简介 (2)

1.1 PLC的定义 (2)

1.2PLC的硬件结构及基本配置 (2)

1.3PLC的工作原理 (3)

1.4PLC的特点 (4)

1.5PLC的应用领域 (5)

2船闸简介 (8)

2.3船闸的定义 (8)

2.3船闸的用途 (8)

2.3船闸的主体结构 (8)

2.4船闸的工作流程 (9)

3 系统的硬件选择与软件设计 (12)

3.1FX2N-48MR型PLC简介 (12)

3.1.1电源与接地 (12)

3.1.2I/O口与外部接线 (12)

3.1.3FX2N-48MR基本参数 (13)

3.2程序 (14)

3.2.1I/O口分配 (14)

3.2.2程序的编写 (14)

结论 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

绪论

船闸是河道最常用的交通设施之一，随着水上交通的发展以及水资源的充分利用，船闸的作用与地位越来越高。要使船闸能够可靠的运行、拥有很好的运输效率以及较低的成本，并且在防洪抗洪时能可靠工作，需要有性能非常可靠的控制系统。

目前国内船闸的自动化水平参差不齐，控制系统种类繁多，控制方式各不相同。建成较早的船闸控制装置一般由继电器、接触器控制逻辑电路组成，存在功能弱、故障多、寿命短等缺点，近年新建船闸一般采用计算机控制技术．随着科学技术的不断发展．对船闸自动化水平的要求越来越高，PLC技术的迅猛发展让自动化控制又多了一个新的亮点，而船闸的PLC监控越来越广泛地被投入使用，选择PLC 控制是由它的性质和特点决定的，因其具有可靠性高、抗干扰能力强（通过硬件和软件措施能适应设备的可靠性要求）、通用性强、开发周期短等特点，对于象船闸运行这样的顺序控制系统也特别易于发挥PLC的特点。它能使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动检测、优化控制和集成管理，从而达到安全、高效、满足社会需求的目标。随着自动化技术的发展，这种研究将得到越来越广泛地应用，而且这种研究具有重要的实用价值，它对于保障河道通道的畅通，及人民的生产和生活具有十分重要的意义，顺应时代发展的要求。

本设计的目的就在于用PLC代替传统的继电器接触控制逻辑电路，充分利用PLC的优点实现小型船闸的自动控制。在掌握PLC对船闸的功能控制的基础上，设计出在紧急情况下的手动控制。

1可编程控制器（PLC）简介

1.1PLC的定义

可编程序控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。早期的可编程序控制器称作可编程逻辑控制(programmable logic controller)，简称PLC，用它来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，可编程序控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以，目前人们都把这种装置称作可编程序控制器，简称PC (国标简称可编程序控制器为PC系统)。PLC结构如图1-1所示。

图1-1 PLC结构图

为了避免与目前应用十分广泛的个人计算机(personal computer)的简称PC相混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，硬件结构基本上与微型计算机基本相同。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.2PLC的硬件结构及基本配置

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是一种具有微处理机的数位电子设备，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。

可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比等单元所模组化组合成。

一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，

有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图1-2所示：

图1-2 PLC基本机构图

1.3PLC的工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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，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。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

1.4PLC的特点

（1）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。

（2）功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用

户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

（4）可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

（5）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

（6）维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

1.5 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳

为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。新近生产的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关联的机器、与环境关联的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散制造业向应用到连续的流程工业扩展。

2船闸简介

2.1 船闸的定义

船闸（ship lock）利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物。又称“厢船闸”。由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。船只上行时，先将闸室泄水，待室内水位与下游水位齐平，开启下游闸门，让船只进入闸室，随即关闭下游闸门，向闸室灌水，待闸室水面与上游水位相齐平时，打开上游闸门，船只驶出闸室，进入上游航道。下行时则相反。

2.2 船闸的用途

在水位集中跌落的情况下（例如，建造闸、坝处），用以保证通航的水利工程建筑物。利用河水灌溉农田，或者利用水力推动水力发电机进行工作时需要在河流上修建拦河坝，用以提高水位。这样，河水被大坝隔断，上下游的水位差较大，航船无法通过。于是人们就利用连通器的原理，在运输频繁的江河上，在大坝的旁边修建了船闸。主要由闸室及上下游闸首所组成，闸室的两端设置闸门，用以与上下游隔开。当船下行时，先将闸室充水，待室内水位与上游相平时，将上游闸门开启，让船只进入闸室。随即关闭上游的闸门，闸室放水，待其降至与下游水位相平时，将下游闸门开启，船只即可出闸。上行时与上述过程相反。船闸须设有专门充水、放水系统及操纵闸门的设备。根据地形以及水位差的大小，船闸可做成单级或多级的。

2.3船闸的主体结构

船闸在物理建筑上分为闸室，临时工作闸门，上闸首工作闸门，上闸首输水阀门，下闸首工作闸门，下闸首输水阀门。其主体结构的平面图如图2-1（未包括临时闸门）。

图2-1船闸的主体结构

工作闸门：是设在上、下闸首上的活动挡水设备。在闸首前后水位齐平时启闭，运转较为频繁，要求操作灵活，启闭迅速。

输水阀门：设在输水廊道上，用来控制灌泄水时的流量。它是在水压力作用下开启的，要求结构简单,启闭力小,操纵方便。

2.4船闸的工作流程

船闸的工作流程主要分为两个过程：上行过程和下行过程。

上行过程：先将闸室泄水，当下游水位与闸室的水位一致后，关闭下游阀门，下游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭下游闸门，打开上游阀门，此时闸室处于充水状态，等闸室水位与上游水位一致后，关闭上游阀门，上游闸门打开，船只离开闸室。下行过程：先向闸室灌水，当上游水位与闸室的水位一致后，关闭上游阀门，上游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭上游闸门，打开下游阀门，此时闸室处于放水状态，等闸室水位与下游水位一致后，关闭下游阀门，下游闸门打开，关下游阀门，船只离开闸室。

临时通行时的流程与上面流程基本一致。工作流程图如图2-2 a）、2-2 b）所示。

图2-2船闸工作流程a）上行过程

b）下行过程

3系统的硬件选择与软件设计

3.1FX2N-48MR型PLC简介

3.1.1电源与接地

FX2N-48MR采用DC24V和AC120V/240V供电两种形式。通用交流电源的PLC，其内部又一个稳压开关电源，用于对CPU、I/O口等内部电子电路供电。此外，还向外部提供一组DC24V稳压电源，用于对外部传感器供电。使用中应注意外接电源、接地以及基本单元与扩展单元、扩展模块互联时的接线正确性。交流电源误接到任何输入端子或DC24V端子都会烧坏PLC。

3.1.2 I/O口与外部接线

PLC的输入、输出信号有开关量、数字量、和模拟量等几种。不同型号有不同输入输出特性、模块类型、负载能力、响应速度、保护要求及外部接线方式。下面以应用最多的开关量为例说明FX2N输入、输出的结构特性和外部接线。

（1）输入接线

各输入端子与公共端子（COM）之间可接无源开关或NPN型集电极开路输出方式的传感器。输入电流由PLC内部稳压电源提供（每点DC24V/7mA,只能用于弱电流小型输入器件），+24V端可以作为传感器电源（当超出PLC电源容量允许时，则由外部DC24V电源供电）

（2）输出接线

FX2N-48MR为继电器输出方式。PLC输出的另一特点就是端子有两种设置方式。一种是分隔式，即输出端各自独立（无公共端），输出编号为Y0Y0 Y1Y1 Y2Y2 Y3Y3 Y4Y4等等。同一组接一个负载。另一组是分组式，即4点或8点为一组，每一组共用一个COM端子，其编号为COM1、COM2、COM3、等。同一电压等级的负载排在同一组，不够时可将几组并联适用。

实验室中FX2N-48MR的输出就是以每4点为一组。

3.1.3 FX2N-48MR基本参数

FX2N-48MR基本参数见表3-1。

表3-1FX2N-48MR基本参数表

3.2程序的编写

3.2.1 I/O口分配

由于上行过程和下行过程基本相同，在这里只写出上行过程的I/O口分配，下行过程只需变换相应的I/O口即可。具体分配如表3-2所示。

表3-2I/O口分配表

3.2.2程序

根据流程图及I/O点分配表编写程序，写出程序，见附录。

分步说明：

（1）首先按下启动按钮X0，计时器T0开始计时，如图3-1 a）所示。

（2）计时完毕后，下闸阀门开启（Y0），如图3-1 b）所示。

（3）由于无法模拟闸内外水位的实时变化，故可令下游与闸室水位相等时的输出M2强行接通。由于Y0得电，因此Y0常开触点闭合，当M2接通时，下游阀门关闭（Y1），下游闸门打开（Y2）。计时器T1开始计时，计时结束后下游闸门关闭（Y3），上游阀门打开（Y4），如图3-1 c）所示。

（4）和上行情况相同，船只下行时，令上游与闸室水位相等时的输出M5强

行接通。当M5开启时，上游阀门关闭（Y5），上游闸门打开（Y6），计时器T3计时，计时结束后，上游闸门关闭（Y7），如图3-1 d）所示。

（5）若按下停止按钮X1，则系统停止工作，计时器T0停止计时，如图3-1 a）所示。

（6）若按下手动按钮X2则直接启动Y0，以下过程和上面相同，如图3.1 e）所示。

图3-1分步说明

a）系统启动

b）下闸阀门开启

c）下游闸门关闭