可编程控制实验报告.docx
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可编程控制实验报告
东南大学能源与环境学院
实验报告
课程名称：
可编程控制器技术与系统
实验名称：
水塔水位控制实验
院（系）:
能源与环境学院专业：
热能与动力工程
姓名：
学号：
实验室：
可编程控制实验室实验组别：
同组人员：
实验时间：
2012年10月28日
评定成绩：
审阅教师：
1.实验目的3
2.实验设备3
3.实验内容3
4.实验原理4
5.实验梯形图6
6.实验结果9
7.实验心得及感想7
水塔水位控制实验
（实验报告）
姓名：
姜懿纯学号:
03010205
实验指导老师：
成绩：
一、实验目的
用PLC勾成水塔水位自动控制系统。
随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置一一可编程控制器。
随着科技的发展和现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。
水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本实验采用PL（进行主控制，模拟水塔水位控制系统，完成相应的水位显示、故障报警信息显示，使水位保持在适当的位置。
关键词：
水位控制、PLC、故障报警
二、实验设备
1、PLC实验装置。
2、编程用电脑。
三、实验内容
水塔水位控制装置如图1所示。
水塔水位控制
SIS2S3S4MYILM
图1水塔水位控制装置
当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀丫打开进水（丫为ON定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF那么阀丫指示灯闪烁，表示阀丫没有进水,出现故障，S3为ONB,阀丫关闭（丫为OFF。
当S4为OFF寸，且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON电机M运转抽水。
当水塔水位高于水塔高水位界时电机M亭止。
本实验区下框中的S1、S2、S3、S4分别接主机的输入点X0X1、X2、X3,M丫分别接主机的输出点丫40丫41。
四、实验原理
1、PLC的工作原理
为了更好的达到实验目的，在实验前，我通过查阅资料，对PLC勺工作原理
做了一定的了解。
虽然PLC可世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程
大致可分为三个阶段。
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺
序控制、定时等。
它在硬件上以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进
以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一梯形图。
因此，早期的PLC勺性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。
其中PLC特有的编程
语言一梯形图一直沿用至今。
在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的
变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC勺中央处理
单元（CP）
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线
圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的那个位置上都会立即同时动作。
（2）PLC勺CPI则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
PLC的CPUH采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为CP对程序的扫描。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。
CP从第一条
指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
扫描技术
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勺CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
如图2：
第（口£个扫擁期f
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丄第5+D个扫描周期
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输入采祥输出吊噺
图2PLC扫描周期
（1）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。
（2）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，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RA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。
（3）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勺真正输出。
2、PLC勺I/O响应时间
为了增强PLC勺抗干扰能力，提高其可靠性，PLC勺每个开关量输入端都采用
光电隔离等技术。
为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不
同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
所谓I/O响应时间指从PLC勺某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。
如图3:
图3PLC扫描周期示意图
3、梯形图相关知识
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一一接触器控制系统的人来说，易被接受。
继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC勺各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。
由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条
指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表
达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。
状态转移图语言（SFC）类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。
这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。
高级语言类似于BASIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。
通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：
1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。
梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC勺有效范围内。
2）梯形图是PL（形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而
图中各支路也没有真实的电流流过。
但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”
等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟
的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：
层次的改变也只能自上而下。
3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为
“I态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0
态”。
梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，
还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用：
而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。
所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPI是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
这种分时操作的过程称为CP对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开
始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。
每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
2、PLC勺优点
（一）高可靠性
1.抗干扰能力强，适合于在恶劣的生产环境下运行，它完全不需要一般计算机所要求的环境。
且所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离
2.各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10~20ms.
3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰
4.采用性能优良的开关电源
5.对采用的器件进行严格的筛选
6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CP立即采用有
效措施以防止故障扩大
7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高
（二）系统采用了分散的模块化结构
1.PLC针对不同的工业现场信号如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
2.有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，可针对各类不同控制需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而大大提高了效率。
3.直接连接，另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
（三）采用了大规模集成电路技术和微处理器技术
为了实现机电一体化，将其设计得紧凑、坚固、小体积，易于装入机械设备内部，各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（四）编程简单易学
PLC勺编程大多使用面向控制操作的控制逻辑语言。
类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般
工程技术人员所理解和掌握。
（五）安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
五、实验梯形图
在对相关知识进行了深入学习之后，我根据实验要求，联系实验中各个过程的实际意义在PLC程序中的正确表达，制作了水塔水位控制系统的PLC空制流程图如图4所示。
图4水塔水位控制系统的PLC控制流程图
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在得到清晰的控制流程图之后，对应各个步骤设计的梯形图程序如图5所示
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图5水塔水位控制系统梯形图1
该程序经PLC实验装置测试后可以正常使用，并能达到实验的目的，但非常明显，对比其他同学的实验程序，该程序较为冗长，没有体现优质的逻辑思维，并且存在一个很大的问题，即当X3原来处于ON勺状态，即水池水位低于水池低水位界时，突然X3回到OFF犬态，实际的意义为，水池水位刚好到达水池的低水位界，根据实际要求，此时的水位仍然不能满足抽水泵的抽水要求，也就是说阀丫
仍然需要打开进水，但上述程序在实际操作过程中，在该情况下阀丫处于OFF犬态，即没有继续进水。
因而我重新对实验内容进行了审视，对实验目的进行了精细的整理和思考发现可以将其中的部分步骤合并到一个语句中实现。
经过再一轮的思考之后，我对上述程序进行了优化，得到了如图6所示的梯
形图。
但同时，针对系统的特点，我发现了图6所示的梯形图同样存在漏洞，最大的问题是当X3原来处于ON勺状态，即水池水位低于水池低水位界时，突然X3回到OFF犬态，实际的意义为，水池水位刚好到达水池的低水位界，根据实际要求，此时的水位仍然不能满足抽水泵的抽水要求，也就是说阀Y仍然需要打开进水，
该程序满足上述要求，但是在此过程之后，如果X3又突然跳回ON犬态，说明阀门丫在进水过程中出现故障，此时的表现应该是阀丫立刻报警，即丫灯立即开始闪烁，但是实际上图6梯形图所表示的程序不能满足这一过程的实验要求。
在整合了以上主要错误之后，我最终通过对图6所示程序的改进得到了符合所有实际生产中要求的如下梯形图：
12
第0行：
按下X3开关后，X3处于“T态后，T0开始计时，4s后，T0变为“1”状态且保持不变。
第5行：
将T0的状态取非后赋值给MQ即4s前，M（为“1”态，4s后，M猱持
“0”态不变。
第8行：
将T0的状态赋值给M1,即4s前，M（为“0”态，4s后，M0呆持“1”
态不变。
第10行至后：
对于第一条通路：
KlX3SM412X2
H-pHI1H-pW41）
其直观作用为4s后，在X3闭合且X2打开的情况下，Y41输出信号1s发生一次阶跃变化，即Y灯1s闪烁一次，在系统中主要有两个实际作用：
1、开始时按下X34s后，如果X3还没有回到OFF犬态，说明水池仍然没有达到水池的低水位界，则
阀门丫出现故障，因而产生闪烁报警。
2、当任何处于4s后的状态（且之前X2并没
有打开过，一直处于“0”态），X3从OFF态转为or态，都说明水池水位重新回到低水位界以下，不论是否处于抽水状态，说明此时水池中的水位出现了问题，阀门丫的进水量不够或者出现了故障，需要闪烁报警。
对于第二条通路：
MLX3X2
TI打折41）
其作用为在4s后，X3刚从or态转为OF!
态之后，说明水池刚打到低水位界以上，按照实际要求，阀门丫仍然需要继续进水，因而丫41仍然需要保持“1”态，直到达到水池高水位界时，即X2为O!
状态，阀门才停止进水。
对于第三条通路：
MOX3K2
WIIH蚀1〉
其作用为在按下X3的4s之内（X2处于OFF犬态，水位没有达到高水位界），M0
常闭触点输入“1”状态，电路导通，即表示刚开始运行系统时，水池水位仍然在低水位界以下时，此语句使得丫41保持“1”状态，即阀门丫持续进水。
第20行、22行：
IX2
20——||RS7Ml}
22一||STMO}
当X2处于ON犬态后，重置M0M1,表示水池内一轮完整的进水过程完成，水池达到符合要求的水池高水位界，如果需要阀门丫重新进水，则说明水池要开始一轮新的进水过程，因而在此将M0与M重置，以达到实验要求。
第24行：
K3XIX0
241徑0）
当X3处于OFF状态，X1处于O献态，且XC处于OF状态时，该条通路导通，Y40产生响应，M灯亮，实际控制在水池水位达到水池低水位界以上，水塔水位低于
水塔低水位界时，需要通过水泵从水池中向水塔中抽水，直到达到水塔高水位界，XC处于O献态，或者水池低于低水位界，X3处于ON犬态，说明抽水过程完
成或者出现问题，需要及时停止，此时丫40不再有响应，出丁不亮
第28行：
28
表示至此程序结束。
六、实验结果
对简化后的系统梯形图进行模拟测试可以得到响应图分别如下：
1、当按下S4,即主机输入X3时，丫灯亮，丫41有响应，表示当水池水位低于水池低水位界时，阀门丫打开进水，定时器开始定时。
4秒后，如果S4还没有被拨回“0”态，则丫指示灯开始闪烁，Y41开始出现周期性阶跃，表示丫没有进水，出现故障。
4s后，从如上响应图可以看到，如果X3仍然处于ON勺状态（即“1”态），则
丫41开始产生1s—次的阶跃响应信号，表现为丫灯1s—次闪烁。
2、当1状态后按下S3,即主机同时输入X2和X3寸，丫灯不再亮，Y41不再有响
如上图所示，按下X2的瞬间，丫41立即变为“0”态，即阀门丫停止进水
3、当S4为OFF寸，即输入的X3为“0”态时，且水塔水位低于水塔低水位界
时S2为ON即主机输入X1，电机M运转抽水（M丁亮），丫40有响应，具体过程见下
图：
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实际过程中，如果输入的X3为“1”态，即水池水位低于水池低水位界的情
况下，即使水塔水位低于水塔低水位界时（S2为ON，即主机输入X1，电机M也不
会运转抽水（^丁不亮），丫40没有响应，表现为“0”态，如下图所示：
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4、在3状态运行一段时间后，当水塔水位高于水塔高水位界时，即S1为ON即使主机同时输入X（和X1的状态下，电机M亭止（M丁不亮），Y40不再有响应。
从图中可以非常明显的看到，在X0阶跃变化的同时，Y40舜时跳回“0”态。
如上图所示，程序所示的响应曲线符合实验要求。
5、当1状态后，即当按下S4,丫灯亮，超过4s后开始闪烁状态后，X3突然回到OFF犬态，即水池水位刚好达到低水位界，此时在实际生产中要求阀门丫继续进水,丫灯要保持常亮。
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态并保持不变，直到X2丁开，即水位已经达到水池的高水位界；或者X3重新处于
ON勺状态，即阀门Y的金属出现故障，需要立即报警，表现为Y丁的闪烁，此过程响应曲线图如下。
由上图可以看到，当X3从原来的OF变为ON勺瞬间，Y41立马同SM41同波形,与实际要求相符合。
七、实验心得及感想
这次可编程控制实验，让我对PLC编程方法有了自己的认识和理解，并且操作更加熟练，同时，对PLC勺工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
首先通过设计与相关指令有关的小程序，然后再组合指令完成整个程序的设计，从整体上来说，这是一个逐步提升的过程。
在整个编程的工程中，其实遇到了很多的难题。
首先是程序不够简洁，第一次的编程结果较为冗长，导致了出现很多的小问题而使得程序无法正常运行，没有达到实验的要求。
经过我一次次的实践，并与同学进行交流讨论后，最终把正确的结果做出来后，再对比之前的程序，才发现程序中出现的问题，找到了自己在这个设计的逻辑思维中的缺点。
18
对于这次在对理论的运用过程中，不但提高了我对各个指令的熟练运用能力，并且在不断纠错和修正的情况下，培养了我对编程控制的逻辑思维能力，力求用最简单最实用的程序完成设计，达到凝练简洁而高效的实验目的，同时也提高了我的工程素质，为今后的其他实验操作甚至是今后进入工作单位进行相关的项目程序设计打下了夯实的基础。
经过我一次次的实践，最后把正确的结果做出来时，才看到了自己的缺点。
通过这次设计实践。
让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC勺工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。
转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。
设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好，古人说：
三人行必有我师、思而不学则殆。
所以说学习要善于向别人请教，学思结合。
我很感谢能有这次实验的机会能让我不仅在课堂知识上更在学习能力上得到很大的提高，我也会将这样的实验精神带到之后的学习、设计过程中去，让自己在自主学习中进步，真正掌握可编程控制系统实验的精髓。
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