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(共49张PPT)
项目3 用 PLC 控制液位 报警与液体混合
任务 3.1 液位报警
任务 3.2 液体混合控制
电器与PLC控制技术
本项目以液体混合控制和液位报警功能的实现为任务，引导学习有关PLC控制系统的设计方法和基 本步骤。主要内容包括液位检测方法、元器件布置和 接线图的识读、顺序控制设计编程方法及顺序功能图 的画法、编程软件的高级应用知识等。通过分析这两 个任务的实现过程，让学生领略PLC控制系统从软 件、硬件、安装接线、编程调试等全过程所必需的知 识和能力要求。
项目3用 PLC 控制液位 报警与液体混合
任务3.1 液位报警
能按照接线图进行电路的安装、连接与检测；
能根据要求控制要求，自主进行 I/O 分配；
学习目标
能利用万用表、编程软件和模块上的指示灯判断 I/O 信号
是否正常掌握PLC 梯形图编程的基本规则
能说出液位的检测方法
任务3.1 液位报警
任务描述及准备
用 PLC 实现储水箱液位的报警：在水 箱的顶部装有一个液位上限传感器，当实 际液位高于于其安装位置时，要求系统通 过 一 个 报 警 灯 的 闪 烁（ 亮 0.5s、 灭 0.5s）， 同时，通过一个蜂鸣器发出声音，提醒操 作人员，当工作人员按下一个复位按钮后， 蜂鸣器停止发声；而报警灯的闪烁在液位 降到上限位下时，自动复位。水箱的安装示意图如图 3-1 所示。
任务3.1 液位报警
任务描述及准备
二、所需工具设备
完成任务所需要的工具设备见表 3-1。
任务3.1 液位报警
任务描述及准备
任务3.1 液位报警
任务描述及准备
学生活动：完善设备清单
A 根据工具设备清单表，找到元器件。
B 将工具设备的型号、规格、数量填入工具设备清单表中的空白处。
三、完成任务的步骤
完成任务的步骤如图 3-2 所示。任务完成分为硬件和软件两部分，在调试时先空 载运行，动作正确后再带负载运行。
任务3.1 液位报警
任务描述及准备
图 3-2 任务完成步骤
任务3.1 液位报警
任务实施
一、控制要求分析
1）教学中被控对象可以是实际对象，也可以模拟装置。 如果是实际对象，采用液位传感器将液位转换成开关量，选用常开型触点，当液位高于其安装位置时，触点闭合（实际中可调节其动作的灵敏度）。
任务3.1 液位报警
任务实施
（2）报警灯的闪烁功能是对应输出点的交替通断实现的，通电和断电的时间间隔可以通过调节定时器的设定值来控制通断节奏。
一、控制要求分析
图 3-3 闪烁程序
任务3.1 液位报警
任务实施
一、认识元器件
1. 认识信号灯柱
图 3-4（a）为实际工程中使用的信号灯柱，用于 指示现场设备的工作状态，实际中多段灯柱使用时可 根据需要选用其中某段，作为报警或指示用，每段由 PLC 的一个输 出点控 制。教 学时也 可使 用前述 的指 示 灯 来 代 替。 图 3-4（b）是一体式报警器，一般由声 音及灯光组成，且有一个转动部分，形成闪光效果，工 作电压为 AC220V 较多，用 PLC 驱动时，则占用一个输 出点。
图 3-4 信号灯柱及报警器
（a）灯柱；（b）报警器
任务3.1 液位报警
任务实施
一、认识元器件
2. 认识液位传感器
（1）热继电器的用途
液位传感器也称液位开关、水位开关，从形式上主要分为接触式和非接触式。常用 的非接触式开关有电容式液位开关，接触式的浮球式液位开关应用最广泛。
（1）液位传感器是如何工作的？
浮球式液位开关如图 3-5 所示，其利用微动开关做接点输出，当上扬线角度超过 一定角度（如 28°）时，浮球式液位开关内部的钢珠会滚动压到微动开关（或脱离） 微动开关，使液位开关的接点信号闭合（或断开）。
（2）液位传感器如何接线？
图 3-6 为直流供电、继电器输出方式，1、2 号端子间接线 DC24V，3-5 为常开触 点（NO），3-4 为常闭触点（NC）。也有采用无源式触点输出方式。
任务3.1 液位报警
任务实施
一、认识元器件
2. 认识液位传感器
图 3-5 浮球式液位开关 图 3-6 浮球式液位开关接线图
任务3.1 液位报警
任务实施
三、识读 PLC 控制系统的电路图
1. 识读本系统电气原理图
图 3-7 为系统原理图，QF 是低压断路器（图中省略了漏电保护开关），FU 是熔 断器，HL 是指示灯或某一段灯柱，HA 是扬声器，SB 是复位按钮，SL 是液位开关。 DC24V 由开关电源 AC/DC 提供。
任务3.1 液位报警
任务实施
二、识读 PLC 控制系统的电路图
任务3.1 液位报警
任务实施
二、识读 PLC 控制系统的电路图
表 3-2 为本任务的 I/O 分配表，其中，有两点输入信号和两点输出信号。
输入 输出
序号 地址 器件 功能 序号 地址 器件 功能
1 I0.0 1 Q0.0
2 I0.1 2 Q0.1
表 3-2 I/O 分配表
任务3.1 液位报警
任务3.1 液位报警
任务实施
二、2. 识读本系统电气安装和接线图
（1）箱内布置图。
图 3-8（a）为箱内布置图，其中，未标注的矩形框表示走线槽，用于布置导线在 其中，接线完成后盖上盖板。线槽布线是现代电气工程的基本做法，一方面可保护导 线；另一方面则可减少走线的零乱、增加美观，此外，在需要检查或导线改接时操作 比较方面。箱内安装时元件的固定一般采用标准导轨安装方法。
（a） （b）
图 3-8 控制箱布置图
（a）箱内布置图；（b）面板布置图。
元件在布置时一般按照电流的流向从上往下分层进行，具体布置时应按照元件安装要求正向布置，不得倒装、倾斜或反装；各元件之间松紧适当，留有安装、接线所 必需的空间。
任务3.1 液位报警
图 3-9 箱内元件布尺寸
任务3.1 液位报警
图 3-8（b）为面板布置图，本系统安装在面板上的有按钮（SB）、指示灯（HL） 和蜂鸣器（HA）。元件下方的矩形表示标识牌。
面板上安装一般在面板上用专用开孔器，按元件安装孔尺寸进行开孔。开孔前应 定好位置，面板上各元件之间布置要横平竖直、疏密适当，同类元件相对集中，注重 外观整齐。
（2）面板布置图
任务3.1 液位报警
任务3.1 液位报警
任务实施
二、识读 PLC 控制系统的电路图
(3）电气接线图。
图 3-10 为本系统的所用元件的实际安装位置分为箱（盘）内、面板（盘面）和现场（盘处）三处不同区域，按照工艺要求，不同区域之间的导线连接应该通过接线端子（XT）进行。
图 3-10 控制系统接线图
① 单线图的含义。
上述接线图路中采用的单线图画法，即将相同走向的导线用一根线画出，不同导 线具体的连接方法按导线的标号对应连接。
② 线端标号。
如图 3-10 所示，各线端都有标号，如 I0.0、V+，这些标号与原理图中一一对应， 具体的连接也与原理图一一对应。由于本系统相对简单，电路的中间节点较少，故标 号基本只用了 PLC 和电源的标准标号，而没有使用到数字标号。
任务3.1 液位报警
③ 端子排上接线端子的使用。
应按电源种类和电压等级分区域分配；对于需要一分多的线号，可并列使用多个端子（中间加连接器），例如图 3-10 中的 V+—V+；应留有一定量的备用端子，供可能的接线调整需要。
任务3.1 液位报警
四、电路安装与接线
任务3.1 液位报警
1. 安装元器件
安装过程应注意：
（1）钻孔前应先画好定位线。
（2）参照表 3-3 正确选择钻头的规格并安装紧固。
（3）使用手电钻时应注意用电安全。
表 3-3 螺纹与孔径的配合
丝攻螺纹规格 M4 M5 M6 M8 M10 M12
麻花钻直径 φ3.3 φ4.2 φ5.0 φ6.7 φ8.5 φ10.2
2. 电气配线与测试
使用绝缘良好的电工工具进行操作，且所有接线都必须在断电的状态下进行。具 体的工艺要求为：
（1） 除 PE 线采用 BVR-2.5mm2 的黄绿双色线 外，其余导线均采用采用 BVR- 1.0mm2。
（2）每要导线的两端均要套线号管，并用线号笔正确标注（注意：字母朝向的一 致性）。
（3）导线剥削长度适中（0.8 ～ 1.1mm），压接牢固，不允许“露铜”或“压皮”。
（4）元器件上部的端子向上引入线槽、元器件下部的端子向下引入线槽，所有导 线必须垂直引入线槽。
（5）导线在线槽内的分布要合理，不要过于集中，线槽内的导线填充度不超过 50%。
（6）导线长度合理，在线槽内松紧适当，不得拉得过紧，也不要反复折弯。
任务3.1 液位报警
（7）每一根导线一般不允许有中间接头，必须分接时要使用专用的中间连接器，且要做好必要的绝缘防护。
提示：依据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）第 9.11 节的规定：“在电缆桥 架上可以无间距敷设电缆，电缆在桥架内横断面的填充率：电力电缆不应大于 40%，控制 电缆不应大于 50%。”
任务3.1 液位报警
序号 活动 连接测量方法 位置测量值 接线核对故障 记录处理
1 连接端子排 XT 上端和断路器 QF L、N 箱内
2 连接 QF 和 PLC L1、N 箱内
3 连接 QF 和开关电源 T1 L1、N 箱内
4 连接端子排 XT 上端和 PLC PE 箱内
5 连接 PLC 和开关电源 T1 PE 箱内
6 连接开关电源 T1 和端子排 XT 上端 V+（备用）、V- 箱内
7 连接熔断器 FU 出线和 PLC 1L 箱内
8 连 接 PLC 的 传 感 器 电 源 M 端 和 PLC 的输入回路 1M 端 M：1M 箱内
9 连接 PLC 输入回路与端子排 XT 上端 I0.0 箱内
10 连接 PLC 输出电路和端子排 XT 上端 Q0.0、Q0.1 箱内
11 连接 PLC 传感器电源和端子排 XT 上端 L+ 箱内
12 连接端子排 XT 下端与面板指示灯 HL V-、Q0.0 箱内 - 面板
任务3.1 液位报警
序号 活动 连接测量方法 位置测量值 接线核对故障 记录处理
13 连接端子排 XT 下端与蜂鸣器 HA Q0.1 箱内 - 面板
14 连接端子排 XT 下端与复位按钮 SB L+、I0.1
15 连接面板上指示灯与蜂鸣器 HA V- 面板
16 连接端子排 XT 下端与液位开关 SL L+、I0.0 箱内 - 现场
17 连接端子排 XT 下端与外部电源 L、N、PE 箱内与箱外
18 检查无误后，接通外电源 合上外部电源开关或 插上插头 箱外
19 测量 XT 上 L、N 之间电压 万用表，交流电压挡 AC220V±10%
20 接通箱内电源 合上内部电源开关 QF 箱内
21 接通箱内电源 合上内部电源开关QF 箱内
22 测量开关电源输出端电压 DC24V±5%
23 检查 PLC 电源指示灯
万用表，直流电压挡 绿色常亮
任务3.1 液位报警
序号 活动 连接测量方法 位置测量值 接线核对故障 记录处理
24 输入信号测试 将液位达到开关位置 PLC 上 I0.0 指
示灯亮
25 断开所有电源 断开 QF 及外部电源 开关
注意：在实际接线时要注意不要损坏接线端子上的隔弧板；测试或测量结束后要关断电源。
任务3.1 液位报警
任务3.1 液位报警
任务实施
二、识读 PLC程序
液位报警程序如图 3-11 所示。
图 3-11 梯形图程序
（1）网络 1：由 T37 和 T38 两只定时器构成振荡程序。
（2）网络 2：指示灯（Q0.0）闪烁。
图 3-12 T37 时序图
（3）网络 3 和网络 4：蜂鸣器的置位和复位。
任务3.1 液位报警
任务实施
六、编写和调试程序
1. 程序编写
在 STEP 7-Micro/WIN 中使用快捷键，可以更有效地完成多项任务。
（1）指令输入快捷键。
① F4 打开所有接点助记符类型的列表框。
② F6 打开所有线圈助记符类型的列表框。
③ F9 打开所有功能块助记符类型的列表框。 打开上述列表框后，再通过上下光标键进行移动选择或单击对应的字母符号键进行跳转选择。
注意：用字母键进行跳转选择时，输入方式应为英文方式。
任务3.1 液位报警
任务实施
（2）线条输入快捷键。
① CTRL + LEFT ARROW（左箭头）插入一条水平线，将光标向左移动一个单元格。
② CTRL + RIGHT ARROW（右箭头）插入一条水平线，将光标向右移动一个单 元格。
③ CTRL + UP ARROW（上箭头）插入一条垂直线，将光标向上移动一个单元格。
④ CTRL + DOWN ARROW（下箭头）插入一条垂直线，将光标向下移动一个单元格。
任务3.1 液位报警
任务实施
图 3-13 线条快捷键使用例程
说明：更多的有关快捷键的问题按 F1 查询软件帮助功能，在索引的窗口中输入
“快捷键”按回车键即可查询，如图 3-14 所示。
图 3-14 快捷键的功能帮助
任务3.1 液位报警
任务实施
2. 调试程序
在联机状态下，运行 PLC，单击“程序状态监控”按钮进入程序状态监控状态， 观察各输入 / 输出点的初始状态是否正确，然后按表 3-5 的步骤进行操作，观察 现象。
任务3.1 液位报警
任务实施
表 3-5 工作情况记录
步骤 操作内容 PLC 的 LED 指示灯 正确结果 观察结果 备注
1 液位到达时 I0.0 亮
Q0.0 闪烁 指示灯 HL 闪烁
Q0.1 亮 蜂鸣器报警
2 按下复位按钮 SB I0.1 亮
Q0.1 灭 蜂鸣器不响
3 液位降低后 I0.0 灭
Q0.0 灭
任务3.1 液位报警
任务实施
根据教材表 3-6，对任务完成情况进行评价。
任务3.1 液位报警
储罐中的液位开关除了报警液位开关外，还有用来控制液位比例的上限、下限液
位开关。现控制要求：为防止液位报警发出错误信号，必须在上限液位开关有信号的 情况下，报警液位开关也有信号时才允许发出报警，这样可防止罐内无液体，但报警 液位开关由于误动作或触点损坏等造成的错误报警。另外，要求指示灯闪烁的节奏是 亮 1s、灭 1s，其他控制要求不变。
完成：
（1）自行分配 I/O，并画出电路原理图。
（2）编写程序。
（3）进行电路连接。
（4）软硬件调试实现上述控制要求。
巩固练习
任务3.1 液位报警
1. 比较指令
比较指令是常用的数据处理指令之一，用来比较两个数 IN1 与 IN2 的大小或者两 个字符串是否相同。
（1）功能在梯形图中，满足比较关系式给出的条件时，“触点”接通，否则“触 点”为断开状态。
（2） 数据类型触点中的 B、I、D、R、S 表 示 被 比 较 两 个 数 的 数 据 类 型， 分 别 为 字 节、 字、 双 字、 实 数 和 字 符 串。 其 中，B 表示 8 位 二 进 制 数， 称 为“ 字 节 ”， 可 表 示十 进 制 数 0 ～ 255、I 表 示 16 位 二 进制 数， 称 为 有 符号 的“ 整 数 ”， 可 表 示
“-32768 ～ 32767”。
（3）比较符比较指令共有“>”“<”“=”“>=”“<=”和“<>”6 种比较关系，其 中，“<>”表示“不等于”。
知识拓展
任务3.1 液位报警
当用于定时器的当前值比较时，由于定时器的当前值寄存器为 16 位整数，故必须用整数比较指令，如 。
任务3.1 液位报警
图 3-15 闪烁程序及时序图
注释：上述程序中，网络 1 和 3 是周期为 1s 的自动复位逻辑，T33 的当前值每达到 100（即定时 1s）时， M0.0 位为 1，T33 断电后重新计时。网络 2 利用比较指令控制 Q0.0 的通断，在 T33 计时的周期中，当其当前 值达到 40 之后，比较触点闭合，Q0.0 位即为 1，而在当前值小于 40 之前，比较触点为断开状态，Q0.0 位为 0。
任务3.1 液位报警
1. 特殊标志位
S7-200 PLC 系统内配置许多特殊存储器，其中一些特殊标识位是编程时经常会使 用到的。常用的标识位见表 3-7。
SM 位 描述（只读）
SM0.0 该位始终为１
SM0.1 该位在首次扫描时为１，一个用途是调用初始化子例程序
SM0.2 若保持数据丢失，则该位在一个扫描周期中为１，该位可用作错误存储器位，或用为调用特殊启动 顺序功能
SM0.3 开机后进入 RUN 模式，该位将 ON 一个扫描周期，该位可用作在启动操作之前给设备提供一个预 热时间
SM0.4 该位提供一个时钟脉冲，30s 为１，30s 为 0，占空比周期为 1min，提供了一个简单易用的延时 或１min 的时钟脉冲
任务3.1 液位报警
SM0.5 该位提供一个时钟脉冲，0.5s 为１，0.5s 为 0，占空比周期为 1s，提供了一个简单易用的延时或 １min 的时钟脉冲
SM0.6 该 位为扫描时钟，本次扫描时置 1，下次扫描时置 0，可用作扫描计数器的输入
SM0.7 该位指示 CPU 模式开关的位置（0 为 TERM 位置，1 为 RUN 位置）。当开关在 RUN 位置时， 用该位可使自由端口通信方式有效，那么当切换至 TERM 位置时，周编程序设备的正常通信也会 有效
任务3.1 液位报警
其中，SM0.4、SM0.5 是两个固定周期（1min 和 1s）和占空比（50%）的时钟脉冲，常用于一些固定延时需要或脉冲信号。若本任务中的指示灯闪烁为无特殊要求 或要求的周期和占空比与此特殊标识位一致时，则可以使用这两个特殊标识位控制 闪烁效果，方法是将其中一个标识位的常开（或常闭）触点串联于其他逻辑触点之后。
任务3.1 液位报警
图 3-16 任务程序网络 2 修改
2. 元件布置的基本规则
电器元件在控制箱（控制柜）中的布置应遵循一些基本规则，以减少相互影响， 提高布置的合理性。
（1）电气设备应有足够的电气间隙及爬电距离（可参照标准 CB*/Z342-84，1.6）， 以保证设备安全可靠的工作。
（2）各电器元件应能单独拆装更换，而不影响其他元件及导线束的固定。
（3）按钮之间的距离宜为 50 ～ 80mm，且保证操作灵活、可靠、无卡阻。
（4）电阻器等电热元件一般应安装在箱子的上方，安装方向及位置应考虑到利于 散热并尽量减少对其他元件的热影响。
（5）发热元件宜安装在散热良好的地方，两个发热元件之间的连线应采用耐热导 线或裸铜线套瓷管。
任务3.1 液位报警
（6）柜内的 PLC（系统控制）等电子元件的布置要尽量远离主回路、开关电源及变压器，不得直接放置或靠近柜内其他发热元件的对流方向。
（7）断路器、接触器、热继电器及动力端子等与线槽直线距离为 25 ～ 30mm；各 继电器、控制端子等与线槽直线距离不小于 20mm。
（8）电器元件的紧固应设有防松装置，一般应放置弹簧垫圈及平垫圈。
（9）强弱电端子应分开布置；当有困难时，应有明显标识并设空端子隔开或设加 强绝缘的隔板。
（10）端子应有序号，端子排应便于更换且接线方便；离地高度宜大于 350mm。
（11）控制柜（箱）必须要有集中接地装置，并应有明显的接地标识。柜内及设 备上所有需接地元件的接地柱要单独用接地线接到控制柜集中接地装置上，元件间的 接地线不得采用跨接方式连接。
任务3.1 液位报警
1. 漏电保护器的一般选择的动作电流为 30mA，动作时间不超过（ ）。
A. 0.1s B. 0.5s C. 1s D. 2s
2.（ ）进线一般安排在低压断路器的上端。
A. 电源 B. 负载 C. 电阻 D. 电感
按钮一般都安排在（ ）上，且要布置整齐、合理、牢固。
A. 面板 B. 底座 C. 端盖 D. 工件
4. 设计一个指示灯（Q0.0）的闪烁程序，要求条件（M0.0）具备后，先按 1s 的 周期闪烁 30s，再按 1min 的周期闪烁，直到条件按下复位按钮（I0.0）。
5. 路口的交通信号灯一般是按照绿灯亮→绿灯闪烁→黄灯亮→红灯亮的顺序在交 替工作，如果通过 PLC 去控制上述一组信号灯，想一想完成这个任务的实施方法和步 骤；进行 I/O 分配后，试着完成编程。
思考与练习题
任务3.1 液位报警
任务3.1 （完）
任务3.1 液位报警

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