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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3.2　液体混合控制
学习目标
基本目标 提高目标
1. 能读懂开关量传感器和电磁阀门与 PLC 连接的电路； 1. 能根据 I/O 分配的变化或延时时间变化，对本项
2. 能识别各相关电器元件、指出其功能，并进行正确的测试； 2. 能根据控制要求设计、绘制顺序功能图；
4. 能根据要求控制要求，自主进行 I/O 分配； 4. 能正确通过系统块进行断电数据保持区的设置；
5. 掌握顺序功能图的语法规则，并能读懂顺控程序 5. 会利用查找与替换、交叉引用等工具进行程序修改与查询。
任务描述及准备
液体混合装置的示意图如图 3-17 所示，储罐中共设 3 个液位传感器，从低到高 排列的分别为低液位传感器、高液位传感器和上限报警液位传感器。 初始状态：系统开始运行前，储罐中无液体，各阀处于关闭状态，搅拌电机处 于停止状态。
控制过程：
（1）启动时，阀 YV1 先打开进液体 A， 当液面达到低液位传感器（SL3）时，关闭 阀 YV1。
（2） 再 打 开 进 料 阀 YV2 进 液 体 B， 当液面达到高液位传感器（SL2）时，关闭阀 YV2。
（3）接着启动搅拌电机进行搅拌，30s 后搅拌均匀后停止搅拌。
图 3-17 液体混合装置示意图
任务3.2　液体混合控制
（4）打开排空阀 YV3，放出混合好的液体。当液面降到 SL3 后，再经10s 延时储罐放空后，关闭 YV3，一个周期结束。
（5）工作中任意时刻如果出现液体达到报警液位（SL1）时，即启动报警程序（报警工作方式同任务 3.1）。
（6）重新启动后进行下一工作周期。
任务3.2　液体混合控制
任务描述及准备
一、所需工具设备
完成任务所需的工具设备见表 3-8。
任务3.2　液体混合控制
表 3-8 工具设备清单
任务描述及准备
续表 3-8 工具设备清单
任务3.2　液体混合控制
任务描述及准备
任务描述及准备
任务3.2　液体混合控制
任务描述及准备
任务3.2　液体混合控制
三、完成任务的步骤
1.完成任务的步骤见表 3-9。
任务描述及准备
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任务实施
本任务按实际工作的标准进行电路安装和接线，将导轨、线槽固定在控制箱后，再将元件安装在标准导轨上，每根导线采用专用的压接端子进行预压紧，并用线号机 打印线号进行标注。如因条件或学时限制等实施有困难时，也可在多孔板上进行模拟 装配。
一、认识元器件
1. 电磁阀门
在本任务中电磁阀用于开、断管路，控制液体是否流出。常用电磁阀门的实物外 形如图 3-18 所示。
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图 3-18 常见的电磁阀门
（a） （b）
工作原理：通电时，电磁线圈产生电磁把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。其电磁线圈常用的电压一般为 AC220V 和 DC24V。
本任务采用 DC24V 直动电磁阀，可以通过一个 PLC 输出点控制其线圈。如果是 AC220V 线圈一般宜通过中间继电器进行控制。
任务实施
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2. 绝缘端子
绝缘端子又名冷压端子，是用于实现电气连接的一种配件产品，工业上划分为连 接器的范畴。控制电路中常用的主要是叉口式和欧式两种，如图 3-19 所示。
使用时应注意：
（1）按导线截面选择合适规格的冷压端子。
（2）剥去导线绝缘层的长度符合规定，要求长度正确。
（3）导线的所有金属丝完全包在冷压接线端子内，要求无散落铜丝。
（4）压接部位要正确、符合规定，不露铜或压绝缘层。
（5）压接后的强度按 TB/T1507-93 标准中关于抗拉强度标准进行检验，符合 要求。
任务实施
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（a） （b）
图 3-19 常用的冷压接线端子
（a）叉口式预绝缘端子；（b）欧式预绝缘端子。
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任务实施
任务实施
二、学会工具使用
1. 压线钳的使用
当采用预绝缘端子时，一般用压线钳将导线与端子压接在一起，再将端子压接在 元件的接线端上进行电路连接。常用的压线钳如图 3-20 所示。
使用的基本方法是：根据端子的结构型式选择合适的压线钳；将剥好的线芯放入匹配的端子中，放置在钳口的合适位置，用力压紧钳子；压紧后钳子一般自行弹开， 完成压接过程。
（a） （b）
图 3-20 常用的压线钳
（a）叉口式预绝缘端子用压线钳；（b）欧式预绝缘端子用压线钳。
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2. 线号机的使用
线号机又称打号机，用于在 PVC 线号套管、热缩管、PET 标签上印制线号其他标 注信息。
图 3-21 中，图（a）是某种品牌的线号机；图（b）中红色的是热缩管，用于套 在不带绝缘的冷压端子上起绝缘保护作用；图（c）是线号机配用的色带。
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（a） （b） （c）
图 3-21 线号机及配用材料
（a）线号机；（b）热缩管与 PVC 套管；（c）色带。
图 3-22 为压接后的端子装配图。其中，图（a）是叉口端子的装配图；图（b）、（c）是欧式端子装配图，图（b）中红色部分为热缩管，用于不带绝缘的冷压端子做 绝缘防护。
（a） （b） （c）
图 3-22 冷压端子装配图
（a）叉口端子装配方式；（b）欧式端子热缩管装配方式；（c）欧式端子装配方式。
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任务实施
线号机的一般使用方法：
（1）使用前，打开线号机上盖，将半切刀上的胶带撕下，以免影响半切刀的正常 切割。
（2）如果是打印套管，将套管穿过套管调整器，安装好调整器后，使套管超出半 切刀的位置（如果是打印贴纸，将贴纸拉出，让贴低超出半切刀的位置）。
（3）装好套管之后，将色带盒装入，把色带盒右边的旋钮旋转至 12 点钟方向。
（4）插上电源并开机，然后进入编写界面。
（5）在编辑界面中选择相应的材料及输入文字即可打印。打印时自动分段半切， 打印完成后手动按压切刀，切断套管即可。
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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
本系统电气原理图如图 3-23 所示。其中，电源指示灯 HL2 直接并在 QF2 的输出 端，不受 PLC 控制。
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图 3-23 电气原理图（搅拌电动机主电路未画出）
根据图 3-23 的接线原理图，本任务共有 6 点输入信号，6 点输出信号，系统的 I/O分配见表 3-10，接线时请核对地址的正确性。
2. 识读电气安装和接线图
（1）安装布置图。 本任务的电气布置如图 3-24 所示。
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（2）电气接线图。
本 任 务 的 系 统 接 线 如 图 3-25 所 示。 按 区 域 分 为 箱 内 底 板、 控 制 面 板 和 现 场3 部分。
图 3-25（b）中的控制面板安装接线图按面板背面视图画出，与图 3-24（b）中面板布置图为左右镜像关系。
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四、电路安装与测试
1. 安装接线图
电路的安装接线图主要用于电气设备的安装、配线、线路检查、线路维修和故障 处理，各电器元件的文字符号、元件连接顺序、线路标号编制都必须与电气原理图一 致。绘制的基本原则是：
（1）各电器元件均按其在安装底板中的实际位置绘出，元件所占图面按实际尺寸 以统一比例绘制。
（2）一个元件的所有部件画在一起，并用点画线框起来，有时将多个电器元件用 点画线框起来，表示其是安装在同一安装底板上的。
（3）绘制电气安装接线图时，安装底板内外的电器元件之间的连线通过接线端子 排进行连接。
（4）所有需要接线的元器件端子都必须画出并编号，且编号应与原理图一致。 接线图的画法有两种，图 3-10 是将各连接点用单
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单线图连连接起来，适用于电路比较简单的情况；另一种画法是只画出各元器件的电气符号，并将需要连接的端点与原 理图一一对应进行标号，各连接点之间不画连接线，一般用于电路比较复杂的情况。 本任务采用第二种画法，如图 3-24 所示。
实际接线时以标号为准，所有标号相同的点必须连接在一起，且所有有标号的点 都必须接线。
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2. 元器件布置与布线要求
本任务的元器件布置与布线要求见表 3-11。
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3. 电路配线与测试
箱内和面板电器元件按照图 3-23 的相对位置关系进行布置安装，具体可根据实 际箱体的尺寸、元件安装尺寸等合理定位。现场的电器元件安装应按照条件和要求进 行布置安装并符合电气安装规范。
接线时可按照图 3-24 和表 3-12 的 1 ～ 30 项的顺序依次进行，不要错接、漏接，
接线完成后按表 3-12 进行核对无误，然后按表 3-12 中的第 31 ～ 39 项进行简单测 试，并在表中记录检查和测试情况。
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
五、编程指导
程序是 PLC 控制的核心，掌握一定的编程方法是学会编程的基本条件。一般的编 程方法主要有两种，即经验编程法和顺序控制设计法。本任务主要介绍顺序控制设计 程序的方法。
1. 认识顺序控制
（1）顺序控制。 顺序控制是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部
状态的变化或时间的顺序，由各个执行机构自动、有秩序地进行相关操作。
（2）顺序功能图（SFC）。
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顺序功能图（图 3-25）是一种图形化的组态语言，采用图形化的方法来描述一个控制程序的顺序行为，主要应用于工业过程控制上位策略组态程序的编写，在 PLC 系统和系统上位组态软件中广泛使用。1994 年 5 月公布的 IEC 可编程序控制器标准（IEC6ll31）中，顺序功能图被确定为 PLC 首选的编程语言。
在 S7-200 中，顺序功能图又称为功能流程图，不能作为编程语言使用，而只能 用于设计者对系统控制要求和功能流程的理解，并以此作为设计 PLC 顺序控制程序的 一种工具。
（3）顺序功能图的基本结构。 顺序功能图包括单序列、选择分支序列和并列分支序列 3 种基本结构，如图 2-26
所示。
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任务3.2　液体混合控制
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2. 顺序控制设计法
顺序控制设计法的基本思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的步（STEP），并用编程元件（M 和 S）来代表各步，步与步之间根据转移条件实现步的转 移，各步有对应的动作，即要实现的功能。
（1）步（状态）：根据输出量的状态变化划分。在任何一步之内，各输出量的 ON/OFF 状态不变，而相邻两步各输出量的状态不完全相同。
① 初始步：与系统初始状态对应，是进入顺序控制最先要激活的步。
② 活动步：系统正处于某一步所处的阶段时，该步处于活动状态。否则，为非活 动步。在单序列顺序控制中，程序执行时一般
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只有一个活动步，但在较复杂的顺序控 制中，同时可以有多个活动步。
③ 步的动作：在某一步的状态下发出的命令和完成的动作。步的动作分为保持型（该步活动时动作，不活动时仍要保持）和非保持型（该步活动时动作，不活动时停 止动作）。（2）转换：控制步的活动进展情况，用有向连线上与有向连线垂直的短线来表示，将相邻两步隔开。
① 转换条件：使系统由当前步进入下一步的信号。
② 有向连线：用箭头表示步的转移方向，当为从上到下或从左至右的方向时箭头 省略不标，反之标出。
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任务3.2　液体混合控制
如图 3-27 所示，图（a）是某控制系统的引风机和鼓风机控制的时序关系，当系 统启动时（I0.0 瞬时为 ON），引风机先启动（Q0.0 为 ON），12s 后再启动鼓风机（Q0.1 为 ON），此时引风机保持运转；当系统发出停机命令时（I0.1 瞬时为 ON），鼓风机先 停止（Q0.1 为 OFF），引风机依然保持运转状态，10s 延时后，引风机才停止（Q0.0 为 OFF），结束一个控制周期。
根据上述控制要求，用 PLC 内部寄存器位 M*.* 表示各步的状态，为 1 表示活动 步，为 0 表示非活动步，当符合步的转换条件时从前一步转移到下一步。另外，系统 一般要设一个初始步，图中用双线框表示，如图 3-27（b）中的 M0.0。
图 3-27（b）为根据控制要求和顺序功能图的设计规则所画出的顺序功能图。从 结构上看是一个单序列顺序功能图，当最后一步（M0.3）的动作执行完成，即引风机 继续运转到 T38 延时 10s 后结束，系统回到初始步（M0.0），等待下一次启动信号。
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
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3. 启保停编程方法
启保停编程方法即每一个程序网络都由启动条件、保持条件、停止条件和输出作 为基本结构。
具体方法是：将代表前级步的常开触点与代表转换条件的常开触点串联，作为启 动条件，将代表后续步的常闭触点作为停止条件，以本步的常开触点作为保持（自 锁）条件；而输出即为对应步的执行动作。
图 3-28 的梯形图程序就是根据图 3-27 的顺序功能图，利用启保停编程方法编制 而成的。
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
根据控制要求的分析，开始时，当各阀处于关闭状态、未搅拌，且储罐放空，即 各液位开关处于常态（NO 断开），逻辑关系为，符 合上述条件即置位初始步（M0.0）。
各步的状态、动作及转移的条件见表 3-13。
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任务3.2　液体混合控制
根据表 3-13 的动作分解，设计出控制系统的顺序功能图如图 3-29 所示，其 中不包括报警功能。
图 3-29 任务 3.2 的顺序功能图
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六、识读 PLC 程序
根据图 3-29 所示的顺序功能图，结合任务的控制要求，按照顺序控制启保 停编程规则编写的程序如图 3-30 所示。 各网络均有注释，根据注释加以理解， 特别是要掌握好编程的基本方法。
其中，报警功能未列入顺序功能图， 程序执行过程的任意时刻，一旦达到报 警液位即启动报警程序，其他动作不受影响。
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
图 3-30 任务 3.2 梯形图程序
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任务3.2　液体混合控制
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任务3.2　液体混合控制
七、下载调试程序
1. 交叉引用功能
在编程时对 PLC 的存储区要合理分配，实际中应避免所用地址发生重复使用的情 况，否则程序执行的结果就会出错。对于已写的程序，要想了解哪些地址已被使用， 可以通过交叉引用的工具进行分析，执行交叉引用前，程序应先通过编译 。方 法是：编译→交叉引用交叉引用功能共有交叉引用、字节使用和位使用 3 个标签，如图 3-31 所示。
其中：
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任务3.2　液体混合控制
图 3-31 交叉引用列表
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任务3.2　液体混合控制
（1）“交叉引用”列表识别在程序中使用的全部操作数，并指出程序、网络或行
的具体位置以及每次使用的操作数；双击其中的表中的某一格，则自动链接到程序中 对应的位置，这样便于在程序中进行检查和核对。
（2）“字节使用”和“位使用”则允许查看程序中使用了哪些字节或位以及在哪 些存储区使用，可以帮助识别是否有重复赋值的错误。
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2. 查找与替换
在高度作修改程序或者因 PLC 的某些输入 / 输出点损坏时，经常会需要将某些信 号的地址更换为其他地址，如果程序较大，或需要改变的地址较多时，如果一个一个 人工寻找并更换，不仅效率低下，而且很容易发生错误，使用查找与替换功能则非常 方便。
如图 3-32 所示，执行菜单“编辑”→“查找、替换”，打开“查找与替换”对话框，在“查找内容”和“替换为”窗口中输入要查找和替换的地址，再执行“查找下 一个”“替换”或“全部替换”功能。
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任务3.2　液体混合控制
图 3-32 查找的与替换功能
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任务3.2　液体混合控制
3. 程序功能调试
按表 3-14 的步骤进行操作并核对现象是否符合控制要求。
表 3-14 工作情况记录
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任务3.2　液体混合控制
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巩固练习
任务 3.2 要求在执行时，只要没有断电，一旦启动后系统自动执行一个周期。现增加一个停止按钮，要求将控制方式改为：
（1）启动后，系统自动循环执行。
（2）随机按下停止按钮，系统执行完本周期后自动停止；再次启动后重新开始自 动循环执行。
完成：进行 I/O 分配，编程、调试实现上述控制功能。
提示：利用一个启保停环节，将停止按钮按下时的状态用一个辅助继电器（M） 位记忆住，并作为判断是继续循环还是停止的条件。下一次重新启动时将此状态位 复位。
任务3.2　液体混合控制
1. PLC 的硬件接线不包括（ ）。
A.控制柜与现场设备之间的接线 B.控制柜与编程器之间的接线
C.控制柜内 PLC 与周围电器元件之间的接线
D.PLC 与 PLC 之间的接线
2. PLC 编程软件的功能不包括（ ）。
A. 监控 B. 仿真 C. 纠错 D. 读入
3. PLC 本身输入模块的故障描述不正确的是（ ）。
没有输入信号，输入模块的指示灯不亮是常见的故障
B. PLC 输入信号使用内部电源时，给信号时指示灯不亮，可能是内部电源 烧坏
C. 输入模块的电源接反，会烧坏输入端口的元器件
D. 输入模块自身故障的可能性极小，故障主要来自外围的元器
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4. PLC 输入模块的故障处理方法不正确的是（ ）。
A. 有输入信号但指示灯不亮时应检查是否直流电源接反
B. 指示灯不亮，万用表检查电压正常，则说明输入模块烧坏
C. 出现输入故障时，首先检查指示灯是否现场元件
D. 若一个指示灯变暗或不亮，且监视时发现处理器未识别输入信号，则输入 模块可能在在故障
5. 下列选项不是 PLC 控制系统设计原则的是（ ）。
A. 保证控制系统的安全可靠
B. 最大限度满足生产设备和工艺流程对电气控制的要求
C. 在选择 PLC 时其输入 / 输出点要全部使用在满足控制要求的前提下，系统应力求简单、经济和维护方便
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6. 下列哪种语言不适用于 S7-200 系列 PLC（ ）。
A. LAD（梯形图） B. FBD（功能块图）
STL（指令表） D. SFC（顺序功能图）
7. 根据控制要求，画出图 3-34 液体混合装置控制的顺序功能图，并设计梯形图 程序。
（1）初始状态容器是空的，Y1、Y2、Y3、Y4 均为 OFF，L1、L2、L3 为 OFF，搅拌机为 OFF，加热器 H 为 OFF。
（2）启动操作按一下启动按钮，开始 下列操作：
① Y1=Y2=ON， 液 体 A 和 B 同 时 入 容 器，当达到 L2 时，L2=ON，使 Y1=Y2=OFF， Y3=ON，即关闭 Y1、Y2 阀门，打开液体 C 的阀门 Y3。
② 当液体达到 L1 时，Y3=OFF，M=ON， 即关闭阀门 Y3，电动机 M 启动开始搅拌。
③ 经 10s 搅拌均匀后，M=OFF，停止 搅动，H=ON，加热器开始加热。
任务3.2　液体混合控制
④ 当混合液温度达到某一指定值时， T=ON，H=OFF，停止加热，Y4=ON，开始 放出混合液体。
⑤ 当液面降到 L3 后，再经 5s 容器放 空，Y4=OFF，开始下一周期。
图 3-34 流体混合装置示意图
任务3.2　液体混合控制
一、本项目所对应的职业技能鉴定知识技能点
1. 基本指令的功能及应用方法。
2. 系统的接线规则。
3. 顺序控制编程方法。
4. PLC 外围电路的接线。
5. 编程软件的应用功能，如查找与替换、交叉引用等。
二、维修电工技能鉴定方式
分为理论考试和技能操作考核，理论考试采用闭卷方式，技能操作考核采用现场 实际操作方式。成绩 60 分以上者为合格。
鉴 定 时 间： 理 论 考 试 时 间 不 小 于 90min， 技 能 操 作 时 间： 初 级、 中 级 不 小 于 150min，高级不小于 180min。
任务3.2　液体混合控制
三、基础理论题
1. PLC 输入类型为直流输入，采用直流（ ）供电。
A. 110V B. 42V C. 36V D. 24V
2. PLC 通过编程器对程序进行插入操作，PLC 必须在（ ）状态。
STOP B. RUN C. 编程 D. 以上都可以
3. PLC 在模拟运行调试中可用编程器进行进行监控，监控操作具有（）的功能。
监视 B. 测试 C. 监视和测试D. 修改元件设置值
4. 用户程序的优劣会对程序长短和（ ）产生影响。
A. 指令执行时间 B. 扫描周期 C. 扫描速度 D. 以上均可
5. PLC 与计算机通信要进行（ ）设置。
数据设置 B. 字节设置 C. 电平设置 D. 串口设置
6. PLC 控制系统设计的步骤是（ ）。
任务3.2　液体混合控制
三、基础理论题
1. PLC 输入类型为直流输入，采用直流（ ）供电。
A. 110V B. 42V C. 36V D. 24V
2. PLC 通过编程器对程序进行插入操作，PLC 必须在（ ）状态。
STOP B. RUN C. 编程 D. 以上都可以
3. PLC 在模拟运行调试中可用编程器进行进行监控，监控操作具有（）的功能。
监视 B. 测试 C. 监视和测试D. 修改元件设置值
4. 用户程序的优劣会对程序长短和（ ）产生影响。
A. 指令执行时间 B. 扫描周期 C. 扫描速度 D. 以上均可
5. PLC 与计算机通信要进行（ ）设置。
数据设置 B. 字节设置 C. 电平设置 D. 串口设置
6. PLC 控制系统设计的步骤是（ ）。
任务3.2　液体混合控制
① 正确选择 PLC 来保证控制系统的技术和经济性能指标。
② 深入了解控制对象及控制要求。
③ 系统交付前，要根据调试的最终结果整理出完整的技术文件。
④ PLC 进行模拟调试和现场调试。
A. 2 → 1 → 4 → 3 B. 1 → 2 → 4 → 3
C. 4 → 2 → 1 → 3 D. 1 → 3 → 2 → 4
任务3.2　液体混合控制
项目3 （完）
任务3.2　液体混合控制

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