液体混合装置plc控制系统设计

机电工程学院课程设计说明书设计题目液体混合装置的控制系统设计专业班级机制F0908学生姓名学号200948050707指导教师2012年12月15日内容摘要随着科学技术的发展，人们的生活日趋自动化，生产技术更是如此。PLC作为计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程序控制器PLC在工业控制中的地位也日益提升并且在工业控制中得到广泛应用，而且可编程控制器在工业控制中所占比重在迅速的上升。本次设计是利用PLC实现两种液体的自动混合。此次设计主要考虑其各个不同状态动作的连续和关联，对不同的状态进行不同的动作控制输出，从而实现将AB两种液体混合的周期性控制（包括单周期）。本次设计的主要意义是用PLC编程来控制，一方面可以省去人力物力，从而达到节省成本的目的；另一方面，程序的合理性，全面性和可靠性可以使液体混合能更安全可靠全面的实现。关键词PLC液体混合装置自动控制目录第1章引言1第2章控制系统设计221系统整体设计要求222系统设计思想223系统硬件设计3231PLC输入输出口分配3232液体混合装置输入输出接线图4233PLC主电路图5234电气位置安装图624硬件选择6241液位传感器选择6242电动机选择7243电磁阀的选择7244PLC的选择7245元件选择825系统软件设计8251PLC控制相关流程图8252可编程控制器梯形图1026系统调试13第3章总结及进一步研究方向18致谢19参考文献20河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计1第1章引言随着科学技术的飞速发展，自动控制技术已经在人类活动的各个领域中的应用得越来越广泛，而它的水平已经成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要指标。在炼油、制药、化工等行业中，液体混合已经是不可缺少的程序，而且也是工业生产中非常重要的一部分。然而由于此类行业中多数为有腐蚀有毒性介质和易燃易爆介质，这样就造成现场的工作环境非常恶劣，不适宜工作人员在现场操作。此外，要求该系统在生产过程中具有配料准确、控制良好等规定，这也是半自动化及人工操作控制所难以实现的。因此为了解决相关行业出现的这些问题，尤其是中小型企业中要求做到多种液体自动混合,液体自动混合配料势必成为摆在我们眼前的一大课题。多种液体混合搅拌用于灌装各种各样的瓶装饮料，使用于大中型饮料生产厂家。早期的灌装机械大多数采蠕动泵式、用容积泵式作为计量方式。它具有效率高，功能强，加工质量高等特点，是当今世界的前沿课题，但还是存在一些问题。该液体混合系统采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性的特点。对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景，液体混合自动配料系统就此应社会工厂的需要而诞生了。如何使PLC在饮料灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括工作条件工程对电气控制线路提供的具体资料，系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用，减小设备成本。在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。对于本课题来说，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，控制装置需要根据企业工艺和设备现况来构成并需尽量用以前系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员快速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量。系统的可靠性要高。人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计2要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计3第2章液体混合装置系统设计21系统的整体设计要求在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。本设计使用液位LT1、LT2、LT3三个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。22系统方案的设计思想控制系统简单、经济、使用和维护方便。物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要求（1）可靠性高具有较高的可靠性是衡量一个电气控制设备很关键的性能指标。由于PLC采用现代大规模集成电子电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，所以生产制作出来的产品的可靠性往往都是很高的。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了功能中的逻辑处理以外，现代PLC基本上都具有比较完善的数据运算能力，因此可以用在各种各样的数字控制场合。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎作为通用的工业控制计算机，PLC是面向工矿企业的工控设备。它的接口简单，编程语言容易被工程技术人员接受。梯形图编程语言的符号及图形与表达方式跟继电器的电路图比较相当接近，只用少量的PLC开关量逻辑控制指令就能方便地实现继电器电路所能实现的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机来从事工业控制减少了很多工作量，节约了时间。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计4PLC中存储逻辑被接线逻辑代替了，这样一来就大大的削减了控制设备的外部接线数量，控制系统的设计及建造的周期也大大缩短，同时维护起来也变得容易。更为重要的是这样同一设备只需改变程序便可实现不同的生产过程，给需要进行多品种、小批量的生产场合带来了很大的便利。（5）体积小，重量轻，能耗低（6）硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强23系统硬件设计231PLC输入输出口分配通过分析控制任务，共需要5个数字量输入和4个数字量输出。I00为开始按钮，I01为停止按钮，I02、I03、I04分别为三个液位传感器，Q01、Q02、Q03分别为电磁阀A、电磁阀B、排放电磁阀三个电磁阀，Q00为搅拌电机。输入/输出地址分配如表21所示。表21控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启动常开按钮SB1I00停止常开按钮SB2I01液位传感器I接通液位传感器LT1I02液位传感器H接通液位传感器LT2I03液位传感器L接通液位传感器LT3I04输出信号电动机驱动接触器KMQ00电磁阀YV1打开电磁阀YV1Q01电磁阀YV2打开电磁阀YV2Q02电磁阀YV3打开电磁阀YV3Q03河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计5232液体混合装置输入输出接线图液体混合装置输入/输出接线图如图21所示。（1）启动操作按下启动按钮SB1，YV1通电并自锁，液体A流入容器。（2）液面上升到I当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。3液面上升到H液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。4搅匀后排放混合液体1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。6停止操作按下停止按钮SB2，在当前的操作处理完毕后停止操作。图21液体混合输入/输出接线图河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计6233PLC主电路图本次设计中的混合液体搅拌由电动机M启动。带有短路保护、过载保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能，过载保护由FR热继电器来实现其保护功能。当液体倒到H时，KM接通，搅拌电机开始运行。液体混合装置的主电路图如图22所示。图22主电路234电器位置安装图如图23河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计7图2324硬件选择241液位传感器的选择选用LSF25型液位传感器其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，25为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下（1）工作压力可达25MPA。（2）工作温度上限为125C。（3）触点寿命为100万次。（4）触点容量为70W。（5）开关电压为24VDC。（6）切换电流为05A。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计8242搅拌电机的选择选用EJ153型电动机。其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流相关元件主要技术参数及原理如下EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。（1）额定电压为220V，额定频率为50HZ，功率为25KW，采用三角形接法。（2）电动机运行地点的海拔不超过1000M。工作温度1540C/湿度90。（3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。243电磁阀的选择（1）入罐液体选用VF425型电磁阀,其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（MM）宽度。相关元件主要技术参数及原理如下1）材质聚四氟乙烯。使用介质硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体。2）介质温度150/环境温度2060C。3）使用电压AC220V50HZ/60HZDC24V。4）功率AC25KW。5）操作方式常闭通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。（2）出罐液体选用AVF40型电磁阀，其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径MM相关元件主要技术参数及原理如下1）其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果。2）其阀体材料为聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力。3）使用电压AC220V50HZ/60HZDC24V。4）功率AC5KW。244PLC的选择在本控制系统中，所需的开关量输入为5点，开关量输出为4点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用西门子S7200系列PLC作控制单元来控制整个系统。之所以选择这种PLC，主要考虑S7200系列PLC有以下特点（1）丰富的指令系统。除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计9据处理，甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。（2）快速的CPU处理速度、大程序容量。（3）大的网络通信功能。可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1N上位链接通信方式，用一台计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。（4）编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。245元件选择元器件明细表22名称型号数量备注按钮开关KH22042个液位传感器LSF253个搅拌电动机EJ1531个电磁阀（入液罐）VF4252个电磁阀（出液罐）AVF401个接触器CJX19/220V1个25系统PLC软件设计251PLC控制相关流程图PLC控制相关流程图如图24所示，主要是有混合过程和停止过程两个方面构成1混合过程按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。2停止过程河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计101分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当位下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。3具体运行过程为按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。图24河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计11252可编程控制器梯形图根据系统控制流程图所表达出的各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制，各功能子程序的编制，其他辅助程序的编制。本次设计利用经验设计的方法进行在整体上将继电器转化成对输出线圈的控制，然后进行细节修改。本次设计的PLC梯形图河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计12语句表NETWORK1//NETWORKTITLE//按下I01程序运行完后结束LDI01OM00ANI00M00NETWORK2//按下I00，Q01工作LDI00OQ01OT38ANM00河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计13ANQ02Q01NETWORK3//液位到I时，Q02工作，Q01结束LDI02EUOQ02ANQ00Q02NETWORK4//液位到H时电机启动，开始计时LDI03EUOQ00ANT37Q00TONT37,600NETWORK5//一分钟后Q03工作，LDT37OQ03ANT38Q03NETWORK6//液位到L时，T38开始计时2S后Q03停止工作，开始新循环LDI04EDOM01ANT38M01TONT38,2026系统调试根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用PLC的仿真软件进行仿真。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计14具体步骤如下（1）导入梯形图（2）点击运行（3）进行调试按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，PLC输出Q01工作状态指示灯亮，液体A流入容器。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计15当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，PLC输出Q02工作状态指示灯亮,PLC输出Q01工作状态指示灯灭，液体B流入容器。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计16液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。PLC输出Q02工作状态指示灯灭，PLC输出Q00工作状态指示灯亮。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计171分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，PLC输出Q00工作状态指示灯灭，PLC输出Q03工作状态指示灯亮，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，PLC输出Q03工作状态指示灯灭，并自动开始新的周期。若按SB2按钮系统停止运行。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计18第3章总结及进一步研究方向本设计主要阐述液体混料罐的自动控制，实现液体混料全过程即进料、混料、出料的自动控制。其系统结构简单，运行稳定可靠。使用了西门子SL200系列PLC，设计了控制程序。尽管毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种继电器的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。与老师的交流沟通也使我从各种角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。对现场的控制也只是理论，没有完成PLC与液位传感器之间的通讯。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计19致谢本文从选题到完成的整个过程，得到指导老师的悉心指导。王老师渊博的学识，谦虚、严谨的治学态度、灵活的思维方式、认真的工作作风和对学生的关心都令我佩服不已，谆谆教诲使我受益匪浅，这必将在今后的学习和工作中给我鼓励和鞭策，为以后步入社会、适应工作奠定良好的基础。在此，本人由衷的表示的感谢在设计的完成过程中，通过不断的查询相关资料加深了对PLC的认识。丰富了自己的相关知识，为以后的工作积累了丰富的设计经验。河南工业大学机电综合系统设计液体混合装置的控制系统设计20参考文献1廖常初可编程序控制器的编程方法和工程应用M重庆重庆大学出版社20032欧阳三泰欧阳希周琴可编程控制器发展综述J机床电器200513陈润泰许琨检测技术与智能仪表中南工业大学出版社20024方承远、王炳勋电气控制原理与设计M常熟宁夏人民出版社，1989360705李景学金广业编可编程控制器应用系统设计方法北京电子工业出版社，1995