基于PLC的多種液體混合灌裝機控制系統設計

1、基于PLC的多種液體混合灌裝機控制系統設計摘 要以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動機攪拌后要達到一定的溫度才能將混合的液體輸出容器。并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混合系統的控制設計考慮到其動作的連續(xù)性以及各個被控設備動作之間的相互關聯性，針對不同的工作狀態(tài)，進行相應的動作控制輸出，從而實現液體混合系統從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個周期控制工作的程序實現。設計以液體混合控制系統為中心,從控制系統的硬件系統組成、軟件選用到系統的設計過程（包括設計方案、設計流程、設計要求、梯形圖設計、外部連接通信等），旨在對其中的設計及制作過程做簡單的介紹和說明。關鍵詞 ：多種液體，混合

2、裝置，自動控制I目 錄第1章 緒論.3第2章 系統總體設計.42.1 方案的選擇42.2 系統總體設計4第3章 硬件設計.63.1 硬件選型63.1.1液位傳感器的選擇63.1.2 溫度傳感器的選擇63.1.3攪拌電機的選擇73.1.4 電磁閥的選擇73.1.5 接觸器的選擇73.1.6 熱繼電器的選擇83.1.7 PLC的選擇83.1.8 儲罐的選擇83.2 硬件電路設計83.2.1輸入/輸出地址分配如表3-283.2.2液體混合裝置輸人/輸出接線9第4章 軟件設計.124.1 系統流程（流程圖）124.2根據控制分配的I/O地址及仿真13第5章 系統常見故障分析與維護.14結論.15參考文

3、獻.17附錄.18 第1章 緒論在工業(yè)生產中，為了提高產品質量，縮短生產周期，適應產品迅速更新換代的要求，產品生產正在向縮短生產周期、降低成本、提高生產質量等方向發(fā)展。在煉油、化工、制藥等行業(yè)中,多種液體混合是必不可少的工序, 而且也是其生產過程中十分重要的組成部分。但由于這些行業(yè)中多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質, 以致現場工作環(huán)境十分惡劣, 不適合人工現場操作。另外, 生產要求該系統要具有混合精確、控制可靠等特點, 這也是人工操作和半自動化控制所難以實現的。PLC一經出現，由于它的自動化程度高、可靠性好、設計周期短、使用和維護簡便等獨特優(yōu)點，備受國內外工程技術人員和工業(yè)界廠商的極大關注，生

4、產PLC的廠家云起。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在PLC中的應用，使PLC的功能不斷得到增強，產品得到飛速發(fā)展。采用基于PLC的控制系統來取代原來由單片機、繼電器等構成的控制系統，采用模塊化結構，具有良好的可移植性和可維護性。對提高企業(yè)生產和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產線的效率、使用壽命和質量，減少了企業(yè)產品質量的波動，因此具有廣闊的市場前景。本設計的主要研究的有以下幾點(1)使液體灌裝機能夠實現安全、高效的灌裝；(2)滿足灌裝的各項技術要求；(3) 具體內容包括多種液體混合控制方案的設計、軟硬件電路的設計、常見故障分析。本課題應解決的主要問題是如何使PLC在飲料灌裝中實現控制功

5、能，在相關的研究文獻報道中用PLC對灌裝機進行控制的研究尚不多見，以致人們難以根據它的具體情況，正確選用參數進行系統控制，也就難以滿足提高質量和效率、降低成本的要求，本設計就是基于以上問題進行的一些探索。第2章 系統總體設計2.1 方案的選擇設計原則主要包括：工作條件；工程對電氣控制線路提供的具體資料。系統在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經濟、合理、合用，減小設備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術、新產品?？刂朴扇斯た刂频阶詣涌刂疲赡M控制到微機控制，使功能的實現由一到多而且更加趨于完善。對于本課題來說，如果液體混合系統部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統的改造升級，

6、新控制裝置需要根據企業(yè)設備和工藝現況來構成并需盡可能的利用舊系統中的元器件。對于人機交互方式改造后系統的操作模式應盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新控制系統中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關量，系統的可靠性要高，人機交互界面友好，應具備數據儲存和分析匯總的能力。要實現整個液體混合控制系統的設計，需要從怎樣實現各電磁閥的開關以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現在就這個問題的如何實現以及選擇怎樣的方法來確定系統方案。 2.2 系統總體設計從圖2-1中可知設計的液體混合裝置主要完成三種液體的自動混合攪拌并控制溫度，如圖2-1所示。此裝置需要控制的元件有：

7、其中L1、L2、L3為液面?zhèn)鞲衅?，液面淹沒該點時為ON。Y1、Y2、Y3、Y4為電磁閥，M為攪拌電機，T為溫度傳感器，R為加熱器。另外還有控制電磁閥和電動機的1個交流接觸器KM。所有這些元件的控制都屬于數字量控制，可以通過引線與相應的控制系統連接從而達到控制效果。圖2-1 液體混合灌裝機啟動操作 按下啟動按鈕SB1，液體混合裝置開始按以下步驟工作：打開Y1,Y2閥門，液體A,B流入，液面上升；當液面達到L2處；L2=ON，關閉Y1，Y2電磁閥。打開Y3閥門，液體c流入，液面上升；當液面達到L1處；L1=ON，關閉Y3電磁閥。液面上升，當液面達到L1處；L1=ON打開攪拌電機M,攪拌加熱一段時間

8、后停止。(5)打開放液閥Y4,混合液體流出，液面下降；直到露出L3后，L3= ON,在經過20S后，容器放空，關閉Y4電磁閥門。(6)開始下一個循環(huán)過程。第3章 硬件設計3.1 硬件選型 3.1.1液位傳感器的選擇選用LSF-2.5型液位傳感器其中“L”表示光電的，“S”表示傳感器，“F”表示防腐蝕的，2.5為最大工作壓力。LSF系列液位開關可提供非常準確、可靠的液位檢測。其原理是依據光的反射折射原理，當沒有液體時，光被前端的棱鏡面或球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面時，光被折射出去，這使得輸出發(fā)生變化，相應的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關量。應用此原理可制成單點或多點液位開關。LSF 光

9、電液位開關具有較高的適應環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關元件主要技術參數及原理如下：（1）工作壓力可達2.5Mpa（2）工作溫度上限為125C（3）觸點壽命為100萬次（4）觸點容量為70w（5）開關電壓為24V DC（6）切換電流為0.5A3.1.2 溫度傳感器的選擇 選用KTY81-210A型溫度傳感器其中“T” 表示溫度KTY系列溫度傳感器采用進口Philips硅電阻元件精心制作而成，具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性強，產品壽命長等優(yōu)點, 該溫度傳感器已廣泛應用于電機變頻調速溫度控制，太陽能熱水器溫度測量領域彩印設備溫控，汽車油溫測量、發(fā)動機冷卻系統、工業(yè)控制系統中過熱保護、加

10、熱控制系統、電源供電保護等。選用KTY81-210A型溫度傳感器。相關元件主要技術參數及原理如下：（1）測量溫度范圍為 -50150（2）溫度系數TC為 0.79%/K（3）精度等級為 0.5%（4）公稱壓力為 0.6MPa3.1.3攪拌電機的選擇 選用EJ15-3型電動機其中“E”表示電動機，“J”表示交流的，15為設計序號，3為最大工作電流相關元件主要技術參數及原理如下：EJ15系列電動機是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。（1）額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，功率為2.5KW，采用三角形接法。（2）電動機運行地點的海拔不超過1000m。工作溫度-1540C /濕度90

11、%。（3）EJ15系列電動機效率高、節(jié)能、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。3.1.4 電磁閥的選擇 （1）入罐液體選用VF4-25型電磁閥其中“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，4表示設計序號，25表示口徑（mm） 寬度。相關元件主要技術參數及原理如下：1）材質：聚四氟乙烯。使用介質：硫酸、鹽酸、有機溶劑、化學試劑等酸堿性的液體。2）介質溫度150/環(huán)境溫度-2060C。3）使用電壓：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：2.5KW。5）操作方式：常閉：通電打開、斷電關閉，動作響應迅速，高頻率。（2）出罐液體選用AVF-40型電磁閥其中“A”表示可調節(jié)流量

12、，“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，40為口徑(mm)相關元件主要技術參數及原理如下：1）其最大特點就是能通過設備上的按鍵設置來控制流量，達到定時排空的效果。2）其閥體材料為：聚四氟乙烯，有比較強的抗腐蝕能力。3）使用電壓：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：5KW。3.1.5 接觸器的選擇 選用CJ20-10/CJ20-16型接觸器其中“C”表示接觸器，“J”表示交流，20為設計編號，10/16為主觸頭額定電流相關元件主要技術參數及原理如下：（1）操作頻率為1200/h（2）機電壽命為1000萬次（3）主觸頭額定電流為10/16（A）（4）額定電壓為380/2

13、20（A）（5）功率為2.5KW3.1.6 熱繼電器的選擇 選用JR16B-60/3D型熱繼電器其中“J”表示繼電器，“D”帶斷相保護相關元件主要技術參數及原理如下：（1）額定電流為20（A）（2）熱元件額定電流為32/45（A）3.1.7 PLC的選擇 可編程控制器是一種將計算機技術、自動控制技術和通信技術結合在一起的新型工業(yè)自動控制設備，不僅能實現對開關量信號的邏輯控制。還能實現與上位計算機等智能設備之間的通信。因此，將可編程控制器應用于多種液體混合灌裝機，完全能滿足控制要求。且具有操作簡單、運行可靠、工藝參數修改方便、自動化程度高等優(yōu)點，故選用三菱FX系列的PLC。3.1.8 儲罐的選擇

14、 能用于攪拌的單層儲罐容積3040L，長、寬、高（760*470*102）mm。3.2 硬件電路設計3.2.1輸入/輸出地址分配如表3-1表3-1 液體混合裝置輸入/輸出地址分配表1 液體混合裝置輸入/輸出地址分配輸入點地址功能輸出點地址功能X0SB0啟動按鈕Y0電磁閥Y1X1L1液位傳感器Y1電磁閥Y2X2L2液位傳感器Y2電磁閥Y3X3L3液位傳感器Y3電磁閥Y4X4T溫度傳感器Y4攪拌機MX5SB1停止按鈕Y5加熱器HX6FR常閉觸點3.2.2液體混合裝置輸人/輸出接線輸人/輸出接線圖如圖3-2（1）兩種液體的進人當PLC接通電源后，按下啟動按鈕SB0后，觸點X0接通，由于有微分指令DF

15、，使該路只接通一掃描周期，通過保持指令KP使Y1、Y2輸出繼電器線圈得電并保持，分別與之相接的Y1、Y2電磁閥帶電接通，流進兩種不同成分的液體。（2）第三種液體的進人當液體達到L2液位傳感器的位置時，X2輸人繼電器接通使Y1、Y2關閉，同時地址為16的X2接通，利用KP指令使輸出繼電器Y3接通并保持，與之相連的Y3電磁閥得電接通，第3種液體流進液罐。圖3-2 液體混合裝置輸人/輸出接線圖（3）攪拌機工作當液位到達L1液位傳感器的位置時，該傳感器檢測到該信息，使Xl輸人繼電器線圈得電，在梯形圖中它的X1常開觸點接通，通過KP指令復位端，使輸出繼電器Y3關閉，與之相連的硯電磁閥關閉，同時接通地址為

16、32的X1常開觸點，使代表攪拌機Y5的輸出繼電器接通。（4）加熱器工作攪拌機通過Y5的輸出信號得電并開始攪拌，并用TIMY0定時器定時，定時時間為10s。10s到后，地址為45的定時器常開觸點T0接通，使Y6輸出繼電器得電，與之相連的加熱器H這時接通，開始加熱液體，同時關閉Y5使攪拌機M停止。（5）混合液體開始排出當液體溫度達到預定溫度時，溫度傳感器T檢測到該信息，同時梯形圖中地址為47的X4接通使Y6失電，從而使加熱器H關閉，同時接通地址為51的X4常開觸點，使X4接通，與之相連的Y4電磁閥打開，排出攪拌均勻后的混合液體。（6）混合液體排完當液位低于L3液位傳感器的位置時，L3液位傳感器由通

17、到斷，使X3也由通到斷，這樣相當于一個下降沿，驅使DF產生一個掃描周期的脈沖，通過KP指令置位端使輔助繼電器R0接通，接通后使定時器TMY1定時，大約5s時間，液體排完。（7）重復液體混合過程重復液體混合過程是通過并聯在梯形圖地址為2位置上的定時器TMY1常開觸點實現的。同時T1常開觸點也接通，通過保持保持指令KP使R0復位，定時器關閉。（8）報警器工作在工作過程中，若液位達到L4時，X4得電，報警器發(fā)出報警信號第4章 軟件設計4.1 系統流程系統的流程簡介：（1）首先按下啟動按鈕SB0開關接通,會有兩種液體流下。（2）當液面到達一定的液位以后，打開Y3開關。（3）這時第三種液體開始進入罐中。

18、（4）當液面到達一定高度以后，Y3關閉，開始攪拌。（5）Y6開關啟動，對混合以后的液體進行加熱。（6）檢測到達一定溫度后，關閉Y6，打開Y4。（7）打開Y4以后，開始排出液體，并檢測液面高度。（8）當液面下降到最低點以后，定時器工作。（9）一段時間以后，按下停止按鈕，程序結束。 啟 動Y1Y2開，進液體A、B到L2, Y1、Y2關、Y3開 進液體C到L1,Y3關、Y5開，即開始攪拌攪拌的同時，加熱混和液體，啟動定時器時間到時，Y5關，Y4開，即排出混合液體當液位低于L3時,L3由通到斷TMY1定時，5s后，Y4關按停止按鈕？結束圖4-1程序流程圖4.2根據控制分配的I/O地址及仿真圖4-2 梯

19、形圖第5章 系統常見故障分析與維護在整個過程控制系統中最容易發(fā)生故障地點在現場，現場中最容易出故障的有以下幾個方面。(1)第1類故障點是在繼電器、接觸器。PLC控制系統的日常維護中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開關。主要原因除產品本身外，就是現場環(huán)境比較惡劣，接觸器觸點易打火或氧化，然后發(fā)熱變形直至不能使用。所以減少此類故障應盡量選用高性能繼電器，改善元器件使用環(huán)境，減少更換的頻率，以減少其對系統運行的影響。(2)第2類故障多發(fā)點在閥門等設備上。因為這類設備的關鍵執(zhí)行部位，利用電動執(zhí)行機構推拉閥門或閘板的位置轉換，機械、電氣、液壓等各環(huán)節(jié)稍有不到位就會產生誤差或故障。長期使用缺乏維護

20、，機械、電氣失靈是故障產生的主要原因，因此在系統運行時要加強對此類設備的巡檢，發(fā)現問題及時處理。(3)第3類故障點是傳感器和儀表，這類故障在控制系統中一般反映在信號的不正常。這類設備安裝時信號線的屏蔽層應單端可靠接地，并盡量與動力電纜分開敷設，特別是高干擾的變頻器輸出電纜，而且要在PIC內部進行軟件濾波。這類故障的發(fā)現及處理也和日常點巡檢有關，發(fā)現問題應及時處理。結論實踐證明，任何設計的控制系統想要達到預定的控制此效果，都是要經過實踐和時間的考驗方能不斷的完善。就如同我們做計控課程設計，這課程設計是對我們所學知識的考驗，也是對我們對知識綜合運用能力的考驗。更是對我們做一件事情態(tài)度考研。我在花費了兩周的時間中，和同學研討，商量中學到了課本上以前沒有的知識，在課外我也學到了功夫不負有心人，只要你努力，堅持不懈。沒有難題可以打敗你。經過設計我們應該學會認真、專心、更有毅力的做一件事情，這樣我們在以后的工作和生活中才能經得起實踐和時間的考驗，我們才能在以后的工作學習中取得更好的成績，相