液體混合裝置plc控制系統(tǒng)設(shè)計 原版 2

1、 電氣工程學(xué)院 課程設(shè)計說明書 電氣控制與PLC 設(shè)計題目: 液體混料裝置的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 系 別: 電氣工程系 年級專業(yè)：檢測技術(shù)與儀器2班 學(xué) 號：101203021113 學(xué)生姓名：曹慶春 指導(dǎo)教師：張立國 教師職稱： 2013年 12 月 12 日 內(nèi)容摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活日趨自動化，生產(chǎn)技術(shù)更是如此。PLC作為計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的。隨著微處理器、計算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程序控制器PLC在工業(yè)控制中的地位也日益提升并且在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，而且可編程控制器在工業(yè)控制中所占比重在迅速的上升。本次設(shè)計是利用PLC實(shí)現(xiàn)兩種液體的自動混合

2、。此次設(shè)計主要考慮其各個不同狀態(tài)動作的連續(xù)和關(guān)聯(lián)，對不同的狀態(tài)進(jìn)行不同的動作控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)將AB兩種液體混合的周期性控制（包括單周期）。本次設(shè)計的主要意義是：用PLC編程來控制，一方面可以省去人力物力，從而達(dá)到節(jié)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體混合能更安全可靠全面的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： PLC 液體混合裝置 自動控制目 錄第 1章 引言1第2章 控制系統(tǒng)設(shè)計22.1 系統(tǒng)整體設(shè)計要求22.2 系統(tǒng)設(shè)計思想22.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3 2.3.1 PLC輸入輸出口分配3 2.3.2液體混合裝置輸入輸出接線圖4 2.3.3 PLC主電路圖5 2.3.4 電氣位置安裝圖6

3、2.4硬件選擇6 2.4.1液位傳感器選擇6 2.4.2電動機(jī)選擇7 2.4.3電磁閥的選擇7 2.4.4 PLC的選擇7 2.4.5元件選擇8 2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計8 2.5.1PLC控制相關(guān)流程圖8 2.5.2可編程控制器梯形圖10 2.6系統(tǒng)調(diào)試13第3章 總結(jié)及進(jìn)一步研究方向18致謝19參考文獻(xiàn)20燕山大學(xué)里仁學(xué)院課程設(shè)計7第 1 頁 第一章 引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制技術(shù)已經(jīng)在人類活動的各個領(lǐng)域中的應(yīng)用得越來越廣泛，而它的水平已經(jīng)成為衡量一個國家生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在煉油、制藥、化工等行業(yè)中，液體混合已經(jīng)是不可缺少的程序，而且也是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一部分。

4、然而由于此類行業(yè)中多數(shù)為有腐蝕有毒性介質(zhì)和易燃易爆介質(zhì)，這樣就造成現(xiàn)場的工作環(huán)境非常惡劣，不適宜工作人員在現(xiàn)場操作。此外，要求該系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中具有配料準(zhǔn)確、控制良好等規(guī)定，這也是半自動化及人工操作控制所難以實(shí)現(xiàn)的。因此為了解決相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的這些問題，尤其是中小型企業(yè)中要求做到多種液體自動混合,液體自動混合配料勢必成為擺在我們眼前的一大課題。液體混合系統(tǒng)采用基于PLC的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機(jī)、繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的可移植性和可維護(hù)性的特點(diǎn)。對提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波動，因此具有廣闊的

5、市場前景，液體混合自動配料系統(tǒng)就此應(yīng)社會工廠的需要而誕生了。如何使PLC在飲料灌裝中實(shí)現(xiàn)控制功能，在相關(guān)的研究文獻(xiàn)報道中用PLC對灌裝機(jī)進(jìn)行控制的研究尚不多見，以致人們難以根據(jù)它的具體情況正確選用參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制，也就難以滿足提高質(zhì)量和效率、降低成本的要求，本設(shè)計就是基于以上問題進(jìn)行的一些探索。整個設(shè)計過程是按工藝流程設(shè)計，為設(shè)備安裝、運(yùn)行和保護(hù)檢修服務(wù)，設(shè)計的編寫按照國家關(guān)于電氣自動化工程設(shè)計中的電氣設(shè)備常用基本圖形符號（GB4728）及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范編寫。設(shè)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(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟(jì)、合理、合用，減

6、小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品?？刂朴扇斯た刂频阶詣涌刂疲赡M控制到微機(jī)控制，使功能的實(shí)現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。對于本課題來說，液體混合系統(tǒng)部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改適升級，控制裝置需要根據(jù)企業(yè)工藝和設(shè)備現(xiàn)況來構(gòu)成并需盡量用以前系統(tǒng)中的元器件。對于人機(jī)交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應(yīng)盡量和改造前的相類似，以便于操作人員快速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關(guān)量。系統(tǒng)的可靠性要高。人機(jī)交互界面友好，應(yīng)具備數(shù)據(jù)儲存和分析匯總的能力。要實(shí)現(xiàn)整個液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要從怎樣實(shí)現(xiàn)多個電磁閥的開關(guān)以及電動機(jī)啟動

7、的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實(shí)現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。 第二章 液體混合裝置系統(tǒng)設(shè)計 2.1系統(tǒng)的整體設(shè)計要求 在該混合液體裝置中，需要完成兩種液體的進(jìn)料、混合、卸料的功能，集體控制要求如下圖： 按動啟動按鈕后，電磁閥A通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達(dá)到L2時，液位傳感器L2接通，此時電磁閥A斷電關(guān)閉，而電磁閥B通電接通，液體B流入容器。液位達(dá)到L3時，液位傳感器L3接通，這時電磁閥B斷電關(guān)閉，同時啟動電機(jī)M攪拌。1分鐘后電動機(jī)M停止攪拌，這時電磁閥C通電打開，放出混合液體。當(dāng)液位下降到L3，再繼續(xù)放液20秒后關(guān)閉放液閥門，隨后再將電磁閥A打開，開始新的周期。

8、本設(shè)計使用液位L1、L2、L3三個傳感器控制液體A、液體B的進(jìn)入和混合液排出的3個電磁閥門及攪拌機(jī)的啟停。 2.2系統(tǒng)方案的設(shè)計思想控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用和維護(hù)方便。物料混合設(shè)備要節(jié)能、安全、高效和滿足生產(chǎn)及應(yīng)用要求：（1）可靠性高具有較高的可靠性是衡量一個電氣控制設(shè)備很關(guān)鍵的性能指標(biāo)。由于PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電子電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，所以生產(chǎn)制作出來的產(chǎn)品的可靠性往往都是很高的。（2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了功能中的邏輯處理以

9、外，現(xiàn)代PLC基本上都具有比較完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，因此可以用在各種各樣的數(shù)字控制場合。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 作為通用的工業(yè)控制計算機(jī)，PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它的接口簡單，編程語言容易被工程技術(shù)人員接受。梯形圖編程語言的符號及圖形與表達(dá)方式跟繼電器的電路圖比較相當(dāng)接近，只用少量的PLC開關(guān)量邏輯控制指令就能方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路所能實(shí)現(xiàn)的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)來從事工業(yè)控制減少了很多工作量，節(jié)約了時間。（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC中存儲邏輯被接線邏輯代替了，這樣一來就大大的削減了控制設(shè)備的外部接線數(shù)量，控

10、制系統(tǒng)的設(shè)計及建造的周期也大大縮短，同時維護(hù)起來也變得容易。更為重要的是這樣同一設(shè)備只需改變程序便可實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)過程，給需要進(jìn)行多品種、小批量的生產(chǎn)場合帶來了很大的便利。（5）體積小，重量輕，能耗低（6）硬件配套齊全，擁護(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.3.1 PLC輸入輸出口分配通過分析控制任務(wù)，共需要5個數(shù)字量輸入和4個數(shù)字量輸出。I0.0為開始按鈕，I0.1為停止按鈕，I0.2、I0.3、I0.4分別為三個液位傳感器，Q0.1、Q0.2、Q0.3分別為電磁閥A、電磁閥B、排放電磁閥三個電磁閥，Q0.0為攪拌電機(jī)。輸入/輸出地址分配如圖2-1所示?？刂菩盘栃盘柮Q元件名稱元件

11、符號地址編碼輸入信號啟動常開按鈕SB1I0.0停止常開按鈕SB2I0.1液位傳感器L2接通液位傳感器LT1I0.2液位傳感器L1接通液位傳感器LT2I0.3液位傳感器L3接通液位傳感器LT3I0.4輸出信號電動機(jī)M驅(qū)動接觸器KMQ0.0電磁閥A打開電磁閥YV1Q0.1電磁閥B打開電磁閥YV2Q0.2電磁閥C打開電磁閥YV3Q0.3 圖2-1 輸入/輸出地址分配2.3.2液體混合裝置輸入輸出接線圖液體混合裝置輸入/輸出接線圖如圖2-2所示。（1）啟動操作按下啟動按鈕SB1，YV1通電并自鎖，液體A流入容器。 （2）液面上升到I當(dāng)液位高度達(dá)到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁

12、閥YV2通電接通，液體B流入容器。 (3) 液面上升到H液位達(dá)到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機(jī)M攪拌。 (4) 攪勻后排放混合液體1分鐘后電動機(jī)M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)液位下降到L后，再延時20s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期。 (6) 停止操作按下停止按鈕SB2，在當(dāng)前的操作處理完畢后停止操作。 圖2-2 液體混合輸入/輸出接線圖2.3.3 PLC主電路圖本次設(shè)計中的混合液體攪拌由電動機(jī)M啟動。帶有短路保護(hù)、過載保護(hù)等，短路保護(hù)由FU熔斷器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，過載保護(hù)由FR熱繼電器來實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。當(dāng)液體倒到H時，

13、KM接通，攪拌電機(jī)開始運(yùn)行。液體混合裝置的主電路圖如圖2-3所示。圖2-3 主電路2.4 硬件選擇2.4.1 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(guān)可提供非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當(dāng)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(yīng)的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關(guān)量。應(yīng)用此原理可制成單點(diǎn)或多點(diǎn)液位開關(guān)。LSF 光電液位開關(guān)具有較高的適應(yīng)環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及

14、原理如下：（1）工作壓力可達(dá)2.5Mpa。（2）工作溫度上限為125°C 。（3）觸點(diǎn)壽命為100萬次 。（4）觸點(diǎn)容量為70w 。（5）開關(guān)電壓為24V DC。 （6）切換電流為0.5A 。2.4.2 攪拌電機(jī)的選擇選用EJ15-3型電動機(jī)。其中“E”表示電動機(jī)，“J”表示交流的，15為設(shè)計序號，3為最大工作電流 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： EJ15系列電動機(jī)是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機(jī)。 （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(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔不超過1000m。工作溫度-1540°C /濕度90

15、%。 （3）EJ15系列電動機(jī)效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運(yùn)行安全可靠。2.4.3 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(shè)計序號，25表示口徑（mm） 寬度。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1）材質(zhì)：聚四氟乙烯。使用介質(zhì)：硫酸、鹽酸、有機(jī)溶劑、化學(xué)試劑等酸堿性的液體。2）介質(zhì)溫度150/環(huán)境溫度-2060°C。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(guān)閉，動作響應(yīng)迅速，高頻率。 （2）出罐液體選用AVF-40型電磁閥

16、，其中“A”表示可調(diào)節(jié)流量，“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，40為口徑(mm) 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1）其最大特點(diǎn)就是能通過設(shè)備上的按鍵設(shè)置來控制流量，達(dá)到定時排空的效果。2）其閥體材料為：聚四氟乙烯，有比較強(qiáng)的抗腐蝕能力。 3）使用電壓：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：5KW。2.4.4 PLC的選擇 在本控制系統(tǒng)中，所需的開關(guān)量輸入為5點(diǎn)，開關(guān)量輸出為4點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和維修的方便性，選擇模塊式PLC。由于本系統(tǒng)的控制是順序控制，選用西門子S7-200系列PLC作控制單元來控制整個系統(tǒng)。之所以選擇這種PLC，主要考慮S7-200系

17、列PLC有以下特點(diǎn)：（1） 豐富的指令系統(tǒng)。除能實(shí)現(xiàn)一般的邏輯控制外，還可進(jìn)行運(yùn)動控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可直接控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速控制。而且各類PLC產(chǎn)品的指令系統(tǒng)都具有向上兼容性，便于應(yīng)用程序的移植。 （2）快速的CPU處理速度、大程序容量。 （3）大的網(wǎng)絡(luò)通信功能?？芍苯舆B接調(diào)制解調(diào)器，可方便地與其他PLC或上位機(jī)連成通信網(wǎng)絡(luò)，通過上位計算機(jī)對生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。在生產(chǎn)規(guī)模較大，所控制的機(jī)床達(dá)到兩臺以上時，可采用1：n上位鏈接通信方式，用一臺計算機(jī)管理多臺床，構(gòu)成一個二級分布式集一散控制系統(tǒng)。 （4）編程及監(jiān)控功能強(qiáng)大、維護(hù)簡單、價格適中。 2.4.5 元件選擇 元器件明細(xì)

18、如圖2-4名稱型號數(shù)量備注按鈕開關(guān)KH-22042個液位傳感器LSF-2.53個攪拌電動機(jī)EJ15-31個電磁閥（入液罐）VF4-252個電磁閥（出液罐）AVF-401個接觸器CJX1-9/220V1個 圖2-4 元器件明細(xì) 2.5系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計2.5.1 PLC控制相關(guān)流程圖PLC控制相關(guān)流程圖如圖2-4所示，主要是有混合過程和停止過程兩個方面構(gòu)成： (1) 混合過程：按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達(dá)到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。液位達(dá)到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同

19、時啟動電機(jī)M攪拌。 (2) 停止過程： 1分鐘后電動機(jī)M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)位下降到L后，再延時2s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期。 (3) 具體運(yùn)行過程為： 按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達(dá)到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。液位達(dá)到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機(jī)M攪拌。1分鐘后電動機(jī)M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)液位下降到L后，再延時2s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期

20、。 圖2-4 2.5.2 可編程控制器梯形圖 根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖所表達(dá)出的各控制對象的動作順序，相互間的制約關(guān)系。在明確PLC寄存器空間分配，確定專用寄存器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計，包括主程序編制，各功能子程序的編制，其他輔助程序的編制。本次設(shè)計利用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的方法進(jìn)行在整體上將繼電器轉(zhuǎn)化成對輸出線圈的控制，然后進(jìn)行細(xì)節(jié)修改。本次設(shè)計的PLC梯形圖：語句表Network 1 / Network Title/ 按下I0.1程序運(yùn)行完后結(jié)束LD I0.1O M0.0AN I0.0= M0.0Network 2 / 按下I0.0，Q0.1工作LD I0.0O Q0.1O T38AN M0.0A

21、N Q0.2= Q0.1Network 3 / 液位到I時，Q0.2工作，Q0.1結(jié)束LD I0.2EUO Q0.2AN Q0.0= Q0.2Network 4 / 液位到H時電機(jī)啟動，開始計時LD I0.3EUO Q0.0AN T37= Q0.0TON T37, 600Network 5 / 一分鐘后Q0.3工作，LD T37O Q0.3AN T38= Q0.3Network 6 / 液位到L時，T38開始計時2s后Q0.3停止工作，開始新循環(huán)LD I0.4EDO M0.1AN T38= M0.1TON T38, 202.6 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)所設(shè)計的關(guān)于攪拌控制的梯形圖，選用PLC的仿真軟件進(jìn)

22、行仿真。具體步驟如下： （1）導(dǎo)入梯形圖 （2）點(diǎn)擊運(yùn)行 （3）進(jìn)行調(diào)試 按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，PLC輸出Q0.1工作狀態(tài)指示燈亮，液體A流入容器。 當(dāng)液位高度達(dá)到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，PLC輸出Q0.2工作狀態(tài)指示燈亮,PLC輸出Q0.1工作狀態(tài)指示燈滅，液體B流入容器。 液位達(dá)到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機(jī)M攪拌。PLC輸出Q0.2工作狀態(tài)指示燈滅，PLC輸出Q0.0工作狀態(tài)指示燈亮。 1分鐘后電動機(jī)M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，PLC輸出Q0.0工作狀態(tài)指示燈滅，PLC輸出Q0.3工作狀態(tài)指示燈亮，放出混合液體去下道工序。 當(dāng)液位下降到L后，