基于PLC的多種液體混合灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

論文題目： 基于 PLC 的多種 液體混合灌裝機(jī) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 所在院系：機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)：機(jī)電技術(shù)教育 導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間： 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(dòng)機(jī)攪拌后要達(dá)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(tǒng)的控制設(shè)計(jì)考慮到其動(dòng)作的連續(xù)性以及各個(gè)被控設(shè)備動(dòng)作之間的相互關(guān)聯(lián)性，針對(duì)不同的工作狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)液體混合系統(tǒng)從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個(gè)周期控制工作的程序?qū)?現(xiàn)。設(shè)計(jì)以液體混合控制系統(tǒng)為中心 ,從控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成、軟件選用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程（包括設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)要求、梯形圖設(shè)計(jì)、外部連接通信等） ,旨在對(duì)其中的設(shè)計(jì)及制作過(guò)程做簡(jiǎn)單的介紹和說(shuō)明。設(shè)計(jì)采用日本松下公司的AFP12417 系列 PLC 去 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞 ： 多種液體 ， 混合裝置 ， 自動(dòng)控制 The design of the liquid mixture in three control as an example Abstract the request is to a certain proportion by the three liquid mixture, stirring after the motor to reach a certain temperature can be mixed containers of liquids output. And form a cycle. Liquid hybrid systems of control designed taking into account the continuity of its action and charged with various equipment moves between the interrelated, and for different working conditions, and make the appropriate motor control output, thus realizing the liquid hybrid systems from the first liquid Added to the mixture to complete the output of such a cycle control of the program. Designed to liquid mixed as the central control system, control system from the hardware components, software system to choose the design process (including design, design process, design requirements, the ladder design, external communications link, etc.), which seeks to The design and production process of doing brief introduction and description. Designed with the AFP2417 Corporation PLC to achieve the design requirements. Keywords ： Variety of liquid； Mixed devices； Automatic control 目 錄 1 緒論 . 4 2 多種 液體混合 灌裝機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 5 2.1 方案設(shè)計(jì) . 5 2.2 方案的介紹 . 5 3 硬件電路設(shè)計(jì) . 6 3.1 總體結(jié)構(gòu) . 6 3.2 液位 傳感器的選擇 . 8 3.3 溫度傳感器 的選擇 . 8 3.4 攪拌電機(jī)的選擇 . 9 3.5 電磁閥的選擇 . 9 3.6 接觸器 . 10 3.7 熱繼電器的選擇 . 10 3.8 PLC 的選擇 . 10 3.9 PLC 輸人、輸出口分配 . 12 3.10 液體混合裝置輸人 /輸出接線 . 12 4 軟件電路設(shè)計(jì) . 14 4.1 程序框圖 . 14 4.2 根據(jù)控制要求和 I/O 地址 編制的控制梯形圖 . 15 4.3 語(yǔ)句表 . 17 5 系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析及維護(hù) . 18 5.1 系統(tǒng)故障的概念 . 18 5.2 系 統(tǒng)故障分析及處理 . 18 5.2.1 PLC 主機(jī)系統(tǒng) . 18 5.2.2 PLC 的 I O 端口 . 18 5.2.3 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備 . 18 5.3 系統(tǒng)抗干擾性的分析和維護(hù) . 19 6 結(jié)束語(yǔ) . 20 致謝 . 20 參考文獻(xiàn) . 21 1 緒論 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求，產(chǎn)品生產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質(zhì)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(chǎn)過(guò)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(zhì) , 以致現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境十分惡劣 , 不適合人工現(xiàn)場(chǎng)操作。另外 , 生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控制可靠等特點(diǎn) , 這也是人工操作和半自動(dòng) 化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。所以為了幫助相關(guān)行業(yè) , 特別是其中的中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)多種液體混合的自動(dòng)控制 , 從而達(dá)到液體混合的目的，液體混合自動(dòng)配料勢(shì)必就是擺在我們眼前的一大課題。借助實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應(yīng)用，了解不同公司的可編程控制器的型號(hào)和原理，熟悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見(jiàn)于工業(yè)生產(chǎn)中，適合 大中型飲料生產(chǎn)廠家， 尤其見(jiàn)于化學(xué)化工業(yè)中，便于學(xué)以致用。 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給大規(guī)模工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)了曙光。 1968 年，美國(guó)最大的汽車制造廠商通用汽車（ GM）公司提出了公開(kāi)招標(biāo)方案，設(shè)想將功能完備、靈活、通 用的計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器便于使用的特點(diǎn)相結(jié)合，把計(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向過(guò)程、面向問(wèn)題的 “自然語(yǔ)言 ”編程，生產(chǎn)一種新型的工業(yè)通用控制器，使人們不必花費(fèi)大量的精力進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，也能像繼電器那樣方便地使用。這個(gè)方案首先得到了美國(guó)數(shù)字設(shè)備（ DEC）公司的積極響應(yīng)，并中標(biāo)。該公司于 1969 年研制出了第一臺(tái)符合招標(biāo)要求的工業(yè)控制器，命名為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱 PLC（有的稱為 PC），并在 GM 公司的汽車自動(dòng)裝配線上試驗(yàn)獲得了成功。 PLC 一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動(dòng)化程度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、使用和維護(hù)簡(jiǎn)便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員和工業(yè)界廠商的極大關(guān)注，生產(chǎn)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(yīng)用，使 PLC 的功能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。 采用基于 PLC 的控制系統(tǒng)來(lái)取代原來(lái)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。對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大的幫助，同時(shí)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(dòng)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。用 PLC 進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控 制的實(shí)例很多，在冶金、機(jī)械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需用到它，如燈光照明、機(jī)床電控、食品加工、印刷機(jī)械、電梯、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、 液體混合自動(dòng)配料系統(tǒng) 、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應(yīng)用 PLC 來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本次設(shè)計(jì)是將 PLC 用于多種液體混合灌裝設(shè)置的控制，對(duì)學(xué)習(xí)與實(shí)用是很好的結(jié)合。 本設(shè)計(jì)的主要研究范圍及要求達(dá)到的技術(shù)參數(shù)有 (1)使液體 灌裝機(jī) 能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高效的 灌裝 ； (2)滿足灌裝的各項(xiàng)技術(shù)要求； (3) 具體內(nèi)容包括 多種液體混合 控制方案的設(shè)計(jì)、軟硬件電路的設(shè)計(jì)、 常見(jiàn)故障分析等等。 本課題應(yīng)解 決的主要問(wèn)題是 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(bào)道中用 PLC 對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行控制的研究尚不多見(jiàn)，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(jì)就是基于以上問(wèn)題進(jìn)行的一些探索。 2 多種 液體混合 灌裝機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 方案設(shè)計(jì) 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是按思想工藝流程設(shè)計(jì)，為設(shè)備安裝、運(yùn)行和保護(hù)檢修服務(wù)。設(shè)計(jì)的編寫(xiě)按照國(guó)家關(guān)于電氣自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)備常用基本圖形符號(hào)（ GB4728）及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范編寫(xiě)。設(shè)計(jì)原則主要包括：工作條件；工 程對(duì)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，減小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時(shí)更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品?？刂朴扇斯た刂频阶詣?dòng)控制，由模擬控制到微機(jī)控制，使功能的實(shí)現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。 對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，如果液體混合系統(tǒng)部分是一個(gè)較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改造升級(jí)，新控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備和工藝現(xiàn)況來(lái)構(gòu)成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對(duì)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，以便于操作人員迅速掌握。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(kāi)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(chǔ)存和分析匯總的能力。 要實(shí)現(xiàn)整個(gè)液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要從怎樣實(shí)現(xiàn)各電磁閥的開(kāi)關(guān)以及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的控制這個(gè)角度去考慮，現(xiàn)在就這個(gè)問(wèn)題的如何實(shí)現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來(lái)確定系統(tǒng)方案。 2.2 方案的介紹 就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電 器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制、可編程序控制器控制。 （ 1） 繼電器控制系統(tǒng) 控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、 電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參量變化而動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)裝置的自動(dòng)控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過(guò)程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會(huì)影響整個(gè)系 統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。 （ 2） 單片機(jī)控制 單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，機(jī)構(gòu)上包括 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入 /輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。但是，單片機(jī)是一片集成電 路，不能直接將它與外部 I/O 信號(hào)相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O 接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大。 （ 3） 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 工控機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實(shí)用性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢(shì)。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開(kāi)關(guān)量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 （ 4）可編程序控制器控制 可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶 不用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬繭配制和設(shè)計(jì)外部接線圖，同時(shí)采用梯形圖語(yǔ)言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點(diǎn)和接線，通過(guò)修改程序適應(yīng)工藝條件的變化。 可編程控制器 (PLC)從上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等構(gòu)成開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)。隨著 30 多年來(lái)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， PLC 也通過(guò)不斷的升級(jí)換代大大增強(qiáng)了其功能。現(xiàn)在 PLC 已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能和數(shù)據(jù)處理 功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實(shí)的多功能控制器。由 PLC 為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)自動(dòng)化的首選控制裝置。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 總體結(jié)構(gòu) 從圖 1 中可知 設(shè)計(jì)的液體混合裝置主要完成 三 種液體的自動(dòng)混合攪拌并控制溫度， 如圖 1 所示。 此裝置需要控制的元件有： 其中 L1、 L2、 L3 為液面?zhèn)鞲衅?，液面淹沒(méi)該點(diǎn)時(shí)為 ON。 Y1、 Y2、 Y3、 Y4 為電磁閥， M 為攪拌電機(jī)， T 為溫度傳感器， H 為加熱器。 另外還有控制電磁閥和電動(dòng)機(jī)的 1 個(gè)交流接觸器 KM。所有這些元件的 控制都屬于數(shù) 字量控制，可以通過(guò)引線與相應(yīng)的控制系統(tǒng)連接從而達(dá)到控制效果。 圖 1 液體混合灌裝機(jī) （ 1） 初始狀態(tài) 容器是空的，各個(gè)閥門(mén) Yl、 Y2、 Y3、 Y4 均為 OFF，液位傳感器 L1、 L2、L3 均為 OFF，電動(dòng)機(jī) M 為 OFF，加熱器 H 為 OFF。 （ 2） 啟動(dòng)操作 按下啟動(dòng)按扭，開(kāi)始下列操作 : 1) Y1=Y2=ON，液體 A 和 B 同時(shí)注人容器。當(dāng)液面達(dá)到 L2 時(shí)， L2=ON，使 Y1=Y2=OFF， Y3=ON，即關(guān)閉 Y1 和 Y2 閥門(mén)，打開(kāi)液體 C 的閥門(mén) Y3。 2) 液面達(dá)到 L1 時(shí)， Y3=OFF， M=ON，即關(guān)閉閥門(mén) Y3，攪拌機(jī) M 啟 動(dòng)，開(kāi)始攪拌。 3) 經(jīng) 10s 鐘攪勻后， M=OFF，停止攪動(dòng)， H=ON，加熱器開(kāi)始加熱。 4) 當(dāng)混合液溫度達(dá)到某一指定值時(shí)， T=ON， H=OFF，停止加熱，使電磁閥Y4=ON，開(kāi)始放出混合液體。 5) 液面低于 L3 時(shí)， L3 從 ON 到 OFF,再經(jīng)過(guò) 5s，容器放空，使 Y4=OFF， 開(kāi)始下一周期。 （ 3） 停止操作 按下停止鍵，無(wú)論處于什么狀態(tài)均停止。 3.2 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(kāi)關(guān)可提 供非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測(cè)。其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當(dāng)沒(méi)有液體時(shí)，光被前端的棱鏡面或球面反射回來(lái)；有液體覆蓋光電探頭球面時(shí)，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(dòng)作并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量。應(yīng)用此原理可制成單點(diǎn)或多點(diǎn)液位開(kāi)關(guān)。 LSF 光電液位開(kāi)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)及原理如下： （ 1） 工作壓力可達(dá) 2.5Mpa （ 2） 工作溫度上限為 125C （ 3） 觸點(diǎn)壽命為 100萬(wàn)次 （ 4）觸點(diǎn)容量為 70w （ 5）開(kāi)關(guān)電壓為 24V DC （ 6）切換電 流為 0.5A 3.3 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(jìn)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(qiáng)，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) , 該溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于電機(jī)變頻調(diào)速溫度控制，太陽(yáng)能熱水器溫度測(cè)量領(lǐng)域彩印設(shè)備溫控，汽車油溫測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)中過(guò)熱保護(hù)、加熱控制系統(tǒng)、電源供電保護(hù)等。選用 KTY81-210A型溫度傳感器。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （ 1） 測(cè)量溫度范圍為 -50 150 （ 2） 溫度 系數(shù) TC 為 0.79%/K （ 3） 精度等級(jí)為 0.5% （ 4） 公稱壓力為 0.6MPa 3.4 攪拌電機(jī)的選擇 選用 EJ15-3 型電動(dòng)機(jī) 其中 “E”表示電動(dòng)機(jī)， “J”表示交流的， 15 為設(shè)計(jì)序號(hào)， 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(dòng)機(jī)是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔不超過(guò) 1000m。 工作溫度 -15 40C /濕度 90%。 （ 3） EJ15 系列電動(dòng)機(jī) 效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。其硬件接線如圖 2。 圖 2 硬件接線 3.5 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(jì)序號(hào)， 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 -20 60C 。 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(kāi)、斷電關(guān)閉，動(dòng)作響應(yīng)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(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(guò)設(shè)備上的按鍵設(shè)置來(lái)控制流量，達(dá)到定時(shí)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。 3.6 接觸器 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(shè)計(jì)編號(hào)， 10/16 為主觸頭額定電流 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （ 1）操作頻率為 1200/h （ 2）機(jī)電壽命為 1000 萬(wàn)次 （ 3）主觸頭額定電流為 10/16（ A） （ 4）額定電壓為 380/220（ A） （ 5）功率為 2.5KW 3.7 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(hù) 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)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） 3.8 PLC 的 選擇 傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器 接觸器控制。這種控制系統(tǒng)較復(fù)雜，并且大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低，也間接地降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問(wèn)題，可編程控制器是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技 術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的邏輯控制。還能實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備之間的通信。因此，將可編程控制器應(yīng)用于多種液體混合灌裝機(jī)，完全能滿足控制要求。且具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn) 1。 在本控制系統(tǒng)中，所需的開(kāi)關(guān)量輸入為 6點(diǎn)， 開(kāi)關(guān)量輸出為 7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，選用日本松下電工公司生產(chǎn)的 AFP12417 PLC作控制單元來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。之所以選擇這種 PLC，主要考慮 FP系列 PLC有以下特點(diǎn) 2： （ 1） 豐富的指令系統(tǒng)。在 FP系列 PLC中，即使是小型機(jī)，也具有近 200條指令。除能實(shí)現(xiàn)一般的邏輯控制外，還可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。可直接連接調(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(guò)上位計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的 PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在生產(chǎn)規(guī)模較大，所控制的機(jī)床達(dá)到兩臺(tái)以上時(shí)，可采用 1： n上位鏈接通信方式，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)管理多臺(tái)床，構(gòu)成一個(gè)二級(jí)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(jiǎn)單、價(jià)格適中。 國(guó)際電工委員會(huì)（ International Electrotechnical Commission, IEC）頒布的 PLC的定義為：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工 業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC 的一般結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，由圖可見(jiàn)主要有 6 個(gè)部分組成，包括 CPU(中央處理器 )、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、 I/O 擴(kuò)展接口。 （ 1）中央處理單元 （ CPU） 與通用計(jì)算機(jī)中的 CPU 一樣。 PLC 中的 CPU 也是整個(gè)系統(tǒng)的核心 部件，主要有運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。 CPU 在很大程度上決定了 PLC 的整體性能，如整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)模、 工作速度和內(nèi)存容量等。 （ 2） 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器 稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 PLC 常用的存儲(chǔ)器類型有 RAM、 EPROM、 EEPROM等。 圖 3 PLC 結(jié)構(gòu)圖 （ 3） I/O 模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I/O 模塊或 I/O 單元。 PLC 的對(duì)外功能主要是通過(guò)各種 I/O 接口模 塊與外界聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng) I/O 裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設(shè)備之間傳遞信息的作用。通常 I/O 模塊上還有狀態(tài)顯示和 I/O 接線端子排，以便于連接和監(jiān)視。 （ 4） 電源模塊 輸入、輸 出接 口 電路是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng) I/O 設(shè)備相連接的部件。它的作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為 PLC 能夠接收和處理的 信號(hào)，將 CPU 送來(lái)的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)。 3.9 PLC 輸人、輸出 口 分配 輸入 /輸出地址分配如表 1 表 1 液體混合裝置輸入 /輸出地址分配 輸入點(diǎn)地址 功能 輸出點(diǎn)地址 功能 X0 SB0 啟動(dòng)按鈕 Y0 報(bào)警燈 HL X1 L1 液位傳感器 Y1 電磁閥 Y1 X2 L2 液位傳感器 Y2 電磁閥 Y2 X3 L3 液位傳感器 Y3 電磁閥 Y3 X4 T 溫度傳感器 Y4 電磁閥 Y4 X5 SB1 停止按鈕 Y5 攪拌機(jī) M X6 FR 常閉觸點(diǎn) Y6 加熱器 H Y7 熱繼電器 FR 3.10 液體混合裝置輸人 /輸出接線 輸人 /輸出接線圖如圖 4 （ 1） 兩種液體的進(jìn)人 當(dāng) PLC 接通電源后，按下啟動(dòng)按鈕 SB0 后，觸點(diǎn) X0 接通，由于有微分指令 DF，使該路只接通一掃描周期，通過(guò)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(jìn)兩種不同成分的液體。 （ 2）第三種液體的進(jìn)人 當(dāng)液體達(dá)到 L2 液位傳感器的位置時(shí)， X2 輸人繼電器接通使 Y1、 Y2 關(guān)閉，同時(shí)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(jìn)液罐。 圖 4 液體混合裝置輸人 /輸出接線圖 （ 3）攪拌機(jī)工作 當(dāng)液位到達(dá) L1 液位傳感器的位置時(shí)，該傳感器檢測(cè)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(kāi)觸點(diǎn)接通，通過(guò) KP 指令復(fù)位端，使輸出繼電器 Y3 關(guān)閉，與之相連的硯電磁閥關(guān)閉，同時(shí)接通地址為 32 的 X1 常開(kāi)觸點(diǎn)，使代表攪拌機(jī) Y5 的輸出繼電器接通。 （ 4） 加熱器工作 攪拌機(jī)通過(guò) Y5 的輸出信號(hào)得電并開(kāi)始攪拌，并用 TIMY0 定時(shí)器定時(shí)，定時(shí)時(shí)間為 10s。 10s 到后，地址為 45 的定時(shí)器常開(kāi)觸點(diǎn) T0 接通，使 Y6 輸出繼電器得電，與之相連的加熱器 H 這時(shí)接通，開(kāi)始加熱液體，同時(shí)關(guān)閉 Y5 使攪拌機(jī)M 停止。 （ 5） 混合液體開(kāi)始排出 當(dāng)液體溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，溫度傳感器 T 檢測(cè)到該信息， 同時(shí)梯形圖中地址為 47 的 X4 接通使 Y6 失電，從而使加熱器 H 關(guān)閉，同時(shí) 接通 地址為 51 的X4 常開(kāi)觸點(diǎn)，使 X4 接通，與之相連的 Y4 電磁閥打開(kāi)，排出攪拌均勻后的混合液體 。 （ 6） 混合液體排完 當(dāng)液位低于 L3 液位傳感器的位置時(shí)， L3 液位傳感器由通到斷，使 X3 也由通到斷，這樣相當(dāng)于一個(gè)下降沿，驅(qū)使 DF 產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖，通過(guò) KP指令置位端使輔助繼電器 R0 接通，接通后使定時(shí)器 TMY1 定時(shí)，大約 5s 時(shí)間，液體排完。 （ 7） 重復(fù)液體混合過(guò)程 重復(fù)液體混合過(guò)程是通過(guò)并聯(lián)在梯形圖地址為 2 位置上的定時(shí)器 TMY1 常開(kāi)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí) T1 常開(kāi)觸點(diǎn)也接通，通過(guò)保持保持指令 KP 使 R0 復(fù)位，定時(shí)器關(guān)閉。 4 軟件電 路設(shè)計(jì) 4.1 程序框圖 程序框圖如圖 5 圖 5 程序框圖 4.2 根據(jù)控制要求和 I/O 地址 編制的控制梯形圖 控制梯形圖如圖 6 啟動(dòng) Y1Y2 開(kāi)，進(jìn)液體 A、 B 到 L2, Y1、 Y2 關(guān)、 Y3 開(kāi) 進(jìn)液體 C 到 L1,Y3 關(guān) 、 Y5 開(kāi)，即開(kāi)始攪拌 10s 后， Y6 開(kāi)，即開(kāi)始加熱 Y5 關(guān)， 到預(yù)定溫度時(shí)， Y6 關(guān)，Y4 開(kāi)，即排出混合液體 當(dāng)液位低于 L3 時(shí) ,L3 由通到斷TMY1 定時(shí)， 5s 后， Y4 關(guān) 按停止 按鈕 ？ 結(jié)束 圖 6 控制梯形圖 4.3 語(yǔ)句表 表 2 語(yǔ)句表 0 ST X0 45 ST T0 1 DF 46 AN/ T2 2 OR T1 47 ST X4 3 ST X2 48 OR X5 4 OR X5 49 DF 5 DF 50 KP Y6 6 AN/ T2 51 ST X4 7 KP Y1 52 DF 8 ST X0 53 ST X6 9 DF 54 DF 10 OR T1 55 OR T1 11 ST X5 56 AN/ T2 12 OR X2 57 KP Y4 13 DF 58 ST X3 14 AN/ T2 59 DF/ 15 KP Y2 60 ST T1 16 ST X2 61 KP R0 17 DF 62 ST R0 18 ST X1 63 TMY 1 19 OR X5 K 5 20 DF 67 ST X6 21 AN/ T2 68 OT Y7 22 KP Y3 69 ED 23 ST Y3 24 OR Y2 25 OR Y1 26 TMY 2 K 20 30 ST T2 31 OT Y0 32 ST X2 33 DF 34 ST X5 35 DF 36 OR T0 37 AN/ T2 38 AN/ Y7 39 KP Y5 40 ST Y5 41 TMY 0 K 10 5 系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析及維護(hù) 為了延長(zhǎng) PLC 控制系統(tǒng)的壽命， 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用中要對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)備消耗、元器件設(shè)備故障發(fā)生點(diǎn)有較明白的估計(jì)，也就是說(shuō)，要知道整個(gè)系統(tǒng)哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能對(duì) PLC 過(guò)程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)有所幫助 。 5.1 系統(tǒng)故障的概念 系統(tǒng)故障一般指整個(gè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)失效的總和，它又可分為 PLC 故障和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備故障兩部分。 PLC 系統(tǒng)包括中央處理器、主機(jī)箱、擴(kuò)展機(jī)箱、 I O 模塊及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備包括 I O 端口和現(xiàn)場(chǎng)控制檢測(cè)設(shè)備，如繼電器、接觸器、閥門(mén)、電動(dòng)機(jī)等 。 5.2 系 統(tǒng)故障分析及處理 5.2.1 PLC 主機(jī)系統(tǒng) PLC 主機(jī)系統(tǒng)最容易發(fā)生故障的地方一般在電源系統(tǒng)，電源在連續(xù)工作、散熱中，電壓和電流的波動(dòng)沖擊是不可避免的 。 系統(tǒng)總線的損壞主要由于現(xiàn)在 PLC多為插件結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期使用插拔模塊會(huì)造成局部印刷板或底板、接插件接口等處的總線損壞，在空氣溫度變化、濕度變化的影響下，總線的塑料老化、印刷線路的老化、接觸點(diǎn)的氧化等都是系統(tǒng)總線損耗的原因。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理系統(tǒng)故障的時(shí)候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等因素對(duì)設(shè)備的破壞。目前 PLC 的主存儲(chǔ)器大多采用可擦寫(xiě) ROM，其使用壽命除了主要與制作工藝相關(guān)外，還和底板的供電 、 CPU 模塊工藝水平有關(guān)。而 PLC 的中央處理器目前都采用高性能的處理芯片，故障率已經(jīng)大大下降。對(duì)于 PLC 主機(jī)系統(tǒng)的故障的預(yù)防及處理主要是提高集中控制室的管理水平，加裝降溫措施，定期除塵，使 PLC 的外部環(huán)境符合其安裝運(yùn)行要求；同時(shí)在系統(tǒng)維修時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，謹(jǐn)防人為的對(duì)主機(jī)系統(tǒng)造成損害。 5.2.2 PLC 的 I O 端口 PLC 最大的薄弱環(huán)節(jié)在 I O 端口。 PLC 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其 I O 端口，在主機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平相差無(wú)幾的情況下， I O 模塊是體現(xiàn) PLC 性能的關(guān)鍵部件，因此它也是 PLC 損壞中的突出環(huán)節(jié)。 要減少 I O 模塊的故障就要減少外部各種干擾對(duì)其影響，首先要按照其使用的要求進(jìn)行使用，不可隨意減少其外部保護(hù)設(shè)備，其次分析主要的干擾因素，對(duì)主要干擾源要進(jìn)行隔離或處理 。 5.2.3 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備 在整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障地點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)中最容易出故障的有以下幾個(gè)方面。 (1)第 1 類故障點(diǎn) 是 在繼電器、接觸器。 PLC 控制系統(tǒng)的日常維護(hù)中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開(kāi)關(guān)。主要原因除產(chǎn)品本身外，就是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，接觸器觸點(diǎn)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(yīng)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響 。 (2)第 2 類故障多發(fā)點(diǎn)在閥門(mén)等設(shè)備上。因?yàn)檫@類設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部位，利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推拉閥門(mén)或閘板的位置轉(zhuǎn)換，機(jī)械、電氣、液壓等各環(huán)節(jié)稍有不到位就會(huì)產(chǎn)生誤差或故障。長(zhǎng)期使用缺乏維護(hù)，機(jī)械、電氣失靈是故障產(chǎn)生的主要原因，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要加強(qiáng)對(duì)此類設(shè)備的巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。 (3)第 3 類故障點(diǎn)是傳感器和儀表，這類故障在控制系統(tǒng)中一般反映在信號(hào)的不正常。這類設(shè)備安裝時(shí)信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)單端可靠接地，并盡量與動(dòng)力電纜分開(kāi)敷設(shè)，特別是高干擾的 變頻器輸出電纜，而且要在 PIC 內(nèi)部進(jìn)行軟件濾波。這類故障的發(fā)現(xiàn)及處理也和日常點(diǎn)巡檢有關(guān)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。 5.3 系統(tǒng)抗干擾性的分析和維護(hù) 由于 PLC 是專門(mén)為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的裝置，因此一般不需要再采取特殊措施就能直接用 于工業(yè)環(huán)境中。但如果工作環(huán)境過(guò)于惡劣，如干擾特別強(qiáng)烈 ,可能使 PLC 引起錯(cuò)誤的輸入信號(hào)；運(yùn)算出錯(cuò)誤的結(jié)果；產(chǎn)生出錯(cuò)誤的輸出信號(hào)；造成錯(cuò)誤的動(dòng)作 ,就不能保證控制系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行。 因此為提高控制系統(tǒng)的可靠性 ， 在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)有效的抗干擾措施是非常必要的。 外界干擾的主要來(lái)源 有 3： （ 1） 電源的干擾 供電電源的波動(dòng)以及電源電壓中高次諧波產(chǎn)生的干擾。 （ 2） 感應(yīng)電壓的干擾 PLC 周圍鄰近的大容量設(shè)備啟動(dòng)和停止時(shí)，因電磁感應(yīng)引起的干擾 ;其它設(shè)備或空中強(qiáng)電場(chǎng)通過(guò)分布電容串入 PLC 引起的干擾。 （ 3） 輸入輸出信號(hào)的干擾 輸入設(shè)備的輸入信號(hào)線間寄生電容引起的差 模干擾和輸入信號(hào)線與大地間的共模干擾 ;在感性負(fù)載的場(chǎng)合，輸出信號(hào)由斷開(kāi)一閉合時(shí)產(chǎn)生的突變電流和由閉合一斷開(kāi)的反向感應(yīng)電勢(shì)以及電磁接觸器的接點(diǎn)產(chǎn)生電弧等產(chǎn)生的干擾 。 （ 4） 外部配線干擾 因各種電纜選擇不合理 ， 信號(hào)線絕緣降低 ， 安裝、布線不合理等產(chǎn)生的干擾。 提高 P L C 控制系統(tǒng)抗干擾性能的措施 ： （ 1） 科學(xué)選型 。 （ 2） 選擇高性能電源，抑制電網(wǎng)干擾。 （ 3） 正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)。 （ 4） 柜內(nèi)合理選線配線，降低干擾。 6 結(jié)束語(yǔ) 實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)所采用日本松下公司生產(chǎn)的 AFP12417 型可編程控制器的硬件配置和程序設(shè)計(jì)是完全可行的 ， 在實(shí)際控制中， 由于 PLC 產(chǎn)品自身具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境無(wú)要求和抗干擾性能好等諸多優(yōu)點(diǎn) ,使之完全可以將操作人員從惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)