液體混合裝置控制

1、摘 要當前，plc（可編程控制器）控制系統(tǒng)已成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段之一。在很多的生產(chǎn)過程中，不同液體的混合都是不可缺少的關鍵環(huán)節(jié)。如何利用plc自動控制系統(tǒng)來對兩種不同液體混合的環(huán)節(jié)進行自動的、循環(huán)的、穩(wěn)定的、精確的、安全的控制呢？這有賴于控制裝置和程序設計的合理性、全面性和穩(wěn)定性，后者占有核心的地位，所以對程序的設計就顯得更為重要了。根據(jù)液體混合裝置的具體控制要求，利用plc的程序設計方法和基本的指令系統(tǒng)編制應用程序是本論文的主要設計目的與內容，而應用程序的可行性、全面性和穩(wěn)定性則是本論文的設計目標。關鍵詞：plc；液體混合；裝置；控制目 錄引 言1一、液體混合控制裝置和控制要求11.

2、1液體混合裝置11.2裝置潛在故障的分析21.3裝置控制要求31.4正常工作進程的分析4二、控制程序的編制62.1 i/o接口分配62.2外部接線圖62.3功能圖72.4梯形圖11三、控制裝置與控制系統(tǒng)的應用與改進13結 論14致謝詞15參考資料16液體混合裝置控制引言這是一篇畢業(yè)設計，按照學院和教育政策的指示，我將嚴格自主完成。本論文主要論述利用plc針對兩種不同液體混合裝置的控制編制應用程序。首先，要對液體混合裝置有所了解，此裝置由混合池、輸液管、出液管、閥門、液面檢測器、轉速傳感器、攪拌機構和電動機等組成，上接不同液體的輸送單元，下接混合液體的接受單元。其次了解控制要求，對液體的送入采用

3、不同時依次輸送，先送完一種液體至混合池再送入另一種液體，輸液完畢后開始進行攪拌，攪拌完畢后將混合液體送出，利用液位信號實現(xiàn)控制邏輯。同時對液體混合和裝置性能的狀態(tài)也采取了監(jiān)控措施，實時報告錯誤并中斷進程以保護生產(chǎn)和督促檢修。由此，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性方能得到保障。最后設計流程和編制程序，選擇具有代表性的fx2系列plc的步進指令和編程方法作為工具，fx2系列的plc除了采用梯形圖以外，還可以采用sfc順序功能圖語言進行編制程序，利用sfc能較容易編寫出復雜的順序控制程序，此種圖形簡單而直觀，對程序的調試也很方便，適宜用于編制液體混合裝置的控制程序。根據(jù)繪制的順序功能圖，采用以轉換條件為中心

4、的編程方式來設計plc梯形圖程序。這些編程的方式和思想都是較為常用的，在實際應用中也是很普遍的。在本論文的最后部分，筆者還對控制裝置和控制系統(tǒng)提出了一些改進的方面和可行途徑，期望能另生產(chǎn)過程更為合理和安全，效果更高。對于在程序的設計和編制過程中出現(xiàn)的各種問題和波折，本論文不再詳細講述。提綱的安排，詳細請看目錄編排。一、液體混合控制裝置和控制要求1.1液體混合裝置液體的混合裝置（如圖1所示）分為液體輸送、數(shù)據(jù)檢測和液體混合三部分，液體的輸送由兩支輸液管及控制閥門、一支出液管及控制閥門組成，輸液管a、b負責將兩種不同液體依次送入混合池，攪拌結束后出液管負責將混合液體送入下一單元，均由控制閥門來控制

5、管路的開閉；數(shù)據(jù)檢測部分有四只液位傳感器和一只轉速傳感器組成，液體傳感器分別檢測四個不同的液位信號，轉速傳感器則對攪拌勺的轉動情況進行檢測；液體混合部分由混合池和攪拌裝置（攪拌電動機、傳動機構和攪拌勺）組成，這是兩種不同液體混合攪拌的場所。至下一單元液面檢測器3液面檢測器2液面檢測器1液面檢測器4轉速傳感器閥門閥門出液管攪拌池攪拌勺傳動桿攪拌電動機加液管a加液管b 圖1 液體混合裝置示意圖1.2裝置潛在故障的分析1、傳感器故障傳感器故障主要是傳感器的損壞或者檢測電路故障導致，在裝置的工作過程中此類故障（液面檢測器4故障除外）一旦出現(xiàn)，將會對上下單元產(chǎn)生影響。所以必須采取必要措施預防此類故障的出

6、現(xiàn)。一種做法是采用雙套傳感器系統(tǒng)，以降低裝置故障出現(xiàn)的幾率，保證生產(chǎn)過程的正常運轉，此方法需要投入額外硬件，增加了生產(chǎn)成本，而且因為其中一套傳感器系統(tǒng)的任何一只或幾只傳感器損壞時對裝置的正常工作無影響，所以只有到裝置不正常工作時才能提醒傳感器故障的出現(xiàn)；另一種做法是采用編制軟件自動跟蹤檢測并警報故障的方法來預防，此方法無需投入額外硬件，節(jié)省成本，而且有故障警報，對故障的檢測和維修就更為方便了，選擇此方法更為適宜。2、輸液管閥門故障輸液管閥門故障一般出現(xiàn)在閥門的開閉問題，屬于硬件故障；另一可能是電磁繼電器不能工作，失去了對閥門開閉控制，屬于軟件故障，此類故障會導致液體無法送入或送出，上下單元的工

7、作也只能被迫終止，所以輸液管閥門故障必須得有檢測系統(tǒng)進行實時的檢測警報，一旦故障出現(xiàn)可以及時督促維修，保證生產(chǎn)。3、攪拌機構故障攪拌機構故障有攪拌傳動機構故障和攪拌電動機故障，將引起攪拌勺不正常的攪拌動作，導致液體沒有充分混合，影響產(chǎn)品的質量。預防此故障，采用的方法是安裝轉速傳感器檢測攪拌勺，當攪拌勺正常動作攪拌時，輸出信號，當攪拌勺不動作時，不輸出信號，再利用信號的有無來辨別故障的產(chǎn)生與否，編制合理的程序便可對其進行實時監(jiān)控警報了，以提醒工作人員攪拌活動的情況。4、上下單元的影響在裝置的正常運轉過程中，上下單元的不正常工作也會影響到本裝置的正常工作。上一單元無液體提供給本單元，或者下一單元不

8、接受本單元的液體送出的話，本單元必須終止工作，以免引起本單元的故障出現(xiàn)。解決此問題的方法是利用軟件進行檢測，如果整個流程時間超出正常工作時間的三分之一，則自動終止本單元的所有進程，再結合上下單元自身的故障檢測系統(tǒng)，此問題便可以得到很好地解決。1.3裝置控制要求1、正常工作進程的控制要求液體混合裝置正常工作流程如下圖所示：輸液管a往混合池送入液體輸液管b往混合池送入液體輸液管a往混合池送入液體出液管送出液體至下一單元攪拌混合液體啟動液位升至檢測器21min攪拌結束混合液送出完畢，暫停或進入下一流程液位升至檢測器3 圖2 混合裝置正常工作流程圖啟動后，輸液管a的控制閥門打開，液體送入混合池；液位上

9、升至液位檢測器2時，輸液管a的控制閥門關閉，同時輸液管b的控制閥門打開，另一種液體自b管流入混合池；當液位上升至液位檢測器3時，輸液管b的控制閥門關閉；液體送入結束，同時攪拌電動機啟動進行液體攪拌；一分鐘后，攪拌停止，出液管控制閥門打開，將混合好的液體送至下一單元；液體全部送出后，一次工作流程結束，輸液管a控制閥門接著重新打開，下一次工作流程開始。由于實際生產(chǎn)過程中，人工介入是經(jīng)常的，很多時候也是必須的，所以在每一次工作流程結束后，應具有暫停功能，以便工作人員介入進行必要的操作，人工介入完成后解除暫停，啟動繼續(xù)進行下一次工作流程。2、故障的檢測要求(1) 第一工作進程的故障檢測第一工作進程中可

10、能出現(xiàn)的故障有控制系統(tǒng)接收不到檢測器1或檢測器2的信號、輸液管a控制閥門失控、上一單元無液體送來等。無液位信號1會導致無法啟動或進入下一進程，無液位信號2會導致液體a送入超過額定量，引起控制程序紊亂失調；閥門失控和無液體送來會引起工作進程無法進行。所以需要編制合理的程序檢測預防此類故障的發(fā)生。(2)第二工作進程的故障檢測第二工作進程中可能出現(xiàn)的故障有控制系統(tǒng)接收不到檢測器3的信號、輸液管b控制閥門失控、上一單元無液體送來等。此類故障會導致液體溢出混合池并無法進入下一進程。所以需要采取安裝液位傳感器4和編制合理的程序檢測預防此類故障的發(fā)生。(3)第三工作進程的故障檢測第三工作進程中可能出現(xiàn)的故障

11、有攪拌電動機或傳動機構無法正常工作，將會導致攪拌動作錯誤，液體不能充分混合，所以需要采取安裝轉速檢測器并編制合理的程序檢測預防此類故障的發(fā)生。(4) 第四工作進程的故障檢測第四工作進程中可能出現(xiàn)的故障有出液管控制閥門失控引起混合液無法送至下一單元，所以也需要編制合理的程序來對它進行檢測預防。(5) 整個工作流程的故障檢測在每一個工作進程的故障出現(xiàn)后，應該發(fā)出聲光警報以督促工作人員檢修，維修人員可以隨時解除警報并令系統(tǒng)中斷整個流程返回到初始狀態(tài)，以便故障維修完畢后可以繼續(xù)啟動，重新開始工作流程，保證生產(chǎn)。在裝置無故障出現(xiàn)，但出現(xiàn)了其它突發(fā)情況需要立即終止生產(chǎn)時，為保護生產(chǎn)應該設置一個具有任意時刻

12、終止所有進程并返回初始狀態(tài)的控制端口。1.4正常工作進程的分析所有工作進程中各器件的工作波形圖如圖3所示：在混合池無液體的時候，按下啟動按鈕，加液管a閥門接收信號開啟，第一種液體自a管流入，液體到達混合池底部時，液面檢測器1才檢測液位信號，所以在啟動的瞬間，液面檢測器1無信號輸出，得等得片刻才有，除了這等待的片刻之外，在整個流程中的其余任何時刻液面檢測器1都是有信號輸出的。在液面上升至液面檢測器2的位置時，液面檢測器2開始有信號輸出，同時加液管a閥門失去信號關閉，加液管b閥門接收信號開啟，在液面上升至液面檢測器3的位置時，加液管a閥門失去信號關閉，同時攪拌電動機接收信號啟動，由于慣性，轉速傳感

13、器有信號輸出的時間會比電動機啟動有短暫的滯后，一分鐘后，攪拌電動機失去信號關閉，轉速傳感器信號輸出停止，出液管閥門接收信號開啟，液面位置下降到液面檢測器3的位置以下時，液面檢測器3信號輸出停止，液面位置下降到液面檢測器2的位置以下時，液面檢測器1信號輸出停止，液體送出完畢后，液面檢測器1信號輸出接著停止。液面檢測器1液面檢測器2液面檢測器3加液管a閥門出液管閥門液面檢測器1加液管b閥門液面檢測器1攪拌電動機轉速傳感器第一進程第二進程第三進程第四進程 圖3 所有進程中各器件的工作波形圖二、控制程序的編制2.1 i/o接口分配 i/o接口分配如下表：輸入輸出符（序）號代號名稱符（序）號代號名稱x0

14、s0啟動按鈕y0km1加液管a閥門控制繼電器x1v1液面檢測器1的信號y1km2加液管b閥門控制繼電器x2v2液面檢測器2的信號y2km3出液管閥門控制繼電器x3v3液面檢測器3的信號y3km4攪拌電動機控制繼電器x4v4液面檢測器4的信號y4km5聲光警報1控制繼電器x5v5轉速傳感器的信號y5km6聲光警報2控制繼電器x6s1解除警報、任意時刻中斷返回s0步按鈕y6km7聲光警報3控制繼電器x7s2一次流程后暫停開關y7km8聲光警報4控制繼電器x0、x6都是按鈕，為系統(tǒng)提供一個脈沖信號，執(zhí)行相應的控制。x1、x2、x3、x4都是液面檢測器的信號，這些信號都是經(jīng)過放大濾波和模/數(shù)轉換處理的

15、。x5是轉速傳感器的信號，同樣是經(jīng)過放大濾波和模/數(shù)轉換處理的，所不同的是只要被測件轉動則x5輸入高電平，不轉動時無輸入（處于低電平）。x7是一個開關信號，與x0、x6的按鈕脈沖信號不同，裝置正常工作時x7處于斷開狀態(tài)，需要人工介入的話，x7就保持處于閉合狀態(tài)，所以x7也是一種具有硬件自鎖功能的按鈕。2.2外部接線圖系統(tǒng)的i/o對應、輸入輸出外部接線圖如圖4所示：輸入部分：s0為整個控制系統(tǒng)的啟動按鈕，s1為整個系統(tǒng)的故障警報解除和任意時刻中斷返回按鈕，s2是一次流程完成后暫停開關，v1-v5為傳感器的數(shù)字信號輸入。輸出部分：km1-km4對應于控制系統(tǒng)進程的m1-m4，控制系統(tǒng)的正常運行，k

16、m5-km8對應于系統(tǒng)進程m1-m4的故障警報控制。v5v4v3v2v1km7km6km5km4km3km2km1km8clpcomy7coms2s1s0y7y6y5y4y3y2y1y0x7x6x5x4x3x2x1x0圖4 外部接線圖2.3 功能圖1、裝置正常工作進程功能圖m8002m0x1x0y0m1x2x1x7y1m2x3y3m3t0x1x7m4t0y2 圖5 裝置正常工作進程功能圖上圖中，m8002將m1-m4均復位，同時也將m0置位。按下啟動按鈕s0，x0導通，因為混合池中無液體滯留，所以液位檢測器1無信號輸出，x1處于閉合狀態(tài)，此時m1變?yōu)榛顒硬?，y0有輸出，輸液管a閥門打開，a液體

17、流入混合池；液位上升到液位檢測器2的位置時，液位傳感器2有輸出，x2導通，m2變?yōu)榛顒硬?，m1復位，y0無輸出，a閥門閉合，輸液管b的控制閥門打開，b液體自b管流入混合池；當混合池液位上升到液位傳感器3的位置時，液位傳感器3有輸出，x3導通，m3變?yōu)榛顒硬?，m2復位，b琺門閉合，液體停止輸送，同時y3有輸出，攪拌電動機啟動對液體進行攪拌，定時器t0也同時開始計時，一分鐘后，t0導通，m4變?yōu)榛顒硬?，m3復位，攪拌停止，同時y2有輸出，出液管琺門打開，將混合液自出液管輸送到下一單元。因為從混合池開始有液體時，液位檢測器1便開始有輸出，x1斷開，直到液體全部輸送出混合池時，x1閉合，m4復位，出液

18、管閥門閉合，同時m1重新變?yōu)榛顒硬剑敬喂ぷ髁鞒探Y束，下一次工作流程開始。若想在本次工作流程結束后暫?；蛲Ｖ?，則在本次流程進行時，將s2閉合，待m4步進程完成時，m0變位活動步，m4復位，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，人工介入完成后，斷開s2，按下s0則系統(tǒng)又開始重新工作。 2、實時跟蹤故障自檢功能圖（圖6所示）x6x1x0t4x5x4+t2t0t3t1m8002x2x3m2m1m4m3t1t2y2t4y4t3y3m6m5m8m7t0m0x1圖6 實時跟蹤故障自檢功能圖假設通過測試得出：m1進程（輸液管a往混合池加液）需要的平均工作時間為1min；m2進程（輸液管b往混合池加液）需要的平均工作時間為1mi

19、n；m3進程（液體攪拌）中，轉速檢測器自m3進程開始時到檢測到速度信號的平均滯后時間不超過1s，m4進程（將混合液體送往下一單元）需要的平均工作時間為1min。按照實際生產(chǎn)的控制需要和控制精度，將各平均工作時間的三分之一作為故障斷定的時間裕量，則各進程中的定時器需要的設定時間為相應的平均時間加上各時間裕量。那么t1、t2、t3設定的時間均為80s(1+1/3min)；t4設定的時間為2s。確定故障的方法為：當活動進程實際工作時間超過定時器設定的時間則視為進程涉及的器件出現(xiàn)故障。從圖6所示可以看出，實時跟蹤故障自檢是建立在正常工作進程的基礎上的。分別在m1、m2、m3、m4進程里加入定時器t1、

20、t2、t4、t3，進程開始則定時器開始計時，如果在定時器設定的時間內，活動進程還沒有結束，則進入相應的故障確定進程。比如，在m1為活動步時，80s后（m1的平均工作時間為60s）m1還是活動步，則t1導通，m5變?yōu)榛顒硬?，確定故障出現(xiàn)；在80s前進程結束，則m2變?yōu)榛顒硬?，工作進程正常無故障。如果m5（或m6、m7、m8）變?yōu)榛顒硬?，那么系統(tǒng)就確定了相應進程m1（或m2、m3、m4）出現(xiàn)故障，相應的故障可依據(jù)第一部分的故障檢測要求分析的情況進行人工判定維修。3、出現(xiàn)故障自動報警功能圖（圖7）x6t4x5x4+t2t3t1m2m1m4m3m6m5m8m7y4y5y6y7 圖7 故障自動報警功能圖

21、檢測到系統(tǒng)故障時，控制系統(tǒng)自動進入故障確定進程m5（或m6、m7、m8），在相應的進程里輸出y4（或y5、y6、y7）控制報警外電路發(fā)出聲光警報。發(fā)現(xiàn)警報后，維修人員可按下按鈕s1（x6）解除警報，控制系統(tǒng)自動返回到初始步等待。4、全局功能圖通過對系統(tǒng)正常工作進程、自動跟蹤故障自檢和自動報警功能圖的分析，可以知道，后兩個功能圖依賴于第一個功能圖，所以可以將三個功能圖合并成一個全局功能圖（如圖8所示），此功能圖包含了系統(tǒng)正常工作和自動跟蹤故障自檢報警的程序。結合裝置的實際工作過程，在m5進程里，只有當液面檢測器2（x2）損壞，同時a管控制閥門也無法關閉，且混合池液面上升到液面檢測器4的位置，工作

22、人員沒有及時解除警報時，m6才可以作為m5的后續(xù)步成為活動步，則y4警報自動解除，y5警報開始。這種警報就預示了更為嚴重的故障了。除此之外，m6只能作為m2的后續(xù)步。m7只能作為m3的后續(xù)步而沒有條件作為m6的后續(xù)步；m8只能作為m4的后續(xù)步，而沒有條件作為m7的后續(xù)步。s2（x6）按鈕是作為在系統(tǒng)正常工作時的特殊情況任意時刻急停和故障警報解除使用，按下之后，控制系統(tǒng)自動返回初始步等待。x1x7x6x1x0t4x5x4+t2t0t3t1m8002x2x3m2m1m4m3y0y1y3y2t1t2y2t4y4t3y3m6m5m8m7y4y5y6y7t0m0x1x7 圖8 全局功能圖2.4 梯形圖由

23、全局功能圖可以轉換成梯形圖（如圖9所示）。以轉換條件為中心的編程方法與轉換實現(xiàn)的基本原則間有著嚴格的對應關系，利用轉換規(guī)則可以對梯形圖實現(xiàn)輕松的轉換，對程序的檢查分析也很容易清晰。讀梯形圖和讀功能圖類似，相差不大，不再贅述。t4t4k20x7m2m1m3m4m6m5m8m7t1m2x5x4x2x3t0x7x1x1x1t3x6x0m4m4m0m8002m2m1m4m3m1m3t2m2m1m4m3m6m5m8m7y0y1y3y2y4y5y6y7t2k800t2k800t3k800t0k600setm0rstm1setm2rstm1setm5rstm2setm3rstm3setm4rstm4setm1rstm4setm0rstm2setm6rstm3setm7setrstm0setm0rstm4setm8setm1endrstm2rstm3rstm4rstm5rstm6rstm7rstm8rstm1圖9 液體混合裝置控制梯形圖三、控制裝置與控制系統(tǒng)的應用與改進本液體混合控制系統(tǒng)適用于混合粘稠性小的液體，控制精度不大，產(chǎn)品質量要求較低，工作時間相對寬松的生產(chǎn)場合。本裝置的工作時間相對較長，主要原因是裝置的檢測元件設置和工作的進程不夠合理。為了減少工作時間，可以將液體的送入合并到一個進程中，兩種液體同時從兩支管道送入混合池，液面檢測器換成流量傳感器，安裝在兩支管道內