PLC液料混合裝置設計

1、一、設計目的及意義在工藝加工最初，把多種原料在合適的時間和條件下進行加工得到產(chǎn)品，一直都是在人監(jiān)控或操作下進行的，在后來多用繼電器系統(tǒng)對順序或邏輯的操作過程進行自動化操作，但是現(xiàn)在隨著時代的發(fā)展，這些方式已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的實際需要，實際生產(chǎn)中需要更精確、更便捷的控制裝置。 隨著科學技術的日新月異，自動化程度要求越來越高，原來的液體混合裝置遠遠不能滿足當前自動化的需要。可編程控制器液體自動混合系統(tǒng)集成自動控制技術，計量技術，傳感器技術等技術與一體的機電一體化裝置。充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設計，配置靈活、組態(tài)方便。 可編程控制器多種液體自動混合控

2、制系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)自動工作；控制的單周期運行方式；由傳感器送入設定的參數(shù)實現(xiàn)自動控制；啟動后就能自動完成一個周期的工作，并循環(huán)。二、設計任務要求 1.可編程程序控制器輸入輸出接線圖。 2.控制面板元件布置圖。 3.電動機主電路圖。 4.控制梯形圖和程序。 5.列出所選設備型號、規(guī)格和數(shù)量等。 6.完成設計說明書，（包括封面，目錄，設計任務書，硬件設計思路，硬件原理圖，軟件設計思路，梯形圖，所有器件型號，總結體會，參考文獻）三、液料自動混合控制系統(tǒng)方案設計 目前常用的控制系統(tǒng)有以下幾種：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機和可編程控制器控制。現(xiàn)在將這幾種控制系統(tǒng)相比較，并結合本設計的實際確

3、定控制方案。(1)繼電器控制系統(tǒng)PLC與繼電器均可用于開關量邏輯控制。PLC的梯形圖與繼電器電路圖都是用線圈和觸點來表示邏輯關系。繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件繼電器(或稱物理繼電器)和硬件接線來實現(xiàn)的，PLC的控制功能主要是用軟件(即程序)來實現(xiàn)的。PLC采用的計算機技術、順序控制、定時、計數(shù)、運動控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，比繼電器控制系統(tǒng)的功能強大的多。繼電器系統(tǒng)的可靠性差，診斷復雜的繼電器系統(tǒng)的故障非常困難。梯形圖程序中的輸出繼電器是一種“軟繼電器”，它們的功能是用軟件來實現(xiàn)的，因此沒有硬件繼電器那樣的觸點易于出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。PLC的可靠性高，故障率極低，并且很容易

4、診斷和排除故障。繼電器的控制功能被固定在線路中，其功能單一，不易修改，靈活性差。PLC的控制方式靈活，有很強的柔性，僅需修改梯形圖就可以改變控制功能。至今還沒有一套通用的容易掌握的繼電器電路設計方法，設計復雜的繼電器電路既困難又費時，設計出的電路也很難閱讀理解。PLC有大量用軟件實現(xiàn)的輔助繼電器，定時器和計數(shù)器等編程元件供梯形圖的設計者使用。用先進的順序控制設計法來設計梯形圖，比設計相同功能的繼電器電路花費的時間要少得多。繼電器要在硬件安裝，接線全部完成后才能進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題后修改電路花的時間也很多。PLC控制系統(tǒng)的開關柜制作，現(xiàn)場施工和梯形圖設計可以同時進行，梯形圖可以在實驗室模擬調(diào)試，發(fā)

5、現(xiàn)問題后修改起來非常方便。（2）單片機控制單片機又稱單片微控制器，將CPU、并行輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器、存儲器和通信接口集成在一個芯片中，最便宜的8位單片機銷售僅為幾元，其功能強，響應速度快，性能價格比極高。但是除了單片機芯片外，單片機還需要設計硬件電路圖和印制電路板。單片機一般用匯編語言或C語言編程，編程時需要了解單片機內(nèi)部的硬件結構。將單片機用于工業(yè)控制，對開發(fā)人員的硬件設計水平和軟件設計水平的要求都很高。此外，用單片機設計測控產(chǎn)品需要采用大量的硬件，軟件方面的抗干擾措施，才能保證長期穩(wěn)定可靠的運行。有的專業(yè)公司開發(fā)的單片機產(chǎn)品的可靠性都難達到PLC的水平。使用單機機的專用測控裝置

6、都由專業(yè)廠家來開發(fā)，現(xiàn)在很少有最終用戶開發(fā)單件或小批量的單片機測控裝置。(3) 工業(yè)控制計算機控制控制用的個人計算機(PC)稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工控機。工控機是在個人計算機的基礎上發(fā)展起來的，采用總線結構，硬件的兼容性較強。IPC有各種各樣的輸入/輸出板卡供用戶選用，有很強的高速浮點去處、圖像運算、通信和人機交互等功能，容易實現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡的一體化。PLC的體積小巧緊湊，硬件和操作系統(tǒng)的可靠性總體上比工控機高。工控機則來源于個人計算機，主要用于過程控制或控制系統(tǒng)中的上位機和人機接口。在高端應用方面，很難區(qū)分PLC和工業(yè)PC之間的差異，因主兩者均采用同樣的微機處理器和內(nèi)存芯片。PLC與PC

7、相比有以下優(yōu)點：1) 對低端應用，PLC具有極大的性能價格比優(yōu)勢。工控機的價格比較高，將它用于小型開關量控制系統(tǒng)以取代繼電器控制，無論在體積和價格上都很難接受，可靠性也遠不如PLC。2) PLC的可靠性無可比擬，故障停機時間最少。3) PLC是專門為工廠現(xiàn)場應用環(huán)境設計的，結構上采用整體密封或插件組合型，對印制板，電源，機架，插座的制造和密閉，均采用了嚴密的措施。4) PLC使用專門為工控設計的各種編程語言，這些語言簡單易學。與PC機發(fā)展太快相比，PLC產(chǎn)品可以長期供貨，并提供長期的技術支持。5) PLC有龐大的有經(jīng)驗的設計人員，維護人員和技術支持系統(tǒng)。（4）可編程程序控制器控制PLC是一種專

8、門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。有以下主要特點： 1）使用靈活、通用性強；2）可靠性高、抗干擾能力強；3）接口簡單、維護方便；4）體積小、功耗小、性價比高；5）編程簡單、容易掌握；6）設計、施工、調(diào)試周期短?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上

9、來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。通過以上幾種控制方案的比較，選用PLC來實現(xiàn)對液體混合過程的控制。 本設計以三種液體的混合控制，其要求是將三種液體按一定比例混合，在電動機攪拌后將混合的液體輸出容器。并形成循環(huán)狀態(tài)，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能結束。液體混合系統(tǒng)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(lián)性，針對不同的工作

10、狀態(tài)，進行相應的動作控制輸出，從而實現(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周期控制工作的程序實現(xiàn)。 設計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。 設計采用西門子公司的S7-200型（S7-200型號所用CPU單元為 CPU 224 DC/DC/DC，14 點輸入，10點輸出）PLC去實現(xiàn)設計要求。四、液料自動混合控制系統(tǒng)的硬件設計4.1總體結構 某一液料自動混合裝置如圖1所示，用于將3種液體按一定的容積比例進行混合。 圖1 液料自動

11、混合裝置工作示意圖 1.初始狀態(tài)，液灌為空，電磁閥YV1-4、電動機M均為失電狀態(tài)，液位傳感器SQ1-4均為不動作狀態(tài)。 2.物料自動混合控制 按下啟動按鈕SB1，電磁閥YV1得電，正式注入液料1，當液料1的液位達到液位傳感器SQ3時，YV1關，YV2閥開，L3亮。注入液料2，當液位達到液位傳感器SQ2時，YV2閥關，YV3閥開，注入液料3，L2亮，L3滅。當液位達到液位傳感器SQ1時，YV3閥關，L1亮，L2滅。攪拌電動機M起動，L5亮。攪拌20秒后停止。L1滅，放液電磁閥YV4動作，L5滅。當液位下降到液位傳感器SQ4以下時，L4滅，再經(jīng)過5秒鐘(放掉剩余液料)后，SQ4閥關閉，之后，自動

12、循環(huán)上述過程。3.停止操作。 按下停止按鈕SB2，當完成一個循環(huán)過程，即液灌液體放空后再全部停止。 按下急停按鈕SB3，所有輸出立即停止。4.2元器件的選擇表1 元器件明細表名稱型號數(shù)量備注按鈕開關KH-22043個液位傳感器LSF-2.54個攪拌電動機EJ15-31個電磁閥（入液罐）VF4-253個電磁閥（出液罐）AVF-401個接觸器CJX1-9/220V4個LED指示燈R-3528-A1-R1035個4.3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

13、是依據(jù)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(shù)及原理如下：（1）工作壓力可達2.5Mpa （2）工作溫度上限為125°C （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0.5A 3.34.4 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

14、序號，3為最大工作電流 相關元件主要技術參數(shù)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-1540°C /濕度90%。 （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。其硬件接線如圖2所示。4.5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表示設計序號，25表示口徑（mm） 寬度。相關元件主要技術參數(shù)及原理如下： 1） 材質(zhì)：聚四氟

15、乙烯。使用介質(zhì)：硫酸、鹽酸、有機溶劑、化學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(diào)節(jié)流量，“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(shù)及原理如下： 圖2 攪拌機的硬件接線圖 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

16、：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 4）功率：AC：5KW。 4.6 PLC的選擇 PLC的一般結構如圖3所示，由圖可見主要有6個部分組成，包括CPU(中央處理器)、存儲器、輸入輸出接口電路、電源、外設接口、I/O擴展接口。（1）中央處理單元（CPU）與通用計算機中的CPU一樣。PLC中的CPU也是整個系統(tǒng)的核心部件，主要有運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關電路。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量等。（2）存儲器存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器

17、。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。PLC常用的存儲器類型有RAM、EPROM、 EEPROM等。（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的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系而實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設備之間的連接部件，起著PLC與外部設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。 圖3 PLC結構圖（4）電源模塊輸入、輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場I/O設備相連接的部件。它的作用是將輸入信號轉換為PLC能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉換為外部設備所需要的強電信號

18、。4.7 PLC輸入輸出口分配輸入點地址功能輸出點地址功能I0.0 SB1啟動按鈕Q0.1 YV1電磁閥I0.1SQ1液位傳感器1Q0.2 YV2電磁閥I0.2SQ2液位傳感器2Q0.3 YV3電磁閥I0.3SQ3液位傳感器3Q0.4 YV4電磁閥I0.4SQ4液位傳感器4Q0.5 L1指示燈I0.5 SB2停止按鈕Q0.6 L2指示燈I0.6 SB3急停按鈕Q0.7 L3指示燈Q1.1 L4指示燈Q1.2L5指示燈Q1.0M電動機4.8控制面板元件布置圖。 圖4控制面板元件布置圖4.9 PLC輸入/輸出接線設計 圖5 PLC輸入輸出接線設計圖五、軟件系統(tǒng)5.1 程序流程圖 程序流程圖5.2

19、梯形圖程序的總體結構圖設計5.3 語句表程序設計Network 1 LD I0.0AN M0.0LDN I0.5A T38OLD= Q0.1Network 2 LD I0.3LPSAN M0.1= Q0.2LRD= M0.0LPPAN M0.2= Q0.7Network 3 LD I0.2LPS= M0.1AN M0.2= Q0.3LRDAN M0.3= Q0.6LPP= M0.2Network 4 LD I0.1LPS= M0.2AN M0.5= Q0.5LRD= M0.3LRDAN M0.4= Q1.0LRDAN M0.5= Q1.2LPPTON T37, +200Network 5 LD

20、 T37= M0.4= M0.5AN M0.6= Q0.4Network 6 LD I0.4LPSAN T38= Q1.1LRDTON T38, +50LPP= M0.6Network 7 LD I0.6MOVB 0, QB06、 程序調(diào)試 這個課題在調(diào)試當中還是比較成功的，沒有遇到太大的問題。有小的問題也在同學和老師的幫助下迅速的弄好。另外，由于實驗設計比較簡單，電路圖設計的并不是非常完美，用的器件少，因而，并不能很好的保證所要的理想結果。總而言之，調(diào)試的結果還是比較順利。程序仿真如下圖所示： 按下啟動按鈕，電磁閥1打開，進液料1. 液位到SQ3時，電磁閥2開，電磁閥1關閉，進液料2，L3亮。 液位到SQ2時，YV2關，YV3開，L2亮， 液位到SQ1時，YV3關，L1亮，L2滅，L3滅，進液料3. M啟動，L5亮。 M攪拌20秒后停止，L1滅，L5滅，YV4開， 液位到SQ4時，L4亮，5秒后YV4關， L4滅。 小 結通過此次課程設計，我學到了很多東西，認識到了很多東西。課程設計是我對所學知識理論的檢驗與總結，能夠培養(yǎng)和提高設計者獨立分析和解決問題的能力；是我在校期間向學校所交的一份綜和性作業(yè).在不斷的努力下我的課程設計終于完成了。通過這次課程設計使我明白了自己