畢業(yè)設(shè)計（論文）-多種液體混合

1、畢業(yè)設(shè)計題目 ：多種液體混合 班級 ： 姓名 ： 學號 ： 指導老師 ： 目錄第一章 緒論-031.1 液體混合的工程背景-031.2 混合機械的種類-041.3 前沿的總結(jié)-06第二章 設(shè)計要求-072.1 液體混合的設(shè)計要求-072.2 液體混合的控制方式-072.3 液體混合控制裝置-072.4 控制要求-08第三章 液體混合的硬件選擇-093.1 液體混合硬件選擇-093.2 電動機選擇-093.3 泵的選擇-103.4 壓力傳感器原理及應用-113.5 PLC的選擇- 11 3.5.1 PLC的功能- 13 3.5.2 可編程控制器的根本原理-14 3.5.3 可編程控制器的組成-1

2、4 3.5.4 可編程控制器的性能指標-16 3.5.5 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)- 183.6 控制功能的選擇-203.7 PLC的類型-21 第四章 設(shè)計分析- -254.1 原理設(shè)計分析-25 4.1.1 控制方案-25 4.1.2 控制方式-25 4.1.3 參數(shù)元素定義-264.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析-26 4.2.1 控制原理-26 4.2.2 工作過程-27 4.2.3 結(jié)構(gòu)框圖-274.2.4 原理電路圖-274.2.5 連接及接線圖-28 4.3 編程-284.3.1 STL程序- 28 4.3.2 液體混合LAD-30 4.4 調(diào)試-334.4.1 程序錄入-334.4.2 建立連接-3

3、34.4.3 調(diào)試程序-344.4.4 結(jié)果分析-34總結(jié) -36 參考文獻-37第一章 1.1 液體混合的工程背景液體的混合操作是一些工廠關(guān)鍵的或不可捎帶一個環(huán)節(jié)。對液體混合裝置的要求是設(shè)備對液體的混合質(zhì)量，生產(chǎn)效率和自動化程度高，適應范圍廣，抗惡劣環(huán)境等。采用PLC對液體混合裝置進行控制滿足現(xiàn)在經(jīng)濟的需要，因此多種液體混合的PLC控制一廣泛的應用?；旌蠙C械是利用機械力和重力等，將兩種或兩種以上液體均勻混合起來的機械?；旌蠙C械廣泛用于各類工業(yè)和日常生活中?；旌蠙C械可以將多種液體配合成均勻的混合物，如將多種化學液體混合成所需物料等；還可以增加液體接觸外表積，以促進化學反響；還能夠加速物理變化，

4、例如高濃度溶質(zhì)參加溶劑，通過混合機械的作用可加速混勻。1.2 混合機械的種類常用的混合機械分為氣體和低粘度液體混合器、中高粘度液體和膏狀物混合機械、熱塑性物料混合機、粉狀與粒狀固體物料混合機械四大類。 氣體和低黏度液體混合機械的特點是結(jié)構(gòu)簡單，且無轉(zhuǎn)動部件，維護檢修量小，能耗低。這類混合機械又分為氣流攪拌、管道混合、射流混合和強制循環(huán)混合等四種。 中、高黏度液體和膏狀物的混合機械，一般具有強的剪切作用；熱塑性的物料混合機主要用于熱塑性物料(如橡膠和塑料)與添加劑混合；粉狀、粒狀固體物料混合機械多為間歇操作，也包括兼有混合和研磨作用的機械，如輪輾機等。 混合時要求所有參與混合的物料均勻分布。混合

5、的程度分為理想混合、隨機混合和完全不相混三種狀態(tài)。各種物料在混合機械中的混合程度，取決于待混物料的比例、物理狀態(tài)和特性，以及所用混合機械的類型和混合操作持續(xù)的時間等因素。 液體的混合主要靠機械攪拌器、氣流和待混液體的射流等，使待混物料受到攪動，以到達均勻混合。攪動引起局部液體流動，流動液體又推動其周圍的液體，結(jié)果在溶器內(nèi)形成循環(huán)液流，由此產(chǎn)生的液體之間的擴散稱為主體對流擴散。 當攪動引起的液體流動速度很高時，在高速液流與周圍低速液流之間的界面上出現(xiàn)剪切作用，從而產(chǎn)生大量的局部性漩渦。這些漩渦迅速向四周擴散，又把更多的液體卷進漩渦中來，在小范圍內(nèi)形成的紊亂對流擴散稱為渦流擴散。 機械攪拌器的運動

6、部件在旋轉(zhuǎn)時也會對液體產(chǎn)生剪切作用，液體在流經(jīng)器壁和安裝在容器內(nèi)的各種固定構(gòu)件時，也要受到剪切作用，這些剪切作用都會引起許多局部渦流擴散。 攪拌引起的主體對流擴散和渦流擴散，增加了不同液體間分子擴散的外表積減少了擴散距離，從而縮短了分子擴散的時間。假設(shè)待混液體的粘度不高，可以在不長的攪拌時間內(nèi)到達隨機混合的狀態(tài)；假設(shè)粘度較高，那么需較長的混合時間。 對于密度、成分不同、互不相溶的液體，攪拌產(chǎn)生的剪切作用和強烈的湍動將密度大的液體撕碎成小液滴并使其均勻地分散到主液體中。攪拌產(chǎn)生的液體流動速度必須大于液滴的沉降速度。 少量不溶解的粉狀固體與液體的混合機理，與密度成分不同，互不相溶的液體的混合機理相

7、同，只是攪拌不能改變粉狀固體的粒度。假設(shè)混合前固體顆粒不能使其沉降速度小于液體的流動速度，無論采用何種攪拌方式都形不成均勻的懸浮液。 不同膏狀物的混合主要是將待混物料反復分割并使其受到壓、輾、擠等動作所產(chǎn)生的強剪切作用，隨后又經(jīng)反復合并、捏合，最后到達所要求的混合程度。這種混合很難到達理想混合，僅能到達隨機混合。粉狀固體與少量液體混合后為膏狀物，其混合機理與膏狀物料混合的機理相同。不同的熱塑性物料以及熱塑性物料與少量粉狀固體的混合，需要依靠強剪切作用，反復地揉搓和捏合，才能到達隨機混合。 流動性好的顆粒狀固體物主要是靠容器本身的回轉(zhuǎn)，或靠裝在容器內(nèi)運動部件的作用，反復地翻動、摻和而得以混合，這

8、類物料也可用氣流產(chǎn)生對流或湍流以到達混合。固體顆粒的對流或湍流不易產(chǎn)生渦流，混合速度遠低于液體的混合，混合程度一般也只能到達隨機混合。流動性很差的、互相發(fā)生粘附的顆粒或粉狀固體，那么常需用帶有機械翻動和壓、輾等動作的混合機械。塑料加工的許多領(lǐng)域需要將混合機用于其中間和最終產(chǎn)品的加工步驟。選擇和確定適宜的混合設(shè)備尺寸依賴于一系列重要的參數(shù)，包括容器大小或生產(chǎn)能力、被混合物料的粘度以及起始物料的流動特性。推進式和渦輪式混合機適用于低剪切、低粘度的混合，而高速分散器和轉(zhuǎn)子定子型攪拌機為低、中粘度的液體提供了高剪切條件。隨著物料粘度的增加，可補加低速錨式攪拌機，用它先使物料運動，然后送人處理高粘度物料

9、的高速攪拌機使其混合。高濃度的糊料需要使用諸如雙行星齒輪或行星齒輪分散機這類設(shè)備，它們不依賴于流向攪拌機的物料的固有流動特性。雙臂混合機以它的重負載、對極粘物質(zhì)的高轉(zhuǎn)矩混合作用，擴大了液體和糊料混合機產(chǎn)品譜系。1.3 前沿的總結(jié)我現(xiàn)在選擇的是液體攪拌混合器，是用電子和機械結(jié)合來控制這個裝置。其中涉及到是知識有：PLC、電路電機、工程力學、材料學、傳感器 第二章 設(shè)計要求2.1 液體混合的設(shè)計要求在市場經(jīng)濟時代，我們?yōu)榱颂岣呓?jīng)濟效益。所以我們大量的應用高科技和自動化技術(shù)，而我現(xiàn)在設(shè)計的PLC正是一種表達。這樣的大量生產(chǎn)即提高了經(jīng)濟效益，又增強了企業(yè)競爭力。在現(xiàn)在的市場經(jīng)濟時代，我們?yōu)榱颂岣呓?jīng)濟效

10、益。所以我們大量的應用高科技和自動化技術(shù)，而我現(xiàn)在設(shè)計的PLC正是一種表達。本設(shè)計是有效的使機械和電子結(jié)合在了一起，采用了西門子S7200系列的PLC，這樣的大量生產(chǎn)即提高了經(jīng)濟效益，又增強了企業(yè)競爭力。MYA3YA1YA2SQ1SQ2SQ3由實驗面板圖可知：本裝置為兩種液體混合裝置，SQ1、SQ2、SQ3為液面?zhèn)鞲衅?，液體A、B閥門與混合液閥門由電磁閥YA1、YA2控制，M為攪動電機，控制要求如下：初始狀態(tài):裝置投入運行時，液體A、B閥門關(guān)閉，混合液閥門翻開20秒將容器放空后關(guān)閉。啟動操作:按下啟動按鈕SB1，裝置就開始按以下約定的規(guī)律操作：液體A閥門翻開，液體A流入容器。當液面到達SQ2時

11、，SQ2接通，關(guān)閉液體A閥門，翻開液體B閥門。液面到達SQ1時，關(guān)閉液體B閥門，攪動電機開始攪動。攪動電機工作60秒后停止攪動，混合液體閥門翻開，開始放出混合液體。當液面下降到SQ3時，SQ3由接通變?yōu)閿嚅_，再過20秒后，容器放空，混合液閥門關(guān)閉，開始下一周期。停止操作：按下停止按鈕SB2后，在當前的混合液操作處理完畢后，才停止操作停在初始狀態(tài)上。第三章 液體混合的硬件選擇在本設(shè)計中我所用到的根本設(shè)備有電動機、水泵、傳感器3.2 電動機選擇電動機也稱電機(俗稱馬達)，在電路中用字母“M(舊標準用“D)表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動力矩，作為用電器或小型機械的動力源。 電動機為家用電器或電子產(chǎn)品中

12、使用的小功率電動機，即所謂的微電機。(1)按工作電源分類 根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。(2)按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電

13、磁直流電動機又分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鉆永磁直流電動機。3三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P 式

14、中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)。單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn)。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時如順時針方向旋轉(zhuǎn)，這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運

15、動變?。晦D(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來。3.3 泵的選擇活塞式抽水機原理要詳細,開泵前,吸入管和泵內(nèi)必須充滿液體。開泵后，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，其中的液體隨著葉片一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，飛離葉輪向外射出，射出的液體在泵殼擴散室內(nèi)速度逐漸變慢，壓力逐漸增加，然后從泵出口，排出管流出。此時，在葉片中心處由于液體被甩向周圍而形成既沒有空氣又沒有液體的真空低壓區(qū)，液池中的液體在池面大氣壓的作用下，經(jīng)吸入管流入泵內(nèi)，液體就是這樣連續(xù)不斷地從液池中被抽吸上來又連續(xù)不斷地從排出管流出。中國泵石化行業(yè)泵軸封方式

16、大致分為接觸密封、非接觸密封兩大類。接觸密封中包括填料密封及機械密封；非接觸密封有迷宮式密封、螺旋密封和副葉輪密封等。石化行業(yè)中8090%的化工泵采用機械密封。使用機械密封是解決跑、冒、滴、漏，改善環(huán)境保護，提高工作效率，降低生產(chǎn)本錢的有效途徑，是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化必不可少的手段之一。3.4 傳感器原理及應用1、傳感器的簡介傳感器是一種能將與待測量的能量形式，轉(zhuǎn)化成另一種可供處理查詢的能量形式的裝置。信號處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的信號的裝置、顯示或動作。2、傳感器的分類傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數(shù)分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，

17、可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。3.5 PLC的選擇PLC編程控制器是在繼電器控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)的根底上開發(fā)出來的，最初的可編程控制器主要用于順序控制，一般只能進行邏輯控制，因此稱為可編程邏輯控制器Prongrammable Logic Controller 簡稱 PLC。隨著計算機技術(shù)的開展及微處理器的應用，可編程控制器的功能不斷擴展和完善，遠遠超出邏輯控制的范圍，具備了模以量控制，過程控制，遠程通信及計算等功能，可編程控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應

18、用設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器可以編程程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行指令，進行邏輯計算，定時計算和操作，并通過數(shù)字式和模以。在自動化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。PLC的開展歷程目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應用在汽車23%、糧食加工16.4%、化學/制藥14.6%、金屬/礦山11.5%、紙漿/造紙11.3%等行業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM通用汽車公司提出取代繼電氣控制裝置

19、的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableControllerPC。個人計算機簡稱PC開展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicControllerPLC，現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會IEC對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，

20、并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原那么設(shè)計。上世紀80年代至90年代中期，是PLC開展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可3.5.1 PLC的功能1、功能強，性能價格比高 一臺小型

21、PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。可篇程序控制器可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。 2、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不規(guī)模的系統(tǒng)。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有很強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。 3、可靠性高，抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點

22、接觸不良，容易出現(xiàn)故障，PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間到達數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被廣闊用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 4、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少 PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，

23、很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 5、編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器

24、在執(zhí)行梯形圖的程序時，用解釋程序?qū)⑺胺g成匯編語言后再去執(zhí)行。 6、維修工作量少，維修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的住處迅速的查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 7、體積小，能耗低 對于復雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積相當于幾個繼電器大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/2-1/10。 PLC的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線要少得多，故可以省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，可以減少大量費用。學得辛苦，做

25、得舒服。3.5.2 可編程控制器的根本原理PLC是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現(xiàn)控制，而主要靠運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序，進行入出信息變換實現(xiàn)控制。 PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC那么還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問題。 3.5.3 可編程控制器的組成可編程控制器的硬件局部由 CPU 、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入輸出元件、

26、編程器、外部設(shè)備和電源組成。軟件局部由系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶程序兩大局部組成。 可編程控制器的結(jié)構(gòu)特點可編程控制器的結(jié)構(gòu)通?？煞譃閱卧?、模塊式，以及將這兩種形式結(jié)合起來的疊裝式。單元式的特點是結(jié)構(gòu)緊湊。它將所有的電路都裝入一個模塊內(nèi)，構(gòu)成一個整體，這樣體積小巧、本錢低、安裝方便。模塊式可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)，在一塊基板上插上 CPU 、電源、模塊及特殊功能模塊，構(gòu)成一個總點數(shù)很多的大規(guī)模綜合控制系統(tǒng)。其特點是 CPU 為獨立的模塊 , 輸入、輸出也是獨立模塊。因此配置很靈活，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模選用不同檔次的 CPU 及各種模塊、功能模塊。疊裝式的結(jié)構(gòu)也是各種單元、 CPU 自成

27、獨立的模塊，但安裝不用基板，僅用電纜進行單元間聯(lián)接，且各單元可以一層層地疊裝。這樣，既到達了配置靈活的目的，又可以做得體積小巧。3.5.4 可編程控制器的性能指標硬件性能指標包括一般指標、輸入特性和輸出特性。軟件性能指標包括運行方式、運算速度、程序容量、邏輯元件種類和數(shù)量以及編號、指令類型和數(shù)量等。從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式模塊式兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)那么組合配置。(1)、CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞

28、的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、存放器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各局部的工作機制還是應有足夠

29、的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。存放器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2、I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出局部I/O完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入DI，開關(guān)量輸出DO，模擬量輸入AI

30、，模擬量輸出AO等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)或1和0兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型4-20mA,0-20mA、電壓型0-10V,0-5V,-10-10V等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。3電源模塊PLC電源用于為PLC各

31、模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源220VAC或110VAC，直流電源常用的為24VAC。六、底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。4PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備1)、編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機運行編程軟件充當編程器。2)、人機界

32、面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏或觸摸屏式的體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機運行組態(tài)軟件充當人機界面非常普及。3)、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。3.5.5 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制器的觀點說法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接

33、口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標準，PLC各廠家均有采用。對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)本錢、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標準。在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備

34、應是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原那么選型所選用PLC應是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。 一、輸入輸出I/O點數(shù)的估算 I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點

35、數(shù)，再增加10%20%的可擴展 余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用工程使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此

36、數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)16位為一個字，另外再按此數(shù)的25%考慮余量。3.6 控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 (一)運算功能簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通PLC的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比擬等運算功能；較復雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大

37、多數(shù)應用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能，有些應用需要數(shù)據(jù)傳送和比擬，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。 (二)控制功能 控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據(jù)控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。(三)通信功能 大中型PLC系統(tǒng)應支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議如TCP

38、/IP，需要時應能與工廠管理網(wǎng)TCP/IP相連接。通信協(xié)議應符合ISO/IEEE通信標準，應是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。 PLC系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口RS2232C/422A/423/485、RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線含接口設(shè)備和電纜應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級的網(wǎng)絡(luò)通信速率應大于1Mbps，通信負荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有以下幾種形式：1PC為主站，多臺同型號PLC為從站，組成簡易PLC網(wǎng)絡(luò)；1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構(gòu)成主從式PLC網(wǎng)絡(luò)；3P

39、LC網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)；4專用PLC網(wǎng)絡(luò)各廠商的專用PLC通信網(wǎng)絡(luò)。為減輕CPU通信任務，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器。(四)編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供效勞，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)本錢，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)

40、發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式本錢較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。五種標準化編程語言：順序功能圖SFC、梯形圖LD、功能模塊圖FBD三種圖形化語言和語句表IL、結(jié)構(gòu)文本ST兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準IEC6113123，同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。(五)診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進

41、行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。(六)處理速度PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，那么PLC將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的喪失。處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約0.20.4Ls，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期處理器掃描周期應滿足：小型PLC的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時間不大于0.2ms/K。3.7 PLC的類型一PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型

42、兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。二輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時

43、間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。可根據(jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用本錢。考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。(三)電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般PLC的供電電源應設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否那么應設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因

44、誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。(四)存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術(shù)的開展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用工程的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。(五)冗余功能的選擇1控制單元的冗余(1)重要的過程單元：CPU包括存儲器及電源均應1B1冗余。(2)在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。2I/O接口單元的冗余(1)控制回路的多點I/O卡應冗余配置。(2)重要檢測點的多點I/O卡可冗余配

45、置。3根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。(六)經(jīng)濟性的考慮選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比擬和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。第四章 設(shè)計分析 4.1 原理設(shè)計分析4.1.1 控制方案PLC閥門YA1狀態(tài)閥門YA2狀態(tài)閥門YA

46、3狀態(tài)電動機狀態(tài)控制控制控制控制產(chǎn) 生混 合液 體4.1.2 控制方式由于傳統(tǒng)的繼電器控制方式，使用電器多，體積大且故障率大：運行的可靠信較低，維修起來不方便；對于時間的精度高的控制系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)無法滿足其要求。PLC控制是當今時代三大工業(yè)控制之一，可靠性高，抗干擾能力強；體積小，重量輕，能耗低；擁有較高的實時性。PLC的價格低廉，功能完善，從控制要求及經(jīng)濟本錢等綜合因素考慮，我們選擇西門子S7-200 PLC控制輸入端口功能說明輸出端口功能說明液面位置SQ2傳感器閥門YA1液面位置SQ1傳感器閥門YA2液面位置SQ3傳感器液體攪拌電動機液體混合啟動按鈕閥門YA3液體混合停止按鈕

47、4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析4.2.1 控制原理PLC采用順序邏輯掃描方式：輸入采樣階段、執(zhí)行用戶程序階段、處理通訊請求階段、CPU自診斷階段、輸出刷新階段。輸入采樣階段：PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入輸入映射存放器中相應的單元內(nèi)。執(zhí)行用戶程序階段PLC的用戶程序由假設(shè)干條指令組成，在執(zhí)行用戶程序階段，PLC總是從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序。處理通訊請求階段在處理通訊請求階段，CPU處理從通訊接口和智能模塊接收到的信息，如由編程器送來的用戶程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。CPU自診斷自診斷測試包括定期檢查CPU模塊的

48、操作和擴展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)視定時器復位等。輸出刷新階段掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就將進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照輸出映像存放器內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設(shè)。用戶可以通過西門子公司專門為S7系列PLC的編程軟件，可以從PC中通過PC/PPI電纜將用戶編寫的程序燒入PLC存儲器中。將PLC輸入端口與液面?zhèn)鞲衅飨噙B接，輸出端口與閥門繼電器控制線圈相連接和電動機開關(guān)線圈相連接。液體混合控制系統(tǒng)采用PLC控制，通過液面?zhèn)鞲衅鱽泶_定液體的位置，從位置來確定閥門的翻開或者關(guān)閉或者電動機的轉(zhuǎn)與停，進而完成液體混合。初始狀態(tài)： 當投入運行時，控制液體A和B的閥門YA1和YA2關(guān)閉，放液體混合閥門YA3翻開20秒，將裝置內(nèi)的剩余液