基于PLC的多种液体混合控制系统设计.doc

重庆工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书系 部： 自动化系 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 二O一三 年 十一 月摘 要以两种种液体的混合灌装控制为例，将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到控制要求才能将混合的液体输出容器，并形成循环状态。液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。设计以液体混合控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等），旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。设计采用西门子公司的S7系列去实现设计要求。关键词：多种液体，混合装置，自动控制目录前言1第1章 多种液体混合灌装机控制系统设计31.1 方案设计31.2 方案的介绍3第2章 硬件电路设计52.1 总体结构52.2 液位传感器的选择62.3 搅拌电机的选择62.4 电磁阀的选择72.5 接触器的选择82.6 热继电器的选择82.7 PLC的选择82.8PLC输入、输出口分配102.9液体混合装置输入/输出接线10第3章 软件电路设计133.1程序框图133.2 根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图13第4章 系统常见故障分析及维护174.1系统故障的概念174.2 系统故障分析及处理174.3 系统抗干扰性的分析和维护18结论20谢 辞21参考文献22前言为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但由于这些行业中多是易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所有为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学化工业中，便于学以致用。计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控制器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器，简称PLC（有的称为PC），并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的课移植性和可维护性。对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景，用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC用于多种液体混合灌装设置的控制，对学习和实用是很好的结合。本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：1） 使液体混合机能够实现安全、高效的灌装；2） 满足灌装的各种技术要求；3） 具体内容包括多种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。本课题应解决的主要问题是如何使PLC在灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探讨。 第1章 多种液体混合灌装机控制系统设计1.1 方案设计整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工作条件；工程对电气控制线路提供的具体资料。系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用、减小设备成本。在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现状来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。1.2 方案的介绍就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。（1）继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参数变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常工作，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制系统价格非常高，灵活性差，响应速度慢。（2）单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接，要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、控制和程序设计的工作量相当大。（3）工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性比较强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大才效用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。（4）可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不要自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的改变。可编程控制器(PLC)从上世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统，随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现状PLC已经发展成不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种功能，是名副其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。第2章 硬件电路设计2.1 总体结构从图2-1中可知设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌。此装置需要控制的元件有：其中SL1,SL2,SL3,SL4为液面传感器，液面淹没该点时为ON，YV1,YV2,YV3,YV4为电磁阀，M为搅拌机。另外还有控制电磁阀和电动机的1个交流接触器KM。所有这些元件的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。图2-1 液体混合灌装机要求如下：1、 初始状态：当装置投入运行时，容器内为放空状态。2、 起始操作：按下启动按钮SB1，装置开始按规定工作，液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，关闭液体A阀门，打开B阀门。当液面到达SL3时，关闭液体B阀门，打开C阀门。当液面到达SL4时，关闭液体C阀门，搅拌电动机开始转动。搅拌电动机工作1min后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL1时，SL1有接通变为断开，在经过20s后，容器放空，混合液体阀门YV4关闭，接着开始下一个循环操作。3、 停止操作：按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余任务后，系统停止在初始状态。2.2 液位传感器的选择选用LSF-2.5型液位传感器。其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理 ，当没有液面时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下：1）工作压力可达2.5Mpa；2）工作温度上限为125；3）触点寿命为100万次；4）触点容量为70W；5）开关电压为24V DC；6）切换电流为0.5A。2.3 搅拌电机的选择选用EJ15-3型电动机。其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。相关元件主要技术参数及原理如下：EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。1）额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法；2）电动机运行地点的海拔不超过1000m。工作温度-1540/湿度90%；3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。其硬件接线如图2-2 图2-2 硬件接线2.4 电磁阀的选择（1） 入罐液体选用VF4-25型电磁阀。其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（mm）宽度。1）材质：聚四氟乙烯；使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体；2） 介质温度150/环境温度-2060；3） 使用电压：AC：220V50Hz/60Hz DC: 24V；4） 功率：AC：2.5KW；5） 操作方式：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。( 2 ) 出罐液体选用AVF-40型电磁阀。其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径（mm）相关元件主要技术参数及原理如下：1） 其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果；2） 其阀体材料为：聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力；3） 使用电压：AC：220V50Hz/60HZ DC：24V；4） 功率：AC：5KW。2.5 接触器的选择选用CJ20-10/CJ20-16型接触器。其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流。相关元件主要技术参数及原理如下：1） 操作频率为1200/h；2） 机电寿命为1000万次；3） 主触头额定电流为10/16（A）；4） 额定电压为380/220（A）；5） 功率为2.5KW。2.6 热继电器的选择选用JR16B-60/3D型热继电器。其中“J”表示继电器，“D”表示带断相保护。相关元件主要技术参数及原理如下：1）额定电流为20（A）；2）热元件额定电流为32/45（A）。2.7 PLC的选择传统的控制方法是采用继电器-接触器控制。这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率。采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，完全能满足控制要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。在本控制系统中，所需的开关量输入为6点，开关量输出为5点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用西门子S7-200作为控制单元来控制整个系统，之所以选择这种PLC，主要考虑S7系列PLC有以下特点：1）快速的CPU处理速度，大程序容量；2）编程及监控功能强大，维修简单；3）结构紧凑，价格低廉，具有极高的性能/价格比；4）丰富的指令系统。国际电工委员会( International Electrotechnical Commission,IEC)颁布的PLC的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC的一般结构如图2-3所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。 图2-3 PLC结构图 （1） 中央处理单元（CPU）与通用计算机中的CPU一样，PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。（2） 存储器存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。（3）I/O模块输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。（4）电源模块输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。2.8 PLC输入、输出口分配输入/输出地址分配如表2-1表2-1液体混合装置输入/输出地址分配输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动按钮I0.0电磁阀YV1Q0.0SL1液位传感器I0.1电磁阀YV2Q0.1SL2液位传感器I0.2电磁阀YV3Q0.2SL3液位传感器I0.3电磁阀YV4Q0.4SL4液位传感器I0.4搅拌机MQ0.3停止按钮I0.52.9 液体混合装置输入/输出接线输入/输出接线图如图2-4图2-4 输入/输出接线图（1）第一种液体的进入当PLC接通电源后，按下启动按钮SB0后，触点I0.0接通，Q0.1得电并自锁，与之相连的电磁阀YV1接通并保持，液体A开始流入，当液体达到液面传感器SL1的位置时，SL1动作。（2）第二种液体的进入当液体达到液位传感器SL2的位置时，SL2动作，I0.2接通使Q0.2得电并自锁，与之相连的电磁阀YV2接通并保持，液体B开始流入液罐，同时I0.2的动断辅助触点I0.2断开，液体A停止流入。（3）第三种液体的进入当液体达到液位传感器SL3的位置时，SL3动作，I0.3接通使Q0.3得电并自锁，与之相连的电磁阀YV3接通并保持，液体C开始流入液罐，同时I0.3的动断辅助触点I0.3断开，液体B停止流入。（4）搅拌机工作当液体达到液位传感器SL4时，SL4动作，I0.4接通使Q0.4得电并自锁，与之相连的电磁阀接通并保持，同时I0.4的动断辅助触点I0.4断开，液体C停止流入，搅拌机开始搅拌，同时时间继电器T37得电开始计时。（5）混合液体开始排出1 min后时间继电器T37计时时间到，其动合辅助触点T37闭合，Q0.5得电并自锁，与之相连的电磁阀YV4接通并保持，同时Q0.5的动断辅助触点Q0.5断开，断开Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4，液体开始排出。（6） 混合液体排完Q0.5得电的同时带动Q0.6得电，液体排出的同时SL4、SL3、SL2、SL1相继复位，当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，其动断辅助触点SL1复位闭合，时间继电器T38得电开始计时，20s后T38计时时间到，其动断辅助触点T38断开，Q0.5失电停止排放液体。（7）重复液体混合过程及停止T38动合辅助触点闭合，Q0.1得电自锁，其动断辅助触点Q0.1断开，T38失电复位，开始循环，当需要停止时按下停止按钮I0.5，Q0.7得电并自锁，当T38得电时Q1.0得电，停止工作。11洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 软件电路设计3.1程序框图程序框图如图3-1图3-1 程序框图3.2 根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图控制梯形图如图3-2图3-2 控制梯形图3-3 语句表语句表如表3-1表3-1 语句表NETWORK1LDI0.0OQ0.1OT38ANQ1.0ANI0.2ANQ0.5=Q0.1NETWORK2LDI0.2ANI0.3ANQ0.5=Q0.2NETWORK3LDI0.3ANI0.4ANQ0.5=Q0.3NETWORK4LDI0.4ANQ0.5=Q0.4TONT37,+600NETWORK5LDT37OQ0.5ANT38=Q0.5NETWORK6LDQ0.5OQ0.6ANQ1.0=Q0.6NETWORK7LDNI0.1AQ0.6ANQ0.1TONT38,+200NETWORK8LDI0.5OQ0.7ANQ1.0=Q0.7NETWORK9LDQ0.7AT38=Q1.015 第4章 系统常见故障分析及维护为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生点有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和维护有所帮助。4.1系统故障的概念系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。4.2 系统故障分析及处理4.2.1 PLC主机系统PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统、电源在连续工作、散热中、电压和电流的波动冲击是不可避免的。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片、故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，同时在系统维护时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。4.2.2 PLC的I/O端口PLC最大的薄弱环节在I/O端口。PLC的技术优势在于其I/O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I/O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先应按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。4.2.3 现场控制设备在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面：（1）第1类故障点是在继电器。接触器、PLC控制系统的日常维护中，电器备件消耗量最大的为各类继电器和空气开关，主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点容易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。（2）第2类故障多发点在阀门等设备上。因为这类设备的关键执行部件，利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。（3）第3类故障点是传感器和仪表。这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量和动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PLC内部进行软件滤波。这类故障的发生及处理也和日常巡检有关，发现问题应及时处理。4.3 系统抗干扰性的分析和维护由于PLC是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要再采取特殊措施就能直接用于工业环境中。单如果工业环境过于恶劣，如干扰特别强烈，可能使PLC引起错误的输入信号；运算出错误的结果；产生出错误的输出信号；造成错误的动作，就不能保证控制系统正常、安全运行。因此为提高控制系统的可靠性，在设计时采取相应有效的抗干扰措施是非常有必要的。外界干扰的主要来源有：1） 电源的干扰供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。2） 感应电压的干扰PLC周围邻近的大容量设备启动和停止时，因电磁感应引起的干扰；其他设备或空中强电场通过分布电容串入PLC引起的干扰。3） 输入输出信号的干扰输入设备的输入信号线间寄生电容引起的差模干扰和输入信号线与大地间的共模干扰；在感性负载的场合，输出信号由断开-闭合时产生的突变电流和由闭合-断开的反向感应电势以及电磁接触器的接点产生电弧等产生的干扰。4）外部配线干扰因各种电缆选择不合理，信号线绝缘降低，安装、布线不合理等产生的干扰。提高PLC控制系统抗干扰性能的措施：1 科学选型；2 选择高性能电源，抑制电网干扰；3