1、電氣工程學(xué)院課程設(shè)計說明書電氣控制與PLC設(shè)計題目:液體混料裝置的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計系別: 電氣工程系年級專業(yè)：檢測技術(shù)與儀器2班學(xué) 號：學(xué)生姓名：曹慶春指導(dǎo)教師：張立國 教師職稱：2013年 12 月 12日內(nèi)容摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活日趨自動化，生產(chǎn)技術(shù)更是如此。PLC作為計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的。隨著微處理器、計算機和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程序控制器PLC在工業(yè)控制中的地位也日益提升并且在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，而且可編程控制器在工業(yè)控制中所占比重在迅速的上升。本次設(shè)計是利用PLC實現(xiàn)兩種液體的自動混合。此次設(shè)計主要考慮其各個不同狀態(tài)動作的連續(xù)和關(guān)聯(lián)，對

2、不同的狀態(tài)進行不同的動作控制輸出，從而實現(xiàn)將AB兩種液體混合的周期性控制（包括單周期）。本次設(shè)計的主要意義是：用PLC編程來控制，一方面可以省去人力物力，從而達到節(jié)省成本的目的；另一方面，程序的合理性，全面性和可靠性可以使液體混合能更安全可靠全面的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：PLC液體混合裝置 自動控制目 錄第 1章 引言1第2章 控制系統(tǒng)設(shè)計22.1 系統(tǒng)整體設(shè)計要求22.2 系統(tǒng)設(shè)計思想22.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3 2.3.1 PLC輸入輸出口分配3 2.3.2液體混合裝置輸入輸出接線圖42.3.3 PLC主電路圖52.3.4 電氣位置安裝圖6 2.4硬件選擇6 2.4.1液位傳感器選擇6 2.4.2電動機

3、選擇72.4.3電磁閥的選擇72.4.4 PLC的選擇7 2.4.5元件選擇82.5系統(tǒng)軟件設(shè)計8 2.5.1PLC控制相關(guān)流程圖8 2.5.2可編程控制器梯形圖10 2.6系統(tǒng)調(diào)試13第3章 總結(jié)及進一步研究方向18致謝19參考文獻20第一章引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制技術(shù)已經(jīng)在人類活動的各個領(lǐng)域中的應(yīng)用得越來越廣泛，而它的水平已經(jīng)成為衡量一個國家生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)先進與否的一項重要指標(biāo)。在煉油、制藥、化工等行業(yè)中，液體混合已經(jīng)是不可缺少的程序，而且也是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一部分。然而由于此類行業(yè)中多數(shù)為有腐蝕有毒性介質(zhì)和易燃易爆介質(zhì)，這樣就造成現(xiàn)場的工作環(huán)境非常惡劣，不適宜工作人員在現(xiàn)

4、場操作。此外，要求該系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中具有配料準(zhǔn)確、控制良好等規(guī)定，這也是半自動化及人工操作控制所難以實現(xiàn)的。因此為了解決相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的這些問題，尤其是中小型企業(yè)中要求做到多種液體自動混合,液體自動混合配料勢必成為擺在我們眼前的一大課題。液體混合系統(tǒng)采用基于PLC的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機、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性的特點。對提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產(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，因此具有廣闊的市場前景，液體混合自動配料系統(tǒng)就此應(yīng)社會工廠的需要而誕生了。如何使PLC在飲料灌裝中實現(xiàn)控制功能，在相關(guān)的研

5、究文獻報道中用PLC對灌裝機進行控制的研究尚不多見，以致人們難以根據(jù)它的具體情況正確選用參數(shù)進行系統(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)計就是基于以上問題進行的一些探索。整個設(shè)計過程是按工藝流程設(shè)計，為設(shè)備安裝、運行和保護檢修服務(wù)，設(shè)計的編寫按照國家關(guān)于電氣自動化工程設(shè)計中的電氣設(shè)備常用基本圖形符號（GB4728）及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范編寫。設(shè)計原則主要包括：工作條件：工程對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、合理、合用，減小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品。控制由人工控制到自動控制，由模擬控制到微機

6、控制，使功能的實現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。對于本課題來說，液體混合系統(tǒng)部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改適升級，控制裝置需要根據(jù)企業(yè)工藝和設(shè)備現(xiàn)況來構(gòu)成并需盡量用以前系統(tǒng)中的元器件。對于人機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，以便于操作人員快速掌握。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關(guān)量。系統(tǒng)的可靠性要高。人機交互界面友好，應(yīng)具備數(shù)據(jù)儲存和分析匯總的能力。要實現(xiàn)整個液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要從怎樣實現(xiàn)多個電磁閥的開關(guān)以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。第二章液體混合裝置系統(tǒng)設(shè)計2

7、.1系統(tǒng)的整體設(shè)計要求在該混合液體裝置中，需要完成兩種液體的進料、混合、卸料的功能，集體控制要求如下圖：按動啟動按鈕后，電磁閥A通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達到L2時，液位傳感器L2接通，此時電磁閥A斷電關(guān)閉，而電磁閥B通電接通，液體B流入容器。液位達到L3時，液位傳感器L3接通，這時電磁閥B斷電關(guān)閉，同時啟動電機M攪拌。1分鐘后電動機M停止攪拌，這時電磁閥C通電打開，放出混合液體。當(dāng)液位下降到L3，再繼續(xù)放液20秒后關(guān)閉放液閥門，隨后再將電磁閥A打開，開始新的周期。 本設(shè)計使用液位L1、L2、L3三個傳感器控制液體A、液體B的進入和混合液排出的3個電磁閥門及攪拌機的啟停。 2.2系統(tǒng)

8、方案的設(shè)計思想控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用和維護方便。物料混合設(shè)備要節(jié)能、安全、高效和滿足生產(chǎn)及應(yīng)用要求：（1）可靠性高具有較高的可靠性是衡量一個電氣控制設(shè)備很關(guān)鍵的性能指標(biāo)。由于PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電子電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，所以生產(chǎn)制作出來的產(chǎn)品的可靠性往往都是很高的。（2）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了功能中的邏輯處理以外，現(xiàn)代PLC基本上都具有比較完善的數(shù)據(jù)運算能力，因此可以用在各種各樣的數(shù)字控制場合。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員

9、歡迎 作為通用的工業(yè)控制計算機，PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它的接口簡單，編程語言容易被工程技術(shù)人員接受。梯形圖編程語言的符號及圖形與表達方式跟繼電器的電路圖比較相當(dāng)接近，只用少量的PLC開關(guān)量邏輯控制指令就能方便地實現(xiàn)繼電器電路所能實現(xiàn)的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機來從事工業(yè)控制減少了很多工作量，節(jié)約了時間。（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC中存儲邏輯被接線邏輯代替了，這樣一來就大大的削減了控制設(shè)備的外部接線數(shù)量，控制系統(tǒng)的設(shè)計及建造的周期也大大縮短，同時維護起來也變得容易。更為重要的是這樣同一設(shè)備只需改變程序便可實現(xiàn)不同的生產(chǎn)過程

10、，給需要進行多品種、小批量的生產(chǎn)場合帶來了很大的便利。（5）體積小，重量輕，能耗低（6）硬件配套齊全，擁護使用方便，適應(yīng)性強2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.3.1 PLC輸入輸出口分配通過分析控制任務(wù)，共需要5個數(shù)字量輸入和4個數(shù)字量輸出。I0.0為開始按鈕，I0.1為停止按鈕，I0.2、I0.3、I0.4分別為三個液位傳感器，Q0.1、Q0.2、Q0.3分別為電磁閥A、電磁閥B、排放電磁閥三個電磁閥，Q0.0為攪拌電機。輸入/輸出地址分配如圖2-1所示。控制信號信號名稱元件名稱元件符號地址編碼輸入信號啟動常開按鈕SB1I0.0停止常開按鈕SB2I0.1液位傳感器L2接通液位傳感器LT1I0.2液位傳

11、感器L1接通液位傳感器LT2I0.3液位傳感器L3接通液位傳感器LT3I0.4輸出信號電動機M驅(qū)動接觸器KMQ0.0電磁閥A打開電磁閥YV1Q0.1電磁閥B打開電磁閥YV2Q0.2電磁閥C打開電磁閥YV3Q0.3 圖2-1 輸入/輸出地址分配2.3.2液體混合裝置輸入輸出接線圖液體混合裝置輸入/輸出接線圖如圖2-2所示。（1）啟動操作按下啟動按鈕SB1，YV1通電并自鎖，液體A流入容器。 （2）液面上升到I當(dāng)液位高度達到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。 (3) 液面上升到H液位達到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動

12、電機M攪拌。 (4) 攪勻后排放混合液體1分鐘后電動機M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)液位下降到L后，再延時20s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期。 (6) 停止操作按下停止按鈕SB2，在當(dāng)前的操作處理完畢后停止操作。圖2-2 液體混合輸入/輸出接線圖2.3.3 PLC主電路圖本次設(shè)計中的混合液體攪拌由電動機M啟動。帶有短路保護、過載保護等，短路保護由FU熔斷器來實現(xiàn)保護功能，過載保護由FR熱繼電器來實現(xiàn)其保護功能。當(dāng)液體倒到H時，KM接通，攪拌電機開始運行。液體混合裝置的主電路圖如圖2-3所示。圖2-3 主電路2.4 硬件選擇2.4.1 液位傳感器的

13、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(guān)可提供非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當(dāng)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(yīng)的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關(guān)量。應(yīng)用此原理可制成單點或多點液位開關(guān)。LSF 光電液位開關(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2.5Mpa。（2）工作溫度上限為125°C 。（3）觸點壽命為100萬次 。（4）

14、觸點容量為70w 。（5）開關(guān)電壓為24V DC。 （6）切換電流為0.5A 。2.4.2 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(shè)計序號，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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。2.4.3 電磁閥的選擇 （1）入罐

15、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)計序號，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-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(guān)閉，動作響應(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）

16、其最大特點就是能通過設(shè)備上的按鍵設(shè)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：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：5KW。2.4.4 PLC的選擇 在本控制系統(tǒng)中，所需的開關(guān)量輸入為5點，開關(guān)量輸出為4點，考慮到系統(tǒng)的可擴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，選用西門子S7-200系列PLC作控制單元來控制整個系統(tǒng)。之所以選擇這種PLC，主要考慮S7-200系列PLC有以下特點：（1） 豐富的指令系統(tǒng)。除能實現(xiàn)一般的邏輯控制外，還可進行運動控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可直接控制變頻器

17、實現(xiàn)電動機調(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或上位機連成通信網(wǎng)絡(luò)，通過上位計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC進行實時監(jiān)控。在生產(chǎn)規(guī)模較大，所控制的機床達到兩臺以上時，可采用1：n上位鏈接通信方式，用一臺計算機管理多臺床，構(gòu)成一個二級分布式集一散控制系統(tǒng)。 （4）編程及監(jiān)控功能強大、維護簡單、價格適中。 2.4.5 元件選擇元器件明細如圖2-4名稱型號數(shù)量備注按鈕開關(guān)KH-22042個液位傳感器LSF-2.53個攪拌電動機EJ15-31個電磁閥（入液罐）V

18、F4-252個電磁閥（出液罐）AVF-401個接觸器CJX1-9/220V1個圖2-4 元器件明細2.5系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計2.5.1 PLC控制相關(guān)流程圖PLC控制相關(guān)流程圖如圖2-4所示，主要是有混合過程和停止過程兩個方面構(gòu)成： (1) 混合過程：按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。液位達到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機M攪拌。 (2) 停止過程： 1分鐘后電動機M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)位下降到L

19、后，再延時2s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期。 (3) 具體運行過程為： 按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器。當(dāng)液位高度達到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。液位達到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機M攪拌。1分鐘后電動機M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，放出混合液體去下道工序。當(dāng)液位下降到L后，再延時2s使電磁閥YV3斷電關(guān)閉，并自動開始新的周期。圖2-4 2.5.2 可編程控制器梯形圖 根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖所表達出的各控制對象的動作順序，相互間的制約關(guān)系。在明確PLC寄存

20、器空間分配，確定專用寄存器的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計，包括主程序編制，各功能子程序的編制，其他輔助程序的編制。本次設(shè)計利用經(jīng)驗設(shè)計的方法進行在整體上將繼電器轉(zhuǎn)化成對輸出線圈的控制，然后進行細節(jié)修改。本次設(shè)計的PLC梯形圖：語句表Network 1 / Network Title/ 按下I0.1程序運行完后結(jié)束LD I0.1O M0.0AN I0.0= M0.0Network 2 / 按下I0.0，Q0.1工作LD I0.0O Q0.1O T38AN M0.0AN Q0.2= Q0.1Network 3 / 液位到I時，Q0.2工作，Q0.1結(jié)束LD I0.2EUO Q0.2AN Q0.0

21、= Q0.2Network 4 / 液位到H時電機啟動，開始計時LD I0.3EUO Q0.0AN T37= Q0.0TON T37, 600Network 5 / 一分鐘后Q0.3工作，LD T37O Q0.3AN T38= Q0.3Network 6 / 液位到L時，T38開始計時2s后Q0.3停止工作，開始新循環(huán)LD I0.4EDO M0.1AN T38= M0.1TON T38, 202.6 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)所設(shè)計的關(guān)于攪拌控制的梯形圖，選用PLC的仿真軟件進行仿真。具體步驟如下： （1）導(dǎo)入梯形圖 （2）點擊運行 （3）進行調(diào)試 按動啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，PLC輸出Q0.1工作狀態(tài)指示燈亮，液體A流入容器。 當(dāng)液位高度達到I時，液位傳感器I接通，此時電磁閥YV1斷電關(guān)閉，而電磁閥YV2通電接通，PLC輸出Q0.2工作狀態(tài)指示燈亮,PLC輸出Q0.1工作狀態(tài)指示燈滅，液體B流入容器。 液位達到H時液位傳感器H接通，這時電磁閥YV2斷電關(guān)閉，同時啟動電機M攪拌。PLC輸出Q0.2工作狀態(tài)指示燈滅，PLC輸出Q0.0工作狀態(tài)指示燈亮。 1分鐘后電動機M停止攪拌，這時電磁閥YV3通電打開，PLC輸出Q0.0工作狀態(tài)指示燈滅，PLC輸出Q0.3工作狀態(tài)指示燈亮，放出混合液體去下道工序。 當(dāng)液位下降到L后，再延時2s