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基于PLC的液体混合控制系统论文

河北农业大学

本科毕业论文（设计）

题目：

基于PLC的液体混合装置控制系统

学院：

机电工程学院

专业班级：

机械设计制造及其自动化0703班

学号：

070301

学生姓名：

刘利宝

指导教师姓名：

李晨光

指导教师职称：

助教

二O一一年六月六日

摘要

随着科技的发展，PLC的开发与应用把各国的工业推向自动化、智能化。

强大的抗干扰能力使它在工业方面取代了微型计算机，方便的软件编程使他代替了继电器的繁杂连线，灵活、方便，效率高。

本次设计主要是对两种液体混合搅拌机PLC控制系统的设计，在设计中针对控制对象：

三只传感器监视容器高、中、低的液位，设三电磁阀控制液体A、B输入与混合液体C输出，设搅拌电机M。

搅拌机是一种将两种或多种以上材料搅拌混合的系统，对搅拌机的控制，关系到产品的质量，工艺流程是：

启动后开阀放出混合液体C，到其低液位后延时2S放空后关阀，放入液体A经其低液位再注入至中液位，关A，放液体B至高液位，关B，启动搅拌电机M，搅6S后停，开阀放出混合液体C，至其低液位后延时2S放空后关阀，又重复上述过程，要求工作过程中按下停止按钮后搅拌器不会立刻停止工作，对当前混合操作处理完毕后才停止搅拌器。

本设计采用德国西门子S7系列S7-200PLC以液体混料控制系统为中心，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。

关键词：

液体混料装置，自动控制，PLC，电动机，传感器。

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thedevelopmentandapplicationofPLCputsthecountriesofindustryintoautomationandintelligence.Stronganti-interferenceabilitytomakeitintheindustryreplacedthemicro-computertofacilitatesoftwareprogrammingtoenablehimtoreplacetherelayofcomplexconnections,flexible,convenientandefficient.

ThesystemismainlyoftwoliquidsmixingandblendingmachinePLCcontrolsystem,forcontrollingtheobjectinthedesign:

threesensorshigh,mediumandlowlevel,ThethreesolenoidcontrolliquidA,BinputandthemixedliquidCoutput,setstirringmotorM.Mixerisatwoormoreabovethemixingmaterialsystem,onthemixercontrol,relatedtothequalityoftheproduct,processis:

Apostplacedintheliquidtobeinjectedbythelowlevelofliquidlevel,therelevant.AuptohighlevelofliquidB,cutoffB,startstirringmotorM,aftermixing6Sstop,openmixedliquidreleasevalveC,thelowleveloffafterthedelayafter2Semptyingvalve,thenrepeattheprocess,thecourseworkisrequired.PresstheStopbuttontostopworkingimmediatelyafterthemixerisnotonthecurrentoperationshavebeendisposedoftostopmixingblender.ThisdesignusestheGermenSiemenstoliquidmixtureseriesofS7ofS7-200PLCcontrolsystemforthecenter,fromthecontrolsystemhardwaresystemcomponents,softwareusedtothesystemdesignprocess（includingdesign,designprocess,designrequirements,ladderdesign,externalConnectCommunications,etc.）,aimstodesignandmanufacturingprocesswhichpresentsabriefintroductionandexplanation.

KEYWORDS:

liquidmixingequipment,automaticcontrol,PLC,motor,sensor.

前言1

1液体混合装置的方案设计3

1.1方案设计原则3

1.2系统的总体设计要求3

1.3总体结构设计方案3

1.4控制对象分析4

2液体混合装置的硬件设计5

2.1PLC的选择5

2.1.1中央处理单元（CPU）5

2.1.2存储器的选择5

2.1.3I/O配置5

2.1.4电源配置5

2.2接触器、熔断器的选择5

2.2.1接触器用途6

2.2.2接触器工作条件6

2.2.3接触器结构特征6

2.2.4熔断器的选择6

2.3搅拌电机的选择6

2.3.1功率的选择6

2.3.2种类和型式的选择7

2.3.3电压和转速的选择7

2.4断路器的选择7

2.5液位传感器的选择7

2.6电磁阀的选择8

2.6.1入罐液体电磁阀的选择8

2.6.2出罐液体电磁阀的选择8

2.7热继电器的选择8

2.8PLCI/O点分配8

2.8.1分析原理9

2.8.2PLC的I/O接线图9

2.9主电路的设计9

3液体混合装置的软件设计11

3.1分析控制要求11

3.2分析梯形图11

3.2.1梯形图执行原理分析11

3.2.2主程序梯形图11

4系统常见故障分析及维护12

4.1系统常见故障分析及维护12

4.2系统故障分析及处理12

4.2.1PLC主机系统故障分析及处理12

4.2.2PLC的I/O端口系统故障分析及处理12

4.2.3现场控制设备故障分析及处理12

4.3系统抗干扰性的分析和维护13

4.3.1电源的干扰13

4.3.2感应电压的干扰13

4.3.3输入输出信号的干扰13

4.3.4外部配线干扰13

结论14

谢辞15

参考文献16

附录17

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，产品生产正想缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。

一些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至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。

所以为了帮助相关行业，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厂商通用汽车（GM）公司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“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能方便地使用。

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（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），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。

可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，人们将最初用于逻辑控制的可编程器叫做PLC（ProgrammableLogicController），通常也称为可编程控制器。

它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；它具有自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用德国西门子S7系列S7-200PLC作为主控制器。

PLC的发展经历了以下几个阶段：

（1）初始阶段：

第一台PLC的问世到70年代中期产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，CPU由中小规模的集成电路组成，控制功能较简单。

因为它能完成逻辑运算功能，又被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。

典型的产品：

MODICON公司的084、ALLEN-BADLEY公司的PDQ－II、DEC公司的PDP－14。

（2）扩展阶段：

70年代中期到70年代末期产品主要在控制功能上得到较大的发展，来自两个方面：

①从可编程序控制器发展的控制器－完成的是逻辑运算及扩展了其它运算功能，称之为可编程序控制器即PLC；②从模拟仪表发展的控制器－完成的是模拟运算及扩展其它逻辑运算功能，称之为单回路或多回路控制器。

典型的产品：

MODICON公司184，284和384、西门子公司的SIMATICS3系列等。

（3）通讯开放阶段：

70年代末期到80年代中期至现在。

与计算机通讯的发展相联系，初步形成了分布式的通讯网络体系，但各制造厂各自为政，通讯系统自成体系，产品的功能得到发展，可靠性也大大提高。

开放系统的提出，使PLC得到了较大的发展，主要表现在通讯系统的开放，这期间产品的规模增大功能不断的完善，大中型产品多数有CRT显示功能，采用标准软件，增加高级编程语言等。

典型的产品：

西门子公司的SIMATICS6系列、GOULD公司的M84，西门子公司的SIMATICS5系列、ALLEN－BRADLEY公司的PLC－5等。

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，具有良好的可移植性和可维护性，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来取代传统的继电气控制。

本次设计是将PLC用于两种液体混合灌装设置的控制，对学习与实用是很好的结合。

本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数是液体灌装机能够实现对混料罐：

安全、高效的加料、混料、出料的控制；满足混料罐的各项技术要求；具体内容包括两种液体混料控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。

1液体混合装置的方案设计

1.1方案设计原则

整个设计过程是按工艺流程设计，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：

工程对电气控制线路提供的具体资科，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，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况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，需要从怎样实现各电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问越的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2系统的总体设计要求

在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：

本装置为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3为高、中、低液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门C由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅动电机。

初始状态：

装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液体阀门打开2S将容器放空后关闭。

启动操作：

按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：

液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面达到SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

液面达到SL1时，关闭B液体阀门，搅动电机开始搅动。

搅动电机工作6S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SL3时，SL3由接通变成断开，再过2S后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

停止操作：

按下停止按钮SB2，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止工作（停在初始状态）。

（1）本设计主要实现对混料罐的加料、混料、出料的控制。

（2）本设计使用液位H、I、L3个传感器控制液体A液体、B的进入和混合夜排出的

3个电磁阀门及搅拌机的启停。

1.3总体结构设计方案

H、I、L分别为高、中、低液位传感器，液位淹没时接通，液体A、B电磁阀与混合液电磁阀C由YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电动机如图1-1所示。

1.4控制对象分析

控制要求：

如图1-1所示，SL1（H）、SL2（I）、SL3（L）为3个液位传感器，液体淹没时接通。

进液阀Q0.0、Q0.1分别控制A液体和B液体进液，出液阀Q0.2控制混合液体出液。

（1）初始状态：

当装置投入运行时，进液阀Q0.0、Q0.1关闭，出液阀Q0.2打开2秒将容器中的残存液体放空后关闭。

（2）起动操作：

按下起动按钮SB1，液体混合装置开始按以下顺序工作：

1）进液阀Q0.0打开，A液体流入容器，液位上升。

2）液位上升到SL2（I）处时，进液阀Q0.0关闭，A液体停止流入，同时打开进液阀Q0.1，B液体开始流入容器。

3）液位上升到SL1（H）处，进液阀Q0.1关闭，B液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。

4）混合液体搅拌。

5）当搅拌电机搅拌均匀后停止搅拌，放液阀Q0.2打开，开始放液，液位开始下降。

6）液位下降到SL3（L）处时，开始计时且装置继续放液，将容器放空，计时满2秒后关闭放液阀Q0.2，自动开始下一个循环。

（3）停止操作：

工作循环完成后再停止。

工作中，若按下停止按钮SB2，装置不会立即停止，而是完成当前工作。

2液体混合装置的硬件设计

2.1PLC的选择

可编程控制器（PLC）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问的通信。

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5点，开关量输出为4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S7-200PLC作控制单元来控制整个系统。

S7-200PLC的一般结构包括CPU（中央处理单元）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。

2.1.1中央处理单元（CPU）

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整体性能。

2.1.2存储器的选择

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。

2.1.3I/O配置

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。

2.1.4电源配置

每个S7-200CPU模块均提供一个24V直流传感器电源和一个5V直流电源。

24V直流传感器电源可以作为CPU本机和数字量扩展模块的输入、扩展模块（如模拟量模块）的供电电源以及外部传感器电源使用。

如果容量不能满足所有需求，则必须增加外部24V直流电源。

2.2接触器、熔断器的选择

可根据所控制负载的工作任务选择相应使用类别的接触器，选用CJX1-9，220V型接触器。

2.2.1接触器用途

CJX1系列交流接触器适用于交流50Hz或60Hz，可频繁地起动及控制交流电动机。

适用于控制交流电动机的起动、停止及反转。

2.2.2接触器工作条件

海拔高度不超过2000米；周围环境温度：

-25～40℃；空气相对湿度：

在40℃时不超过50%，在较低温度下允许有较大的相对湿度；大气条件：

没有会引起爆炸危险的介质，也没有会腐蚀金属和破坏绝缘的气体和导电尘埃。

安装位置：

安装面与垂直面的倾斜度不超过±5°；在无显著摇动和冲击的地方；在没有雨雪侵袭的地方。

2.2.3接触器结构特征

总体结构：

接触器为E字形铁芯，双断点触头的直动式运动结构。

接触器动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑，可防止外界杂物及灰尘落入接触器活动部位，接触器外形尺寸小巧，安装面积小。

安装方式可用螺钉坚固，具有装卸迅速、方便之优点。

触头系统：

主触头、辅助触头均为桥式双断点结构，触头材料由导电性能优越的银合金制成，具有使用寿命长及良好的接触可靠性，并由阻燃性材料阻挡电弧向外喷溅，保证人身及邻近电器的安全。

磁系统：

9～38A接触器的磁系统是通用的，电磁铁工作可靠、损耗小、具有很高的机械强度，线圈的接线端装有电压规格的标志牌，标志牌按电压等级著有特定的颜色，清晰醒目，接线方便，可避免因接错电压规格而导致线圈烧毁。

2.2.4熔断器的选择

选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。

例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。

所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锡合金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。

若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的熔断器。

用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。

当短路电流较大时，宜采用具有高分断能力的熔断器。

当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的熔断器。

2.3搅拌电机的选择

三相异步电动机应用非常广泛，因而正确的选择电动机显得极为重要。

三相异步电动机的选择包括它的功率、种类、方式、电压和转速等。

2.3.1功率的选择

合理选择电动机的功率是运行安全和经济的可靠保证。

所选电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。

（1）连续运行电动机功率的选择

连续运行电动机功率的选择原则：

对于连续运行的电动机，若负载是恒定负载，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率稍大于或等于生产机械功率（即若负载是变化的，计算比较复杂，通常根据生产机械负载的变化规律求出等效的恒定负载，然后选择电动机）。

（2）短时运行电动机功率的选择

短时运行电动机功率的选择原则：

通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。

（原因由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。

工作时间愈短，过载可以愈大。

但电动机的过载是受限制的）电动机的额定功率是生产机械所要求功率的1/λ。

2.3.2种类和型式的选择

种类选择原则：

主要从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑。

结构型式选择原则：

根据生产机械的周围环境条件来确定。

电动机常用的结构型式有：

开启式、防护式、封闭式、防爆式。

2.3.3电压和转速的选择

电压等级选择原则：

要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。

Y系列笼型电动机的额定电压只有380V一个等级；大功率异步电动机才采用3000V、6000V的电压等级。

转速选择原则：

根据生产机械的要求而选定。

Y系列三相异步电动机是一般用途低压三相鼠笼型异步电动机基本系列。

该系列可以满足国内外一般用途的需要，机座范围80-315，是全国统一设计的系列产品。

Y系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。

安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准。

采用B级绝缘、外壳防护等级为IP44，冷却方式IC418。

2.4断路器的选择

适用范围：

DZ47-63系列小型断路器，主要用于交流50Hz，额定工作电压至380V，额定电流至63A，额定短路分断能力不超过6000A的配电线路中，作为过载和短路保护之用，亦可作为线路不频繁通断操作与转换之用。

2.5液位传感器的选择

本设计选LSF-2.5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，当没有液体时，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液位开关。

光电液位开关具有较高的环境适应能力，LSF在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。