理工 基于PLC和变频器的物料搅拌控制系统设计Word格式文档下载.docx
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ComputertechnologyasthecoreofPLCinthegeneralautomaticcontrolequipment,itisakindofprogramtochangecontrolfunctionofthecomputer.Asmicroprocessors,computerandcommunicationtechnology,therapiddevelopmentofPLCprogrammablecontrollerhaswidelyappliedinindustrialcontrol,andtheproportionoftherapidrisein.PLCmainlyconsistsofCPUmodule,inputandoutputmoduleandprogrammingmoduledevice.Itisappliedinindustry,mixingequipmentmixingprocessrealizedautomationcontrol,andimprovedthestability,agitateequipmentworkforthemixingmachinesmoothly,orderly,accurateworkingcreatespowerfulguarantee.Inthispaper,thematerialmixingsystemwithPLCascontrolcore,combinedwithfrequencyconverter,etcmaterialstirringoftheautomaticcontrolsystem.
Keywords:
PLCprogrammablecontroller；
frequencyconverter；
materialmixingsystem；
PIDcontrol;
Electriccontrolvalve
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2传统的物料混合设备的控制存在的问题1
1.3物料设备的发展趋势用PLC来代替传统物料混合设备控制2
1.4引入PLC来实现其物料混合设备的控制功能3
第2章总体方案设计4
2.1总体方案论证4
2.2系统方案的设计思想6
2.3、系统设计6
第3章硬件设计10
3.1硬件系统构成原理10
3.2硬件系统器件选型11
3.3、硬件系统设计22
3.4、系统安全性，可靠性、实用性设计31
第4章程序设计39
4.1PLC编程语言39
4.2设计程序的流程图40
4.3程序梯形图41
4.4程序设计语句49
4.5人机界面设计52
第五章系统调试55
5.1系统模拟调试55
5.2系统联机调试57
第六章总结58
6.1、本设计的功能和优点58
6.2、本次设计的心得体会58
结论60
致谢61
参考文献62
外文文献63
第1章绪论
搅拌作为工艺过程的基础操作单元，广泛应用于石油、化工、医药、食品、油漆、涂料等许多行业。
但是，由于这些行业中所用到的材料，多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质,以致于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、工作效率高等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。
基于PLC可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计和建造工作量小、维护方便、容易改造的特点，设计以PLC作为控制核心，结合变频器等完成物料搅拌的自动控制系统。
1.1引言
作为一种面向工业生产应用型技术，PLC与CAD/CAM、NC技术并成为现代工业的三大支柱技术。
PLC专为在工业现场设计，采用可编程的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟的I/O接口控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微处理器技术与传统的继电接触技术相结合的产物，他克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗低、通用性和灵活性比较差等缺点，充分利用了微处理器的优点；
本次设计采用PLC也是充分考虑了PLC的优越性，以及他在工业控制环境中的优异表现。
1.2传统的物料混合设备的控制存在的问题
鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，物料混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。
长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。
这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。
据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。
因此，从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。
而对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。
这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。
在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。
这些旋涡因经常地互相撞击和破裂，使液体受到剧烈的搅拌。
由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。
1.3物料设备的发展趋势用PLC来代替传统物料混合设备控制
近代化学工业中，流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。
它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。
对高粘度流体，特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究，也是近年来的一个方向。
聚合釜的传热特性与其中所用的搅拌器的型式关系甚大。
随着科学技术的发展。
设备有大型化发展的趋势，也需求搅拌设备大型化。
如国外聚合釜的容积已由最初的8～40m3扩大到60～100m3，最火的已达到140m3。
采用大型聚台釜可大大减少操作和检修人员，有利于自动化，减少投资，提高生产率，稳定产品质量。
随着容积的大型化，釜型逐渐由细长型向矮胖型发展。
而且采用底部搅拌的方式越采越多，多用三叶后掠式搅拌器。
三叶后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器。
因它排出量大，釜内液相循环充分，每分钟可达5～10次，能促使釜内反应均匀一致。
搅拌也可以在管路中进行，采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液-液系进行混合。
例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合；
在石油精制中，也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。
还有在管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。
可见，科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大。
搅拌技术的发展又使得搅拌设备大型化。
为了提高搅拌的全自动化和稳定性能，就需要一个功能更强、性能更好的系统做支持。
在本设计中我将引入PLC来实现其搅拌控制功能。
1.4引入PLC来实现其物料混合设备的控制功能
本设计基于采用可编程序控制器（PLC）的设计方案，实现对物料混合搅拌的控制。
以PLCS7-200为主要控制器。
根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等，设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从而满足其控制要求。
根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。
这样就可以先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图，然后在根据顺序功能图画梯形图，最后再用仿真软件对其进行调试仿真。
这样就可以实现PLC对混合搅拌控制程序的设计。
第3章总体方案设计
2.1总体方案论证
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、时间及温度等参量变化而动作，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运行，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，因此整个控制柜价格非常高，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，机构上包括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，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。
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、制作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，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、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材小用。
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，用户不用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，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器（PLC）从上个世纪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。
现在PLC已经发展成为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性能，是名符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。
故选择PLC来实施本次设计。
PLC的基本功能：
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（3）闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（4）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（5）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.2系统方案的设计思想
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
（6）硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强
2.3、系统设计
系统原理图如图2.1所示
图2.1系统原理图
1、固体物料A的给料控制方式与计量
（1）、物料A的给料量控制
物料A是一种固体状物料，在给料时要求给料控制设备能够根据用料量的大小来实时调节。
给料电机要求通过变频调速实时改变喂料量的大小。
变频调速原理：
变频器的原理是将固定的交流电变成频率连续可调的三相交流电。
通常电机的同步转速表示为：
式中旋转磁场转速，通常称为同步转速
电流频率；
旋转磁场的磁极对数。
当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。
又电动机的转子转速也是连续可调的。
变频器就是通过改变电流的频率来使电动机调速的。
（2）、物料A的计量方式
采用压力传感器组成的电子皮带秤的计量方式进行物料A的计量。
电子皮带秤是一种连续输送松散物料进行自动称量的专用仪器，在我国各行各业得到了广泛的应用。
当皮带输送物料时，称重段上的物料重量通过皮带称量拖辊载台作用于称重传感器，称重传感器将重量装换成电信号，送入运算器。
运算器将两个电信号进行积分运算，从而得出物料重量累计值并显示。
运算器的计算方法一般有积分法和累加法两种数学模式。
（3）、给料与计量的配合控制
当物料A下落到电子皮带秤上时，通过给电子皮带秤上的压力传感器确定一个物料量数值，然后通过物料下落到电子皮带秤上秤得的数据与给定数值进行比较得到一个给料信号，然后将这个给料信号传送到PLC的A/D模拟量模块中，通过PLC的D/A模拟量模块来给给料电机上的变频器一个控制信号，通过这个控制信号来调节电机的转速，从而控制物料A的给了的大小。
最后由电子皮带秤将物料A输送到搅拌器中。
2、液体进料量的控制方式与计量
（1）、物料B的给定量控制
物料B是一种液体状物料（如水），在给料时要求给料控制设备能够根据用料量的多少实时地调节。
对于调节阀要求其可以通过调节阀开度的大小，以改变物料B给予的多少。
利用电动调节阀来控制液体给量的装置。
由检测流量的传感器将检测到的流量变化信号，经交流电桥转换成交流电信号，再经过检波、比较、调零、PI放大后，成为一个线性的液位信号。
此信号与流量给定信号、阀位反馈信号进行比较，经比例运算后输出一个三位电信号（开—停—关），控制调节阀上的执行器。
（2）、物料B的计量
常用的液体物料的计量方式有以下几种：
电磁流量计、计量泵、涡街流量计。
鉴于电磁流量计的众多优点，本设计采用电磁流量计作为物料B的计量方式。
打开电磁阀，原料B开始进料到搅拌机中，其料量的多少通过电磁流量计中的流量传感器来测量。
在测量时通过给流量计传感器一个给定值（给定值由物料A和物料B的比例来定）和测量值进行比较，将比较结果传输到PLC的A/D模拟量模块中去，再通过PLC的D/A模拟量模块将控制信号传到电动调节阀中，通过控制信号来控制电动调节阀的开度，从而达到控制物料B的进量大小。
3、混合设备的控制
搅拌装置中的混合装置是通过一个恒速的三相M3来带动。
物料A和物料B通过这一装置达到混合均匀。
4、控制方案
（1）、工艺流程的分析
1 首先根据混合物料A和物料B的比例给电子皮带秤中的秤重传感器和电磁流量计一个给料信号。
2 接通各个电气设备电源后，电气设备开始工作，其中搅拌电机一直带动搅拌器工作。
3 物料A输送到变频调速电机M1所带动的传送带上。
通过M1带动的传送带把物料A送到带有称重传感器的电子皮带秤上，然后由带有恒速电机的电子皮带秤将物料A输送到搅拌器中去。
4 变频调速电机M1的转速大小由电子皮带秤所带的秤重传感器所反馈的4—20mA电流信号通过PLC中的A/D和D/A模块把反馈信号送到变频器中去，通过这一反馈信号让变频器来调节M1电机的转速，已达到调节物料A的给料量的目的。
5 在输送物料A的同时打开电磁阀，物料B开始向搅拌器中输送。
6 通过电磁流量计带有的流量传感器与给定值比较向PLC反馈一个4-20mA的电流信号，通过PLC中的A/D和D/A模块把信号传送到电动调节阀中，通过这一信号控制调节电动调节阀的开度，以达到调节物料B进料大小的目的。
7 将物料A和物料B输送到搅拌器中后对其进行搅拌。
（2）控制流程
控制过程电气设备的启动顺序为:
首先启动搅拌电机M3；
然后打开电磁阀，接通物料A的输送电机M1、电子皮带秤、电动调节阀、电磁流量计及PLC的电源。
通过电子皮带秤和电磁流量计的反馈信号实时地调节M1电机和电动调节阀，以控制物料A和物料B的输送量。
第4章硬件设计
3.1硬件系统构成原理
根据系统设计思想，可以构建如图3.1所示的硬件系统框图：
图3.1硬件系统框图
其中：
（1）控制模块：
控制模块由各种开关根据实际的开关需要发出开关量信号，使PLC根据相关开关信号发出相关控制指令。
本设计需要的开关主要有手自动装换开关、急停开关、循环启动开关、循环停止开关、手动送A物料开关、手动送B物料开关、手动搅拌开关。
（2）传感器模块：
传感器模块主要是采集相关部位的动态变化信号，辅助PLC完成相关过程的控制。
本设计所用的传感器主要有液位传感器用于显示搅拌器内液位高度；
称重传感器用于反馈物料A的量，从而控制物料A的量；
电磁流量计用于计量物料B的量。
（3）PLC:
PLC是本设计中的主要控制元件，也是本设计的重点和难点。
（4）物料A的控制模块：
物料A的控制模块主要有几部分组成,变频电机M1主要用于控制物料A的量；
恒速电机M2主要用于将物料A送入搅拌器。
（5）物料B的控制模块：
物料B的控制模块也有几部分组成，下料阀Y1主要是将物料B送入下料管道，电动调节阀主要用于控制物料B的量。
（6）显示模块：
主要是直观的显示搅拌器内液位的高度。
3.2硬件系统器件选型
1、PLC机型选择
PLC机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。
具体应考虑的因素如下所述。
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；
否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。
（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机。
（3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。
但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。
一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。
一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。
由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；
另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；
其外部设备通用也有利于资源共享。
若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。
物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC
（4）是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。
当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。
PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。
离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程
（5）PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。
尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0～55℃，最高为60℃
储存温度-40℃～＋85℃
湿度相对湿度5%～95%（无凝结霜）
振动和冲击满足国际电工委员会标准
电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz瞬间停电保持l0ms
环境周围空气不能混有可
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