湖北文理学院多种液体自动混合装置的PLC控制Word格式.docx
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总评成绩
指导教师：
年月日
注：
1、该成绩评定表每位学生一份，并装订在设计说明书的第二页；
2、指导教师按课程设计大纲的要求评定成绩，并给出总评成绩；
3、总评：
优秀≥90分,良好80-89分,中等70-79分,及格60-69分,不及格<
60分。
湖北文理学院
《机电传动控制课程设计》报告
题目
液体混合装置控制
班级
姓名
学号
指导教师
职称
吴何畏副教授
2017年7月10日
摘要
本设计以三种液体的混合控制为例，其要求是将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。
并自动开始新的周期，形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。
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、外部连接等）,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
文中详细介绍了系统的硬件设计、软件设计。
其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、输入/输出的分配表及外部接线；
软件设计包括系统控制的梯形图、指令表及工作过程。
在本装置设计中，液面传感器和电阀门以及搅动电机采用相应的钮子开关和发光二极管来模拟，另外还借助外围元件来完成本装置。
整个程序采用结构化的设计方法,具有调试方便,维护简单,移植性好的优点。
关键词：
三种液体、混合装置、自动控制
目录
第一章引言1
1.1液体混合装置控制设计的目的1
1.2基于可编程控制器的液体混合装置控制系统的特点1
第二章PLC及液体混合装置的PLC控制2
2.1PLC的由来及定义2
2.2PLC的发展历程2
2.3PLC的特点2
2.4在液体混合装置控制系统应用PLC的原因及优越性3
2.5基于PLC的液体混合装置控制系统的内容及要实现的目标3
第三章液体混合装置控制系统总体设计方案5
3.1系统硬件配置及组成原理5
3.2系统接线图设计6
第四章控制系统设计7
4.1I/O分析7
4.2PLC选型8
4.3FX2N系列编程器介绍8
4.4确定各原件编号，分配I/O地址8
4.5外部接线图设计10
4.6操作面板设计10
第五章:
基本指令系统和编程方法11
5.1基本指令系统特点11
5.2编程语言的形式11
5.3梯形图编程规则12
5.4编程软件介绍12
5.5控制程序流程图设计15
5.6PLC液体混合装置控制程序的梯形图和语句表15
第六章总结18
参考文献19
附录液体混合装置PLC控制程序的梯形图和外部接线图20
第一章引言
1.1液体混合装置控制设计的目的
在工艺加工最初，把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。
实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合远远不能满足当前自动化的需要。
可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。
充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
1.2基于可编程控制器的液体混合装置控制系统的特点
基于可编程控制器的液体混合装置控制系统的特点：
1）系统自动工作；
2）控制的单周期运行方式；
3）由传感器送入设定的参数实现自动控制；
4）启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。
第二章PLC及液体混合装置的PLC控制
2.1PLC的由来及定义
可编程逻辑控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
2.2PLC的发展历程
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器
PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
1971年，日本研制出第一台DCS-8
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable
Logic
Controller（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
2.3PLC的特点
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；
开关量或模拟量；
电压或电流；
脉冲或电位；
强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；
行程开关；
接近开关；
传感器及变送器；
电磁线圈；
控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;
为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.4在液体混合装置控制系统应用PLC的原因及优越性
液体混合装置控制系统进行PLC改造的两个原因：
1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现。
根据液体混合装置控制系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。
2.5基于PLC的液体混合装置控制系统的内容及要实现的目标
利用三菱PLC的FX系列设计三种液体混合装置控制系统。
初始状态装置投入运行时，液体A、B、C阀门关闭，混合液阀门打开10秒将容器放空后关闭。
启动操作:
按下“启动”按钮，装置投入运行：
液体A阀门打开，液体A流入容器。
当液面到达SL3时，SL3接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。
液面到达SL2时，关闭液体B阀门，打开液体C阀门，液面到达SL1时，关闭液体C阀门。
搅匀电机开始搅匀、加热器开始加热。
当混合液体在6秒内达到设定温度，加热器停止加热，搅匀电机工作6秒后停止搅动，当混合液体加热6秒后停止搅动；
当混合液体加热6秒后还没有达到设定温度，加热器继续加热，当混合液达到设定温度时，加热器停止加热，搅匀电机停止工作。
搅匀结束以后，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由接通变为断开，再过2秒后，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”按钮后，在当前的混合液处理完毕后，停止操作。
需要完成的内容有：
1）编写输入输出对照表。
包括信号名称、外部元件号、内部继电器号；
2）绘制PLC外部接线图；
3）绘制功能流程图；
4）编写、调试梯形图或语序表。
图1-1三种液体混合装置
第三章液体混合装置控制系统总体设计方案
根据设计要求，本系统为三种液体自动混合，需要对各种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。
各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌加热，则需要电机控制。
对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。
具体控制方法根据题目要求，按下启动按钮时，A种液体进入容器，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入，C种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入。
搅拌机进行搅拌，加热器开始加热，当混合液体在6秒内达到设定温度，加热器停止加热，搅匀电机工作6秒后停止搅动，当混合液体加热6秒后停止搅动；
当混合液体加热6秒后还没有达到设定温度，加热器继续加热，当混合液达到设定温度时，加热器停止加热，搅匀电机停止工作，放出液体。
液体放出达到一定值时停止放出。
液体的进入和放出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制，液体的温度需要传感器的检测。
下面就是系统总体的设计方案。
3.1系统硬件配置及组成原理
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。
在炼油、化工、制药、饮料等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。
故而准备设计一个可以将三种食用液体自动混合成饮料的控制装置，三种饮料分别命名为液体A、液体B和液体C。
基本的设计硬件如下表所示：
表2-1设计硬件选择
名称
型号
数量
微型计算机
专用计算机
1台
PLC主机单元
三菱FX系列
两种液体自动混合单元
配套
通信电缆
若干
液体混合控制装置控制的模拟实验面板图如图2-1所示，此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、液体C阀门、混合液阀门的打开与关闭、搅匀电机的运行以及加热器加热与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。
图2-1液体混合控制装置控制的模拟实验面板图
3.2系统接线图设计
表3-3 输入/输出接线列表
面板
SD
SL1
SL2
SL3
T
YV1
YV2
YV3
YV4
YKM
H
PLC
X000
X001
X002
X003
X004
Y001
Y002
Y003
Y004
Y005
Y006
第四章控制系统设计
4.1I/O分析
（一）机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；
按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；
模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
（二）输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；
可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
（三）电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。
重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
（四）存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
（五）冗余功能的选择
1．控制单元的冗余
（1）重要的过程单元：
CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、二重化或三重化冗余容错系统等。
2.I/O接口单元的冗余
（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。
（3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
（六）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
4.2PLC选型
PLC的型号、规格繁多，根据前面的I/O估算，再查阅《三菱PLC编程手册》中的相关表格，确定PLC选型。
因为点数在30以内，所以选择FX2N系列。
4.3FX2N系列编程器介绍
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力.
4.4确定各原件编号，分配I/O地址
首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。
在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。
此时液体控制电磁阀YV1=YV2=YV3=YV4=OFF状态；
传感器SL1=SL2=SL3=OFF状态；
电动机M为关闭状态；
加热器Ｈ为关闭状态。
在启动操作中，当装置和液体的都准备好之后，按下启动按钮,开始下列操作:
1）YV1=ON,液体A流入容器;
当液面到达SL3时,YV1=OFF,YV2=OFF,YV3=ON,YV4=OFF;
2）YV2=ON,液体B流入容器;
当液面到达SL2时,YV1=OFF,YV2=ON,YV3=OFF,YV4=OFF;
3）YV2=ON,液体C流入容器;
当液面达到SL1时,YV1=OFF,YV2=OFF，YV3=OFF,YV4=OFF,M=ON,H=ON,电动机开始进行液体的充分混合搅拌,加热器开始加热;
当混合液体搅拌均匀,达到预定温度后（设时间为6s）,M=OFF,H=OFF,YV4=ON,开始放出混合液体;
当混合液体加热6秒后还没有达到设定温度，加热器继续加热，在混合液达到设定温度时，M=OFF,H=OFF,YV4=ON。
4）当液体下降到SL3时,SL3从ON变为OFF,把时间控制为再过2s后容器放空,关闭YV4,YV4=OFF完成一个操作周期;
5）在只要没有按停止按钮的状态下,则自动进入下一个循环操作周期。
在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在当前混合操作周期结束后,才停止操作。
从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始系统的循环。
根据以上分析，对PLC来说，需要提供5个输入点和6个输出点。
除了以上的输入输出点意外，PLC与计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。
考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。
因此，要按估计数再增加15%―20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。
综上所述，I/O估算为：
输入点点数为8，输出点点数为9。
在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3-2所示
表3-2I/O分配表
分类
元件
端子号
作用
输
入
起动按钮
SL1液面高位传感器
SL2液面中位传感器
SL3液面低位传感器
温度传感器T
出
Y000
进液阀门A
进液阀门B
进液阀门C
排液阀门
搅拌电动机
加热器
4.5外部接线图设计
图3-1PLC外部接线图
如图3-1所示，PLC外部接线图左边一排为输入，其中X000，X004，X001，X002，X003分别与SD，T,SL1，SL2，SL3相连;
右边一排为输出，其中Y005，Y004，Y000，Y001，Y002，Y003分别与YKM,H,YV1，YV2，YV3，YV4相连。
4.6操作面板设计
图3-2装置操作面板
如图3-2所示起停按钮P1与主机的X000，相连，液面传感器P2，P3，P4，P5分别与主机的输入点X004，X001，X002，X003相接，液体A阀门，液体B阀门，液体C阀门,混合液体阀门,搅拌机,和加热器P6，P7，P8，P9，P10，P11分别与主机的输出点Y000，Y001，Y002，Y003，Y005,Y004相连。
第五章:
基本指令系统和编程方法
5.1基本指令系统特点
特殊辅助继电器
功能
状态继电器
M8000
运行监控常开触点
S0
手动操作初始状态继电器
M8040
禁止转换
S1
回原点初始状态继电器
M8041
转换启动
S2
自动操作初始状态继电器
M8042
启动脉冲
M8043
回原点完成
M8044
原点条件
M8046
STL监控有效
如果改变了当前选择的工作方式，在“回原点方式”标志M8043变为ON之前，所有的输出继电器将变为OFF。
5.2编程语言的形式
1、梯形图语言（LD）
梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。
它是与继电器线路类似的一种编程语言。
由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语
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