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两种液体自动混合装置的设计毕业论文
两种液体自动混合装置的设计毕业论文
两种液体自动混合装置的系统设计
姓名：
王震学号：
20092080539班级：
09级机电一体化5班
指导老师：
王爱岭
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，低液位后延时20S放空后关阀，放入液体A经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60S后停，开阀放出混合液体C，低液位后延时20S放空后关阀，又重复上述过程，要求工作过程中按下停止按纽后搅拌器不立即停止工作，对当前混合操作处理完毕后才停止搅拌器。
本设计采用日本三菱公司的FX1N系列PLC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
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。
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，吧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，也能想几点起那样方便地使用。
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（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。
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商业界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。
随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，是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有：
1.液体灌装机能够实现对混合装置安全、高效的加料、混料、出料的控制；2.满足混合装置的各项技术要求；3.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。
第1章混合装置控制系统方案设计
1.1方案设计原则
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，由模拟控制到徽机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于充善。
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，新控制装置需要报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
1.本设计主要实现对混合装置的加料、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由YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电动机。
图1-1搅拌控制系统示意图
1.4控制对象分析
控制要求：
如图1-1所示，SL1、SL2、SL3为3个液位传感器，液体淹没时接通。
进液阀Q00、Q01分别控制A液体和B液体进液，出液阀控制混合液体出液。
1.初始状态当装置投入运行时，进液阀Q00、Q01关闭，出液阀Q03打开20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Q00打开，A液体流入容器，液位上升。
2）当液位上升到SL2处时，进液阀Q00关闭，A液体停止流入，同时打开进液阀Q01，B液体开始流入容器。
3）当液位上升到SL1处，进液阀Q01关闭，B液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。
4）搅拌1分钟后，停止搅拌，放液阀Q02打开，开始放液，液位开始下降。
5）当液位下降到SL3处时，开始计时且装置继续放液，将容器放空，计时满20秒后关闭放液阀Q02，自动开始下一个循环。
3.停止操作工作中，若按下停止按钮SB2，装置不会立即停止，而是完成当前工作循环后再停止。
第2章混合装置控制系统的硬件设计
2.1选择PLC
传统的控制方法是采用维电器一接触器控制。
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，也简洁地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，选用日本三菱公司生产的FX1N-14MR-001型（输入8点/输出6点）PLC作控制单元来控制整个系统。
图2-1FX1N-14MR-001型PLC
PLC的一般结构如图2-2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。
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。
图2-2PLC机构图
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与现场设备相连接的部件。
它的作用是将枪入信号转换为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。
2.2选择接触器
选用CJX1-9，220V型接触器，如图2-3所示：
图2-3CJX1-9，220V型交流接触器
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
2.2.1用途
CJX1系列交流接触器（以下简称接触器）适用于交流50Hz或60Hz，压至660V，额定绝缘电压至660V；电流9～475A（380V、AC-3使用类别）的电力线路中供远距离接通或分断电路之用，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。
接线端有罩盖，人手不会直接接触带电部位，可确保使用安全。
接触器外形尺寸小巧，安装面积小。
安装方式可用螺钉坚固，9~38A也可扣装在35毫米宽的标准安装导轨上，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，灭弧室成封闭型，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。
2.3选择搅拌电机
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
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（负载图）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
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。
图2-4电动机型号为Y90S-6/0.75KW
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小型三极断路器的选择
图2-5DZ47-63系列小型断路器
适用范围：
DZ47-63系列小型断路器（以下简称断路器），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，断路器符合GB10963.1标准。
2.5液位传感器的选择
选用LSF-2.5型液位传感器（图2-6）
图2-6LSF-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.触点容易为70W；
5.开关电压为24VDC；
6.切换电流为0.5A。
2.6选择电磁阀
2.6.1入罐液体的选用
入罐液体的选用VF4-25型电磁阀，如图2-7所示：
图2-7VF4-25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。
相关元件主要技术参数及原理如下：
l.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-20一60℃；
3.使用电压：
AC:
220V50HZ/60HZDC:
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。
2.6.2出罐液体的选用
出罐液体的选用AVF-40型电磁阀，如图2-8所示：
图2-8-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健设置来控制流量，达到定时排空的效果；
2.其阀体材料为：
ABS，有比较强的抗腐蚀能力；
3.使用电压：
AC:
220V50HZ/60HZDC:
24V；
4.功率：
AC:
5KW。
2.7选择热继电器
选用JR16B-60/3D型热继电器，如图2-9所示：
图2-9JR16B-60/3D型热继电器
其中“J”表示继电器，“D”带断相保护
相关元件主要技术参数及原理如下：
l.额定电流为20（A）
2.热元件额定电流为32/45（A）
2.8PLCI/O点分配
分析原理
从混合装置装置的工作过程可以看出，整个工作过程主要分为初始准、进液1、进液2、搅拌等5个阶段，各阶段是按顺序，在相应的转换信号指令下从一个阶段向另一个阶段转换，属于顺序控制。
三菱PLC具有专门的顺序控制指令——步进指令，用步进指令编程简单直观、方便易读。
下面结合液体混合装置装置，用步进指令编程实现对它的控制。
分析控制要求，输入输出设备。
1.起动操作：
分析系统控制要求，可将系统的工作流程分解为5个工作不，如图3-1所示。
第一步：
初始准备阶段，出液阀Q03打开，放液20S.
第二步：
按下起动按钮SB1，进液阀Q00打开，进1液。
第三步：
SL2动作，打开进液阀Q01，进2液。
第四步：
SL1动作，搅拌电动机M工作，搅拌混合液1分钟。
第五步：
1分钟时间到，打开放液阀Q02.放液至SL3处，开始计时且继续放液，计时满20S后，开始下一个循环。
2.停止操作：
在工作过程中，按下停止按钮后，装置不会立即停止，而是完成当前工作循环后才会自动停止。
1.确定输入设备根据上述分析，系统有5个输入信号：
起动、停止、液位传感器SL1、SL2和SL3检测信号。
由此确定，系统的输入设备有两只按钮和三只传感器，PLC需要用5个输入点分别与之相连。
2.确定输出设备系统由进液阀Q00、Q01分别控制1液和2液的进液；出液阀Q02控制放液；电动机M进行混合液体的搅拌。
由此确定，系统的输出设备有三只电磁阀和一只接触器，PLC需要用4个输出点分别驱动它们。
根据确定的输入|输出设及输入|输出点数，分配I/O点如下表2-1。
2.8.1输入和输出设备及I/O点分配
表2-1输入和输出设备及I/O点分配表
输入
输出
元件代号
功能
输入点
元件代号
功能
输入点
SB1
系统起动
X0
KM
控制搅拌电动机
Y0
SB2
系统停止
X1
Q00
进液阀
Y4
SL1
液位传感器
X2
Q01
进液阀
Y5
SL2
液位传感器
X3
Q02
进液阀
Y6
SL3
液位传感器
X4
2.8.2PLC的I/O接线图
根据表2-1输入和输出设备及I/O点分配表画出I/O接线图如下
图2-10PLCI/O接线图
2.9主电路的设计
根据以上所选的CJX1-9，220V型接触器、DZ47-63系列小型断路器、JR16B-60/3D型热继电器和型号为Y90S-6/0.75KW的电动机可画出其硬件接线图，如图2-11所示:
图2-11硬件接线图
第3章混料装置控制系统的软件设计
3.1分析控制要求
图3-1混料装置装置工作流程图
3.2系统状态转移图
根据液体混合装置工作流程图可画出状态转移图，如图3-2所示
图3-2由工作流程图演变而成的状态转移图
3.3液体混合装置状态转移图
根据图3-2由工作流程图演变而成的状态转移图可画出液体混合装置状态转移图如3-3所示
图3-3液体混合装置状态转移图
3.4梯形图执行原理分析
1.S0状态。
PLC运行的第一个扫描周期，M8002接通（转移条件成立），激活S0状态，建立子母线。
在子母线上，定时器T0开始定时20秒，Y006动作开始放液。
定时时间到，Y006复位停止放液。
按下起动按钮，X000动作，初始状态S0向一般状态S20转移
2.S20状态。
STLS20激活S20状态，建立子母线。
在子母线上，Y004动作进1液。
当液位上升至SL2处，X003动作，向S21状态转移。
3.S21状态。
STLS21激活S21状态，建立子母线。
在子母线上，Y005动作进2液。
液位上升至SL1处，X002动作，向S22状态转移。
4.S22状态。
STLS22激活S22状态，建立子母线。
在子母线上，T1开始计时，Y000动作，开始搅拌混合体。
60秒时间到，向S23状态转移。
5.S23状态。
STLS23激活S23状态，建立子母线。
在子母线上，Y006动作开始放液。
液位下降至SL3处，X004复位，开始定时20秒，时间到向S20状态转移，自动进入下一个循环。
图3-4液体混料装置梯形图
3.4.1初始状态梯形图分析
系统的初始状态S0被激活，Y006动作，开始放液、定时器T0线圈接通，开始计时，如图3-5所示。
图3-5初始状态梯形图
3.4.2进液体梯形图分析
按下起动按钮SB1后，X000动作，S0状态被关闭，S20状态被激活，Y004动作，进A液，如图3-6所示。
图3-6进液体梯形图
3.4.3混合液体梯形图分析
动作SL1，X002动作，S21状态被关闭，S22状态被激活，Y000动作，搅拌混合液体、定时器T1开始计时，如图3-7所示：
图3-7液位上升至SL1处的梯形图窗口
3.5系统指令表
表3-1系统指令表
程序步
指令
元件号
程序步
指令
元件号
0
LD
M8002
20
SET
S22
1
SET
S0
22
STL
S22
3
STL
S0
23
OUT
Y000
4
OUT
T0K200
24
OUT
T1K600
7
LDI
T0
27
LD
T1
8
OUT
Y006
28
SET
S23
9
LD
X000
30
STL
S23
10
SET
S20
31
OUT
Y006
12
STL
S20
32
LDI
X004
13
OUT
Y004
33
OUT
T2K200
14
LD
X003
36
LD
T2
15
SET
S21
37
SET
S20
17
STL
S21
39
RET
18
OUT
Y005
40
END
19
LD
X002
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没备消耗、元器件设备故障发生点有比较准确的估计，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系统常见故障分析及维护
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/0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
4.2.1PLC主机系统故障分析及处理
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适成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线很坏，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，故降率已经大大下降。
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，加装降温描施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要
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