机械毕业设计881基于PLC的物料混合控制系统设计.docx
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机械毕业设计881基于PLC的物料混合控制系统设计
本科学生毕业设计
基于PLC的物料混合控制系统设计
院系名称：
机电工程学院
专业班级：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
指导教师：
职称：
讲师
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
MaterialBlendingControlSystemDesignBasedonPLC
Candidate：
WangZhenyu
Specialty：
MachanicalDesignandManufacture
&Automation
Class：
08-10
Supervisor：
Lecturer.LiuCaiyong
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
摘要
可编程序控制器简称PLC，是近年来一种发展极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。
它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出完成确定的逻辑顺序、定时、记数、运算和一些确定的功能来控制各种类型的机械或生产过程。
工业混合搅拌设备，使得搅拌过程实现了自动化控制、并且提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机械顺利、有序、准确的工作创造了有力的保障。
本文所介绍的多种液体混合的PLC控制程序可进行单周期或连续工作，具有断电记忆功能，复电后可以继续运行。
另外，PLC还有通信联网功能，再通过WINCC组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。
该混合控制系统，根据实际要求利用PLC的实时控制和顺序处理功能，完成系统控制，。
在本次论文中，给出了控制系统的硬件原理图，主电路图及软件设计。
关键词：
可编程序控制器PLC；液位传感器；定时器；交流接触器；搅拌电机；三级断路器；
ABSTRACT
ProgrammablelogiccontrollerPLCforshortisadevelopmentveryquicklyinrecentyears,haswideapplicationinindustrycontroldevice.Itisanapplicationdesignedforindustrialenvironmentsandthedesignofdigitalelectronicsystemsthatrun,itusestheprogrammableprogrammemory,usedtostoretheuserinstructions,throughdigitaloranaloginput/outputcompletiondeterminethenumber,timingandrecordinginalogicalorder,operationsanddeterminefeaturestocontrolvarioustypesofmachineryorproductionprocesses.
Industrialmixingequipment,mixingprocessesareautomatedcontrol,andimprovethestabilityofmixingequipment,mixingmachineryforasmooth,orderlyandaccuratecreationofstrongprotection.
MultipleliquidmixofPLCcontrolprogramdescribedinthisarticleforsingle-cycleorcontinuouswork,withpoweroffmemoryfunction,complexsystemcancontinuetorun.Inaddition,PLChascommunicationnetworking,thenbyWINCCconfiguration,canbedirectlyonthesitemonitoringandmoreconvenientworkandmanagement.Thehybridcontrolsystem,basedonactualrequirementswithPLCcontrolandorderprocessingfunctionality,completesystemcontrol,Inthispaper,thehardwareofthecontrolsystemaregivenschematics,circuitdiagramsandsoftwaredesign.
Keywords:
PLCprogrammablecontroller；Levelsensor；Thetimer；ACcontactor；Stirringmotor；Three-levelcircuitbreakers；
第1章绪论
1.1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，流体混合技术在上世纪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。
1.2物料设备的发展趋势
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。
侧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。
1.3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，实现对液体混合搅拌的控制。
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。
1.4基本内容、拟解决的主要问题
1.基本方案的选择和确定；总体方案论证，系统是将计算机技术、PLC和工业自动化技术紧密结合起来。
2.设计电气控制原理图；从初始状态到启动到最后操作的结束的中间详细过程的原理图。
3.进行PLC的选型及I/O分配；从从对PLC的选择到PLC的容量选择在到启动到物料混合的各个I/O的选择和分配。
4.PLC控制程序的编写,写出指令表。
1.5拟解决主要问题
（1）PLC机型的选择根据PLC物料混合控制要求，列出该系统的输入输出表，从表中可得出该系统输入、输出数总和为多少点。
选型时还应将性价比作为重点考虑因素。
（2）硬件电路的设计根据设计要求设计合适的硬件电路，选型、调试。
（3）了解程序的设计控制程序设计，最大限度的满足被控对象的控制要求。
1.6技术路线或研究方法
1.查阅文献资料，专业设计或论文，从中学习PLC物料混合控制原理。
完成基本的知识结构体系.例如控制系统有进料、循环、输送三种工作状态；
2.到涉及课题有关的单位进行实地考查或实习，并开展有关研究，参考实际中核心问题的解决方案，以及实际操作中会出现的问题和应该注意的事项。
3.请专业技术人员对毕业设计方案进行指导与评议，找到自己的不足，取长补短，将不合适的设计及设计中的失误剔除改正。
4.自己试验，记录数据，测试性能。
5.编写毕业论文。
第2章控制系统总体方案
2.1控制方式系统的要求的设计
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。
2.1.1.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。
2.1.2.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。
2.1.3.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。
2.1.4.可编程序控制器控制
可编程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制和设计外部接线图，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。
（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
控制系统简单、经济、使用和维护方便。
物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要求：
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系统的整体设计要求
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，如图2.1控制要求如下：
1.混合过程：
开始排放混合液体阀打开延时10S后自动关闭，A液体阀Y1打开，注入A液体。
当液面上升到SL2时，关闭A液体阀Y1，同时注入B液体阀Y2打开，注入B液体。
当液面上升到SL3时，关闭B液体阀，并开始定时搅拌，搅拌10S后停止。
2.停止过程：
停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到SL1时，开始计时到10S后关闭排气阀Y4。
一个循环结束。
3.当系统发生故障时，报警灯闪烁。
保护动作自动关闭相应的阀门和开启相应的阀门。
停止混合系统运行。
4.本设计使用液位H、I、L3个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。
图2.1混合液体
2.4本章小结
本章介绍了控制方式系统的要求以及系统方案的设计思想和对整体设计的要求，对设计的整体有个完整的认识。
第3章硬件系统设计
3.1硬件选用
3.1.1选择接触器
1.选用CJX1-9，220V型接触器（如图3.1）
图3.1CJX1-9，220V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.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。
3.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%，低温时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；
控制电压允许变动范围：
85%～110%US。
4.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，装卸迅速、方便。
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。
3.1.2选择搅拌电机
三相异步电动机（如图3.2）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。
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.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。
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3.2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.
3.1.3选择小型三极断路器（如图3.3）
图3.3DZ47-63系列小型断路器
适用范围：
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。
3.1.4选择液位传感器
选用LSF-2.5型液位传感器（图3.4）
图3.4LSF-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。
3.1.5选择电磁阀
1.入罐液体的选用
入罐液体的选用VF4-25型电磁阀（如图3.5）
图3.5VF4-25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.出罐液体的选用
出罐液体的选用AVF-40型电磁阀（如图3.6）
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）
图3.6AVF-40型电磁阀
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。
3.2PLC选型基本原则
产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
在PLC系统设计时，首先应确
升级会员 