液体定量灌装系统的设计.docx
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液体定量灌装系统的设计
广西工业职业技术学院
设计说明书
课题名称；液体定量灌装系统的设计
学生姓名；
学 号；
专 业； 电气自动化
班 级； 电气1431
起止日期；9月1日-11月15日
指导教师；
广西工业职业技术学院
设计说明书
题目：
液体定量灌装系统的设计
摘要
本次设计是利用PLC实现两种液体的自动混合。
此次设计主要考虑其各个不同状态动作的连续和关联，对不同的状态进行不同的动作控制输出，从而实现将AB两种液体混合的周期性控制（包括单周期）。
本次设计的主要意义是：
用PLC编程来控制，一方面可以省去人力物力，从而达到节省成本的目的；另一方面，程序的合理性，全面性和可靠性可以使液体混合能更安全可靠全面的实现。
关键词：
PLC 液体混合装置 自动控制定量灌装系统
第一章前言
随着科学技术的飞速发展，自动控制技术已经在人类活动的各个领域中的应用得越来越广泛，而它的水平已经成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要指标。
在炼油、制药、化工等行业中，液体混合已经是不可缺少的程序，而且也是工业生产中非常重要的一部分。
然而由于此类行业中多数为有腐蚀有毒性介质和易燃易爆介质，这样就造成现场的工作环境非常恶劣，不适宜工作人员在现场操作。
此外，要求该系统在生产过程中具有配料准确、控制良好等规定，这也是半自动化及人工操作控制所难以实现的。
因此为了解决相关行业出现的这些问题，尤其是中小型企业中要求做到多种液体自动混合,液体自动混合配料势必成为摆在我们眼前的一大课题。
液体混合系统采用基于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的特点。
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，液体混合自动配料系统就此应社会工厂的需要而诞生了。
如何使PLC在饮料灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。
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：
工作条件：
工程对电气控制线路提供的具体资料，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工艺和设备现况来构成并需尽量用以前系统中的元器件。
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，以便于操作人员快速掌握。
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。
第一章课题设计的要求与目的
1.1课题的任务要求
液体定量灌装控制系统在当今食品工业中有着广泛的应用，如在啤酒灌装生产线、饮料灌装生产线中都要求将相关的液体以固定量装入相应的罐体中，本设计要求学生用S7300PLC、相关的传感检测装置、触摸屏或组态软件设计出一套先进的液体定量灌装控制系统，能够灵活的进行液体灌装量的设置和监控，并阐述各级控制系统的硬件选型原则、设计要点、组态方法、网络特点，并详细的阐述该网络的先进性和设计步骤及方法
1.2课题的目的
1.使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基础技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。
2.培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识技能，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。
3.培养学生的系统设计、工程绘图、程序编写、参数设置、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。
4.培养学生学会调研研究的方法，熟悉有关政策，提高运用国家标准、手册等工具书的能力，尤其注重培养学生通过上网、查阅图书独立获取新知识、新技术和新信息的能力。
5.使学生初步掌握解决工程技术问题的正确的指导思想、方法和手段，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团队协作的工作作风。
6.培养学生撰写符合规范要求的设计说明书和编写相关技术文件的能力。
第二章系统方案设计
2.1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，集体控制要求如下图：
按动启动按钮后，电磁阀A通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到L2时，液位传感器L2接通，此时电磁阀A断电关闭，而电磁阀B通电接通，液体B流入容器。
液位达到L3时，液位传感器L3接通，这时电磁阀B断电关闭。
1分钟后电磁阀C通电打开，放出混合液体。
当液位下降到L3，再继续放液20秒后关闭放液阀门，随后再将电磁阀A打开，开始新的周期。
本设计使用液位L1、L2、L3三个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门。
图2-1混合液体装置
2.2系统方案说明
（1）本控制系统要求简单、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，
（2）首先，这套液体定量灌装系统由西门子PLC300,反应罐，电磁阀，管道以及液体流量计等组成，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。
除了功能中的逻辑处理以外，现代PLC基本上都具有比较完善的数据运算能力，因此可以用在各种各样的数字控制场合。
本次系统设计就是用S7-300PLC来做控制的，液体反应罐是液体流进流出的容器，它把两种液体混合在一起，生成另一种混合液体，而三个液位传感器则在罐内高，中，低三个不同的位置进行水位检测及控制流量，当液位达到一定量时就打开电磁阀，把混合液体排放出去，同时涡街流量计开始检测液体流量，这样就完成了一个液体定量灌装系统的过程。
（3）作为通用的工业控制计算机，PLC是面向工矿企业的工控设备。
它的接口简单，编程语言容易被工程技术人员接受。
梯形图编程语言的符号及图形与表达方式跟继电器的电路图比较相当接近，只用少量的PLC开关量逻辑控制指令就能方便地实现继电器电路所能实现的功能。
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来从事工业控制减少了很多工作量，节约了时间。
（4）本次系统设计从硬件选型，软件设计等方面都查阅了大量资料，就是为了本次系统设计能顺利启动运行起来。
完成选型之后就开始画I/O分配表，画电气原理图,画软件设计流程图，编写控制程序，还有进行系统调试，最后就是组态监控。
第三章硬件选型
系统硬件选型
元器件明细如图3-1。
名称
型号
数量
备注
按钮开关
KH-2204
2个
液位传感器
LSF-2.5
3个
涡街流量计
DN500
1个
电磁阀（入液罐）
VF4-25
2个
电磁阀（出液罐）
AVF-40
1个
接触器
CJX1-9/220V
1个
图3-1元器件明细
3．1液位传感器的选择
选用LSF-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系列液位开关可提供非常准确、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°C。
（3）触点寿命为100万次。
（4）触点容量为70w。
（5）开关电压为24VDC。
（6）切换电流为0.5A。
图3-1LSF-2.5型液位传感器
3．2涡街流量计的选择
选用DN500型涡街流量计，其工作原理是当管道中流体介质通过旋涡发生体时，由于局部流速加速而产生旋涡现象。
适用范围极广，气体，液体，蒸汽。
可测介质温度：
防爆介质：
-40度至100度，低温介质;-40度至100度，中温介质：
-40度至280度，高温介质：
-40度至350度，公称压力：
低压;小于等于1.6MPa-2.5MPa
（1）输出信号：
电压脉冲；低电平<1V,高电平>6V
（2）标准电流：
4-20mA
（3）供电电源：
电压脉冲输出：
+12VDC/+24VDC4-20mA标准电流输出：
+24VDC
（4）环境温度：
-30度至+55度
（5）相对湿度：
5%至90%
（6）防护等级：
IP65，IP67;
（7）防爆等级：
ExiallCT4:
（8）表体材料：
304,1Cr18Ni9Ti
图3-2涡街流量计
3．3电磁阀的选择
（1）入罐液体选用VF4-25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：
（2）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。
（3）介质温度≤150/℃环境温度-20～60°C。
（4）使用电压：
AC：
220V50Hz/60HzDC：
24V。
（5）功率：
AC：
2.5KW。
（6）操作方式：
常闭：
通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。
（1）出罐液体选用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：
（2）其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果。
（3）其阀体材料为：
聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力。
（4）使用电压：
AC：
220V50Hz/60HzDC：
24V。
（5）功率：
AC：
5KW。
图3-3VF4-25型电磁阀
3.4PLC的基本结构
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。
PLC的基本结构图如图2-2所示。
图3-4PLC的基本结构图
中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般由运算器、控制器、寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。
它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
PLC中采用的CPU一般有三大类：
通用微处理器；单片机芯片；位处理器。
存储器主要用于存放系统程序和应用软件。
PLC所用的存储器基本上由ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除的只读存储器）及RAM（随机存储器）组成。
根据存储内容的不同，PLC的存储空间一般分为以下3个区域：
系统程序存储区、用户程序存储区、系统RAM存储区。
输入/输出单元从广义上分包含两部分：
与被控设备相连接的接口电路；输入输出的映像寄存器。
PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
3．5PLC的选择
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S7-300系列PLC作控制单元来控制整个系统。
之所以选择这种PLC，主要考虑S7-300系列PLC有以下特点：
（1）丰富的指令系统。
除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数据处理，甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。
而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。
（2）快速的CPU处理速度、大程序容量。
（3）大的网络通信功能。
可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。
在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1：
n上位链接通信方式，用一台计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。
（4）编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。
图3-5S7-300PL
3.6系统电气原理图
（1）启动操作
按下启动按钮SB1，YV1通电并自锁，液体A流入容器。
（2）液面上升到I
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。
（3）液面上升到H
液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭。
1分钟后电磁阀YV3通电打开，同时涡街流量计开始检测放液流量，放出混合液体去下道工序。
当液位下降到L后，再延时20s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。
（4）停止操作
按下停止按钮SB2，在当前的操作处理完毕后停止操作。
图3-6系统电气原理图
图3-6-1模拟量输入图
3．5PLCI/O分配表
通过分析控制任务，共需要6个数字量输入和3个数字量输出。
I0.0为开始按钮，为停止按钮，I0.2、I0.3、I0.4分别为三个液位传感器，I0.5为液体流量计。
Q0.1、Q0.2、0.3分别为电磁阀A、电磁阀B、排放电磁阀三个电磁阀。
输入/输出地址分配如图3-1。
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输入信号
启动
常开按钮
SB1
I0.0
停止
常开按钮
SB1
I0.1
液位传感器L2接通
液位传感器
LT1
I0.2
液位传感器L1接通
液位传感器
LT2
I0.3
液位传感器L3接通
液位传感器
LT3
I0.4
液体流量检测
液体流量计
VSF
I0.5
输出信号
电磁阀A打开
电磁阀
YV1
Q0.1
电磁阀B打开
电磁阀
YV2
Q0.2
电磁阀C打开
电磁阀
YV3
Q0.3
3-5PLCI/O分配表
第四章系统软件设计
4.1PLC控制相关流程图
PLC控制相关流程图如图5-4所示，主要是有混合过程和停止过程两个方面构成：
（1）混合过程：
按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。
液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭
（2）停止过程：
1分钟后电磁阀YV3通电打开，同时流量计开始检测，放出混合液体去下道工序。
当位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。
（3）具体运行过程为：
按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。
液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，1分钟后电磁阀YV3通电打开，同时流量计开始检测，放出混合液体去下道工序。
当液位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。
4-1流程图
4.2可编程控制器梯形图
根据系统控制流程图所表达出的各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。
在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制，各功能子程序的编制，其他辅助程序的编制。
本次设计利用经验设计的方法进行在整体上将继电器转化成对输出线圈的控制，然后进行细节修改。
本次设计的PLC梯形图：
第五章人机界面设计
5.1组态软件简介
随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。
人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。
人机界面是指连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。
目前的很多自动控制系统中,常常选用PLC作为的控制设备,用于数据采集、状态判别和输出控制;而在可编程序控制器与计算机通讯的基础上,通过组态软件可以对可编程序控制器的当前工作状态进行全方位的监控,进一步通过组态软件可以对实验控制对象的工作过程进行全程模拟,实现远程控制。
这种控制系统充分利用了计算机和PLC的特点,实现了优势互补,得到了广泛应用。
人机界面产品的基本功能：
（1）过程可视化
（2）操作员对过程的控制
（3）显示报警
（4）数据归档
（5）报表系统
（6）配方管理系统
目前比较常用的组态软件有西门子公司的Winccflexible，以及国内的MCGS、组态王等产品。
本控制系统选用北京亚控公司的组态王系列组态软件进行人机界面的设计。
5.2组态王人机界面开发
5.2.1组态王简介
组态王（Kingview）是由北京亚控公司开发，在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Window2000/WindowXP/WindowNT中文操作系统作为其操作平台，充分利用了Windows图形功能设备，界面一致性好，易学易用等特点，具有功能完备的人机接口界面和面向对象的图形开发环境，便于高效，快捷地把整个工艺过程构成监控画面，以动画的形式显示各个控制设备的状态，在报警和历史趋势方面的功能，方便了对系统的监控，具有较强的网络功能。
组态王图形界面开发功能使用方便，对I/O设备广泛支持。
它所使用的PC机开发的系统工程，比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，还可以运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。
组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。
工程管理器：
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器：
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
运行系统：
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
5.3组态王特点
组态王软件特点：
包括了大量常用硬件的驱动程序，使繁杂的硬件接口方面的工作由组态王软件去完成，用户只需简单安装驱动程序，并按指定格式读取或输出数据即可，无须在控制过程中去考虑硬件的使用和设置，因此，用户在使用前，一定要仔细阅读与本硬件相关驱动及使用说明，并按指定方式配置，设置变量，才能顺利地实现数据的读取和输出。
组态王支持多种通信方式：
串口通信，数据采集板，DDE通信，人机界面卡和网络模块。
数据库是“组态王”最核心的部分，是联系上位机和下位机的桥梁。
在数据库中存放的是变量的当前值，构造实时数据库需要定义相应的外部设备及数据变量。
在定义数据库变量时，只要把I/O变量连接到外部设备上，按照设备安装向导的提示就可以完成设备的配置工作，就可以和组态王交换数据了。
组态王提供一套全新的、集成的报表系统，内部提供丰富的报表函数，例如：
日期和时间函数、逻辑函数、统计函数等，用户可创建多样的报表。
用户可以根据工程的需要任意改变报表的外观。
报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，操作简单，功能齐全。
例如：
日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间。
另外，提供报表模板，方便用户调入其它的表格。
Excel是Windows下最为流行的电子表格程序，功能非常强大。
利用组态王提供的历史数据库编程接口和DDE数据交换，应用系统中的数据可以方便地在Excel中形成报表及产品报告。
操作者可以充分利用Excel的功能以不同方式对历史数据进行分析，绘制图表并打印输出。
分析后的结果还可以通过DDE传回来。
5.4组态王开发
定义变量:
如图5-4所示的液位变量定义。
图5-4液位变量定义
（2）建立工程
图5-5建立组态工程
（3）界面开发
点击项目进入工程浏览器，点击画面并新建系统所需的界面。
如图6-3所示。
图5-6创建界面
。
图5-7创建新画面窗口
。
（a）
（b）
图5-8主界面开发设计过程
（4）命令定义
图5-4所示，为开始按钮的动画连接设置窗口。
图5-4开始按钮动画连接
图5-5所示，为灌装反应器的动画连接窗口。
图5-5灌装反应器动画连接窗口
图5-6报警设置
图5-7菜单设置
结论
在西门子工控产品PLC和组态软件的基础上，设计出稳定可靠的液位控制系统。
结合人机界面，系统变得美观易懂，操作更加简单快捷。
整个液位控制系统运行效果达到了我们的预期目标，由此证明我们的设计方案是可行的。
但此液位控制系统也有一些不足之处，系统的反应速度比较慢；还有，设计的人机界面内容简单，界面不够友好等，这些都是有待改进之处。
基于PLC与HMI组成的液位控制系统具有抗干扰能力强，控制精度高等优点，实用性很强，可以应用于大量类似的液位控制场合。
随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外必然发展趋势。
致谢词
本文从选题到完成的整个过程，得到指导老师的悉心指导，谆谆教诲使我受益匪浅，这必将在今后的学习和工作中给我鼓励和鞭策，为以后步入社会、适应工作奠定良好的基础。
在此，本人由衷的表示的感谢！
在设计的完成过程中，通过不断的查询相关资料加深了对PLC的认识。
丰富了自己的相关知识，为以后的工作积累了丰富的设计经验。
近三年的学习和科研工作，不仅使我的知识结构和科研能力上了一个新台阶，更重要的是，各方面的素质得到了提高
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同时，还帮助我改变一些处理事情时懒散的习惯。
从最开始时的搜集资料，整理资料，到方案比选，确定方案，再到着手开始进行计液体定量灌装系统的设计，每一步都是环环相扣，衔接紧密，其中任何一个步骤产生遗漏或者疏忽，就会对以后的设计带来很多的不便。
我的动手能力和资料搜集能力在设计中也得到提升。
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