基于PLC的多种液体控制系统设计.docx

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基于PLC的多种液体控制系统设计

届本科毕业论文（设计）

论文题目：

基于PLC的多种液体混合控制系统设计

学生姓名：

所在院系：

机电学院

所学专业：

机电

导师姓名：

完成时间：

年月日

摘要

本文所介绍的多种液体混合控制系统是一种适用于工业环境下的新型通用自动控制装置。

在本设计中采用了日本松下公司FP1系列AFP可编程控制器，以三种液体的混合控制为例，将三种液体按一定比例进行混合，加热到特定温度后进行搅拌，待搅拌均匀后从容器中流出，并实现整个控制系统的自动循环控制。

在控制系统中通过程序中的液位传感器控制液体流量，温度传感器控制混合液体的温度，实现了对液体混合装置的控制。

在设计中具体完成了PLC硬件设计和软件编程，并通过系统调试，达到自动混合液体的目的，提高了液体混合生产的自动化程度和生产效率，可以用于工业上液体混合及后期加工等，基本适合于工业生产要求，其便于维修和保养。

关键词：

多种液体，混合装置，自动控制

TheDesignofMulti-LiquidMixingControlSystembasedonPLC

Abstract

ThistextisintroducingatCountsVariousLiquidsAutomatictomixwithPLC.Thecontrolsystemisakindofnewingeneraluseautomaticcontroldevicethatbeapplicabletotheindustryenvironment,whichusesFP1serisemodelAFP12417PLCmadebyPanasoicofjapantocompletethecontrolofthedevicethatusedtomixtheliquid.Thedesignoftheliquidmixtureinthreecontrolasanexample,istoacertainproportionbythethreeliquidmixture,strirringafterthemotortoreachacertaintemperaturecanbemixedcontainsofliquidoutput,andformactcle.Itthroughtheprocessliquidlevelsensortocontrolliquidflux,havefinishedthehardwaredesignofPLCandsoftwareprogramming,anddebuggedandtestedthewholesystem.Inconclusion,thedeviceiscapableofmixingtheliquidautomaticallly.Thementhodimprovetheautomationatandardoftheliquidproductionlineandproductivity.Itcanusedfortheliquidontheindustrymixswithandthepost-processandsoon,basicsuitablefortheindustryproducestherequest,easyoperation,repairandmaintenance.

Keywords:

VarietyOfLiquid，MixedDevices，AutomaticControl

1绪论1

2总体方案设计.2

2.1方案设计2

2.2控制方案介绍2

3硬件电路设计4

3.1总体结构4

3.2液位传感器的选择6

3.3温度传感器的选择7

3.4搅拌电机的选择9

3.4.1电动机主电路9

3.4.2计算搅拌器的理论功率10

3.4.3选用电动机10

3.5电磁阀的选择11

3.6接触器的选用12

3.7热继电器的选择12

3.8熔断器的选择13

3.9PLC的选择13

3.10PLC输入输出口的分配14

3.11液体混合装置输入/输出装置接线图14

4软件电路设计14

4.1程序框图14

4.2控制程序梯形图16

4.3语句表17

5系统常见故障分析及维护18

5.1系统故障的概念19

5.2系统故障分析及处理19

5.2.1PLC故障分析19

5.2.2PLC控制系统故障分布和分层排除20

5.3系统抗干扰性的分析与维护21

5.3.1干扰源及一般分类21

5.3.2PLC系统中干扰的主要来源及途径21

5.3.3主要抗干扰措施22

6结束语23

致谢23

参考文献24

1绪论

多种液体混合是将多种液体按照先后顺序，按照一定比例，加热到预定的温度然后进行混合。

在现在的很多行业中，如炼油、化工、制药等行业中，多种液体和混合罐装是必不可少的工序，在整个生产过程中占有重要的地位，由于其生产过程中介质多为易爆易燃、有毒有腐蚀性的物体，工作环境十分恶劣，不适合人工操作，加上现代工业生产要求不断提高生产质量，缩短生产周期，降低生产成本的需要，其生产由简单的人工操作、机械化、半自动化向着自动化，智能化的方向发展，以确保整个液体混合过程的混合精确，控制可靠的要求。

以往常采用传统的继电器接触器控制，使用硬连接电器多、可靠性差、自动化程度不高当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。

用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也非常强大，对电源的质量要求比较低。

目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障，所以PLC在工业控制系统中得到了良好的应用。

可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令、进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展，可编程序控制器技术广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器以其高可靠性的操作简便等特点，已经形成了一种工业控制趋势。

一直以来，可编程序控制器简称PLC在工业自动化控制方面发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。

PLC主要能够为自动化控制应用提供安个可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。

随着计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域有了翻天覆地的变化，而PLC不断地采用新技术以及增强系统的开放性，在工业自动化领域中的应用范围不断扩大。

PLC将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，其具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。

随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱。

特别是在机器人、CAD/CAM方面有着广泛的应用，主要应用的技术领域有：

顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管理、结合网络技术等。

在本文中用采用日本松下公司生产PLC来实现多种液体混合过程的控制，采用液位传感器对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。

可以实现对整个液体混合过程的准确、快速、高效、安全、自动化控制并且维修方便，可以满足工业生产需求。

本设计的主要内容为：

控制方案的设计、硬件电路设计、软件电路设计、整个系统可能出现的故障以及相应的保养维修措施。

本设计要解决的主要问题是使液体灌装机能够安全、快速、准确全自动地实现对液体的混合。

在相关的研究文献报道中用PLC灌装机进行控制的控制系统设计研究已有，但是绝大多部分公是以介绍控制工作原理为主，以致人们难以根据生产的具体情况，正确选用相关技术参数的控制系统对其进行控制，也就难以在提高产品质量和高的生产效率的，降低成本的前提下，保证整个液体混合过程的顺序进行。

2总体方案设计

2.1方案设计

整个设计过程是按时液体混合生产工艺流程为中心来进行相关的软硬件电路设计，对于本中所用到的电气符号符合国家关于电气工程自动化设计的国家标准（GB4728）。

其设计准则为：

在满足液体混合条件和现场生产条件，使整个液体混合符合相关技术参数的条件下，整个生产控制系统安全、可靠、稳定，尽量做到经济、合理、降低生产成本。

在设计方案元器件选择时考虑其实用性、经济性，在满足相关技术要求的前提下，发行量选用新技术、新产品，整个控制过程完全实现自动化控制。

要实现用PLC控制系统来实现液体混合灌装系统需要考虑：

（1）各个阀门开关的先后顺序，彼此之间的时间间隔；

（2）何时搅拌和搅拌时间；（3）何时加热和加热到多少温度结束；（4）整个混合过程如何实现自动循环控制。

对于整个控制系统的设计主从以上四个方面进行考虑来确定系统控制方案。

2.2控制方案介绍

目前常用的控制系统有以下几种：

继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机和可编程控制器控制。

现在将这几种控制系统相比较，并结合并本设计的实际确定控制方案。

（1）继电器控制系统

PLC与继电器均可以用于开关量逻辑控制。

PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。

继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器（或称物理继电器）和硬件接线来实现的，PLC的控制功能主要是用软件（即程序）来实现的。

PLC采用的计算机技术、顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网功等功能，比继电器控制系统的功能强大的多。

继电器系统的可靠性差，诊断与复杂的继电器系统的故障非常困难。

梯形图程序中的输出继电器是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于接触不良的。

PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。

继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。

PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。

至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既困难又费时，设计出的电路也很难阅读理解。

PLC有大量用软件实现的辅助继电器，定时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。

用先进的顺序控制设计法来设计梯形图，比设计相同功能的继电器电路花费的时间要少得多。

继电器要在硬件安装，接线全部完成后才能进行调试，发展问题后修改电路花的时间也很多。

PLC控制系统的开关柜制作，现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。

（2）单片机控制

单片机又称单片微控制器，将CPU、并行输入/输出接口、定时器/计数器、存储器和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的8位单片机销售仅为几元，其功能强，响应速度快，性能价格比极高。

但是除了单片机芯片外，单片机还需要设计硬件电路图和印制电路板。

单片机一般用汇编语言或C语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。

将单片机用于工业控制，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。

此外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件，软件方面的抗干扰措施，才能保证长期稳定可靠的运行。

有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都难达到PLC的水平。

使用单机机的专用测控装置都早专业厂家来开发，现在很少有最终用户开发单件或小批量的单片机测控装置。

（3）工业控制计算机控制

控制用的个人计算机（PC）称为工业控制计算机，简称为工控机。

工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线结构，硬件的兼容性较强。

IPC有各种各样的输入/输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点去处、图像运算、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。

PLC的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。

工控机则来源于个人计算机，主要用于过程控制或控制系统中的上位机和人机接口。

在高端应用方面，很难区分PLC和工业PC之间的差异，因主两者均采用同样的微机处理器和内存芯片。

PLC与PC相比有以下优点：

1）对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优势。

工控机的价格比较高，将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制，无论在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如PLC。

2）PLC的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。

3）PLC是专门为工厂现场应用环境设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，对印制板，电源，机架，插座的制造和密闭，均采用了严密的措施。

4）PLC使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易学。

与PC机发展太快相比，PLC产品可以长期供货，并提供长期的技术支持。

5）PLC有庞大的有经验的设计人员，维护人员和技术支持系统。

（4）可编程程序控制器控制

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

有以下主要特点：

1）使用灵活、通用性强；2）可靠性高、抗干扰能力强；3）接口简单、维护方便；4）体积小、功耗小、性价比高；5）编程简单、容易掌握；6）设计、施工、调试周期短。

可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，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。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

通过以上几种控制方案的比较，选用PLC来实现对液体混合过程的控制。

3硬件电路设计

3.1总体结构

从图中可知设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌并控制温度，如图1所示。

完成此控制功能需要的元件有：

液位传感器L1、L2和L3，Y1，Y2，Y3，Y4为电磁阀，M为搅拌机，T为温度传感器，Ｈ为加热器，另外还有控制电磁器和电动机的1个交流接触器KM。

所有这些元件的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

混合液体罐示意图如图1所示：

（1）初始状态

容器是空的，各电磁阀门均关闭（Y1=Y2=Y3=Y4=OFF），液体传感器无液时为断开（L1=L2=L3=OFF），电动M=OFF，加热电炉H=OFF，温度传感器T=OFF。

（2）启动操作

按下启动按钮，装置开始按下列规律动作。

1）Ｙ１＝Ｙ２＝ＯＮ，液体Ａ和Ｂ同时注入容器。

当液面达到Ｌ２是，Ｌ２＝ＯＮ，使Ｙ１＝Ｙ２＝ＯＮ，即关闭Ｙ１和Ｙ２阀门，打开液体Ｃ的阀门Ｙ３。

2）液面达到Ｌ１时，Ｙ３＝ＯＦＦ，Ｍ＝ＯＮ，即关闭阀门Ｙ３，搅拌机Ｍ启动，开始搅拌。

图1液体混合

3）经过10s后搅拌均匀后，Ｍ＝ＯＦＦ，停止搅拌，Ｈ＝ＯＮ，加热器开始加热。

4）当混合液体温度达到指定什时，Ｔ＝ＯＮ，Ｈ＝ＯＦＦ，停止加热，使电磁阀Ｙ４＝ＯＮ，开始放出混合液体。

5）液面低于Ｌ３时，Ｌ３从ＯＮ到ＯＦＦ，再经过５s，容器放空，使Y4＝OFF，开始下一周期。

（3）停止操作

任何时候按下停止按钮后，要将当前容器中的混合工处理完后，才能停止操作，即停在初始状态上。

3.2液位传感器的选择

本设计中选用LSF-2.5型传感器

光电式液位传感器利用了光的反射与折射原理制成,使输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。

其检测精度与被测液体的密度、压力大小及导电性无关,无机械传动、无活动触点、无需任何附加联动装置,操作十分简便，使用寿命较长。

广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量和控制。

光电式液位传感器结构及原理光电式液位传感器结构主要有5个部分：

接触被测介质的探头部分（导光罩）、红外收发组件、信号调理电路部分、外壳结构部分和信号引出线部分。

图2光电式传感器结构

其工作原理为：

光发射器发射的红外波在导光罩内传播；当无液体介质时,光经反射大部分集中在接收器上，当有液体介质时，光在反射时，部分光被折射出去，接收器上的光强变弱，通过光在接收器上的强弱变化，可感知液体界位。

图2为光电式液位传感器结构示意图。