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搅拌机毕业设计

洛阳理工学院

毕业设计（论文）

题目:

基于PLC的多种液体混合控制系统设计

姓名吴莹莹

系（部）机电工程系

专业机电一体化技术

指导教师吴锐

2010年06月15日

毕业设计（论文）任务书

填表时间：

2010年3月15日（指导教师填表）

学生

姓名

吴莹莹

专业班级

D070211

指导老师

吴锐

课题类型

工程

设计

题目

基于PLC的多种液体混合控制系统设计

主要研究目标

（或研

究内容）

掌握PLC系统开发、系统设计的方法，步骤。

掌握基于PLC的多种液体混合控制的工作原理和控制方法。

课题要求、主要任务及数量（指图纸规格、张数，说明书页数、论文字数等）

1．查阅相关资料，熟悉基于PLC的多种液体混合控制的控制方法。

2．查阅专业资料，制定控制方案和硬件电路元件选择。

3．绘制基于PLC的多种液体混合控制系统电路原理图，梯形图，编写控制程序。

4．按要求写撰写毕业论文。

进度

计划

第5—6周收集有关多种液体混合控制的资料；

第7—8周制定控制方案；

第9—12周绘制多种液体混合控制系统电路原理图，编写相应软件程序；

第13—14周整理设计资料，撰写设计说明书；

第15周准备毕业答辩。

主要参

考文献

《PLC应用技术》

《常用编程控制器原理及其应用》

《可编程控制器原理及应用实例》

《PLC编程理论算法及技巧理》

《可编程控制器技术及应用》

《可编程控制器原理与应用》

指导教师签字：

教研室主任签字：

年月日

基于PLC的多种液体混合监控系统设计

摘要

以三种液体的混合灌装控制为例，将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到控制要求才能将混合的液体输出容器，并形成循环状态。

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第一种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，旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。

设计采用西门子公司的S7系列PLC去实现设计要求。

为了安全本设计又用到组态王，按照一定的方法利用组态王形成动态的显示画面，便于观察和故障检修。

关键词：

多种液体，混合装置，自动控制，PLC，组态

DesignofanumberofliquidsmixedinthemonitoringsystembasedonPlc

ABSTRACT

Mixtureofthreekindsofliquidfillingcontrol,forexample,thethreekindsofliquidbymixing,aftermixinginthemotorcontrolrequirementsinordertoachievethemixedliquidoutputcontainer,andformloop.LiquidHybridcontrolsystemdesigntakingintoaccountthecontinuityofitsmovementsandactionsofvariouschargedShebeicorrelationbetween,fordifferentworkingconditions,withcorrespondingmotorcontroloutputinordertoachieveliquidmixingsystemfromaliquidbyaddingtothemixtocompletetheoutputofsuchacyclecontrolforprogramimplementation.Liquidhybridcontrolsystemdesignforthecenter,Fromthecontrolsystemhardwaresystem,softwareusedtothesystemdesignprocess（includingdesign,designprocess,designrequirements,ladderdesign,externalconnectionsandcommunications）,seekstodesignandmanufacturingprocesswhichpresentsabriefintroductionandNote.Designinsiemenschina'ss7seriesofplctoachievethedesigndemands.Tobeappliedtoindustrialliquidmixandprocessedforsafetylater,etc.thisdesignwiththatgroupofstatesandtomethodsofconfigurationformsofthedynamicdisplayscreentoobserveandfailureofrunningrepairs.

KEYWORDS:

Multi-fluid,Hybriddevices,Automaticcontrol，PLC，Configuration

目　录

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，产品生产正在向缩短生产周期、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是易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致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。

所有为了帮助相关行业，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商通用汽车公司（GM）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，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控制器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。

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，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[4]。

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业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展[1]。

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，具有良好的课移植性和可维护性。

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到它，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来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于多种液体混合灌装设置的控制，对学习和实用是很好的结合。

本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：

1．使液体混合机能够实现安全、高效的灌装。

2．灌装的各种技术要求。

3．具体内容包括多种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。

本课题应解决的主要问题是如何使PLC在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讨。

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

可编程控制器（PLC）从上世纪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。

现状PLC已经发展成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功能，是名副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[16]。

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、适用、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。

1.1.2课题研究的意义

对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现状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，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2课题研究的内容及目标

1.2.1课题研究的内容

1．理解PLC的编程方法，熟悉并使用PLC完成其他的设计，建立系统逻辑的知识体系。

2．硬件的研究。

用以前所学知识全面系统的对硬件进行设计并设有保护器件。

3．软件的研究。

用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能。

4．以可编程控制器为核心，熟悉并利用组态王软件对其所应用的程序进行模拟动态画面显示。

1.2.2课题研究的目标

1．希望通过这次毕业设计，能够让自己对PLC有更深刻的更系统的了解。

2．综合自己的专业知识，让自己对学过的知识加深印象，进行一次全面性的复习。

3．锻炼动手和动脑的能力，让自己的思维更加的慎密。

4．通过设计要让自己多学一些和本设计有关的知识，以及多种软件的应用和操作。

第2章硬件设计

2.1总体结构

从图2-1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。

此装置需要控制的元件有：

其中SL1,SL2,SL3,SL4为液面传感器，液面淹没该点时为ON，YV1,YV2,YV3,YV4为电磁阀，M为搅拌机。

另外还有控制电磁阀和电动机的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。

图2-1液体混合灌装机

要求如下：

1．初始状态：

当装置投入运行时，容器内为放空状态。

2．起始操作：

按下启动按钮SB1，装置开始按规定工作，液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SL2时，关闭液体A阀门，打开B阀门。

当液面到达SL3时，关闭液体B阀门，打开C阀门。

当液面到达SL4时，关闭液体C阀门，搅拌电动机开始转动。

搅拌电动机工作1min后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

当液面下降到SL1时，SL1有接通变为断开，在经过20s后，容器放空，混合液体阀门YV4关闭，接着开始下一个循环操作。

3．停止操作：

按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余任务后，系统停止在初始状态。

2.2液位传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器。

如图2-2所示：

图2-2LSF-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，当没有液面时，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．触点容量为70W；

5．开关电压为24VDC；

6．切换电流为0.5A。

2.4搅拌电机的选择

选用EJ15-3型电动机。

如图2-3所示：

图2-3EJ15-3型电动机

其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。

相关元件主要技术参数及原理如下：

EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。

1．额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法；

2．电动机运行地点的海拔不超过1000m。

工作温度-15~40℃/湿度≤90%；

3．EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。

2.5电磁阀的选择

1．入罐液体选用VF4-25型电磁阀。

如图2-4所示：

　　　　　　　　图2-4VF4-25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。

（1）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-20~60℃；

（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．出罐液体选用AVF-40型电磁阀。

如图2-5所示：

图2-5AVF-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键设置来控制流量，达到定时排空的效果；

（2）其阀体材料为：

聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力；

（3）使用电压：

AC：

220V50Hz/60HZDC：

24V；

（4）功率：

AC：

5KW。

2.6接触器的选择

选用CJ20-10/CJ20-16型接触器。

如图2-6所示：

图2-6CJ20-10/CJ20-16型接触器

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。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1．操作频率为1200/h；

2．机电寿命为1000万次；

3．主触头额定电流为10/16（A）；

4．额定电压为380/220（A）；

5．功率为2.5KW。

2.7热继电器的选择

选用JR16B-60/3D型热继电器。

如图2-7所示：

图2-7JR16B-60/3D型热继电器

其中“J”表示继电器，“D”表示带断相保护。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1．额定电流为20（A）；

2．热元件额定电流为32/45（A）。

2.8PLC的配置及控制系统I/O地址分配

2.8.1PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC控制系统的一般设计步骤如图2-8所示：

图2-8控制系统设计的一般步骤

2.8.2PLC输入输出点的分配

这是一个单体控制的小系统，没有特殊的控制要求，开关量输入点有6个（起动、停止和SL1、SL2、SL3、SL4），开关量输出点有5个（YV1、YV2、YV3、YV4与M），输入输出点数共为11个。

粗估内存容量约为110个地址单元（11×10=110）即可。

据此，可以选用一般中小型控制器（S7-200CPU221～CPU226），在此选用S7-200的CPU226。

根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数、名称、代码及地址编号如表2-1所示：

表2-1液体混合装置输入/输出地址分配

输入设备

输入点编号

输出设备

输出点编号

启动按钮

I0.0

电磁阀YV1

Q0.0

SL1液位传感器

I0.1

电磁阀YV2

Q0.1

SL2液位传感器

I0.2

电磁阀YV3

Q0.2

SL3液位传感器

I0.3

电磁阀YV4

Q0.4

SL4液位传感器

I0.4

搅拌机M

Q0.3

停止按钮

I0.5

2.9电气控制系统原理图

这里只给出主电路图和PLC外围接线图。

1．液体混合装置输入/输出接线

该控制系统核心部分是以CPU226为主，CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。

PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。

I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。

PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口，标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。

PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用[2]。

输入/输出接线图如图2-9所示：

图2-9输入/输出接线图

2．主电路图

根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图2-10所示:

图2-10主电路图

第3章软件设计

本设计是利用西门子S-200系列的PLC来进行课题的研究和讨论的。

西门子S7-200是西门子公司小型可编程序控制器。

它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加方便简单，几乎可以完成任何功能的任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承和发挥了它在大型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比高，所以在大规模不大的领域是较为理想的控制设备。

各种PLC都是采用循环扫描的方式进行工作的。

西门子S7-200PLC的工作过程：

PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。

一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段。

各阶段完成的任务如下：

1．公共处理

2．程序执行

3．扫描周期计算处理

4．I/O刷新：

在此阶段，进行I/O刷新

5．外设端口服务

3.1程序框图

PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图3-1表示。

由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输入扫描，循环执行。

程序框图如图3-1所示：

图3-1程序框图

3.2根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图

在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等部件，以完成相应的控制任务。

控制梯形图如图3-2所示：

图3-2控制梯形图

1．第一种液体的进入

当PLC接通电源后，按下启动按钮SB1后，触点I0.0接通，Q0.0得电并自锁，与之相连的电磁阀YV1接通并保持，液体A开始流入，当液体达到液面传感器SL1的位置时，SL1动作。

2．第二种液体的进入

当液体达到液位传感器SL2的位置时，SL2动作，I0.2接通使Q0.1得电并自锁，与之相连的电磁阀YV2接通并保持，液体B开始流入液罐，同时I0.2的动断辅助触点I0.2断开，液体A停止流入。

3．第三种液体的进入

当液体达到液位传感器SL3的位置时，SL3动作，I0.3接通使Q0.2得电并自锁，与之相连的电磁阀YV3接通并保持，液体C开始流入液罐，同时I0.3的动断辅助触点I0.3断开，液体B停止流入。

4．搅拌机工作

当液体达到液位传感器SL4时，SL4动作，I0.4接通使Q0.3得电并自锁，与之相连的电磁阀接通并保持，同时I0.4的动断辅助触点I0.4断开，液体C停止流入，搅拌机开始搅拌，同时时间继电器T37得电开始计时。

5．混合液体开始排出

1min后时间继电器T37计时时间到，其动合辅助触点T37闭合，Q0.4得电并自锁，与之相连的电磁阀YV4接通并保持，同时Q0.4的动断辅助触点Q0.4断开，断开Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3，液体开始排出。

6．混合液体排完

Q0.4得电的同时带动Q0.5得电，液体排出的同时SL4、SL3、SL2、SL1相继复位，当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，其动断辅助触点SL1复位闭合，时间继电器T38得电开始计时，20s后T38计时时间到，其动断辅助触点T38断开，Q0.4失电停止排放液体。

7．重复液体混合过程及停止

T38动合辅助触点闭合，Q0.0得电自锁，其动断辅助触点Q0.0断开，T38失电复位，开始循环，当需要停止时按下停止按钮SB2，I0.5接通，Q0.6得电并自锁，当T38得电时Q0.7得电，停止循环。

3.3语句表

根据梯形图写出语句表，语句表如下。

NETWORK 1

　　LD     I0.0

　　O      Q0.0

　　O      T38

　　AN     Q0.7

　　AN     I0.2

　　AN     Q0.4

　　=      Q0.0

　　NETWORK 2

　　LD     I0.2

　　AN     I0.3

　　AN     Q0.4

　　=      Q0.1

　　NETWORK 3

　　LD     I0.3

　　AN     I0.4

　　AN     Q0.4

　　=      Q0.2

　　NETWORK 4

　　LD     I0.4

　　AN     Q0.4

　　=      Q0.3

　　TON    T37, +600

　　NETWORK 5

　　LD     T37

　　O      Q0.4

　　AN