基于PLC的搅拌机控制系统.docx
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基于PLC的搅拌机控制系统
某工学院
本科生毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的搅拌机控制系统
姓名：
X佳盛
学号：
1208102022
系别：
电气工程
专业：
电气工程及其自动化
年级：
12级电气2班
指导教师：
黄永杰
年月日
基于PLC的搅拌机控制系统
摘要
搅拌机作为现代工业中不可缺少的部分，在现代技术的支持下搅拌机得到了较大的发展，以前的搅拌机都是由继电器控制组成，系统相对来说比较复杂，响应速度缓慢。
由于现代PLC控制技术的迅速发展，采用软件就可以取代继电器系统，所以，越来越多的企业和工厂都选用PLC作为对搅拌机的系统的控制。
该课题设计的主要控制是运用可编程控制的技术来实现的。
先是根据需求画出工艺流程图，再按照工艺流程图来设计硬件配置，最后是根据设计要求进行系统的主要电路和控制电路的设计，从而达到系统的控制要求。
然后再按照控制的要求进行软件部分的设计，为了将自动化控制加入系统中，该设计是运用PLC来控制主要的电路。
其中包括PLC、电动机、电磁阀、泵、液位变送器等元件的选型。
其中液位传送器负责收集搅拌容器中液位的实时高度，再将采集到的信息转化后送给PLC，PLC再对数据进行分析，然后根据程序输出控制命令，进而促使整个系统按要求进程。
从而达到降低制造成本和维护成本的目的。
关键词：
PLC，搅拌机，液位变送器，自动控制
BasedonPLCthemixercontrolsystem
Abstract
Mixerasanintegralpartofthemodernindustry,withthesupportofmoderntechnologyblendergotgreaterdevelopment,previousmixerisposedofrelaycontrol,systemisrelativelyplicated,theresponsespeedisslow.Duetotherapiddevelopmentofmodern
PLCcontroltechnology,thesoftwarecouldreplacerelaysystem,therefore,moreandmorepaniesandfactoriesallusePLCasthecontrolofthemixersystem.
ThisdesignistousePLCtechnologytorealizethemaincontrolofthemixingsystem.
Firstiscarriesontheprocessofsystemdesign,hardwareconfigurationaccordingtoprocess
flowdesign,andthendesignthesystemofthemaincircuit,controlcircuit,soastoachievecontrolrequirements.Thenaccordingtotherequirementofthecontrolsoftwaredesign,in
ordertoachievetheautomaticcontroloftheliquidmixingsystemPLCcontroltechnology
areadoptedinthisdesign.IncludingPLC,motor,solenoidvalve,pump,liquidleveltransmitterponentsselection,etc.Collectedintheliquidleveltransmittersiteliquidlevelheight
willbetransmittedtothePLC,andthroughthePLClogicofdataprocessing,andthensend
therequirementsofthecontrolmand,promptingthepletemandcontrolsystem.
Soastoachievetheaimofreducingmanufacturingcostsandmaintenancecosts.
Keywords:
PLC,Mixer,Liquidleveltransmitter,automaticcontrol
第一章绪论1
1.1设计搅拌机控制系统的目的1
1.2设计搅拌机控制系统的意义1
1.3本设计的主要工作2
第二章基于PLC的搅拌机控制系统总体方案3
2.1搅拌机控制系统的组成3
2.2搅拌机控制系统的设计内容3
2.3搅拌机控制系统总体结构设计方案3
2.4搅拌机控制系统的基本运行原理4
2.5搅拌机控制系统的需求分析5
2.6搅拌机控制的自动化控制概述5
2.6.1PLC应用方面的特点5
第三章基于PLC的搅拌机控制系统的硬件部分7
3.1搅拌机控制系统的硬件选型7
3.1.1搅拌机控制系统的PLC选型7
3.1.2电磁阀的选择7
3.1.3液位传感器的选择8
3.1.4变频器的选择8
3.1.5搅拌电动机的选择9
3.2搅拌机系统硬件结构9
3.3搅拌机控制系统的主电路设计10
3.3.1搅拌机控制系统的检测电路11
3.3.2搅拌机控制系统的控制部分11
第四章搅拌机控制系统的软件设计12
4.1搅拌机控制系统的工作流程12
4.2PLC的I/O分配13
4.3搅拌机控制系统梯形图的设计13
4.3.1系统的启动停止14
4.3.2系统的自动入液控制14
4.3.3系统的自动加热部分15
4.3.4搅拌机出液控制16
4.3.5检测电路16
第五章仿真及调试18
5.1仿真软件的简介18
5.2软件编程的仿真19
5.2.1系统的正确运行19
5.2.2仿真调试的误区20
5.3仿真调试结果21
总结22
参考文献23
谢辞24
附录基于PLC的搅拌机控制系统程序梯形图25
第一章绪论
随着工业发展速度的加快，人们越来越注重科学、稳定、简便以及安全的工业生产方式。
生产方式又依赖于生产机器的稳定、可靠、高效的运行，而这样子的运行是可以通过一定的技术手段对生产设备进行改善来达到实现的。
目前大部分的企业对液体搅拌系统都是采用继电器技术进行控制，这种方法不仅消耗大，而且搅拌效果也很难达到设计要求，这使得企业的能源和资源不能得到充分的利用。
随着计算机技术的飞速发展起来，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的需求，因此，对搅拌机系统应该加以改进。
经过不断的改良后，一款基于PLC的搅拌机控制系统出现，它既可以灵活的根据设计的要求进行混合材料，并且还能达到节能、高效、环保的目的。
1.1设计搅拌机控制系统的目的
近年来随着我国经济的飞速发展，工厂机器制造业进程不断的加快，功能的需求也逐渐增加。
搅拌已经成为了现代工业制造不可缺少的部分，由继电器控制组成的搅拌机，因为系统比较复杂，反应速度也跟不上工序的需求，应此，需要一款更加高效的控制装置来代替继电器为主的系统控制。
伴随着技术的进步、工艺的改进、系统的完善以及人类需求的增加，对于搅拌机的控制便有了更高的要求，本系统就是一款具多功能的搅拌机控制系统，设计中将自动控制的方式融入其中，不仅减少了人员的使用，而且还减轻了员工的日常工作强度，不仅很好的提高了人员的使用效率，而且还能在工作环境恶劣的行业中进行工作，具有良好的经济和社会效益，逐步提高了系统的自动控制的水平。
1.2设计搅拌机控制系统的意义
本系统的设计就是将搅拌机工业化的自动性能进行控制，搅拌机的自动化设计，不但可以对液体搅拌过程的每个部分进行准确的自动控制，并且还能很大程度的降低生产成本，这样便可以直接的用在现场作业，对现场人员的要求也不是很高，对企业提高自动化管理水平具有很大的帮助，同时也提高了生产线的使用寿命和流水线的工作效率，减轻了企业生产过程中的质量波动性。
因此，搅拌机在未来的市场中具有广阔的发展前景。
由于工业的快速发展，技术的不断前进，自动化和智能化越来越多的被用在工业生产中。
在化学、食品加工等行业的生产中，液体搅拌是不可缺少的重要环节，液体搅拌最重要的部分是保证原料的混合过程中的准确性，并要求比例精准和保证原料充分混合。
所以我自动化的搅拌机控制系统不管是从技术的角度或者发展的潜力来说都是具有深远的意义的。
希望通过本次设计能够更加熟悉搅拌机在工业生产中的作用并且能够更好地运用。
1.3本设计的主要工作
本设计主要是基于PLC的搅拌机控制系统，设计步骤如下：
（1）深入对搅拌机结构组成和工作原理进行详细的了解。
（2）分析搅拌机控制系统的硬件结构，确定控制系统整体的设计思路。
（3）确定好系统的整体控制，根据控制中要实现的要求进行I/O点数的设计，再根据要求选择PLC型号，编写I/O分布表或I/O端子的接线图。
（4）根据控制要求画出流程图，学习使用编程软件，并且根据流程图编写梯形图，然后进行编译调试。
（5）学习使用仿真软件，并进行系统调试。
第二章基于PLC的搅拌机控制系统总体方案
2.1搅拌机控制系统的组成
该系统的主要部分包括PLC、液位检测装置、CPU、电机、现场控制柜以及报警装置组成。
系统控制图如图2-1所示。
图2-1搅拌机控制系统示意图
液位传送器通过对现场液位的高度的采集后，并将其转换成电流信号传给PLC中心分析，PLC依据现场的状况以及外部输入的信号来控制搅拌机系统，并将信号传送至计算机中心处理，最后再显示操作指示如操作错误及发出报警。
2.2搅拌机控制系统的设计内容
液体搅拌系统由进/出液阀、搅拌机组成。
它先让两种液体流入搅拌机内，然后在搅拌机的搅拌下混合，最后出液阀打开，流出混合好的液体。
两种原料液体进液时达到设定的液面时，进液阀立即停止放入液体，且搅拌机的搅拌时间可根据浓度不同而另行设计。
要搅拌混合两种液体，首先要确定搅拌机内无残留的液体，所以，在控制启动前，同时让出液阀打开，然后打开系统启动键，此时进液阀A打开液体进入，当液体在容器中的位置到中限位的时候入液阀关闭，使液体停止流入，同时B入液阀打开开始注液，当液体的位置在上限位时，液体停止注入，同时电动机开始工作，搅拌均匀后，出液阀C打开混合液体流出，当液位的位置到下限位时，再使阀C继续保持打开的状态，使混合液体流干净，再开始新一轮的循环。
2.3搅拌机控制系统总体结构设计方案
在图2-2中的上、中、下液位传感器只有当液体淹没时才会接通，液体A、B电磁阀和C电磁阀分别由YV1、YV2、YV3控制的，M为搅拌电机，如下图所示：
图2-2搅拌机控制系统示意图
2.4搅拌机控制系统的基本运行原理
如图2-2中所示分为上限位SL1（上）、中限位SL2（中）、下限位SL3（下）3个液位传感器，被淹没时接通信号为ON。
电磁阀线圈通电时打开。
其中液体A和液体B的进液分别由进液阀A和B控制，混合液体的液出由出液阀C控制。
（1）起始操作：
为了确保搅拌容器是空的，不残留前次混合液体，在运行时，进液阀A和B处于关闭状态，此时出液阀C打开，使容器中所残存液体放空，放空后出液阀C关闭。
（2）打开启动按钮，进液阀A打开，A液体注入，液体高度持续上升。
（3）当液位高度到中限位SL2（中）时，开关量变为ON，A液体立即停止注入，同时打开进液阀B，B液体便开始注。
（4）当液位高度至上限位SL1（上）处，进液阀B立即关闭，B液体注入停止，同时电动机便开始工作。
（5）电动机带动搅拌器搅动液体，混合搅拌时间设定60s。
（6）当电机搅拌到达设定时间后，电机线圈失电打开，停止工作，此时出液阀C打开，液位开始下降。
（7）当液体高度到下限位SL3（下）处时，出液阀C保持打开状态8s，液体继续流出，直至搅拌容器放空为止。
（8）8s后放液阀C线圈失开关闭合，系统将自动开始下一个循环。
（9）停止操作：
设计当工作时，如果按下停止按钮，系统不会立即停止，而是按照流程需要完成当前的操作直至一个流程结束方会自动停止操作。
2.5搅拌机控制系统的需求分析
（1）功能需求
控制系统应具有可靠性能高，功能强大等显著特点，并且需要做到扩展容易及连接方便，并且能够实时的满足I/O口多样化的控制、I/O端的选择性多和实时信号通讯等功能；系统还要能够进行实时的信号采集工作，并且要更保证传输过程的可靠性和稳定性。
（2）实时性需求
在生产过程中，根据液体的混合进度设计具有实时性能是非常有必要的，特别是在各种材料的混合测量方面，必须以确保所有种类的液位动态精度能够实时的传送给传感器进行数据采集分析，在适当的时间，系统可以更快的响应做出相应的操作步骤，或关闭阀门运动。
也就是说，要有一个时间限制，系统也必须在规定的时间内采取行动，并且执行器的响应时间尽可能要短，系统必须能够响应快。
2.6搅拌机控制的自动化控制概述
随着微电子技术的迅速发展，本设计以PLC作为搅拌机的控制中心，PLC通过逐步升级也极大的增强了其自身大多功能。
现在PLC已经发展成为企业生产不可缺少的部分，是名副其实的聚多功能控制于一身的装置器。
由于PLC的主要控制系统具有控制功能完整强大、可靠性能高、性价比高等特点，并且具有顺序性、周期性等优良工作特征，即成为工业自动化的首选控制装置器
2.6.1PLC应用方面的特点
根据实际的应用来分析可编程控制器，且具有以下特点：
（1）准确性较高：
因为PLC的时间动量是由晶振效果发生的，所以准确性非常之高，其数据储存X围也比较宽；并且具有计数/定时的功能。
其内部是通过半导体组成的，控制响应速度快，同时信号也不因外界环境温度改变而受到影响。
（2）装置体积小：
在工业生产过程中主要运用微处理器和大规模的集成电路进行组装，这样使安装更加方便，并逐步实现了体积向小型化方向发展。
（3）使用方便：
PLC是串行工作，所以不受禁锢，并且I/O控制有很好的传输保护模块与信号调节整理模块；在受热性能、防尘性能、受潮性能等方面都考虑的非常周全。
在不同的控制系统中，当硬件结构的选择确定后，如果I/O作为很小的变量时，这时只需根据要求改变对程序做改变即可，并对系统的I/O口连接线做小X围的调整，不仅能够使现场调试的工作量减少，而且操作也变得灵活简便。
（4）稳定性能高：
因为PLC的I/O口均采用光电耦合器件，并运用了隔离和抗干扰等方法，使其具有了较强抗干扰的能力，因而能够工作在恶劣的外界因素下；PLC是无触点结构，并采用了密封、防尘、防潮的外壳封装，具有自我诊断的功能和监控程序执行的功能。
（5）通用性能好：
由于PLC采用的是模块化结构，一般有计算机模块、PID模块、模拟I/O模块等，可以用这些模块灵活的组成要求不同的控制系统，对不同的控制系统中，只要选取需要的模块完成，因而具有较好的通用性能；
本课题搅拌机控制系统，是通过液位变送器对搅拌容器内的液位信号进行实时的采集，并通过A/D转换将信号输送给CPU进行处理，实现PLC对系统的控制。
该系统的总体方案主要的目的在于保证混合原料过程中的准确性以及保证原料的能够充分的混合。
基于PLC的上述优点便能够实现和满足本课题的设计内容，所以我选择搅拌机控制系统为采用西门子的PLC，提高系统的自动化水平。
系统的水位，温度，压力均可以进行监测和控制，减少了人力资源的浪费；变频器可以根据实际负荷的大小来调节电动机的运转频率，减少能量的损失；对电动机进行软启动，会减小电流和机械的冲击，使系统设备的使用寿命延长。
第三章基于PLC的搅拌机控制系统的硬件部分
3.1搅拌机控制系统的硬件选型
根据上面对于搅拌机系统的了解，控制要求的设定，首先清楚了解系统中会使用到的相关元件和性能，然后先对整体的硬件结构进行介绍。
3.1.1搅拌机控制系统的PLC选型
在该系统中，有5个开关输入量，7个开关输出量，对系统的可扩展性和维护进行考虑，可编程控制器可以选择模块化装置。
因为本控制系统是一个连续性的，所以选择PLC的型号为西门子S7-200作为控制单元。
S7-200 PLC的一般结构包括CPU（中央处理单元）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。
3.1.2电磁阀的选择
由于电磁阀是进出入液体的流通管道，所以必须考虑搅拌液体的种类、化学性质、浓度密度等方面进行选择相应的电磁阀，然后经过种种方面比较与选择，最后该系统的电磁阀决定采用“VF4-25”型。
其中的“V”所表示的是电磁阀，而“F”所表示的是电磁阀得耐腐蚀性，“4”所表示的是设计的序列号，最后的“25”所表示的是电磁阀口径的（mm）宽度。
“VF4-25”型电磁阀得主要技术参数如下所示：
（1）材质：
聚四氟乙烯。
使用介质：
硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性液体；
（2）介质温度≤150℃、环境温度-20℃—+60℃；
（3）使用电压：
220V50HZ/24V60HZ；
（4）功率：
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。
3.1.3液位传感器的选择
现在我们先介绍液位传感器，在系统设计中采用的是光电式液位传感器。
导管内装有测量元件，它可以将所测量的液面信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并转换成标准信号输出。
设计中，在搅拌容器中安装液位传感器，监测水位情况，并且跟设定上限水位和下限水位做比较，使得相应的线圈动作，发出信号。
首先要求液位传感器精准性，可靠性强，其次应选择抗液体腐蚀能力以及抗老化能力好。
最后，本系统决定采用“LSF-2.5”液位传感器。
其中“L”所表示的是光电的，“S”所表示的是传感器，“F”表示的是防腐蚀的，“2.5”所表示为最大工作压力。
“LSF-2.5”液位传感器主要技术参数如下：
（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）触点功率为70W；
（5）开关电压为24V；
（6）切换电流为0.5A。
该型号是基于光的反射和折射的原理，当容器是空的时候，光经过棱镜面或球面反射回接触点；液体淹没传感器的光电探头球面时，光通过棱镜表面折射出来，使其输出量发生相应的变化，相应的晶体管或继电器的动作便会伴随着一个开关量的输出而变化。
该设计还采用压力传感器，压力传感器是一种转换压力变量，可以将测量仪器的输出信号的标准化，并将其输出信号与给定的连续函数关系进行压力。
主要用于工业过程压力参数的测量和控制。
在系统中检测搅拌容器中的液压，用来与变频器结合控制电机，尽量使压力保持稳定。
3.1.4变频器的选择
变频器是利用功率半导体器件的通断功能来实现工频功率转换到另一个频率功率控制装置，可以实现交流异步电动机软启动和电机转速的频率控制，提高操作精度，改变功率因数，过电流/过电压/过载保护等功能。
变频器使用的时候，根据液体的液压大小，都可以对电机的转速进行调节。
使用变频器调整转速后，因为内部有电容滤波，这样不仅可以减小无功的损耗，而且还增加了电机的有功功率。
基于变频器的各种优点，在实际的工业生产中加入变频器对于工厂来说是非常有利的。
在本系统的设计中加入变频器就是要根据液体的压力来调节电机运转。
3.1.5搅拌电动机的选择
三相异步电动机的选择，包括功率、类型、电压和方式等。
（1）功率的选择
根据要求选择合适的电动机是运行安全性和经济性重要的保证。
一般电机的功率是根据所需的电动机的输出功率来进行比较选择。
连续运行电动机功率的选择：
所谓连续运行电动机功率是指在一长期时间下电动机连续工作时所消耗的功率：
对于连续运行的电动机，如果负载是恒定负载时，要计算机械功率的产生多大，然后再选择额定功率的电机应略大于或等于产生机械功率，从而保证经济安全。
（当负荷变化时，计算复杂，通常根据机械负荷的产生和变化规律进行等效恒载，然后选择电机）。
（2）种类和型式的选择
从交流、直流、速度、起动性能、机械性能、等方面进行了选型。
（3）电压的选择
根据使用现场的相关数据进行选择。
一般的Y系列笼型电机的额定电压只有380V的等级；而大功率的异步电机则采用的是3/6000V的等级。
3.2搅拌机系统硬件结构
通过对以上元件的了解，设计整个系统的总体结构，如图3-1所示。
本系统设计主要是以PLC为控制中心，然后通过压力输出信号来控制变频器，从而控制电机。
从液位传感器、压力传感器采集来的状态放置在相应的存储器中，因为PLC只能识别开关量，所以从相应的存储器中读取的状态会先转换成为PLC可以识别的信息，然后进行判断，再输出相应的信号，比如转速、功率和报警。
在液位传感器检测完后，有液位信息输出，在压力检测完成之后，有相应的输出信号，通过相同的通信协议传递给变频器。
图3-1水循环系统的硬件结构连接图
3.3搅拌机控制系统的主电路设计
主电路主要由控制电机组成，任务是通过控制电路的作用来完成目标，主电路的支架或下降直接关系到整个系统的功能是否齐全，所需的功率充足，响应灵敏等。
主电路由工业380伏三相交流电源线组成，如图3-2所示。
图3-2搅拌机控制系统的主电路图
3.3.1搅拌机控制系统的检测电路
控制系统中，检测控制电路是对系统所要求的环境参数的保障，并且对其出现的状况，提示相应的信号。
控制电路的作用是由PLC来实现的，所以，检测系统的好坏，直接相关控制系统的可靠度和准确度。
本设计的检测电路主要是通过传感器来检测容器中的水位，并输送液压。
容器中的水位检测，设定有上限位、中限位和下限位，当高于中限位就会输出警示进而发出报警，当高于上限位时也会同样工作。
系统正常运行时，就会向容器中注水，当水量发生变化时，变频器根据对压力的设定值和压力传感器反馈值之差，经过PID算法对电机的转速进行控制。
对于水位，水压的数值的监控，以便工作人员更好的进行监测。
3.3.2搅拌机控制系统的控制部分
搅拌机系统的控制中心就是PLC，对于一个PLC的控制电路，正确的端口分配和接线连接直接关系着控制程序是否可以按照预先设定的步骤进行，且连接的误差和连接的分布使得无法识别的设备，甚者导致致命的应用错误，造成不必要的损失。
在选择PLC类型的时候首先要确定输入输出信号数量，功能等。
按照上述的描述，选择西门子公司S7-200系列CPU226的PLC，一共有5个数字量输入，7个数字量的输出，还可带有7块扩展模块，考虑系统的可扩展性和维护方便，可以选择模块化的可编程控制器。
外部接线图如下图3-3
图3-3PLC外部接线图
第四章搅拌机控制系统的软件设计
4.1搅拌机控制系统的工作流程
通过之前对于搅拌机控制系统的分析研究，我们设计出该系统的工艺流程，如下图4-1所示，从系统的开始，运行方式以及水位、水温的加热，能够清晰的看出整个系统的运行情况，能够更加明确控制目的。
图4-1工业水循环工艺流程图
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