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液体混合装置控制的PLC设计

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY

电器与可编程控制器课程设计

题目：

液体混合装置控制的PLC设计

二级学院（直属学部）：

延陵学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

09电Y2

学生姓名：

徐扬

学号：

09121032

指导教师姓名：

史建平

职称：

副教授

2011年12月26日

电器与可编程控制器课程设计

延陵学院专业：

电气工程及其自动化班级：

09电Y2

学生姓名

徐扬

指导老师

史建平

职称

副教授

课题名称

液体混合装置控制的PLC设计

指标及要求

达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印PLC程序，计算机绘图。

课题工作内容

工作内容：

1、熟悉课题工作原理。

2、设计方案论证，系统建立，电气原理控制设计。

3、元器件选择，梯形图设计（控制分析）。

4、完成设计图纸，完成设计任务书。

5、设计测评。

进程

安排

第1天：

下达任务。

第2-3天：

收集资料，设计准备，方案确定。

第4-5天：

电气原理控制设计，元器件选择。

第6-7天：

梯形图设计（控制分析），上机调试。

第8-10天：

完成设计图纸，完成设计任务书，设计测评。

主要

参考

文献

《可编程控制原理与应用》北京理工大学出版社范次猛

《可编程控制应用技术实训指导》化学工业出版社李俊秀

《电气控制与PLC应用》北京机械工业出版社余雷生方宗达

《电气控制与可编程控制器技术》化学工业出版社史国生

地点

秋白楼A308教室

起止日期

2011.12.26—2012.01.06

第一章绪论

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为易燃易爆、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。

所以为了帮助相关行业,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。

液体混合装置控制系统由于采取了一系列可靠的设计方案，保证系统具有很高的可与实用性。

目前在我国此套系统尚处于发展阶段，在设计中有许多的不足，有些地方的设计思想也还不成熟。

但随着微可编程逻辑控制系统的日益发展和中国市场对减员高效理念的日渐深入，我相信此套系统会被越来越多的公司所重视，有着良好的实用价值和广阔的市场前景。

在过去，硬件通常是多种液体自动混合领域的主要因素，设计简单实用是本系统最大的优点所在，根据现代质量保证技术，用现代设备制造的，以简单的限位开关、继电器等常用且性价比较高的器件为基件的多种液体自动混合系统，己经获得了过去超过了理论上得出的可靠性。

所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使其按照一定归路的运动和变化。

要实现对各种生产过程和生产设备的限制，常常需要使其中的某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的归路变化。

要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时地控制和调整，以抵消外界的干扰和影响。

自动控制理论是自动技术、电子技术、计算机科学等许多学科相互渗透的产物。

当前，工业发展的一个明显而重要的趋势就是越来越广泛而深刻的引入自动控制。

例如：

程序控制机床能够按照预定设定的工艺程序自动的进刀切换，加工出预期的几何形状；焊接机器人可按工艺要求焊接流水线上的各个机械部件；自动控制系统能够保持恒温等等。

所有这些系统都有一个共同点，即它们都是一个或一些被控制的物理量按照给定量的变化而变化，给定量可以是具体的物理量，如电压、位移、压力、流量等，也可以是数字量。

所以说，如何使被控量按照给定的变化归路而变化，这就是控制系统所要解决的基本任务。

一方面要保证应用软件本身的可靠性，即尽可能的减少程序中的BUG，使程序能够持续稳定的运行。

要做到这一点，首先必须精心设计应用软件的总体结构，按照面向对象的观点，综合考虑用户的观点和程序的易实现性，这样才能少走弯路，编制出高效率的应用软件;在编写代码时，思维一定要严密，尽可能减少人为的失误:

最后，程序要经过反复的调试才能投入运行。

另一方面，可以通过采取软件方面的简单高效措施提高系统的性能。

即使程序尽可能的简单化。

以提高系统的反应速度，使硬件可以发挥其最大功效，使整个系统统一结合，在稳定的前提下更加高速快捷的为我们服务。

总之，多种液体自动混合系统的设计是一项很复杂的工程，必须在系统设计、结构设计、软件编制、整机装配和调试阶段各个环节统筹安排，严格把关才能保证系统具有很高的可靠性。

相信这套系统在不久的将来会有良好的发展前景，被我们更加合理的应用于我们的生产工作当中，为我们带来经济效益。

第二章课题介绍

液体的混合装置分为液体输送、数据检测和液体混合三部分，液体的输送由两支输液管及控制阀门、一支出液管及控制阀门组成，输液管A、B负责将两种不同液体依次送入混合池，搅拌结束后出液管负责将混合液体送入下一单元，均由控制阀门来控制管路的开闭；数据检测部分有四只液位传感器和一只转速传感器组成，液体传感器分别检测四个不同的液位信号，转速传感器则对搅拌勺的转动情况进行检测；液体混合部分由混合池和搅拌装置（搅拌电动机、传动机构和搅拌勺）组成，这里是两种不同液体混合搅拌的场所。

液体混合装置示意图

首先回顾液体混合装置控制的发展过程，说明了种液体自动混合装置的PLC控制的重要性和必然性。

然后，讲述了可编程程序控制器的应用，通过论述可编程程序控制器的优点对可控制编程器对多种液体混合装置的控制有一个总体的认识。

综合多种液体自动混合装置的控制系统的要求，进行了外部电路的连线和PLC程序设计，从部件的选择，流程的分析，程序顺序控制的设计等方面，完成了本次的设计任务。

最后，通过对程序液位控制系统的程序的调试，检测，再进行是对系统的更正，使控制系统更加完善，确保系统能顺利运行

可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点：

①系统自动工作；

②控制的单周期运行方式；

③由传感器送入设定的参数实现自动控制；

④启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。

本系统采用PLC是基于以下两个原因：

①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；

②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；

根据多种液体自动混合系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。

本系统就是应用可编程序控制器（PLC）对多种液体自动混合实现控制。

然后，讲述了可编程程序控制器的应用，通过论述可编程程序控制器的优点对可控制编程器对多种液体混合装置的控制有一个总体的认识。

最后，通过对程序液位控制系统的程序的调试，检测，再进行是对系统的更正，使控制系统更加完善，确保系统能顺利运行。

第三章设计内容及要求

3.1控制要求

本系统为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合

液体阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅动电机。

控制要求如下：

按下启动按钮SB1，装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液体阀门打开2秒将容器放空后关闭：

液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅动电机开始搅动。

搅动电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

停止操作:

按下停止按钮SB2后，在当前的液体混合操作完毕后，按下停止按钮SB1，停止操作。

3.2设计要求：

将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。

并自动开始新的周期，形成循环状态，在按停止按钮后依然要完成本次混合才能结束。

1.设计和绘制电气控制原理图或PCI/O接线图、功能表图和梯形图，编写指令程序清单。

2.要能完全满足控制要求；

3.按下停止按钮后，要将当前的混合操作处理完毕后，才停止操作

4.选择电气元件，编制电气元件明细表。

5.设计操作面板电器元件布置图。

3.3控制原理介绍

系统为液体混合装置控制，需要对两种种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。

液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌，则需要电机控制。

对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。

按下启动按钮时，A种液体进入容器，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入，搅拌机进行搅拌，6s后搅拌均匀，停止搅拌，混合液体阀门打开，放出液体。

经2s后停止放出，按停止键停止操作。

液体的进入和放出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制。

3.4控制方案

本设计是两种液体的混合控制，其要求是将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到一定的温度才能将混合的液体输出容器。

并形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。

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。

混合装置正常工作流程图

具体控制方法根据题目要求:

（1）按下启动按钮SB1，装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液体阀门打开2秒将容器放空后关闭液体A阀门打开，液体A流入容器。

（2）当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅动电机开始搅动。

搅动电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

（3）当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

停止操作:

按下停止按钮SB2后，在当前的液体混合操作完毕后，按下停止按钮SB1，停止操作。

第四章硬件设计

4.1元器件选择

4.1.1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。

液位传感器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

4.1.2搅拌电机的选择

三项异步电动机运用非常广泛，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。

功率的选择：

合适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。

功率的确定是由连续运行电动机功率的选择和短时运行电动机功率的选择。

而电动机的额定功率是生产机械所要求功率的1/γ。

种类和型号的选择：

种类选择的原理主要是从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等发面来考虑。

其结构的选择则是根据生产机械的周围环境条件来确定。

电动机结构构型则有开启式、防护式、封闭式、防爆式。

电压和转速的选择：

电压等级选择是根据电动机的类型、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。

转速选择原则是根据生产机械的要求而选定。

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，是全国统一设计的产品。

Y系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪音小寿命长、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

4.1.3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：

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°C。

3）使用电压：

AC：

220V50Hz/60Hz DC：

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

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/60Hz DC：

24V。

4）功率：

AC：

5KW。

4.1.4电动机

电动机M：

5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min。

4.1.5热继电器：

热继电器主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。

双金属片是热继电器的感测元件，有两种膨胀系数不同的金属片用机械碾压而成。

膨胀系数大的称为主动层，小的称为被动层。

其利用热效应原理，过载电流越大，动作时间越短，否则反之。

4.2元器件参数

PLC型号：

本设计中PLC选用的是三菱FX2n系列，

本设计中有输入/输出点是3输入/9输出

考虑到15％的备用点

则需输入点：

3*（1+15%）=3.45，取整数4

输出点：

9*（1+15%）=10.35取整数11

所以选用FX2n－32MR的PLC

拖动电动机M：

5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min。

熔断器FU：

IFU≧2IN

其中：

IFU是熔断器熔体的额定电流

IN是电动机的额定电流

IFU≧2*11.6=23.2A

所以熔断器选用RT14—32型号。

热继电器：

IRT=（0.95～1.05）IN

其中：

IRT是热继电器的额定电流

IN是电动机的额定电流

IRT=（0.95～1.05）*11.6=11.02A～12.18A

所以热继电器选用JR16—20/3型号。

接触器：

IC=PN／（KUN）

其中：

IC是接触器触头电流

PN是电动机额定功率

K是经验系数一般取1～1.4

UN是电动机额定电压

IC=5.5*1000/[（1～1.4）*380]=10.33A～14.47A

所以接触器选用CJ10—20型号。

指示灯HL：

0.25W,DC24V.

电磁阀:

100mA,AC220V.789

4.3元器件清单

名称

型号

数量

符号

可编程序控制器

FX2n

1个

PLC

按钮开关

KH-2204

2个

SB1、SB2

液位传感器

LSF-2.5

3个

SL1、SL2、SL3

搅拌电动机

EJ15-3

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

4个

4.4硬件控制原理图

PLC外部接线图设计

主电路图

第五章软件设计

5.1设计思想及程序框图

图5.1流程图

5.2I/O地址表

编程元件

作用

启动开关

触发液面传感器SQ1

触发液面传感器SQ2

触发液面传感器SQ3

阀门A打开液体A注入

阀门B打开液体B注入

混合液闸体门

YKM

电动机转动

电动机转动定时

混合液流出定时

M200

中间继电器，使阀门A打开

M100

中间继电器，使阀门A关闭，使阀门B打开

M101

中间继电器，使阀门B关闭，使搅拌机工作

M104

中间继电器，使M105置位

M105

使计时器T1计数

5.3程序设计与说明

初始化启动

松开启动按钮

SL1接通

SL2接通

阀门A打开

阀门B打开

阀门A关闭

搅匀电机工作

阀门B关闭

搅匀电机停止

延时6s

混合液体阀门打开

混合液体阀门

延时2s

第六章运行调试

6.1选择及控制

6.1.1系统的规划

调试，对于一个项目的成败是关键的因素。

首先，必须深入了解系统所需求的功能，并调查可能的控制方法，。

6.1.2I/O模块选择与地址设定

当I/O模块选妥后，依据所规划之I/O点使用情形，由PLC的CPU系统自动设定I/O地址，或由使用者自定I/O模块的地址。

6.1.3梯形图程序的编写与系统配线

在确定好实际的I/O地址之后，依据系统需求的功能，开始着手梯形图程序的编写。

同时，I/O之地址已设定妥当，故系统的配线也可着手进行。

6.1.4系统试行与实际运转

若梯形图程序执行功能正确无误，且系统配线亦完成后，便可使系统纳入实际运转，项目计划亦告完成。

6.1.5程序注释和归档

为确保日后维修的便利，要将试车无误可供实际运转的梯形图程序做批注，并加以整理归档，方能缩短日后维修与查阅程序之时间。

这里强调一个问题，是十分简单但却几乎每个项目都会发生的，那就是对PLC的接线其实，调试大部分的问题和工作量都是在接线方面。

通常，通过看其接线图和接线的外观，就可以对接线的质量有个大致的判断。

然后要对所有的接线进行一次完整而认真的检查。

6.2对PLC操作的用法：

1、主机模块的COM接主机模块输入端的COM和输出端的COM1、COM2、COM3、COM4、COM5。

主机模块的24+、COM分别接在实验单元的V+，COM

输

SB1

SL1

SL2

SL3

输

YV1

YV2

YV3

YKM

入

出

（1）工程菜单

在软件菜单里的工程菜单下选择改变PLC类型即根据要求改变PLC类型。

1）在读取其他格式的文件选项下可以将FXGP_WIN-C编写的程序转话成GX工程。

2）在写入其他格式的文件选项下可以将用本软件在编写的程序工程转化为FX工程。

（2）在线菜单

1）在传输设置中可以改变计算机与PLC通信的参数。

2）选择PLC读取、PLC写入、PLC效验可以对PLC进行程序上传、下载、比较操作。

3）选择不同的数据可对不同的文件进行操作。

4）选择监视选项可以去对PLC状态实行实时监视。

5）选择调试选项可以完成对PLC的软元件测试，强制输入输出和程序执行模式变化等操作。

6.3调试时的注意事项

（1）注意输入、输出信号线一定不要按错或接反，以免增加调试工作量。

（2）认真检查输入程序。

根据执行出现的错误逻辑现象，判断出错程序段，逐步缩小范围，最后纠正错误、完成调试。

（3）位置发生错误时，关掉可编程序控制器电源，将转盘位移到最下方，并将码盘置位，然后重新通电，将程序中位置计数器复位。

第七章小结

课程设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“液体混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病，通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。

电气控制与可编程控制器是一门极其重要的课程，它综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。

在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，PLC技术越来越受人们广泛应用，前景可观，因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次设计中，我们遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处：

1，不太会利用查翻资料。

遇到困难，首先不先查看资料，过多依赖同学和老师的帮助，相对不独立。

2，学习认真程度不够，学习热情不高，基础相对薄弱，掌握知识太少。

3，设计时对时间合理安排上欠妥。

但正是这次设计，让我认识到自己的不足，为以后以后的工作学习找到了方向和前进的动力。

通过这次PLC课程设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的撑握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料或者是请教同学，一次一次的调试程序，最后达到设计要求。

使得我对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

最后通过本次课程设计，使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地

位；通过本次课程设计，使我更深刻的理解了PLC的编程思想，也能更好的将所学知识应

用到实践中动。

因此学好这门课程对以后的发展有举足轻重的地位。

参考文献

1.《电气控制与可编程控制器技术》史国生化学工业出版社

2.《基于三菱FX2NPLC实验指导书》罗慧芳

3.《可编程控制应用技术实训指导》化学工业出版社李俊秀

4.《电气控制与PLC应用》北京机械工业出版社余雷生方宗达

5.《可编程控制原理与应用》北京理工大学出版社范次猛

6.《电器与可编程控制器应用技术》邓则名

7.《可编程序控制器的编程方法与工程应用》廖常初重庆大学出版社

8.《可编程序控制器及其应用》万太福重庆大学出版社

附录

1.主电路

2.控制电路

3.完整的梯形图

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