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反应釜PLC智能控制系统设计毕业论文

第一章概述1

1.1PLC的结构与特点1

1.1.1PLC的基本结构1

1.1.2PLC的特点2

1.2PLC的发展趋势3

第二章硬件设计4

2.1总体方案设计4

2.2.1总体方案介绍4

2.2液体混合器总体结构5

2.3液位传感器的选择6

2.4搅拌机的选择7

2.5电磁阀的选择8

2.6接触器的选择9

2.7热继电器的选择10

2.8PLC的选择10

第三章程序设计13

3.1功能图13

3.2梯形图14

3.3PLC输人、输出地址分配15

3.4液体混合器输入输出接线图16

3.5手动控制16

第四章基于MCGS的监控系统设计17

4.1什么是MCGS组态软件17

4.2MCGS组态软件系统构成17

4.2.1MCGS组态软件的整体结构17

4.2.2MCGS组态软件五大组成部分18

4.3MCGS组态软件的特点及选型19

4.3.1MCGS的主要特点19

4.3.2MCGS的选型19

4.4基于MCGS的反应釜监控系统设计21

4.4.1组建系统工程21

4.4.2画面中构件的属性设置22

第五章MCGS与PLC通信及工程模拟25

5.1制作动画显示画面25

5.2脚本程序编写26

5.3建立设备构件27

5.4程序下载整体运行与综合测试28

总结30

参考文献31

致谢32

第一章概述

1.1PLC的结构与特点

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应了这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

可编程控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

PLC广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化中应用也得到了迅速的发展。

国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee，IEC）在1987年标准草案第3稿中对PLC作了如下的定义：

“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械或生产过程。

可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照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。

”从上述定义可以看出PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能[1]。

1.1.1PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图1.1所示。

图1.1PLC的控制系统示意图

1.1.2PLC的特点

PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。

它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

其主要特点如下。

1.可靠性高，抗干扰能力强

可靠性指的是PLC平均无故障工作时间。

由于PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰

措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。

PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一，主要有这样几方面：

（1）输入、输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力；

（2）主机的输人电源与输出电源均可相互独立，减少了电源间干扰；（3）采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力；（4）部采用“监视器”电路，有良好的自诊断功能，以保证CPU可靠地工作；（5）采用密封防尘抗震的外壳封装及部结构，可适应恶劣环境；（6）在软件方面，增加故障检测和程序诊断等措施。

2．控制功能强一台小型PLC有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非

常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。

PLC可以通信联网，实现分散控制与集中管理。

3．用户使用方便

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选

用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

硬件配置确定后，可进行在线修改，柔性好，通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4．编程方便、简单

梯形图是PLC使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。

梯形图语言形象、直观、简单：

易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

5．设计、安装、调试周期短

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统一调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。

6．易于实现机电一体化

PLC体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备部，制造出机电一体化产品。

目前以PLC作为控制器的计算机数控装置（CNC）设备和机器人装置已成为典型[11]。

1.2PLC的发展趋势

目前，PLC及其网络技术发展势头迅猛，PLC及网络成为工企自动化设备的首选，由PLC组成的多级分布式PLC网络成为CIMS系统的基础组成部分，成为现代工业自动化设备的三大支柱（可编程控制技术、机器人技术、CAD/CAM技术）之一。

为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。

一方面，PLC在继续提高CPU运算速度、位数的同时，开发了适应与过程控制、运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用围开始涉及工业自动化的全部领域。

与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通用输入/输出设备，还可以通过各种总线构成各个网络，为工厂自动化奠定了基础。

这一时期，典型的PLC产品有西门子的SimaticS5系列，欧姆龙公司的C系列，松下电工的FP系列，三菱的FX系列，施耐德公司的TSXCompact系列、Twido等。

第二章硬件设计

2.1总体方案设计

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，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况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，需要从怎样实现各电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在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。

2.2.1总体方案介绍

就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：

继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。

（1）继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。

继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。

系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。

（2）单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。

其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。

但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。

（3）工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。

但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。

且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。

（4）可编程序控制器控制可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。

可编程控制器（PLC）从上个世纪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。

现在PLC已经发展成为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性能，是名符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。

2.2液体混合器总体结构

由图2.1可知是一液体混合装置的工作示意图，用于将两种液体按一定的比例进行充分混合。

图2.1液体混合装置的工作示意图

此装置需要控制的元件有：

其中I、H、L为液面传感器，液面到达该位置是传感器接通；YV1、YV2、YV3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。

混合装置的工作过程如下：

（1）按启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器；

（2）当液位高度到达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通电打开，液体B流入容器;

（3）当液位高度到达H时，液位传感器H接通，这是电磁阀YV2关闭，同时启动电动机M搅拌；

（4）1min后，电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3自动打开，放出混合后的液体到下一道工序；

（5）当液位高度下降到L后，再延时2s，电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的工作周期。

此外，该液体混合装置在按下停机按钮SB2时，要求不要立即停止，而是将停机信

号记忆下来，直到完成一个工作循环才停止工作。

2.3液位传感器的选择

选用上海仪华浮球液位开关UQK—10液位计，如图2.2所示。

UQK—10液位开关基于浮力原理工作，浮球随液位上下移动，驱动相应开关元件动作。

磁钢式浮球液位控制器由两个互不相通的测量部分和输出部分组成。

当被测液位发生变化时，浮球随之变化，从而使端部磁钢上、下摆动。

根据磁钢同性相斥原理，使安装在外壳的磁钢反向摆动，驱动微动开关接通或断开。

本产品微动开关采用德国Veeder-Root公司的产品，动作可靠，寿命长。

UQK—10液位计各项技术参数如下：

（1）型号UQK—10

（2）工作温度：

标准型—40～150℃

（3）工作压力：

4.0MPa

（4）接液材质：

不锈钢，防腐型PPR

（5）触点容量：

AC250，7A；

图2.2UQK-10液位计

2.4搅拌机的选择

选用宜兴市诺德环保设备SIBLD-1立式搅拌机，如图所示。

SIBLD-1立式搅拌机是采用摆线齿轮合行星传动原理，是当今国最先进的传动工具，具有钮距大、传动效率高、功率大、寿命长、价格低。

主要技术参数如下：

（1）型号：

SIDLD-1

（2）搅拌机类型：

行星搅拌机

（3）应用领域：

水处理

（4）物料类型：

液-液

（5）布局形式：

立式

（6）电压：

220V50Hz

表2-1SIBLD-1立式搅拌机参数

型号

功率（KW）

桶容积（L）

轴转速（rpm）

轴直径（cm）

轴长（cm）

叶轮（cm）

SIDLD-1

1.5

5000

10-136

ф20

60-200

图2.3SIBLD-1立式搅拌机

其硬件接线如图2.4。

图2.4搅拌机硬件接线图

2.5电磁阀的选择

选用上海金钢自控阀门的ZCA-1P电磁阀，如图所示2.5。

其主要参数如下：

（1）型号ZCA-1P

（2）介质温度<90℃

（3）适用于中性介质

（4）压力（MPa）：

0.07~1.6MPa

（5）功率：

15W

（6）使用电压：

220V50Hz

（7）防护等级：

IP65

（8）材料：

阀体采用不锈钢，密封采用氟橡胶FKM

（9）环境温度：

-20~60℃

图2.5ZCA-1P电磁阀

2.6接触器的选择

选用乐清市上诚电气的CJ20-10型接触器，如图2.6所示

其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10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（A）

（4）额定电压为220（V）

（5）功率为2.5KW

图2.6CJ20-10型接触器

表2-2CJ20-10型接触器尺寸

型号

CJ20-10

44.5

67.5

107

35±0.31

55±0.37

图2.7CJ20-10型接触器结构图

2.7热继电器的选择

选用JR16B-60/3D型热继电器，如图2.8所示

其中“J”表示继电器，“D”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的选择

传统的控制方法是采用继电器——接触器控制。

这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。

采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制。

还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，完全能满足控制要求。

且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点[1]。

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。

之所以选择这种PLC，主要考虑FX系列PLC有以下特点[2]：

（1）丰富的指令系统。

在FX系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。

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。

国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）颁布的PLC的定义为：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的一般结构如图2.9所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理

器）、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。

图2.9PLC的一般结构

（1）中央处理单元（CPU）

与通用计算机中的CPU一样。

PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。

CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和存容量等。

（2）存储器

存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。

（3）I/O模块

输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。

PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。

输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。

通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。

（4）电源模块

输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。

它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号[5]。

本设计选三菱FX2N-30MR的PLC如图2.10所示，它是一种整体式结构的小型PLC，并且指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比高。

并且有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制，设计中使用的PLC所用的模块共有I/O总数30点，其中输入点16点，输出点14点。

置高速计数器，具有PID控制器功能。

并且通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信和数据，例如CC-Link、AS-i、RS-232C、RS-422（可以实现与MCGS虚拟机的通讯连接），N:

N、并行、计算机、和I/O等。

图2.10三菱FX2N-30MRPLC

第三章程序设计

3.1功能图

图3.1液体混合功能图

3.2梯形图

按启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器；当液位高度到达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通电打开，液体B流入容器。

当液位高度到达H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2关闭，同时启动电动

机M搅拌；1min后，电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3自动打开，放出混合

后的液体到下一道工序。

当液位高度下降到L后，再延时2s，电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的工作周期。

3.3PLC输人、输出地址分配

表3-1输入/输出地址分配

输入点地址

功能

输出点地址

功能

SB1启动按钮

打开电磁阀YV1

I液位传感器

打开电磁阀YV2

H液位传感器

启动搅拌机搅

L液位传感器

打开电磁阀YV3

SB2停止按钮

3.4液体混合器输入输出接线图

两种液体混合装置输入输出接线图

（1）按启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器；当液位高度到达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通电打开，液体B流入容器。

（2）当液位高度到达H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2关闭，同时启动电动机M搅拌；1min后，电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3自动打开，放出混合后的液体到下一道工序。

（3）当液位高度下降到L后，再延时2s，电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的工作周期。

图3.3PLC的接线图

3.5手动控制

当PLC控制系统出现故障是，可以启动手动控制。

三个手动控制阀与三个电磁阀并联安装，通过控制手动阀的开关来控制液位。

手动启动搅拌机混合两种液体。

第四章基于MCGS的监控系统设计

4.1什么是MCGS组态软件

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套基于Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95／98／Me／NT／2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间轻而易举地完成一个运行稳定、功能全面、维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功地应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化和航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠[15]。

4.2MCGS组态软件系统构成

4.2.1MCGS组态软件的整体结构

MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。

组态环境相当于一套完整的工具

软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

组态环境和运行环境的关系如图4.1所示。

图4.1组态环境与运行环境的关系

4.2.2MCGS组态软件五大组成部分

用MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，可完成不同的工作，且具有不同的特性。

（1）主控窗口

主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等容，是应用系统的主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗VI，主控窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：

定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

（2）设备窗口

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。

设备窗El专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。

设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。

一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口来管理和调

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