课程设计液体混合装置.docx
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课程设计液体混合装置
集美大学诚毅学院
机械专业课程设计论文
（机电方向）
专业：
机械工程及其自动化（20级）
班级：
机械20级（机电方向）
姓名：
学号：
指导教师：
弓清忠雷慧
答辩日期：
20年1月日
集美大学机械专业（机电方向）课程设计任务书
姓名：
院（系）：
诚毅学院机械工程系
专业：
机械工程及自动化班级学号：
机械级号
任务起至日期：
年月日至年月日
课程设计题目：
基于FX0N–60MR可编程控制器的液体混合装置自动控制
控制要求：
上限位、下限位和中限位液位传感器被液体淹没时为ON，阀A、阀B和阀C为电磁阀，线圈通电时打开，线圈断电时关闭。
开始时容器是空的，各阀门均关闭，各传感器均为OFF。
按下启动按钮后，打开阀A，液体A流入容器，中限位开关变为ON时，关闭阀A，打开阀B，液体B流入容器。
当液面到达上限位开关时，关闭阀B，电机M开始运行，搅动液体，6s后停止搅动，打开阀C，放出混合液，当液面降至下限位开关之后再过2s，容器放空，关闭阀C，打开阀A，又开始下一周期的操作。
在任何时候按下停止按钮，在当前工作周期的操作结束后，才停止操作（停在初始状态）。
图11液体混合装置示意图
立题的目的和意义：
现代制造业要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的。
它已经成为当代工业自动化的三大支柱之一。
《可编程控制器原理及其应用》课程是培养学生具有机电一体化设计能力的技术基础课，其专业课程设计是本课程的重要实践环节，是本专业方向第一次较全面的设计训练。
专业课程设计要达到的如下主要目的：
1）培养学生综合运用本课程及其它有关先修课程的知识，去分析、解决实际工
程问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识；
2）能够对原有的继电器接触控制系统进行改造和设计新的控制系统；
3）使学生掌握可编程控制器系统设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程
设计能力，树立正确的设计思想，为今后工作打下良好的本专业工程基础。
通过绘制完整的电器原理图，端子接线图，控制流程图，编制相应程序，进行系统调试等环节，掌握PLC系统软、硬件设计方法，了解这项技术的最新发展动态，熟悉国家标准，培养学生的基本技能，从而为接下来的毕业设计打下良好的基础和知识积累。
技术要求与主要内容：
PLC系统课程设计的一般过程是：
从初拟设计方案开始，分析设计电路图，控制流程，并编制相应的指令程序，然后进行必要的实践环节对所设计系统进行调试和正确性检验，最后，编制详细、统一格式的技术文件。
1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2）根据前述控制分析，并绘出过程时序图；
3）按控制系统设计图接线，并进行系统调试及问题分析；
4）编写技术文件。
进度安排：
1．第一周
周一：
开题阶段，动员、布置任务。
根据题目查阅相关的资料（包括：
图书资料和
网上资料等），初步规划设计内容和步骤。
周四：
进入方案设计阶段，初步确定设计方案。
这一阶段针对课题本身答疑，不检查程序。
2．第二周
周一：
1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2）根据上述控制分析，编制相应指令程序。
周四：
内容同上。
这一阶段针对编程中个别问题答疑，不检查程序。
3.第三周
周一：
去电工实验室调试程序。
周四：
检查论文电子档，包括内容及格式。
周五：
收设计报告，进行答辩。
第三周的某一天进行现场实习，以提高感性认识：
①到集美大学现代设计与制造技术中心参观、分析柔性制造系统的PLC系统运用。
②参观机械工程学院实验室。
同组设计者及分工：
——侧重系统的理论研究
——侧重实践过程及控制
摘要…………………………………………………………………………………1一、可编程控制器综述………………………………………………………………21、PLC的产生与发展………………………………………………………………22、研究目的与意义…………………………………………………………………33、PLC的发展趋势……………………………………………………………………44、可编程控制器的特点………………………………………………………………55、PLC的应用领域…………………………………………………………………66、PLC在我国的应用…………………………………………………………………8二、设计方案…………………………………………………………………………91、控制要求…………………………………………………………………………92、设计思路…………………………………………………………………………103、程序流程图………………………………………………………………………114、设备器件选择……………………………………………………………………125、I/O地址分配表…………………………………………………………………126、硬件接线图………………………………………………………………………137、主线路……………………………………………………………………………148、状态转移图………………………………………………………………………159、控制梯形图………………………………………………………………………1610、指令程序………………………………………………………………………1811、时序图…………………………………………………………………………1912、调试运行与问题分析…………………………………………………………19三、附步进指令编程………………………………………………………………201、控制梯形图………………………………………………………………………202、程序指令…………………………………………………………………………22四、课程设计心得……………………………………………………………………23五、致谢………………………………………………………………………………24六、参考文献………………………………………………………………………25
摘要：
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。
在炼油、化工、制药行业中，多种液体混合是必不可少的程序，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配料精确、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自动混合的目的液体自动混合配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。
随着计算机技术的发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行管理等多方面的要求。
设计的多种液体混合装置利用可编程控制器实现在混合过程中精确控制，提高了液体混合比例的稳定性、运行稳定、自动化程高，适合工业生产的需要。
本书介绍PLC的发展以及未来的发展趋势，对工业产生了巨大的影响，大大提高了工作的效率。
详细设计两种液体自动混合装置，并自动放出的的精确控制。
关键词：
自动控制、PLC、液体混合装置
一、可编程控制器综述
1、PLC的产生与发展
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。
随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。
目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。
著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。
我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。
在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。
此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。
目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。
PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
2、研究的目的和意义
2.1、利用PLC全自动化控制系统，实现系统正常运行。
在污水处理控制系统中，除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外，同时具有控制输入和输出以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是PLC控制系统的优势所在。
原有的污水处理厂其控制部分采用传统的继电器控制，控制线路复杂，继电器多，长时间运行后，线路老化，频繁出现控制故障。
而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中采用PLC控制系统改造后，提高了自动控制的可靠性,不仅减轻了工人的劳动强度,而且提高了污水处理厂的运行效率和运行效益,实现了污水厂生产管理的科学性。
2.2、研究概况及发展趋势综述
国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。
这些国家经济发展较早而且较快，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。
这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。
这些国家先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。
一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到80%-90%，成功的解决了来自于城市和工业的点污染问题。
同时一些国家开始重视污水的回收利用。
其特点有：
大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实时监测并有上位机记录下来，提高了测量精度；生产过程中不同程度的采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式；大量采用遥测、遥控设备，并有效地利用社会资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
目前,国产化污水处理设备具有品种不全,结构不合理,技术水平比较低,产品质量不稳定的特点。
我国自主生产的设备在很大程度上是依托国外相关设备的构造,再经过自我消化、研发和生产实践,逐步填补国内空白并在此基础上不断发展壮大。
不过,我国污水处理设备会在相当长的时间内落后于其他国家,还有许多空白,很多设备还停留在仿制的水平上,对于其理论研究尚显不足。
因而,国产化设备将会在未来相当长时间内在技术水平上处于劣势,特别是先进设备的技术保密与知识产权保护意识的加强,其竞争力将在未来市场中不断接受考验。
3、PLC的发展趋势
3.1、向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
3.2、向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
3.3、PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
3.4、增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
3.5、编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
4、可编程控制器的特点
4.1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电器控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触控制系统相比，电气接线及开关接点已减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也将随之大大降低。
此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。
在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统就具有了极高的可靠性。
4.2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控（CNC）等各种工业控制中。
加上PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
4.3易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
其编程语言易于为工程技术人员接受。
像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功能。
4.4系统设计周期短，维护方便，改造容易
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。
因此很适合多品种、小批量的生产场合。
4.5体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部尺寸小于100mm2，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
5、PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：
5.1、顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。
它用来取代传统的继电器顺序控制。
PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
例如：
注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
5.2、运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。
5.3、过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度。
PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。
5.4、数据处理在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。
5.5、通信网络PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
6、PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：
32I/O
小型：
256I/O
中型：
1024I/O
大型：
4096I/O
巨型：
8192I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。
大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。
欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。
我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。
其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。
二、设计方案
1、控制要求：
上限位、下限位和中限位液位传感器被液体淹没时为ON，阀A、阀B、阀C为电磁阀，线圈通电时打开，线圈断电时关闭。
开始时容器是空的，各阀门均关闭，各传感器均为OFF。
按下启动按钮后，打开阀A，液体A流入容器，中限位开关变为ON时，关闭阀A，打开阀B，液体B流入容器。
当液面到达上限位开关时，关闭阀B，电机M开始运行，搅动液体，6s后停止搅动，打开阀C，放出混合液，当液面降至下限位开关之后再过2s，容器放空，关闭阀C，打开阀A，又开始下一周期的操作。
在任何时候按下停止按钮，在当前工作周期的操作结束后，才停止操作（停在初始状态）。
图11液体混合装置示意图
2、设计思路：
本系统为两种液体自动混合，需要对各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。
各种液体入池的比例需要应用电磁制，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。
具体控制方法根据题目要求，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，停止所有液体进入。
搅拌机开始进行搅拌，6s后停止搅拌，放出液体，2s后停止放出。
液体的进入和出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制。
根据题目要求选择FX1X-60MR，电动机选择1500W。
3、程序流程图：
4、设备器件选择：
元件/参数
型号
额定功率
额定电压
额定电流
电动机M
Y112M2
4000W
380V
38.2A
熔断器
RT12--32
415V
25A
热继电器
JR16--20/3D
11A
接触器常开触头
CJ10--10
380V
10A
三级刀开关
HZ10--25
380V
25A
5、I/O地址分配表：
输入端口
输入信号
表示符号
输出端口
输入信号
表示符号
I0.0
X3
启动
SB1
Q0.0
Y0
A
KM1
I0.1
X4
停止
SB2
Q0.1
Y1
B
KM2
I0.2
X1
上
S1
Q0.2
Y3
C
KM3
I0.3
X0
中
S2
Q0.3
Y2
电动机搅拌
KM
I0.4
X2
下
S3
6、硬件接线图：
7、主线路：
8、状态转移图
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