基于PLC多种液体混合灌装系统设计教材.docx
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基于PLC多种液体混合灌装系统设计教材
毕业论文（设计）
基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计
院系：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
年级（班级）：
2011级
（2）班
姓名：
汪鑫鑫
学号:
20114222003
指导教师：
郑福昌
职称：
副教授
完成日期：
2015年6月10日
摘要
多种液体混合灌装在实际的工业生产中应用普遍广泛，多种液体混合要满足实际生产的需要。
每种液体的加入量、多种液体混合后的浓度需要有进行的有效的控制才能满足需求。
液体混合需要进行搅拌才能混合均匀，达到理想的效果。
以三种液体的混合灌装控制为例，把三种液体按照一定的比例进行混合，只有在电动机搅拌之后达到控制要求才能将混合后的液体从容器输出，并形成循环状态。
多种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。
设计以液体混合控制系统为中心，从控制系统的方案的设计、硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括工艺过程设计、控制过程设计、PLC变量设计、梯形图设计、组态王监控设计等），旨对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
设计采用三菱公司的FX系列PLC去实现设计要求，利用组态王完成混合灌装机的控制界面设计。
关键词：
多种液体；混合装置；PLC；组态王
Abstract
Avarietyofmixedliquidfillingwidespreadapplicationintheactualindustrialproduction,mixedavarietyofliquidtomeettheneedofactualproduction.Eachliquidaddingamount,variousconcentrationofliquidmixingaftertheneedforcontrolinordertoeffectivelymeettheneedsof.Mixedliquidneedstobestirredtomixevenly,toachievetheidealeffect.Inthemixedfillingthreekindsofliquidcontrolasanexample,threekindsofliquidaremixedaccordingtoacertainproportion,stirringafterthemotortomeetthecontrolrequirementscanbemixedliquidoutputcontainers,andformacycle.Therelationshipsoftheliquidmixingsystemcontroldesigntakingintoaccountthecontinuityofitsactionandchargedwithvariousequipmentmovesbetween,accordingtothedifferentworkingstate,thecorrespondingactioncontroloutput,thusrealizingtheliquidhybridsystemsthatachieveacyclecontroloftheprogramfromthefirstliquidaddedtothemixturetocompletetheoutput.Designtotheliquidmixingcontrolsystemasthecenter,composition,controlsystemfromthehardwaresoftwaresystemtochoosethedesignprocess（includingdesign,designprocess,designrequirements,ladderdesign,externalconnectioncommunication）,whichseekstothedesignandproductionprocesstodoabriefintroductionanddescription.ThedesignadoptedbyMitsubishiCoFXseriesPLCtorealizethedesignrequirements,theuseofKingViewtocompletethedesignofcontrolinterfaceofthemixedfillingmachine.
Keywords；Multi-fluid；Hybriddevices；PLC；Configuration
基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计
1引言
在生产工作中，为了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、提高生产的质量、降低成本等方向发展。
在建材、化工、饮料、冶金等行业中，多种液体的混合是必要的工序，也是生产过程中重要的组成部分。
因为这些产品的介质多为混合后化学性质不稳定、有毒、有较强腐蚀性。
所以这些行业工作环境十分恶劣，不适宜人工现场操作。
而在生产工作要求中半自动化控制和人工操作也难以实现操作系统控制稳定可靠、混合精确等特点。
液体混合自动配料以成为我们眼前的一大课题，为帮助中小型企业实现多种液体混合的自动控制，达到液体混合的目的，我们用自己所学的知识借助实验室设备，开发PLC程序应用于液体混合的自动控制。
1.1课题的研究背景
计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。
1968年，美国汽车制造商通用汽车公司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易学易用的特点相结合，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。
且在1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，并将其命名为可编程逻辑控制器，简称PLC。
PLC具有适应环境能力强、可控制性高、设计周期短和可维护性高等优点，深受广大工程技术人员和工业厂商的亲睐，所以PLC市场日益火爆。
采用基于PLC的控制系统来取代原来由继电器、单片机等构成的控制系统，使得电气接线和开关节点大大的减少，由此系统的设计、建造工作量减小，维护方便，易改造。
对提高企业生产和管理自动水平提供了很大的帮助，同时又降低了生产成本，提高了生产线的效率和产品的质量，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：
如楼层配电、机床电控、食品加工、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制。
由此可见很多行业用PLC来取代传统的继电器控制。
1.2发展历程和现状
PLC在问世以来，经过长期的发展。
基于PLC的混合灌装机的生产在工业发达囯家已发展为产业支柱，世界总销售额节节攀升，生产厂家逐渐增多，品种多样化，性价比越来越高。
这些设备呈现出新的发展趋向。
1、多功能的一台设备，可以进行塑料瓶和玻璃瓶的茶饮料、咖啡饮料和果汁饮料的冷热灌装。
2、高速度高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高可达2000罐/分，灌装阀可达100头以上。
非碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达1500罐/分，灌装阀可达50头以上。
3、全线的自动控制水平、技术含量高，在线检测和计量装置配套完备，功能完善。
能自动检测各项参数，计量精确，维护方便，能耗低，集电、气、磁为一体的高新技术产品不断涌现。
4、编程语言多样化
随着PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越多样化，功能也不断提高。
为了适应生产中控制的要求，还出现了功能模块图语言、顺序控制的步进编程语言、与计算机兼容的高级语言等。
所以在生活生产中多种编程语言的互补、并存与发展成为PLC发展的新趋势。
1.3课题的研究意义
多种液体的混合灌装机用于各种瓶装饮料的灌装，适用于大部分的饮料生产厂家。
早期的灌装机械大多采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。
它具有效率高、功能强、加工质量高等特点，是当今世界的前沿课题，但还存在一些问题。
例如：
罐装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。
该液体混合系统的设计是基于PLC的控制系统，而且采用组态王来实现控制画面，釆用模块化结构，具有实时性、高可靠性、良好的可维护性。
提高了企业生产、管理自动水平、生产线的效率。
同时产品质量得到提升，因此市场前景广阔。
液体混合自动配料控制系统就此应运社会工业生产的需要而诞生了。
因为目前对基于PLC灌装机进行控制的研究较少，以致于人们难以正确选用技术参数进行系统控制，出现产品质量低、生产效率低、成本高等问题。
本设计就是基于以上问题进行的一些探索。
1.4论文的主要内容
本论文完成了基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计。
整个论文分为引言部分、系统控制方案设计、系统工艺结构设计、多种液体混合灌装机程序设计、多种液体混合灌装机的组态监控设计五个部分。
第一部分主要叙述了课题的研究背景及研究意义，还介绍了国内外在这方面的研究成果。
第二部分主要叙述了整个设计的方案选择和方案的介绍。
第三部分叙述了多种液体混合灌装机系统工艺结构的设计。
第四部分主要介绍了控制系统程序设计，其中包括PLC的程序，重要程序的讲解。
第五部分主要介绍了组态王的监控设计等。
最后是本次设计的总结和谢辞。
2系统控制方案设计
2.1控制目标的确定
整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。
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。
控制方式得到提升，用自动控制取代人工控制，微机控制取代模拟控制，使的产品功能更加完善。
对于本次设计，新液体混合控制系统在原有的控制系统上改造升级，根据现有的工业设备和工艺尽可能的利用原件来降低成本。
而人工控制和机器自动控制交互方式改造后系统的操作模式与改造前的不宜差别过大，以便于操作人员更快更好的掌握。
从企业生产的改造要求中可以看出在新控制系统中不仅需要处理大量的模拟量而且还需要处理大量的开关量，所以系统要有实时性、高可靠性、人机交互界面友好，具备数据储存和良好的分析汇总等能力。
设计整个液体混合控制系统，需设计电磁阀的开关、电动机启动和液体流量的控制，并且用组态王来实现画面控制。
2.2控制方案的选择
就当前的技术，多种液体混合灌装机控制系统有继电器控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
2.2.1继电器控制
继电器控制系统，其逻辑控制功能是用硬件继电器实现的。
继电器的控制采用硬件接线，继电器机械触点的串联或并联在控制电路中根据主电路中的电压、电流、工作频率、工作时间及温度等参数变化而动作，以实现既定的逻辑控制及装置的保护。
由于系统复杂，在控制过程中，继电器控制逻辑是通过触点的机械动作实现控制所以工作频率低，机械触点有抖动现象，而且继电器控制系统受环境影响较大，如果系统中某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运作，查找和排除故障及其困难，虽然继电器价格亲民，但控制系统的安装接线复杂，因此整个控制系统抗干扰能力低、精确度低、灵活性差、响应速度慢。
2.2.2工业控制计算机控制
工业控制计算机简称工控机，它采用总线结构，具有较强的兼容性，计算能力强，有实时操作系统的支持，友好的人机界面等特点。
在要求快速、实时性强等功能的领域中有较大的优势。
但由于工控机价格高，将它用于开关量的控制有些大才小用，且其外部总线设计难度大，I/O模板的种类和数量还不丰富，配套性低，因此I/O接线操作复杂，可靠性低。
所以整个控制系统性价比低，设计难度大，操作复杂，解决方案和应用技术不完善。
2.2.3可编程序控制器控制
可编程序控制器控制系统是因人们生活生产需求而发展起来的一种新型控制系统，用户可以选择适合自己的可编程序控制器配备各种硬件装置，不需要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置和设计外部接线图，用可编程控制器的储存逻辑取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序来适应工艺条件的改变，同时采用形象直观，易学易懂的梯形图语言来进行编程。
随着微电子技术的不断发展，PLC也不断的升级、换代其功能更加完善。
现状PLC除了逻辑控制功能外，还具有快速计算功能、通信联网功能、显示打印功能等多种功能，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通用性强、高可靠性、抗干扰能力强、接口简单、设计调试周期短、维护方便和成本低等优点，是当前深受工业自动化的欢迎的控制装置。
3系统工艺结构设计
3.1工艺过程设计
多种液体混合灌装系统可实现3种液体的混合灌装。
首先，要进行混合的工艺结构设计如图
（1）。
液体A、液体B、液体C进行混合。
混合后需要有搅拌机，这样才能保证混合后的液体均匀度。
混合池要有液位计，来体现液体的多少。
液位计是超声波液位计，具有良好的精确度和可靠性。
每种液体在配比上是不同的，故此需要增加流量传感器（流量计）进行精确计量。
按照工艺配比进行投加液体，这样混合后的液体才是能满足我们需要的。
每种液体投加管路上装有1个电动执行阀门，在需要投加该液体时该电动阀门打开。
当该液体投加完成后电动阀门自动关闭。
流量计和液位计都是4-20m电信号输出，输出给PLC进行模拟量的计算与转换。
完成确定的工艺设计，以此保证自动投加远程控制的目的。
混合灌装系统的排放口，需要加一个电动执行阀门。
需要进行液体输出时，电动阀门自动打开；排放完成后电动阀门自动关闭。
图
（1）工艺结构示意图
3.2控制过程设计
根据系统结构示意图进行分析，来选择和确定PLC控制变量。
液位计测量混合液体的液位，输出信号为4-20mA，模拟量信号输出到PLC。
液体A、液体B、液体C每种液体都有1个电动控制阀和1个流量传感器。
流量传感器检测根据每种液体的流量进行定量投加控制，输出信号为4-20mA并以模拟量信号传给PLC。
搅拌机的控制受液位控制，当液位到达低液位极限时，搅拌机要停止搅拌。
PLC要输出报警信号，来警告液位过低。
液体A\B\C要按一定的比例进行投加，每种液体的投加量需要在上位机上进行设定。
当达到设定值时电动阀关闭，停止投加。
同时液位计要检测液位情况，不能超出高液位极限。
多种液体在进行混合时，排放阀门禁止打开。
当满足条件：
三种液体投加完毕、混合均匀时排放阀门才允许打开。
排放到低液位时需要进行报警，并关闭排放阀门。
3.3PLC变量设计
多种液体混合灌装系统利用PLC来完成整个控制过程。
设计PLC控制系统输入输出量，见表3-1。
表3-1I/O分配表
变量名称
PLC地址
类别
变量说明
控制说明
搅拌机控制
Y000
DO
开关量输出
1运行，0停止
液体A投加阀
Y001
DO
开关量输出
1打开，0关闭
液体B投加阀
Y002
DO
开关量输出
1打开，0关闭
液体C投加阀
Y003
DO
开关量输出
1打开，0关闭
排放控制阀
Y004
DO
开关量输出
1打开，0关闭
报警输出
Y005
DO
混合灌液位
D30
AI
模拟量输入4-20MA
单位：
M
液体A流量
D11
AI
模拟量输入4-20MA
单位：
L/S
液体B流量
D12
AI
模拟量输入4-20MA
单位：
L/S
液体C流量
D13
AI
模拟量输入4-20MA
单位：
L/S
启动
M100
开关量输入
停止
M101
开关量输入
液体A投加量
D40
浮点
参数设置
单位：
L
液体B投加量
D41
浮点
参数设置
单位：
L
液体C投加量
D42
浮点
参数设置
单位：
L
液位上限
D43
浮点
参数设置
单位：
M
液位下限
D44
浮点
参数设置
单位：
M
根据工艺图设计出，PLC的编程变量。
用组态王做监控画面时同样用此变量做连接使用。
3.4控制流程设计
控制流程是编程的灵魂，是编程的依据。
根据三种液体的混合、搅拌、投加；分别进行搅拌机、投加阀的控制。
需要将混合好的液体排放时，来控制排放阀门的过程。
同时，监视阀门、搅拌机、液位等状态。
此几种状态要在上位机监控软件上进行显示。
控制流程图如图
（2）：
图
（2）控制流程图
按下“启动”按钮，搅拌机开始运行。
同时液体A\B\C的投加控制阀门打开，开始进行这三种液体的投加工作。
每种液体都配有一个流量传感器。
根据流量的累积进行计算投加量的多少。
等到这三种液体达到设定的投加量后，相应的控制阀关闭停止投加。
三种液体都投加完成后，混合完成。
满足进行排放的条件，需要排放时排放阀门打开，排放完成是排放阀门关闭。
完成一个混合过程，当需要进行下一个混合过程时再一次按下“启动”按钮。
中间需要停止混合是可以按下“停止”按钮，当需要继续混合的可以按下“启动”按钮继续上次的混合过程直到完成整个混合过程。
3.5电气原理图设计
根据工艺流程图，设计出电气原理图。
如图（3）所示：
图（3）电气原理图
依照电气原理图进行电气接线调试、运行。
主回路为搅拌机控制回路，继电器接触器控制；有热继电器进行电机过载保护。
PLC输入输出控制搅拌机、液体A、液体B、液体C、排放的控制。
同时将三种混合液体的流量和混合罐的液位进行转化计算。
整个控制过程将编写成PLC的内部控制程序，依据控制流程来进行逻辑控制。
故障时有报警输出，方面用户进行及时停机进行故障排除。
上位机采用组态王进行和PLC串口通信，组态王实时监测PLC内部数据，将整个控制流程以画面的形式进行展现。
组态王具有强大的图形编程功能，和通信功能。
在诸多现场控制中应用广泛，是一款性能稳定功能强大的上位机监控软件。
3.6PLC输入输出接线图
PLC输入端接线图，如图（4）所示。
X0启动按钮输入，X1停止按钮输入。
X2搅拌机故障输入。
输出端Y0搅拌机控制，Y1液体A电磁阀控制、Y2液体B电磁阀控制、Y3液体C电磁阀控制；Y4排放电磁阀控制。
图（4）PLC输入输出接线图
3.7电气元件选型
根据现有的条件及系统设计的要求，按表3-2选择电气元件。
表3-2电气元件表
序号
名称
型号
技术参数
1
接触器
CJ20-16
操作频率1200/h，机电寿命1000万，额定电流16A，额定电压220V，功率2.5KW
2
热继电器
JR16B-60/30
额定电流20A，热元件额定电流32/45A
3
控制电磁阀
VF4-25
使用电压AC：
220V50HZ/60HZ,功率AC：
2.5KWDC:
24V
4
搅拌电机
EJ15-3
额定电压220V，额定频率50HZ，功率2.5KW
续表3-2
序号
名称
型号
技术参数
5
液位传感器
LSF-2.5
工作压力可达2.5MPA，开关电压24VDC，触点寿命100万次，切换电流0.5A，触点容量为70W
6
流量传感器
TAC-25S-M1F100-30
电流输出4-20mADC,工作电压AC220VDC24V，频率输出0-1KHZ
PLC选择：
三菱FX2NPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置[4]。
除输入出16～25点的独立用途外，还适用多个基本组件间的连接，模拟和定位控制。
且具有以下特点；系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。
三菱FX2NPLC是一套可以满足多样化生活生产需求的PLC。
4多种液体混合灌装机程序设计
4.1PLC程序设计
4.1.1PLC的工作原理
三菱PLC，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式+输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[4]。
由于梯形图形象直观，易学易懂是PLC中使用最多的图形编程语言。
梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。
梯形图的特点：
（1）梯形图中的某些编程元件仍称为继电器，但是它们不是真实的硬件继电器，而是在软件中使用的编程元件。
（2）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的通断状态，称为梯形图的逻辑解算[5]。
梯形图的逻辑解算按梯形图从上到下，由左至右的顺序进行。
（3）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点在符合工作条件下均可以无限多次地使用。
4.1.2PLC软件的使用
（1）下载并安装MELSOFT系列GX Developer软件；
（2）打开软件，点击左上角“工程”→“创建新工程”，跳出创建新工程方框后，并按下图4-1做出选择，点击确定；
图4-1PLC软件操作图
4.1.3重要程序段功能设计
第一段如图4-2所示；这段PLC梯形图程序，在系统中通过流量控制器来进行液体投加量的计算。
寄存在寄存器D11中A液体流量乘以投加时间得到A液体的投加量并将其寄存到寄存器D101中，同理完成B、C液体的投加量的寄存，分别寄存到寄存器D102与D103中。
图4-2液体投加量程序图
第二段如图4-3所示；这段程序是通过液位传感器的液位设定来控制液体的投加量是否达到设定的投加量。
将寄存在寄存器D101中的A液体投加量与寄存在寄存器D40中的A液体投加设定量进行比较，当寄存器D101的数值大于等于寄存器D40的数值，即A液体的投加完成否则继续投加。
同理完成B、C液体的投加。
当寄存器D30的实时液位值大于等于寄存器D43的液位上限值，则停止各液体的投加，达到最高液位。
当寄存器D44的液位下限值大于等于寄存器D30的实时液位值则到达低液位。
图4-3液位传感器对液体投加量的控制程序图
第三段如图4-4所示；这段程序是混合后液体的排放，打开排放阀门Y004，将液体的排放量寄存在寄存器D66中，ABC三种液体数值之和寄存在寄存器D51中，用寄存器D51的数值减去寄存器D66的数值得到剩余的混合液体并寄存在寄存器D80中。
用寄存器D80的数值除以10000得到实时液位，当达到低液位就关闭排放阀门Y004否则继续排放。
图4-4液体排放控制程序图
4.1.4梯形图程序见附录
4.1.5语句表程序见附录
5多种液体混合灌装机的组态监控设计
5.1组态王的定义
组态王开发监控软件系统，是一种具有适应性强、开放性好、开发周期短等特点的新型的工业自动控制系统。
它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统[1]。
组态王kingview6.55提供了丰富、简捷易用的配置界面，大量的图形元素和图库精灵，简单易用的接口；该产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软
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