自动混合搅拌机系统设计.doc

目 录目 录1第一章 设计内容2第二章 工艺分析及控制要求32.1 工艺分析32.2 控制要求4第三章 自动混合搅拌机的硬件设计53.1 PLC的介绍53.2 硬件选择63.2.1 PLC的选型63.2.2传感器的选型73.2.3搅拌电机的选型83.2.4电磁阀的选型93.2.5接触器的选型113.3 主电路图设计12第四章 自动混合搅拌机的软件设计134.1 I/O地址分配134.2 PLC外部接线图144.3 PLC自动混合控制流程图154.4程序设计16第五章 计算机传输及调试过程18心得体会19参考文献20附：人员分工20第一章 设计内容 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范编写。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。 在此次设计中，对于人机交互方式改造系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于人员的迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新的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，应具备数据存储和分析总的能力。 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，此次设计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。应用PLC实现一些基本的控制，深入对PLC的了解。第二章 工艺分析及控制要求2.1 工艺分析 本次设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌，此装置需要控制的元件有：其中L1、L2、L3为液面传感器，液面达到该点时为ON。F1.F2.F4为电磁阀，M为搅拌电机。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。 图2.1.1自动混合搅拌机控制基本结构图2.2 控制要求本次设计要完成以下控制要求：（1）初始状态 容器是空的，各个阀门Fl、F2、F4均为OFF，液位传感器L1、L2、L3均为OFF，电动机M为OFF。 （2）启动操作 按下启动按扭，开始下列操作: a.电磁阀F1开启，开始注入物料A，至高度L2.L3均为ON/时，关闭阀F1,同时开启电磁阀F2,注入物料B。当液面上升至L1时，关闭阀门F2。 b. 停止物料B注入后，启动搅拌电动机M，使A.B两种物料混合10s。 c.10s后停止搅拌，开启电磁阀F4,放出混合物料，当液面高度降至L3后，再经5s关闭阀F4。 （3）停止操作 按下停止按钮，在当前过程完成以后，在停止操作，回到初始状态。设计要求：画出电气原理图I/O地址分配图接线图PLC程序设计梯形图电动机接触器的选择。第三章 自动混合搅拌机的硬件设计3.1 PLC的介绍 PLC的由来及其定义 在 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，可编程逻辑控制器的产生也正是顺应了这一当时的生产要求。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一整体，易于扩展功能的原则而设计。 PLC特点如下：1、使用灵活、通用性强 PLC用程序代替了布线逻辑，生产工艺流程改变时，只需修改用户程序，不必重新安装布线，十分方便。2、编程简单，易于掌握 PLC采用专门的编程语言，指令少，简单易学。通用的梯形图语言，直观清晰，对于熟悉继电器线路的工程技术人员和现场操作人员来说很容易掌握。3、可靠性高，能适应各种工业环境 PLC面向工业生产现场，采取了屏蔽，绿波，联锁等安全防护措施，可有效的抑制外部干扰，能适应各种工业环境，具有极高的可靠性。4、接口简单，维护方便PLC的输入、输出接口设计成可直接与现场强电相接，一般有24V 48V 110V 220V 交流、直流等电压等级产品，组成系统是可直接选用，接口一般为模块式，便于维修更换。3.2 硬件选择3.2.1 PLC的选型 本设计采用的是FX2N-48MR这款编程器具有小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。系统配置既固定又灵活：在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。 图3.2.1 三菱FX2N-48MR外部整体结构3.2.2传感器的选型图3.2.2 LFS-YZ-II型液位传感器 设计选用的浮球液位开关是一种结构简单，使用方便的液位控制器件，它不需要提供电源，没有复杂电路，它具有比一般机械开关体积小，工作寿命长等优点。造型里只要材质选用正确，和任何性质液体或压力，温度皆可使用，其在造船工业、发电机设备、石油化工、食品工业、水处理设备、染整工业、油压机械等方面都得到广泛应用。因此传感器广泛的应用性，使得它完全适用于本次设计，基于PLC选型，采用3线16位链接。本次设计由于要求精度不高，所以传感器的精度只需2FS即可。液体倒入达到最高点的工作压力小于1.0Mpa，它达到了要求。在性价比方面，相比于其他同类产品，它的价格更低，抗干扰，通用性更强。 工作原理：液位传感器重要由有磁簧开关和浮球组成，浮球内有磁性材料，在密闭的非导磁金属管或塑料管内设置一个或多个磁簧开关，然后将导管穿过一个或多个带有磁性材料的浮球，并利用固定双环控制浮球与磁簧开关在相关位置上，浮球随着液体上升或下降，利用球内靠近磁簧开头的接点，产生开与关的动作，作液位控制或指示（当浮球靠近磁簧开关是导通；离开时开关断开）。相关元件主要技术参数如下：1.触点容量：50W 6.阻性负载：107回2.开关电压：AC220V/DC200V 7.工作温度：-10503.开关电流：0.5A 8.工作压力：1.0MPA4.绝缘电阻：10 9.介质比重:0.65.触点阻抗：100m 10.开关材料:PP 低压是用在电压110V以内的线路上，高压是用在电压220V以内的线路上3.2.3搅拌电机的选型图3.2.3 YS90S型恒转速电动机 设计采用涡轮式搅拌器，根据搅拌器的结构及电动机的安装方式，我们选用Y2型恒转速电动机，它是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，采用国家统一设计标准，具有高效节能，高起动转矩，增强散热筋设计，使机组具备更强的冷却能力，精准的动平衡校正及专用的低噪音轴承，使电动机更平稳，噪音低，振动小，可靠性高，功率等级和安装尺寸符合国际电工委员会IEC标准，使用维护方便，安全应用广泛等特点。它能够有效的将两种液体均匀的混合在一起，其效率相比于Y1型电机有了较大的进步，即使长时间工作，亦能够胜任，相比Y1型，它的机械损耗更加低，使用寿命更长，它的工作额定功率为2.5KW，超出了设计需要搅拌液体的功率，但考虑其性价比，我们依然选用它。相关元件主要技术参数及原理如下: 1.额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法 2.电动机运行地点海拔不超过1000m。工作温度-1540/90%3.2.4电磁阀的选型1）入罐电磁阀图3.2.4 VF4-25型电磁阀 根据液体出罐设计，我们采用VF4-25型安全阀，基于PLC设计采用二位四通，由于工作最低压差接近于零，我们选用分布直动式，根据工作环境，使用24V直流接线。液体流入的管道内径是20mm，则Kv值应在215m3/h，其耐腐蚀性高，动作灵敏，应用广泛，价格低廉更是符合我们设计的要求。它的结构并不复杂，它由两个基本 功能单元组成，一是电磁线圈(电磁铁)和磁 芯，另一是滑阀，即包含数个孔的阀体。电 磁线圈带电或失电时，磁芯的运动导致工质 流体通过阀体或被切断。相关元件主要技术参数如下：(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-2060(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）出罐电磁阀图3.2.5 AVF-40型电磁阀 根据液体出罐设计，我们选用AVF-40型安全阀，基于PLC设计要求采用二位四通，依然用分布直动式，它可以根据出罐液体流出要求来调节流出，液体流入的管道内径是40mm，因此它的Kv值应达到4m3/h以上，符合要求。其耐腐蚀性较VF4-25型更高，由于其控制要求，它的价格较VF4-25高，但相比较同类产品依然低廉。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：5KW3.2.5接触器的选型图3.2.6 CJ20-10/CJ20-16型接触器 设计接触器用于鼠笼型异步电机的运转和运行中分断，根据电动机的选型，我们选用CJ20-10/CJ20-16交流双断电直动式接触器，它的电压、电流、功率、频率及工作制与Y3型电动机相符，由于电动机的操作频率不高，它的额定电流大于负荷额定电流。它的结构紧凑，体积小，质量轻，应用极其广泛，而且价格低廉，适用于我们的设计。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10/16(A) 4.额定电压为380/220(A) 5.功率为2.5KW3.3 主电路图设计 图3.3.1 主电路第四章 自动混合搅拌机的软件设计4.1 I/O地址分配 根据设备的控制要求及系统的I/O点数，并考虑富裕量，PLC系统的输入、输出元件及I/O地址设定如下表所示：表4.1.1 I/O 地址分配输入点地址功能输出点地址功能XOSB1启动按钮Y6电磁阀F1X4L1液体传感器Y7电磁阀F2X5L2液体传感器Y10电磁阀F4X6L4液体传感器Y14搅拌机接触器KMX10SB2停止按钮4.2 PLC外部接线图图4.2.1 PLC外部接线图接线图解析如下： （1）A液体的进入 当PLC接通电源后，按下启动按钮SB1后，触点X0接通，Y6输出继电器线圈得电并保持，与之相接的F1电磁阀带电接通，流进A液体。 （2）B液体的进入 当A液体达到L2液位传感器的位置时，X5输人继电器接通使Y6关闭，同时X5接通，使输出继电器Y7接通并保持，与之相连的F2电磁阀得电接通，B液体流进液罐。 （3）搅拌机工作 当液位到达L1液位传感器的位置时，该传感器检测到该信息，使X4输人继电器线圈得电，在梯形图中它的X4常开触点接通，使输出继电器Y7关闭，与之相连的F2电磁阀关闭，使代表搅拌机Y14的输出继电器接通。 （4）混合液体开始排出 当开始搅拌定时器T0开始计时，10秒后，Y10检测到信号，与之相连的F4电磁阀打开，排出搅拌均匀后的混合液体。 （5）混合液体排完 当液位低于L3液位传感器的位置时，L3液位传感器由通到断，使X6也由通到断，这样相当于一个下降沿，使定时器定时，大约5s时间，液体排完。 （6）重复液体混合过程 重复液体混合过程是通过并联在梯。形图上的定时器T1常开触点实现的。同时T1常开触点也接通，通过复位，定时器关闭。4.3 PLC自动混合控制流程图图4.3.1 PLC控制流程图4.4程序设计自动混合搅拌机梯形图如下：梯形图解析如下: 软件程序由GX软件编写，进行标注，程序编写完成后，若有程序错误，在进行修改，直到没有错误，然后将程序下载到PLC中。 SB1开关闭合，X0触点接通，X0=1.电磁阀F1得电开启，Y6=1.按下SB1，液体开始流入，液位传感器L3获得信号，X6=1。液位传感器L2获得信号，X5=1。然后执行程序，Y7=0，电磁阀F2关闭。Y14=1,搅拌机M工作，液体混合10秒，10秒后，Y10=1，电磁阀F4开启，混合液体下流，液位传感器就依次失去信号，即按顺序X4=0,X5=0,X6=0,这时，5秒后电磁阀F4关闭，一个循环完成，然后接着循环，即X4=1，即L1液位传感器开启.如此往复。 直到SB2停止按钮按下，X10=1，则在一个循环结束后，复位到X0=0，即停止循环。第五章 计算机传输及调试过程图5.1.1 调试过程一、调试过程如下：（1）当按下启动按钮后，执行以下操作：1) F1=ON，液体A注入容器。当液面达到L2时，L2=ON，使F1=OFF，F2=ON，即关闭F1阀门，打开阀门F2。 2)液面达到L1时，F2=OFF，M=ON，即关闭阀门F2，搅拌机M启动，开始搅拌。 3)经10s钟搅匀后，M=OFF，停止搅动。4)使电磁阀F4=ON，开始放出混合液体。 5)液面低于L3时，L3从ON到OFF,再经过5s，容器放空，使F4=OFF，开始下一周期。6)当按下停止按钮后，所有工作均停止。在调试过程中，所调试得到的结果与设计要求的内容符合。心得体会 三周时间的课程设计结束了，我用PLC设计完成了液体搅拌机的控制程序，达到了控制要求，实现了对自动混合搅拌机转速的控制。 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。继电器控制系统灵活性差，响应速度慢；单片机控制硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大；业控制计算机控制价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。可编程控制器(PLC)从上个世纪70年代发展起来的