毕业设计（论文）-基于PLC的多种液体混合控制系统的设计.doc

专科毕业设计（论文）设计题目 基于PLC的多种液体混合控制系统的设计 系 部： 电 气 工 程 系 专 业： 船 舶 电 气 工 程 技 术 班 级： 船 舶 电 气111301 姓 名： 学 号：113914130121 指导教师： 职 称： 讲 师 20 14 年6月 摘 要 目前，非常多的全自动操作系统出现在工业生产中，多种液体混合控制系统更是得到了快速地发展。在最初的处理加工过程中，多种液体的原材料要在人为监控下流入混合装置，并且要满足最初设定好的时间和条件。在自动化控制系统发展的历史过程中，继电器控制系统的弊端层出不穷，并且维修起来复杂，困难重重，所以逐步被现代化工业生产而淘汰。多种液体混合控制装置需要设计得更可靠、更简单才能满足当下生产需求。本文中，我要讲述的是由我设计的多种液体混合控制系统，它是基于可编程序控制器（PLC）而设计完成的。因此，需要运用到液位传感器对液面高度进行监控。电磁阀的应用使多种液体在流入混合控制装置的过程中起到了控制作用，搅拌电机的使用可以让多种液体达到充分的混合，混合液体经过加热器加热达到设定温度后，就会从混合装置中流出，况且此控制系统为循环控制系统。多种液体在混合加工时，若按下了停止键，只有当整个过程加工完成后才能停止操作，这样便减少了原材料的浪费，使资源得到了完整的使用。关键词： PLC 液体混合 自动控制 目 录1绪论12多种液体混合装置概述22.1多种液体混合装置的组成2,.2.1.1液位传感器的选择22.1.2温度传感器的选择32.1.3电磁阀的选择32.1.4搅拌电机的选择42.2多种液体混合装置工作的基本原理42.2.1多种液体混合装置的液位控制52.2.2多种液体混合装置的温度控制53基于PLC的多种液体混合的控制系统53.1PLC的概述53.2 PLC的工作原理63.3基于PLC控制系统的控制要求与设计要求73.3.1控制要求73.3.2设计要求83.4液体混合控制系统的PLC选型84程序设计及调试94.1I/O分配94.2设计外围接线图104.3绘制顺序功能图104.4设计梯形图程序135.系统常见故障与维护165.1系统故障的概念165.2系统故障分析及处理165.2.1PLC主机系统165.2.2PLC的I/O端口175.2.3现场控制设备175.3系统抗干扰性的分析和维护17结论18致谢19参考文献201 绪论 多种液体混合在炼油、化工、制药等行业中是必不可少的工序,同时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备配料精确、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。自从上世纪60年代末PLC的出现，便以其独特的优点得到迅速地发展和普及，并在冶金、机械、纺织轻工、化工等众多行业中取代了传统的继电器控制。采用PLC对多种液体混合的自动控制,其电路结构简单,设备投资少,自动化程度高,所以PLC在工业控制系统中得到了良好的应用。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和相关工科学生的基本要求。 随着计算机技术的发展，对原有液体混合装置提出了技术改造，数据采集、自动化控制、运行管理等多方面的要求。利用PLC设计的多种液体混合装置可以实现在多种液体混合过程中的精确控制，提高了液体混合比例的稳定性。该系统具有运行稳定、自动化程度高、操作简单等优点，能够适应工业生产的需求。本文首先回顾了多种液体自动混合装置的发展过程，说明了多种液体自动混合装置基于PLC控制的重要性和必然性。然后，讲述了可编程程序控制器（PLC）的应用，通过论述可编程程序控制器的优点，对基于PLC的多种液体混合控制系统有了一个全新的认识。综合多种液体自动混合装置控制系统的要求，进行了外部电路的连接和PLC程序设计。从多种液体混合控制系统装置中部件的选择，流程的分析以及程序顺序控制的设计等方面，完成本次的设计任务。2 多种液体混合装置概述2.1 多种液体混合装置的组成 图1 如图1所示，多种液体混合装置由Y1，Y2，Y3，Y4为控制电磁阀，L1，L2，L3为液位传感器，T为温度传感器，M为搅拌电机，H为加热器（电炉）等控制部件组成。,.2.1.1 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系列液位传感器可提供非常准确、可靠的液位数据检测。其原理是依据光的反射折射的原理，当没有液体时，光被前端的Y棱镜面或球面反射回来，当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以及多点液位传感器。LSF光电液位传感器具有很高的适应环境的能力，在腐蚀方面有较好的抵抗能力。 相关元件主要技术参数：（1） 工作压力2.5Mpa（2） 工作温度上限为125（3） 触点寿命为100万次（4） 触点容量为70W（5） 开关电压为24V DC（6） 切换电流0.5A2.1.2 温度传感器的选择选用KTY81210型温度传感器 其中“T”表示温度 KTY系列温度传感器采用进口的硅电阻元件制成，具有精确度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点。该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统，工业控制系统中过热保护、加热控制系统，电源功电保护等。相关元件主要参数：（1） 测量温度范围为-50150（2） 温度系数TC为0.79%/K（3） 精度等级为0.5%（4） 公称压力为0.6MPa2.1.3 电磁阀的选择（1） 入灌选用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） 介质温度小于150摄氏度，环境温度-2060摄氏度3） 使用电压： AC:220V4） 功率：2.5KW5） 操作方式：常闭：通电打开，断电关闭，动作相应快，高频率。（2）出灌选用AVF-40型电磁阀其中“A”表示调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40表示口径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：220V DC：24V。4） 功率：AC：5KW。2.1.4 搅拌电机的选择选用EJ153型电动机其中“E”表示电动机，“J”表示交流，15为设计序号，3为最大工作电流相关元件技术参数：（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） EJ15系列电动机效率高、节能、噪音低、振动小，运行安全。2.2 多种液体混合装置工作的基本原理在炼油、化工、制药等多为易燃、易爆、有毒有腐蚀性的介质的行业中，现场工作环境十分恶劣,不适合人工现场操作，多种液体混合装置就显得非常重要。多种液体在装置中充分地搅拌、加热，然后再放出的过程中，有液位传感器和温度传感器的动作，使整个过程变得简单、可靠，便于控制。2.2.1 多种液体混合装置的液位控制初始状态时，整个装置是空的，当按下开始按钮时，液体A和液体B会同时流入装置，当液面达到L2时，液体A和液体B停止流入装置，液体C开始流入装置，当液面达到L1时，液体C停止流入装置。经过电动机搅拌以后，放出液体，液位下降至L3时，再经过几秒，放空装置。2.2.2 多种液体混合装置的温度控制当多种液体充分搅拌后，需要对混合液体进行温度控制，当温度达到指定的 温度后，温度传感器就会动作，使加热器停止工作，然后放出混合液体。3 基于PLC的多种液体混合的控制系统3.1 PLC的概述 PLC是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机。国际电工委员会（IEC）对可编程控制器（PLC)的定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。通信模块采用以太网、RS485等通讯模块。PLC拥有许多的特点：(1)系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长，也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC与DCS，实现生产过程的综合自动化。(2)使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而只需要对计算机知识的简单了解，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而无需拆动任何硬件或其他任何外部设备。(3)能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强。（4）并且用PLC控制的设备，在因PLC出现问题时，维护简单方便。 图2. PLC的结构图3.2 PLC的工作原理当可编程序逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段,完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。3.3 基于PLC控制系统的控制要求与设计要求3.3.1 控制要求（1）在初始状态下，液体混合装置是空的，Y1，Y2，Y3，Y4电磁阀均为关闭状态，L1，L2，L3液位传感器也为关闭的状态，加热器，搅拌电机均不工作。（2） 进入启动操作后，按一下启动按钮，开始下列操作：Y1，Y2电磁阀打开，液体A和液体B同时流入混合液体控制装置，当液面到达L2时，液位传感器动作，使Y1，Y2电磁阀关闭，Y3电磁阀开启，液体C开始流入装置。当液面到达L1时，Y3电磁阀关闭，搅拌电动机M启动，开始搅拌。经过10S搅拌均匀后，搅拌电动机停止搅拌，同时加热器M启动，加热器开始加热混合液体。当混合液体温度达到设定的指定值时，温度传感器T动作，加热器H停止加热，Y4电磁阀开启，开始放出混合液体。当液面降到L3时，再经过5S后，容器放空，Y4电磁阀关闭，开始下一个周期。（3） 进入停止操作后，按下停止按钮，在当前混合操作处理完毕后，才停止操作。3.3.2 设计要求根据生产设备工作方面及其它方面的需要，本次设计要达到如下设计要求：（1）要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现;（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3.4 液体混合控制系统的PLC选型 在一个系统中的PLC选型问题是非常重要的，它是一个系统的硬件部分一个必不可少的部分。PLC的选型主要考虑它的经济性、使用性，并且还应该很好的满足一个系统的正常运行，我们首先考虑PLC的I/O，我们必须满足，不能少于它的最低数，在本系统中需要13个输入口和14个输出口。通常来说，我们一般选择比所需要多10%20%的点数的PLC，有多余的余量，对于以后的系统的升级有很好的提升空间。其次，我们应该考虑它的容量问题，程序的容量必须小于PLC的总容量。第三，我们应该考虑所选取的PLC应该满足的功能，在多种液体混合控制系统中，我们需要实现运算、控制、通信、编程、诊断等功能。并且在这个系统中，PLC应该有很快的运行速度，能够及时的、实时的处理每一个原件所反映过来的状态，并且迅速的做出回应。 PLC采用扫描的工作方式，从实时性这个要求来看，处理速度需要越快越好。如果信号持续时间小于周期扫描时间，则PLC就会出现扫描不到该信号的情况，造成信号数据的丢失，并且出现处理错误。 处理速度与用户程序的长度以及所要运行程序的复杂度、软件质量、CPU的处理速度等有关。目前而言，PLC的接点响应速度快、速度高，每一条二进制指令的执行时间大约0.20.4Ls，所以能适应控制要求高、相应要求快、处理的准确性高的应用需要。对于PLC来说，其扫描周期（也就是处理器扫描周期）应该满足：小型的PLC的扫描时间不大于0.5ms/K，大中型的PLC扫描时间不大于0.2ms/K。 对于PLC的输入/输出模块来说，输入/输出模块选择应该考虑与应用的要求要统一。例如：对于输入模块来说，应考虑信号电平、信号的传输距离、信号隔离方式和信号供电方式等方面的应用要求。对于输出模块而言，应考虑选用的PLC的输出模块类型。通常继电器输出模块具有价格低、使用电压的范围广、寿命短和响应的时间较长等特点；而可控硅输出模块则适用于开关频繁和电感性、低功率因数负荷的场合，但价格比较贵，过载能力比较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等方式，要注意选择的PLC与应用要求应一致。 再就是考虑PLC的电源问题，一般选择的是与电源供给电压相一致的工频220V的交流电。其次就是考虑经济性，对于PLC而言，输入/输出的点数对每一个PLC的价格有直接的影响。每增加一块输入/输出卡件就需增加一部分的费用。当点数增加到某一个数值后，相应的存储器容量、机架、母板等每一个部件也需要相应增加。因此，点数增加对CPU的选用、存储器的容量、控制功能的范围等选择都有影响。因此，在估算和选用PLC时应充分考虑每一方面的问题，使整个的控制系统有合理的性价比。因此，根据以上各个方面的综合考虑，选用西门子的S7-200系列的PLC。4 程序设计及调试4.1 I/O分配 在绘制PLC外部接线图之前，我们需要对要用到的I/O点进行地址分配，以明确PLC芯片I/O接口以及有助于后面要进行的PLC程序设计。根据三种液体混合控制系统的控制要求，我们可以得出控制系统的PLC控制输入量：启动按钮SB1、停止按钮SB2、液位传感器L1，液位传感器L2，液位传感器L3，温度传感器T；控制输出量：搅拌电机M，电磁阀Y1，电磁阀Y2，电磁阀Y3，电磁阀Y4，加热器H。并对它们进行I/O点分配。如表1所示为控制系统I/O点分配表。 表1输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动按钮SB1I0.0电磁阀Y1Q0.0L1液位传感器I0.1电磁阀Y2Q0.1L2液位传感器I0.2电磁阀Y3Q0.2L3液位传感器I0.3电磁阀Y4Q0.5T温度传感器I0.4加热器HQ0.4停止按钮SB2I0.5搅拌电机MQ0.3 4.2 设计外围接线图设计采用西门子S7-200CPU224型号PLC进行控制系统设计，根据CPU224型号PLC的外部结构及三种液体混合控制系统的控制要求画出PLC外部硬件接线图。如图3所示为PLC外部硬件接线图。 图3 4.3 绘制顺序功能图SFC是一种图形化的组态言，采用图形化的方法来描述一个控制程序的顺序行为，主要用于工业过程控制上位策略组态程序的编写，在PLC系统和系统上位组态软件中广为使用。而在S7-200中，顺序功能图又称为功能顺序图，不能作为编程语言使用，而只能用于设计者对系统控制要求和功能流程的理解，并以作为设计PLC顺序控制程序的一种工具。根据液体混合过程的分析，除要完成具体任务的6步外，还要加上初步。根据控制要求和设计要求，绘制的顺序功能图如下图所示：4.4 设计梯形图程序5 系统常见故障与维护 为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和维护有所帮助。5.1 系统故障的概念 系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。5.2 系统故障分析及处理5.2.1 PLC主机系统 PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统，电源在连续工作、散热中，电压和电流的冲击式不可避免的。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插件模块会造成局部印刷版或底板、插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC主存储器大多采用可擦写ROM，器使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率大大降低。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC得外部环境符合其安装运行要求，同时在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，以防人为的对主机系统造成伤害。5.2.2 PLC的I/O端口 PLC最大的薄弱环节在I/O端口。PLC的技术在于其I/O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。5.2.3 现场控制设备 现场中最容易出现故障的有以下几个方面：第一类是在继电器、接触器。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易氧化，发热变形不能使用。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。第二类在阀门等设备上。因为这类设备机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。第三类是传感器和仪表，这类设备安装时信号线的屏蔽应单端可靠接地，尽量与动力电缆分开。5.3 系统抗干扰性的分析和维护 由于PLC是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要再采取特殊措施就能直接用于工业环境中。但如果工作环境过于恶劣，如干扰性特别强烈，可使PLC引起错误的输入信号，产生错误的输出信号，造成错误的动作，就不能保证控制系统正常、安全运行。因此为提高控制系统的可靠性，在设计时采用相应的抗干扰措施。外界干扰的主要有：（1）供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。（2）PLC周围电磁感应引起的干扰。（3）各种电缆选择不合理，信号线绝缘降低，安装、布线不合理产生的干扰。采取的措施：（1） 选择高性能电源，抑制电网干扰。（2） 正确选择接地点，完善接地系统。（3） 合理选线，降低干扰。 结 论毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高我的独立分析能力。本次设计的过程中，我遇到了很多困难，主要表现在对控制系统的设备和整体运行过程不太熟悉。通过此次设计，我学到了很多知识，认识到了很多自己的不足。本次设计采用PLC对多种液体混合控制系统进行控制，简化了控制系统的设计和硬件结构，提高了系统的可靠性、可维护性和安全性。梯形图使程序清晰易懂，