电气控制与PLC课程设计-多种液体自动混合装置的PLC控制.doc

电气控制与PLC课程设计课题： 多种液体自动混合装置的 PLC控制 系 别： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 092411235 指导教师： 河南城建学院2014年 6月 13日成绩评定一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。二、评分课程设计成绩评定成绩： （五级制）指导教师签字 年 月 日2目录引言41.1 方案设计51.2 方案的介绍62硬件电路设计62.1总体结构62.2 PLC的选择7（1） 中央处理单元（CPU）9（2） 存储器9（3）I/O模块10（4）电源模块102.3 PLC输入、输出口分配102.4 液体混合装置输入/输出接线102.5液位传感器的选择112.6 温度传感器的选择122.7搅拌电动机的选择132.8 电磁阀的选择132.9 接触器的选择142.10 热继电器的选择153 软件电路设计153.1流程图：153.2指令表如下：173.3 梯形图如下：18参考文献20引言 为了提高产品质量，缩短生产周期，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、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，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是易燃易爆、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混合精确、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。所有为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学化工业中，便于学以致用。计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）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便于使用的特点相结合，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。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器，简称PLC（有的称为PC），并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的课移植性和可维护性。对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，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，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC用于多种液体混合灌装设置的控制，对学习和实用是很好的结合。本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：1） 使液体混合机能够实现安全、高效的灌装；2） 满足灌装的各种技术要求；3） 具体内容包括多种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。本课题应解决的主要问题是如何使PLC在灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探讨。1.1 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。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状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，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状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。1.2 方案的介绍可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不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，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的改变。可编程控制器(PLC)从上世纪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。现状PLC已经发展成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硬件电路设计2.1总体结构打开“启动”开关，装置投入运行时。首先液体A、B、C阀门关闭，混合液阀门打开10秒将容器放空后关闭。然后液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL3时，SL3接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL2时，关闭液体B阀门，打开液体C阀门。液面到达SL1时，关闭液体C阀门。搅匀电机开始搅匀、加热器开始加热。当混合液体在6秒内达到设定温度，加热器停止加热，搅匀电机工作6秒后停止搅动；当混合液体加热6秒后还没有达到设定温度，加热器继续加热，当混合液达到设定的温度时，加热器停止加热，搅匀电机停止工作。搅匀结束以后，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。 关闭“启动”开关，在当前的混合液处理完毕后，停止操作。图2.1 液体混合灌装机2.2 PLC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，也间接的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。在本控制系统中，所需的开关量输入为7点，开关量输出为6点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用三菱FX2N-16MR-001作为控制单元来控制整个系统。国际电工委员会( International Electro technical Commission 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，它采用可编程的存储器，用来在其内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2.2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2.2PLC结构图 （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、工作速度和内存容量等。（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。2.3 PLC输入、输出口分配表2.1液体混合装置输入/输出地址分配：输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动按钮X0接触器KM1Y0停止按钮X1电磁阀YV4Y1SL1液位传感器X2电磁阀YV3Y2SL2液位传感器X3电磁阀YV2Y3SL3液位传感器X4电磁阀YV1Y4温度传感器X5加热器线圈Y5热继电器X62.4 液体混合装置输入/输出接线图2.3 I/O接线图2.5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系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；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或多点液位开关。LSF 光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下：（1）工作压力可达2.5Mpa （2）工作温度上限为125C （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）切换电流为0.5A 3.3在本实验中，I/O接线图中用限位开关来代替液位传感器。2.6 温度传感器的选择选用KTY81-210A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Philips硅电阻元件精心制作而成，具有精度高，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、电源供电保护等。选用KTY81-210A型温度传感器。 相关元件主要技术参数及原理如下： （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 0.6MPa2.7搅拌电动机的选择经过对几种电动机的应用、价格、可靠性、转速和实际情况考虑等各个方面因素的考虑，本系统设计选异步电动机Y132M-4。表2.1电机参数型号功率（KW）马力（hp）电流（A）转速（rmin）效率(%)额定电流（A）额定转矩重量（kg）功率因数Y132M-47.51015.41440877.02.2860.85 图2.4硬件接线2.8 电磁阀的选择（1）入罐液体选用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（mm） 宽度。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150/环境温度-2060C。3）使用电压：AC：220 V50Hz/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）出罐液体选用AVF-40型电磁阀其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径(mm) 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：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：5KW。 2.9 接触器的选择选用CJ20-10/CJ20-16型接触器 其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16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10/16（A） （4）额定电压为380/220（A） （5）功率为2.5KW 2.10 热继电器的选择选用JR16B-60/3D型热继电器 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）3 软件电路设计3.1流程图：A B C阀门关闭，打开混合阀门，计时10秒。任务一启动 计时时间到到达设定值