《基于PLC的液体混合机控制论文》.doc

河北化工医药职业技术学院毕业论文第 1章 绪论1.1 课题背景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、制药等行业中，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、自动化程度高，适合工业生产的需要。1.1.1 研究目的和意义在工艺加工最初，把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合远远不能满足当前自动化的需要。可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点：系统自动工作；控制的单周期运行方式；由传感器送入设定的参数实现自动控制；启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。本系统采用PLC是基于以下两个原因： PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上； 编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；根据多种液体自动混合系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对多种液体自动混合实现控制。1.1.2 本文的主要工作本文首先回顾多种液体自动混合装置的发展过程，说明了种液体自动混合装置的PLC控制的重要性和必然性 。然后，讲述了可编程程序控制器的应用，通过论述可编程程序控制器的优点对可控制编程器对多种液体混合装置的控制有一个总体的认识。最后，通过对程序液位控制系统的程序的调试，检测，再进行是对系统的更正，使控制系统更加完善，确保系统能顺利运行。1.2、控制要求、设计要求1.2.1 设备基本情况本题目用PLC来模拟并实现多种液体自动混合装置的控制，设备如下图所示图1.1 1.2.2 控制要求如图所示为三种液体混合装置，SQ1、SQ2、SQ3和SQ4为液面传感器，液面淹没时接通，液体A、B、C与混合液阀由电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4控制，M为搅匀电动机，其控制要求如下：1、初始状态 装置投入运行时，液体A、B、C阀门关闭 ，混合液阀门 打开20s将容器放空后关闭。2、起动操作 按下启动按钮SB1，装置开始按下列给定规律运转。(1) 液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SQ3时，SQ3接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。(2) 当液面到达SQ2时，关闭液体B阀门，打开液体C阀门。(3) 当液面到达SQ1时关闭阀门C，搅匀电动机开始搅匀。(4) 搅匀电动机工作1min后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。(5) 当液面下降到SQ4时，SQ4由接通变断开，再过20s后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。3、停止操作 按下停止按钮SB2后，要将当前的混合操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态）。1.2.3 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； 1.3 总体设计思路根据已知情况、控制要求、设计要求，划分为以下3个部分，依序进行，各部分的设计任务分配如下：1.3.1 程序设计及调试 通过移位指令，实现液面监控后闸门的闭合与断开。在闸门的开关后运用计时器，实现按时控制并循环。设计程序并在实验室调试改进完善。1.3.2 电气设计 完成电气线路原理图、元件位置图、接线图、元件明细表的设计。1.3.3 后期工作 说明操作过程，编写设计说明书。按照上述设计思路，逐步展开任务逐一完成。第2章 PLC原理介绍及设备总体结构介绍2.1 PLC发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.2 PLC 的应用现状自20 世纪60 年代中期以来PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20 年来计算机和信息技术的飞速发展, 不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC 的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网) 说明PLC 的应用现状。PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12% 以上, 而且中国的最大钢铁出口对象美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税, 中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC 在该行业的增长, 2003 年PLC 在冶金行业的市场达到216 亿元, 2004 年有望达到3 亿元。PLC 在纺织行业的应用分析。在中国, PLC 在纺织机械上的运用已经有17 年的历史了, 从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机, PLC 无处不在。占各类纺织机械60% 以上的织机平均每台带有一个小型的PLC, 主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。纺机的比例在纺织机械中不到5% , 却用到更多的PLC, 单台纺纱机最多用到17 台PLC, 主要是60 个IO 点以下的微型产品。梳棉机也用微小型PLC 控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC 控制, 只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC 控制, 如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、包装线等。实际上PLC 在中国的应用已分布到各行各业, 根据工控网的调查, 2003 年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50% , 而且保持着10% 15% 的发展速度。2.3 PLC 控制系统的发展前景现在, 虽然出现了性能更加优越的 DCS 和 FCS 控制系统, PLC 控制也终将会被先进的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相当长的一段时间, PLC 还会与 DCS 和 FCS 共存,这主要基于以下原因:(1) 现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的 PLC 控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统,需要更大的资金投入,将造成很大的浪费。(2) 基于以上市场需求,许多软件厂商(例如: 华富惠通软件公司) 正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。(3) 目前, PLC 的功能增强、结构优化, IO 模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。(4) PLC 的联网通信能力增强, 向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。(5) 现在的 PLC 系统与 DCS 技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见,未来 PLC 将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故 PLC 虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点, 互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。2.4 可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。（1） 按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。1.整体式 PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。2.模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。（2） 按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 1.小型PLCI/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。2. 中型PLCI/O点数2562048点；双CPU，用户存储器容量28K。 3.大型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K .2.5 CPU的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.5.1 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.5.2 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.5.3 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.5.4 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 第3章 控制系统设计3.1 估算首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。此时液体控制电磁阀Y1=Y2=Y3=OFF状态；传感器L1=L2=L3=OFF状态；电动机M为关闭状态。在启动操作中，当装置和液体的都准备好之后，按下启动按钮,开始下列操作:1) Y1=ON,液体A流入容器;当液面到达L2时,Y1=OFF,Y2=ON;2) 液体B流入,液面达到L1时,Y2=OFF,M=ON,电动机开始进行液体的充分混合搅拌;3) 当混合液体搅拌均匀后(设时间为4s),M=OFF,Y3=ON,开始放出混合液体;4) 当液体下降到L3时,L3从ON变为OFF,把时间控制为再过2s后容器放空,关闭Y3,Y3=OFF完成一个操作周期;5) 在只要没有按停止按钮的状态下,则自动进入下一个循环操作周期。在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在当前混合操作周期结束后,才停止操作。从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始系统的循环。根据以上分析，对PL3C来说，需要提供5个输入点和4个输出点。除了以上的输入输出点意外，PL3C与计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。因此，要按估计数再增加15%20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。综上所述，I/O估算为：输入点点数为8，输出点点数为7。3.2硬件电路设计3.2.1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。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 开关电压为24V DC 3.2.2 搅拌电机的选择选用EJ15-3型电动机其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流相关元件主要技术参数及原理如下：EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。（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）电动机运行地点的海拔不超过1000m。工作温度-1540C /湿度90%。（3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。其硬件接线如图3.1。图3.13.2.3 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。 3.2.4 接触器选用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2.5KW3.3选型 PL3C的型号、规格繁多，根据前面的I/O估算，再查阅西门子PL3C编程手册中的相关表格，确定PL3C选型。因为点数在30以内，所以选择S7-200系列。3.4分配表设计在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3.2所示。表3.2 I/O分配表分类元件端子号作用输入SB1I0.3起动按钮SB2I0.4停止按钮L1I0.1液面高位传感器L2I0.3液面中位传感器L3I0.2液面低位传感器输出MQ0.2搅拌电动机Y1Q0.0液体A流入电磁阀Y2Q0.1液体B流入电磁阀Y3Q0.3放出混合液体电磁阀3.5 外部接线图设计图3.3 PLC外部接线图图3.4 装置操作面板如图3-1所示，PL3C外部接线图左边一排为输入，其中I0.3，I0.1，I0.3，I0.2，I0.4分别与SB1，SB2，L1，L2，L3相连;右边一排为输出，其中Q0.2，Q0.0，Q0.1，Q0.3分别与Y1，Y2，Y3，KM相连。如图3-2所示起停按钮P1，P2分别与主机的I0.3，I0.4相连，液面传感器P3，P4，P5分别与主机的输入点I0.1，I0.3，I0.2相接，液体A阀门，液体B阀门，混合液体阀门和搅拌机P6，P7，P8，P9分别与主机的输出点Q0.0，Q0.1，Q0.3，Q0.2相连。3.6 控制程序流程图设计图3.5 控制程序流程图3.7 控制程序设计根据系统的要求及I/O通道分配,写出继电器梯形图，如图3-4所示。具体设计思路如下：1) 起始操作在按启动按钮I0.3之后，使Q0.2得电，断开电磁阀Y1，从而使液体A流入容器。2) 当液位上升到I时当液面上升到I时,I0.2由OFF变为ON,使Q0.2复位，关闭电磁阀Y1。同时使Q0.0置位，断开电磁阀Y2，从而使液体B流入容器。3)当液位上升到L1时当液面上升到L1时, I0.1由OFF状态变为ON状态,使Q0.0复位，关闭电磁阀Y2。同时使Q0.3置位，启动搅拌机M。此时启动定时器T37，4s后T37动作，使Q0.3复位。4)搅拌均匀后放出混合液体在Q0.3的下降沿通过后沿微分指令DIFD使Q0.1置位,断开电磁阀Y3,开始放出混合液体。5)当液位下降到L3时当液位下降到L3时,Q0.1由ON变为OFF,启动器T38,2s后使Q0.1复位, 关闭电磁阀Y3,此时电磁阀已放空。6)自动循环工作在没有按停止按钮I0.4的情况下,系统将在T38的记时时间到了时,使Q0.2置位,自动进入下一操作周期。从而实现混合液体PL3C自动控制的循环工作。7)停止操作当按下停止按钮时,停止按钮I0.4为ON状态,不能使电磁阀Y1断开,系统执行完本周期的操作后,将自动停留在初始状态。使用S7-200西门子简易编程器编入梯形图，如图3.6所示。图3.6第4章 系统调试及结果分析4.1 系统调试运用调试程序进行系统静调。模拟两种液体混合装置的操作过程，对控制程序作一些改动，使之变成可连续运行的调试程序。具体作法如下：设PL3C进入运行方式后：经过一定的准备时间，模拟按下启动按钮，Q0.2的指示灯亮；一段时间后，液面上升到I位置，Q0.2的指示灯灭，Q0.0的指示灯亮；一段时间后，液面上升到L1位置，Q0.0的指示灯灭，Q0.3的指示灯亮；一段时间后，Q0.3的指示灯灭，Q0.1的指示灯亮；一段时间后，液面低于L3位置，Q0.1的指示灯灭，Q0.2的指示灯亮，当前操作周期结束，自动进入下一个操作周期。在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，所有运行立即结束。调试结束。4.2 结果分析基于以上设计与调试，两种液体混合装置的系统设计基本结束。测试结果满足课题给定要求。 第5章 总结此次基于PLC的液体混合控制设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“ 多种液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病。通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。机电传动控制是一门极其重要的课程，他综合了计算机技术