多种液体自动混合控制系统设计

本科生课程设计报告本科生课程设计报告 题 目 多种液体自动混合控制系统设计 课 程 电气控制及可编程控制器 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气0802 学 号 姓 名 指导老师 完成日期 2011 年 12 月 目 录 1 绪论 1 1 1 课程题目 1 1 2 设计目的及要求 1 1 3 原始资料 1 1 4 课题要求 1 1 5 日程安排 2 1 2 主要参考书 2 2 器件选择 3 2 1 总体结构 3 2 2 具体器件的选择 3 2 2 1 液位传感器的选择 3 2 2 2 温度传感器的选择 4 2 2 3 搅拌电动机的选择 4 2 2 4 电磁阀的选择 5 2 2 5 接触器的选择 5 2 2 6 热继电器的选择 6 3 程序设计 7 3 1 总体设计思路 7 3 2 PLC 输入输出口分配 8 3 3 主电路设计 9 3 4 液体混合装置的输入输出接线图 9 3 5 液体混合装置的梯形图 11 4 安装 接线及系统联合测试 13 5 后期工作 13 6 总结 14 7 参考文献 14 1 1 绪 论 1 1 课程题目 多种液体自动混合控制系统设计 1 2 设计目的及要求 1 熟悉电气控制系统的一般设计原则 设计内容及设计程序 2 掌握电气设计制图的基本规范 熟练掌握 PLC 程序设计的方法和步骤 3 学会收集 分析 运用电气设计有关资料及数据 4 培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程技术问题 的能力 1 3 原始资料 初始时 容器为空 Y1 Y2 Y3 Y4 电磁阀和 M 搅拌机均为 OFF 液面传感器 L1 L2 L3 为 OFF 按下启动按钮 开始下列操作 1 Y1 Y2 为 ON 液体 A 和 B 同时注入容器 当液面达到 L2 时 L2 为 ON 使 Y1 Y2 为 OFF Y3 为 ON 即关闭 Y1 Y2 阀门 打开 液体 C 的阀门 Y3 2 液面达到 L1 时 Y3 为 OFF M 为 ON 即关闭阀门 Y3 电动机起 动开始搅拌 3 经 10S 搅匀后 M 为 OFF 停止搅拌 H 为 ON 加热器开始加热 4 当混合液体温度达到某一指定值时 T 为 ON H 为 OFF 停止加热 使电磁 阀 Y4 为 ON 开始放出混合液体 5 当液体高度降为 L3 后 L3 从 ON 到 OFF 再经 5S 容器放空 Y4 为 OFF 开始下一周期 当按下停止按钮后 在当前的混合操作处理完毕后 停止操作 停在初始状态 1 4 课题要求 1 设计原则 国家现行有关电气设计规范及主管部门规定等 2 设计范围 控制系统主电路及控制电路设计 电器设备选型 2 3 设计成果 课程设计报告 设计说明书及计算书等 主电路图 控制电路 图 流程图 I O 端子接线图 梯形图及程序 所有成果均应为打印稿 1 5 日程安排 本次课程设计时间共一周 进度安排如下 1 设计准备 熟悉有关电气设计规范 熟悉课题设计要求及内容 1 天 2 分析控制要求 主电路及控制电路方案设计 1 天 3 绘制控制流程图 I O 端子接线图 1 天 4 梯形图设计 编制程序及程序说明 1 天 5 整理计算书及图纸 写课程设计报告 1 天 1 6 主要参考书 1 电气控制与可编程控制器应用技术 郁汉琪主编 东南大学出版社 2 工厂电气控制技术 方承远主编 机械工业出版社 3 可编程控制器原理应用网络 徐世许主编 中国科学技术大学出版社 4 工厂常用电气设备手册 第 2 版 上 下册 中国电力出版社 3 2 器件选择 2 1 总体结构 从图 2 1 中可知设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌并 控制温度 如图 2 1 所示 此装置需要控制的元件有 其中 L1 L2 L3 为液面传感器 液面淹没该点 时为 ON Y1 Y2 Y3 Y4 为电磁阀 M 为搅拌电机 T 为温度传感器 H 为加 热器 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 液体混合灌装机 2 1 具体器件的选择 2 2 1 液位传感器的选择液位传感器的选择 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 4 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 125 C 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 2 2 温度传感器的选择温度传感器的选择 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 50 150 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 6MPa 2 2 3 搅拌电动机的选择搅拌电动机的选择 选用 EJ15 3 型电动机 5 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 15 40 C 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 2 2 4 电磁阀的选择电磁阀的选择 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 20 60 C 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 2 5 接触器的选择接触器的选择 6 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 2 6 热继电器的选择热继电器的选择 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 7 3 程序设计 3 1 总体设计思路 经过对上述设计要求的深入思考后 对系统的设计过程有了一定的构架 具体 的想法有一下几点 系统为多种液体自动混合 需要对各种液体的液面的高度监控 因此 需 要运用到传感器进行液面高度的监控 各种液体入池的比例需要应用电磁阀控 制 入池后的搅拌 则需要电机控制 对各个控件的控制 需要一个完整的控 制流程 运用 PLC 技术进行编程 可以实现对各个控件的控制 具体控制方法根据题目要求 按下启动按钮时 A 种液体进入容器 当达 到一定值时 停止进入 B 种液体开始进入 当达到一定值时 停止进入 C 种 液体开始进入 当达到一定深度停止所有液体进入 搅拌机进行搅拌 一分钟 后搅拌均匀 停止搅拌 放出液体 经 20s 后停止放出 按停止键停止操作 液体的进入和放出 需要电磁阀的控制 液面的深度需要传感器的控制 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况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 需要从怎样实现各电磁阀的开关以 及电动机启动的控制这个角度去考虑 现在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 控制流程图如下 8 图 3 1 液体混合装置流程图 3 2 PLC 输入输出口分配 输入 输出地址分配如表 1 表 1 液体混合装置输入 输出地址分配 输入点地址功能输出点地址功能 X0SB0 启动按钮Y0电磁阀 Y1 X1SB1 停止按钮Y1电磁阀 Y2 X2L2 液位传感器Y2电磁阀 Y3 9 X3L3 液位传感器Y3搅拌机 M X4L1 液位传感器Y4加热器 H X5T 温度传感器Y5电磁阀 Y4 X6FR 常闭触点 3 3 主电路设计 因为只有搅拌机是电动机控制的 所以主电路只需要一个电机控制 并 搅拌机只有启动与停止两种工作状态 因此只需要一组主触点 主电路如下 图 3 1 液体混合装置流程图 图 3 2 液体混合装置的主电路 3 4 液体混合装置的输入输出接线图 1 两种液体的进人 当 PLC 接通电源后 按下启动按钮 SB0 后 触点 X0 接通 由于有微分指令 DF 使该路只接通一扫描周期 通过保持指令 KP 使 Y1 Y2 输出继电器线圈得电并保持 分别与之相接的 Y1 Y2 电磁阀带电接通 流进两种不同成分的液体 2 第三种液体的进人 当液体达到 L2 液位传感器的位置时 X2 输人继电器接通使 Y1 Y2 关闭 同时地址为 16 的 X2 接通 利用 KP 指令使输出继电器 Y3 接通并保持 与之相 连的 Y3 电磁阀得电接通 第 3 种液体流进液罐 10 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 Xl 输人继电器线圈得电 在梯形图中它的 X1 常开触点接通 通过 KP 指令复位端 使输出继电器 Y3 关闭 与之相连的砚电磁阀关闭 同时接通地址 为 32 的 X1 常开触点 使代表搅拌机 Y5 的输出继电器接通 4 加热器工作 搅拌机通过 Y5 的输出信号得电并开始搅拌 并用 TIMY0 定时器定时 定时时间为 10s 10s 到后 地址为 45 的定时器常开触点 T0 接通 使 Y6 输出继电器得电 与之相连的加热器 H 这时接通 开始加热液体 同时关 闭 Y5 使搅拌机 M 停止 5 混合液体开始排出 当液体温度达到预定温度时 温度传感器 T 检测 到该信息 同时梯形图中地址为 47 的 X4 接通使 Y6 失电 从而使加热器 H 关 闭 同时接通地址为 51 的 X4 常开触点 使 X4 接通 与之相连的 Y4 电磁阀打 开 排出搅拌均匀后的混合液体 6 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 X3 也由通到断 这样相当于一个下降沿 驱使 DF 产生一个扫描 周期的脉冲 通过 KP 指令置位端使辅助继电器 R0 接通 接通后使定时器 TMY1 定时 大约 5s 时间 液体排完 7 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地址为 2 位置上的定时器 TMY1 常开触点实现的 同时 T1 常开触点也接通 通过保持保 持指令 KP 使 R0 复位 定时器关闭 液体混合装置输人输出接线图如下 11 图 3 3 液体混合装置的 I O 接线图 3 5 液体混合装置的梯形图 12 图 3 4 液体混合装置的梯形图 多种液体混合自动装置指令表如下 LD 0 00 13 ANDNOT 10 05 OR 10 00 OR 10 07 ANDNOT 0 02 ANDNOT 10 06 OUT 10 00 OUT 10 01 LD 0 02 ANDNOT 0 04 ANDNOT 10 05 OUT 10 02 LD 0 04 ANDNOT 10 04 ANDNOT 10 05 OUT 10 03 TIM 001 100 LD TIM001 OR 10 04 ANDNOT 0 05 OUT 10 04 LD 0 05 AND 0 03 OR 10 05 ANDNOT TIM002 OUT 10 05 ANDNOT 0 03 TIM 002 50 LD 0 01 OR 10 06 ANDNOT 0 00 OUT 10 06 LD TIM002 OR 10 07 ANDNOT 10 06 ANDNOT 10 00 OUT 10 07 4 安装 接线及系统联合测试 14 按照电气设计图完成接线 对程序系统与电气系统进行联合测试 详细步 骤略 如不满足要求 再回去修改程序或检查接线 直到满足要求为止 5 后期工作 1 1 操作过程简要说明 操作过程简要说明 本实验在试验箱上模拟了多液体自动混合装置的工作过程 用按钮代替液 面出发开关 用信号灯表示阀门和电动机的工作状态 1 启动开接通时 系统开始工作 电磁阀 Y1 Y2 打开 A 和 B 液体注入 Y0 Y1 灯亮 当起动开关断开时 信号灯运行完一个周期后才熄灭 2 当液体液位到达 SQ4 位置时 触动开关 X4 搅匀电动机 M 开始搅匀 Y3 灯亮 同时计时器 T0 开始计时 10s 后计时完毕 加热器 H 开始加热 Y4 灯亮 3 当液体温度达到一指定值时 温度传感器 T 运行 触动开关 X5 加热 器停止加热 电磁阀 Y4 开始运行 Y5 灯亮 4 开始放出混合液体 当液面下降到 SQ3 时 出动 X3 按钮 计时器 T2 开始计时 5s 计时完毕后 电磁阀 Y4 停止 完成了一个周期的控制 开始进 行下一个周期 2 2 常见故障及其排除方案 常见故障及其排除方案 1 检查 PLC 能否完成 1 个工作流程 不能 程序错误 解决方案 程序重编 2 检查 PLC 能否从最后 1 步 Y4 回到第 1 步 Y1 开始新