多种液体混合控制系统设计

目录目录第一章 课程设计内容与要求分析11.1课程题目11.2课程设计内容11.2课程设计要求分析21.3多种液体混合液体灌装机控制系统设计21.31方案设计21.32方案的介绍3第二章 硬件电路设计52.1总体结构52.2液位传感器的选择62.3温度传感器的选择72.4 搅拌电机的选择搅72.5 电磁阀的选择82.6接触器92.7 热继电器的选择102.8 PLC的的的的选择102.9 PLC输人输出口分配123.10 液体混合装置输人输出接线图13第三章 软件设计153.1 梯形图153.2 MCGS界面设计16运动控制系统课程设计总结17参考文献18附录19第一章 课程设计内容与要求分析第一章 课程设计内容与要求分析1.1课程题目多种液体混合控制系统设计1.2课程设计内容1.设计液体混合控制系统的PLC外部连线图）和软件程序；2.组态软件MCGS上位机界面设计；3.变频器参数设置； 4.PLC程序编制与调试；5.多种液体混合控制系统的综合调试；6.撰写课程设计报告；7.完成课程设计答辩。某物料混合控制系统系统设备，有3个进料阀 Y1、Y2、Y3；出料阀Y4；变频器控制的搅拌机FM；加热器DH；3个液位器L1、L2、L3。要求用MCGS组态软件、PLC、变频器进行整体设计。系统工作过程：1)开始关Y4，打开Y1进液体A，当L3有输出时，关Y1。2) 打开Y2，同时使搅拌机以转速1搅拌，当L2有输出时，关Y2。3) 打开Y3，同时使搅拌机以转速2搅拌，当L1有输出时，关Y3。4) 搅拌机以转速3搅拌，同时使加热器DH工作，延时10秒。5) 搅拌机停止工作，继续加热10秒。6) 停止加热，打开出料阀Y4，延时10秒，在打开Y4时，Y1、Y2、Y3不能打开。 1.2课程设计要求分析1）、要求在课程设计答辩时提交课程设计报告。2）、报告应包括以下内容：A、本次设计的主要内容、设计题目、PLC外部连线图、MCGS界面设计、PLC梯形图或指令程序列表、必要的系统设计及功能说明；B、系统调试过程介绍，在调试过程中出现的问题，解决办法等；C、课程设计总结。包括本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课程设计的意见、建议等；D、设计中参考文献列表；E、报告使用B5纸打印，全文不少于2000字。1.3多种液体混合液体灌装机控制系统设计1.3.1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。1.3.2方案的介绍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。 （1）继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。 （2）单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 （3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。 （4）可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。可编程控制器(PLC)从上个世纪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。现在PLC已经发展成为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性能，是名符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。4第二章硬件电路设计第二章 硬件电路设计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 （1）初始状态 容器是空的，各个阀门Yl、Y2、Y3、Y4均为OFF，液位传感器L1、L2、L3均为OFF，电动机M为OFF，加热器H为OFF。 （2）启动操作 按下启动按扭，开始下列操作:1) Y1=Y2=ON，液体A和B同时注人容器。当液面达到L2时，L2=ON，使Y1=Y2=OFF，Y3=ON，即关闭Y1和Y2阀门，打开液体C的阀门Y3。 2) 液面达到L1时，Y3=OFF，M=ON，即关闭阀门Y3，搅拌机M启动，开始搅拌。 3) 经10s钟搅匀后，M=OFF，停止搅动，H=ON，加热器开始加热。4) 当混合液温度达到某一指定值时，T=ON，H=OFF，停止加热，使电磁阀Y4=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Y4=OFF，开始下一周期。 （3）停止操作 按下停止键，无论处于什么状态均停止。 2.2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 3.32.3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 0.6MPa 2.4 搅拌电机的选择搅选用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2-2。 图2-2 硬件接线2.5 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。 2.6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2.5KW 2.7 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） 2.8 PLC的的的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，也间接地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6点，开关量输出为7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，选用日本松下电工公司生产的AFP12417 PLC作控制单元来控制整个系统。之所以选择这种PLC，主要考虑FP系列PLC有以下特点 （1）丰富的指令系统。在FP系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数据处理，甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。 （2）快速的CPU处理速度、大程序容量。 （3）大的网络通信功能。可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1：n上位链接通信方式，用一台计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。 （4）编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。 国际电工委员会（International Electrotechnical 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。它采用可编程序的存储器，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3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。 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。 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。图2-3 PLC结构图 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。 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。 2.9 PLC输人输出口分配 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报警灯HLX1L1液位传感器Y1电磁阀Y1X2L2液位传感器Y2电磁阀Y2X3L3液位传感器Y3电磁阀Y3X4T温度传感器Y4电磁阀Y4X5SB1停止按钮Y5搅拌机MX6FR常闭触点Y6加热器HY7热继电器FR 3.10 液体混合装置输人输出接线图液体混合装置输人输出接线图（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。 图2-4 液体混合装置输人/输出接线图（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，