用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计.docx
《用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计
学号
天津城建大学
现代电气控制及PLC应用技术课程
设计说明书
用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计
起止日期：
2014年月日至2014年月日
学生姓名
班级
成绩
指导教师（签字）
控制与机械工程学院
2014年月日
天津城建大学
课程设计任务书
20—20学年第学期
控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级
课程设计名称：
现代电气控制及PLC应用技术课程
设计题目：
用顺序控制指令实现搅拌控制系统
完成期限：
自2014年月日至2014年月日共1周
设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：
一．课程设计的目的
（1）能够根据功能要求选择PLC的类型及其根据I/O点的要求选择该类PLC的型号。
（2）根据所选的PLC的类型，掌握该PLC的编程软件并能够利用该软件绘制设计课题的梯形图。
（3）根据I/O点的定义，绘制PLC外部电气接线图。
二．课程设计的基本要求
要求每位同学独立完成设计任务。
设计任务要完成内容的基本要求如下：
（1）电气原理图设计：
根据设计课题的工艺流程，绘制系统的电气原理图（主电路图）。
原理图设计要符合项目的工作原理，原理图要完整，连线要正确。
（2）硬件选型：
根据要实现的功能要求，确定PLC的型号和所需I/O点数。
所选PLC型号应能满足设计要求，如所选PLC型号I/O点不满足设计需要，则还需进行I/O口扩展模块选型。
（3）PLC外部接线图设计：
根据设计要求，自行分配I/O点，列I/O分配表；根据I/O点的分配情况，绘制PLC外部电气接线图。
（4）软件流程图设计：
根据要求，将总体项目分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。
根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。
（5）梯形图设计：
根据所绘制流程图，利用相应PLC编程软件编写出梯形图。
（6）书写设计说明书：
课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确。
1）电气原理图设计说明
简要说明设计目的，原理图中所使用的器件功能及作用。
2）PLC选型和I/O口分配说明：
对PLC选型过程进行说明，给出I/O口分配表和PLC外部接线图。
3）程序设计说明
对程序设计总体功能进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述，给出程序流程图，并给出相应的程序清单，选择比较有难度的程序段进行详细说明。
三.课程设计控制要求
按启动按钮后系统自动运行，首先打开进料泵1，开始加入液料A,中液位传感器动作后，则关闭进料泵1，打开进料泵2，开始加入液料B,高液位传感器动作后，则关闭进料泵2，启动搅拌器，搅拌10s后,关闭搅拌器，开启放料泵，当低液位传感器动作后，延时5s后关闭放料泵。
按停止按钮，系统应立即停止运行。
指导教师（签字）：
系（教研室）主任（签字）：
批准日期：
年月日
一、绪论
鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，流体混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展，其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。
长期以来，虽有大量设计经验关联式可用于分析和预测混合体系，但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模，仍是十分危险的，至今仍需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。
因此，从更微观更本质的角度，例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型，获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场，不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义，对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。
而对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。
这方面已经做了很多工作，但尚需扩大和深入。
在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生波动，波动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋窝现象有密切关系。
随着科学技术的发展，设备有大型发展的趋势，也需求搅拌设备大型化。
采用大型聚合釜可以大大减少操作和检修人员，有利于自动化，减少投资，提高生存率，稳定产品质量。
随着容积的大型化，釜型逐渐有细长型向矮胖型发展，而且采用底部搅拌的方式越来越多，多用三叶后掠式搅拌器。
三叶后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好的搅拌器。
因它排出量大，釜内液相循环充分，每分钟可达5-10次，能促使釜内反应均匀一致。
可见，科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大，搅拌技术的发展又使得搅拌设备的大型化。
为了提高搅拌的全自动好和稳定性能，就需要一个功能更强、性能更好的系统做支持。
本设计基于可编程程序控制器（PLC）的设计方案，实现对液体混合搅拌的控制。
以PLC S7-200为主要控制器。
根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等，设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从而满足控制要求。
二、总体方案的设计
2.1方案的目的与意义
在众多生产领域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，以往常采用传统继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。
本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对液位进行监控的一种方法，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，适用于多段液位监控场合。
应用PLC作为主控制器设计液体混合控制系统，完成两种液体的混合和搅拌工艺。
通过课设计，使我们的综合素质和动手能力有所提高，能够真正做到自己发现问题、分析问题和解决问题。
通过本课程设计的使我们掌握PLC的软、硬件结构、工作原理、指令系统和梯形图编程的基本方法，以及开发PLC控制生产过程的基本方法。
使我们能初步对生产过程或设备的PLC控制系统进行开发、设计并了解PLC与PC之间的网络化通信控制，为毕业后从事工业生产过程自动化打下良好的基础。
2.2总体方案设计原则
这个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编程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，液体混合系统是一个较大规模工业控制系统的改适升级，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的元器件。
要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现多个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。
2.3总体方案设计要求：
本设计设计为两种液体混合搅拌控制，在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能。
其元件、要求如下：
该系统有三个液面传感器：
L1为高液面传感器，L2为中液面传感器，L3为低液面传感器。
当液面到达某个传感器的位置时，该传感器就会发出ON信号，若低于传感器的位置时，传感器就会变成OFF状态。
该系统有三个电磁阀：
Y1为液料A输入电磁阀，Y2为液料B输入电磁阀，Y4为混合液料C输出电磁阀。
当电磁阀为ON状态时，阀门打开，为OFF状态时阀门就关闭，阀门的开和闭来实现液体的流入和流出。
M为搅拌电动机，当M=ON时搅拌电动机运行，当M=OFF时，搅拌电动机停止。
初始状态：
启动搅拌机之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器L1=L2=L3=OFF，搅拌电动机M=OFF
操作工艺：
搅拌机开始工作时，先按下启动按钮，阀门Y1打开，开始向仓里放液料A；当液面达到传感器L3时，L3=ON、A液料继续注入，直到液面达到L2时，L2=ON,使得Y1=OFF、Y2=ON,即关闭阀门Y1，停止送液料A，打开阀门Y2，开始注入液料B；当液面达到L1时，关闭Y2,同时开始启动搅拌电动机M，电机开始搅拌10秒后，液体均匀，停止搅拌，即N=OFF，打开阀门Y4，放出混合液体。
当液面低于L3时，再过5秒，容器中的混合液体全部放空，关闭阀门Y4，自动开始下一个操作循环。
若在工作中按下停止按钮，搅拌器不会立即停止工作，只有当混合搅拌操作结束后才能停止工作，即停在初始状态
2.4总体方案设计思想：
1.可靠性高，抗干扰能力强
可靠性指的是PLC平均无故障工作时间。
由于PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。
PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一，主要有这样几方面：
（1）输入、输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力；
（2）主机的输人电源与输出电源均可相互独立，减少了电源间干扰；（3）采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力；（4）内部采用“监视器”电路，有良好的自诊断功能，以保证CPU可靠地工作；（5）采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构，可适应恶劣环境；（6）在软件方面，增加故障检测和程序诊断等措施。
2．控制功能强
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。
PLC可以通信联网，实现分散控制与集中管理。
3．用户使用方便
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选 用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
硬件配置确定后，可进行在线修改，柔性好，通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
4．编程方便、简单
梯形图是PLC使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。
梯形图语言形象、直观、简单：
易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
5．设计、安装、调试周期短
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统一调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。
6．易于实现机电一体化
PLC体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。
目前以PLC作为控制器的计算机数控装置（CNC）设备和机器人装置已成为典型[11]。
三、 硬件设计
3.1硬件选择
3.1.1PLC机型选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比，具体应考虑的因素如下所诉：
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选择整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC就能够达到要求。
（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子的S7-200系列或欧姆龙公司的COM1。
（3）同一机型
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/L和CPU放在同一印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。
但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。
一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。
一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型同一。
由于同一机型的PLC，其模块可以互为备用，以便配件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备的通用也有利于资源共享。
若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。
物料混合控制系统的控制要求比较简单，可选择整体式结构的PLC。
（4）是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。
当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大的方便。
PLC的编程可分为离线编程和在线编程两种。
离线编程的PLC，其主机和编程器公用，物料控制系统采用离线编程。
（5）PLC的环境适应
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣环境条件下可靠地工作。
尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0-55℃，最高为60℃ 储存温度 -40℃—+80℃ 湿度 相对湿度5%-95%（无凝结霜）振动和冲级满足国际电工委员会标准
电源交流200V，允许变化范围-15%—+15%，频率47-53Hz，瞬间停电保持10ms 环境 周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体 对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。
3.1.2PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O点数，而是用户储存器的容量（字数）。
PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以作备用。
根据经验，在选择储存容量时，一般按照实际需要的10%-25%考虑裕量。
对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。
通常，一个逻辑指令专用存储器一个字。
计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。
各种指令占据存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。
I/O点数也应留有适当的裕量。
由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。
根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%-15%考虑备用量。
3.1.3I/O模块选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工业生产环境是工业生产现场。
它与工业生产的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控制的依据。
同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。
外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都煦经过一定的距离。
为了确保这些信息的准确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用
（1）确定I/O点数
I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便的对功能进行扩展。
对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。
（2）开关量I/O
标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。
典型的交流I/O信号为24-240V（AC），直流信号为5-24V（DC）。
（3）选择开关量输入模块从下面两个方面考虑：
一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。
一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。
如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。
二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。
一般同时接通的点数不得超过输入总点数的60%。
（4）选择开关量输出模块时应从一下三个方面来考虑：
一是输出方式选择，输出模块有三种输出方式：
继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。
其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。
但继电器有触点，寿命较短，且响应速率较慢，适用于不频繁的交/直流负载。
当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。
晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。
感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。
二是输出电流的选择，模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。
对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的裕量。
三是允许同时接通的输出点数，在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。
3.2PLCI/O点分配
（1）I/O分配表
表一输入输出分配表
输入点
输出点
地址
作用
地址
作用
I0.0
启动按钮SF1
Q0.0
液体A电磁阀Y1
I0.1
液位传感器L1
Q0.1
液体B电磁阀Y2
I0.2
液位传感器L2
Q0.2
混合液体电磁阀Y3
I0.3
液位传感器L3
Q0.3
搅拌电机接触器M
I0.4
停止按钮SF2
（2）I/O连线图
图1硬件构成示意图
四软件设计
4.1程序设计流程图
图2程序流程图
4.2顺序功能图的设计
输入输出
起动按钮SB1：
I0.0Y1：
Q0.0
停止按钮SB2：
I0.4Y2：
Q0.1
L1按钮：
I0.1Y3：
Q0.2
L2按钮：
I0.2M：
Q0.3
L3按钮：
I0.3
图3顺序功能图
4.3设计完整的梯形图
图4混合液体控制装置PLC程序
五、总结
本文重点解决了PLC程序设计的问题。
本文根据STEP7的结构化程序设计特点，大量采用代码重用的方法,大大减少了系统的开发和维护。
总之，基于PLC的工业现场控制的研究，在实际的应用中有着深远的影响，是一个非常有意义的研究课题。
这里由于时间有限和本人的研究水平有限，系统中还有很多的问题在这里没有一一详细列举出来,文中也难免存在错误，希望在以后的学习过程当中,能够不断的深入，所以有不足之处请各位老师给予批评指正。
六、参考资料
[1]王阿根.电气可编程序控制原理与应用.清华大学出版社.2010
[2]何有华.可编程序控制器及常用控制电路.冶金工业出版社.2002
[3]郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高.电子工业出版社.2006
[4]谢克明夏路易.可编程控制器.电子工业出版社.2003
升级会员 