基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计.docx
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基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计
基于PLC的多种液体混合灌装机控制系统设计
摘要
以三种液体的混合灌装控制为例，将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到一定的温度才能将混合的液体输出容器。
并形成循环状态。
液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。
设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等），旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
关键词：
多种液体，混合装置，自动控制
第1章绪论
在工业生产中，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。
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，具有良好的可移植性和可维护性。
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。
本设计的主要研究的有以下几点
（1）使液体灌装机能够实现安全、高效的灌装；
（2）满足灌装的各项技术要求；（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。
本课题应解决的主要问题是如何使PLC在饮料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索。
第2章系统总体设计
2.1方案的选择
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。
2.2系统总体设计
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，R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
启动操作按下启动按钮SB1，液体混合装置开始按以下步骤工作：
⑴打开Y1,Y2阀门，液体A,B流入，液面上升；当液面达到L2处；L2=ON，关闭Y1，Y2电磁阀。
⑵打开Y3阀门，液体c流入，液面上升；当液面达到L1处；L1=ON，关闭Y3电磁阀。
⑶液面上升，当液面达到L1处；L1=ON
⑷打开搅拌电机M,搅拌加热一段时间后停止。
（5）打开放液阀Y4,混合液体流出，液面下降；直到露出L3后，L3=ON,在经过20S后，容器放空，关闭Y4电磁阀门。
（6）开始下一个循环过程。
第3章硬件设计
3.1硬件选型
3.1.1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。
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24VDC（6）切换电流为0.5A
3.1.2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
3.1.3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-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。
3.1.4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：
220V50Hz/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：
220V50Hz/60Hz DC：
24V。
4）功率：
AC：
5KW。
3.1.5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
3.1.6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）
3.1.7PLC的选择
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，故选用三菱FX系列的PLC。
3.1.8储罐的选择
能用于搅拌的单层储罐
容积30~40L，长、宽、高（760*470*102）mm。
3.2硬件电路设计
3.2.1输入/输出地址分配如表3-1
表3-1液体混合装置输入/输出地址分配
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
X0
SB0启动按钮
Y0
电磁阀Y1
X1
L1液位传感器
Y1
电磁阀Y2
X2
L2液位传感器
Y2
电磁阀Y3
X3
L3液位传感器
Y3
电磁阀Y4
X4
T温度传感器
Y4
搅拌机M
X5
SB1停止按钮
Y5
加热器H
X6
FR常闭触点
3.2.2液体混合装置输人/输出接线
输人/输出接线图如图3-2
（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3-2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，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。
（8）报警器工作
在工作过程中，若液位达到L4时，X4得电，报警器发出报警信号
第4章软件设计
4.1系统流程
系统的流程简介：
（1）首先按下启动按钮SB0开关接通,会有两种液体流下。
（2）当液面到达一定的液位以后，打开Y3开关。
（3）这时第三种液体开始进入罐中。
（4）当液面到达一定高度以后，Y3关闭，开始搅拌。
（5）Y6开关启动，对混合以后的液体进行加热。
（6）检测到达一定温度后，关闭Y6，打开Y4。
（7）打开Y4以后，开始排出液体，并检测液面高度。
（8）当液面下降到最低点以后，定时器工作。
（9）一段时间以后，按下停止按钮，程序结束。
启动
Y1Y2 开，进液体A、B
到L2,Y1、Y2关、Y3开
进液体C
到L1,Y3关、Y5开，即开始搅拌
搅拌的同时，加热混和液体，启动定时器
时间到时，Y5关，Y4开，即排出混合液体
当液位低于L3时,L3由通到断TMY1定时，5s后，Y4关
按停止按钮？
结束
图4-1程序流程图
4.2根据控制分配的I/O地址及仿真
图4-2梯形图
第5章系统常见故障分析与维护
在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面。
（1）第1类故障点是在继电器、接触器。
PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。
主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。
所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。
（2）第2类故障多发点在阀门等设备上。
因为这类设备的关键执行部位，利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。
长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。
（3）第3类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。
这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PIC内部进行软件滤波。
这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。
结 论
实践证明，任何设计的控制系统想要达到预定的控制此效果，都是要经过实践和时间的考验方能不断的完善。
就如同我们做计控课程设计，这课程设计是对我们所学知识的考验，也是对我们对知识综合运用能力的考验。
更是对我们做一件事情态度考研。
我在花费了两周的时间中，和同学研讨，商量中学到了课本上以前没有的知识，在课外我也学到了功夫不负有心人，只要你努力，坚持不懈。
没有难题可以打败你。
经过设计我们应该学会认真、专心、更有毅力的做一件事情，这样我们在以后的工作和生活中才能经得起实践和时间的考验，我们才能在以后的工作学习中取得更好的成绩，相信这次计算机控制技术与应用课程设计会让我们受益匪浅的。
参考文献
[1]张文明.全自动液体灌装机.机电一体化.2003
[2]张桂香,马全广.电器控制与PLC应用.化学工业出版社,2004
[3]陶光才.PIE控制系统的抗干扰措施[J]．有色设备2003
[4]陈士祥,王祥群,高精度灌装生产线中的自动化技术应用[J]. 包装与食品机械.2004
系统仿真图如下所示
图4-3启动SB1，阀门1、2打开，流入A，B液体
图4-4当液位达到SL2以后，阀门3打开，流入C液体
图4-5当液位到达SL1以后，搅拌开始并加热
图4-6定时6秒，阀门4打开，放出混合液体
语句表
0LDX000
1ORY001
2ANIX001
3ANIX006
4OUTY001
5LDX001
6ORY002
7ANIX002
8ANIX006
9OUTY002
10LDX002
11ORY003
12ANIX003
13ANIX006
14OUTY003
15LDX003
16ORY000
17MPS
18ANIT0
19OUTY000
20MPP
21OUTT0K100
22LDT0
23ORY005
24ANIY006
25OUTY005
26LDX005
27ORY004
28MPS
29ANIT1
30OUTY004
31MPP
32ANIX001
33OUTT1K50
34LDX004
35ORY005
36MPS
37ANIX006
38OUTY006
39MPP
40ZRSTY000Y005
41END
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