液体混合装置控制.docx
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液体混合装置控制
咸阳职业技术学院
毕业设计
姓名：
刘振博
学号：
2012203259
系部：
机电工程
专业：
机电一体化_
设计题目：
液体混料罐的PLC控制
指导教师：
郭德龙
2014年10月30日
内容摘要
液体混合装置在工业生产中扮演着重要的角色，保障液体混合装置安全、可靠的运转，并提高该系统的自动化水平是本次设计的首要目标。
随着PLC技术的日趋完善以及PLC在实际工程自动化控制领域中所表现出來的高可靠性、高稳定性等优点逐渐显现，其在自动化控制领域的应用也越來越广泛。
将PLC应用于工业混合搅拌设备，使得搅拌过程实现了自动化控制、并且提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机械可靠、安全、有序的工作提供了强有力的保障。
本文所介绍的两种液体混合装置的PLC控制程序可进行连续自动循环工作，在设计的过程中充分进行了设备运行的可靠性分析，并辅助以高分辨率的光电液位传感器严格控制所注入的两种液体的比例，严格保证混合溶液的质量，为后续工序的进行奠定良好的基础。
同时，PLC所具有的高稳定性和高可靠性可确保该装置长期连续运行，减少了线路检修和维护的时间，大大提高了生产效率。
关键词：
可编程序控制器PLC；液体混合装置；自动化控制
第1章前言1
1・1设计内容1
1・2本课题设计的目的和意义
第2章总体方案设计
2.1总体方案论证
2.2系统硬件配置
5
2.3系统可靠性设计
3.1元器件明细6
3.2PLC类型的选择6
3.3搅拌电动主电路的设计6
3.4控制流程图7
3.5I/O接线图9
第4章软件设计
4.1I/O点地址的分配
4.3控制程序语句表12
结论13
设计总结15
16
17
参考文献
第1章概论
1.1设计内容
利用三菱PLC的FX2N系列设计两种液体混合装置控制系统。
在实验之前将容器中的液体放空，按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。
当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。
1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。
当液位高度下降到L后，再延时2s电磁阀YV3断电关闭，并同时开始新的周期。
需要完成的内容有：
编写输入输出对照表，包括信号名称、外部元件号、内部继电器号；绘制PLC外部接线图；绘制功能流程图；编写、调试梯形图或语序表
1・2本课题设计的目的和意义
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，在后來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，这些方式己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，自动化程度要求越來越高，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：
1、系统自动工作；
2、控制的单周期运行方式；
3、由传感器送入设定的参数实现自动控制；
4、启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。
5、本系统采用PLC是基于以下两个原因：
（1）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；
（2）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來实现；
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。
第2章总体方案设计
2.1总体方案论证
本设计要求完成两种溶液混合装置的自动控制，目前在自动化控制领域常用的控制方式主要有：
继电器-接触器控制系统、可编程序控制器控制、总线式工业控制机控制、分布式计算机控制系统、单片机控制。
对于两种溶液混合装置的自动控制系统初步选定釆用继电器-接触器控制和可编程序控制器控制。
可编程序控制器与继电器-接触器控制系统的区别：
继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。
可编程序控制器的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和术语，仅个别之处有些不同，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也相同。
但是可编程序控制器与继电器-接触器控制系统乂有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。
1.控制逻辑
继电器控制逻辑釆用硬接线逻辑，并利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电器等组合成控制逻辑，接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点有限，每个继电器只有4-8对触点，因此其灵活性和可扩展性都很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要想改变控制逻辑，只需改变程序即可，因此PLC常称为“软接线”，其灵活性和扩展性都很好。
2.工作方式
电源接通时，继电器控制线路中的各继电器同时都处于受制状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因某种条件限制不能吸合，因此它属于并行工作方式。
而在PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的先后顺序计算得出的，因此它属于串行工作方式。
3.可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，且触点在开闭时会受到电弧的损害，并且有机械磨损，寿命短，因此其可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，其体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
4.控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作时间一般在儿十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电路來实现控制的，属于无触点控制，速度极快，一般一条指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。
5.定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般來说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，容易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
而PLC使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S,最长几乎没有限制，用户可以根据需要在程序中设置定时值，然后由软件來控制定时时间。
6.设计和施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，其弊端越突出。
而PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器-接触器控制系统优异，特别是其可靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。
并且近年來随着电子技术的飞速发展，PLC的成本在不断下降。
综合考虑以上各种因素，对两种溶液的混合装置的自动化控制选用PLC控制系统。
2.2系统硬件配置
本溶液混合装置控制系统主要硬件为FX2N-16MR系列PLCoPLC釆用循环扫描的工作方式，对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符号后乂返回第一条指令，如此周而复始不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期分为输入釆样、程序执行、输出刷新三个阶段。
该系统的工作过程为：
当按下启动按钮后，各控制信号的状态在PLC的输入采样阶段被存入PLC内部的I区，然后PLC逐条执行程序，在输出刷新阶段将I区的状态输出到Q区，Q区的状态控制各继电器线圈，进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。
如图2-1为该硬件配置示意图。
本次课程设计的内容设计能将两种液体自动混合成的控制装置，两种液体分别命名为液体A和液体B。
基本的硬件组成如表2-1。
表2-1设计硕件选择
序号
符号
名称
规格型号
数量
1
M
搅拌电动机
三相交流异步电动220VY系列
1
2
PLC
可编程序控制器
FX2N-16MR
1
3
YV1
电磁阀
ZCT-50A220V
1
4
YV2
电磁阀
ZCT-15A220V
1
5
YV3
电磁阀
ZCT-2.5A220V
1
6
SB1
启动按钮
LAY37
1
7
SB2
停止开关
LAY37
1
液体混合控制装置控制的模拟实验面板图如图2-1所示，此面板中，液面传感器用钮子开关來模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门的打开与关闭以及搅匀电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。
如图2-2为搅拌机的立体及2-3液体混合控制装置。
输出接
11
图2-1系统组成框图
图2-3液体混合控制装置
2.3系统可靠性设计
PLC本身具有体积小、寿命长、可靠性高等优点。
此外，PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
在本设计中，除了充分利用PLC自身的高可靠性外，在控制程序编制方面也充分考虑提高系统的可靠性，并提出了以下可靠性要求：
（1）在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，必须完成一个完整的循环才能停车。
（2）在溶液混合装置工作的过程中，再次按下启动按钮该装置不会再次启动，必须按下停止按钮后，才能再次启动。
（3）若PLC在工作过程中突然断电，各被控对象不会自行动作。
第3章硬件设计
3.1元器件明细表
元器件明细表列出了电气系统所用的电器元件的名称、文字符号和数目，方便施工人员进行元器件的釆购。
表3-2为元器件明细表包含了元器的详细信息。
名称
文字符号
数量
常开按钮
SB
2
组合开关
QS
1
光电液位传感器
SQ
3
电磁阀
YV
3
交流接触器
KM
1
热继电器
FR
1
熔断器
FU
4
表3-2元器件明细表
3.2PLC类型选择
3.2.1I/O数量的确定
在该控制系统中，输入信号有：
启动按钮输入信号、停止按钮输入信号、液位传感器L输入信号、液位传感器I输入信号、液位传感器H输入信号；输出信号有：
注入A液体信号、注入B液体信号、混合溶液释放信号、电动机驱动信号。
所以，该控制系统共有5个输入信号，4个输出信号。
3.2.2PLC类型的选择
由I/O点数的多少可将PLC分成小型PLC、中型PLC和大型PLCo
PLC按结构形式可分为整体式和模块式两种。
整体式PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低等优点。
一般小型或超小型PLC多采用这种结构。
各模块做成插件式并组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。
模块式PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。
一般大中型PLC都釆用这种结构。
根据输入输出点的数量以及对该溶液混合装置控制系统的要求，并为以后扩展改造方便，该系统适宜于选择小型、整体式PLC,主机选择三菱公司F系列FX2NJ6MR。
3.3搅拌电动主电路的设计
图3-1为该液体混合装置的搅拌电动机的主电路，根据设计要求该液体混合装置的主电路需要实现让搅拌电动机安全可靠的工作。
在主电路中各元器件的功能为：
选用组
合开关作为电源的引入开关，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护,用热继电器作为过载保护。
FU[
km\
-X
FR
□
□
□
图3-1搅拌电动机主电路图
3.4控制流程图
液体混料罐的工作流程如图3-2所示，此溶液混合装置属于典型的顺序控制。
图3-2控制流程图
第四章软件设计
4.1I/O点地址的分配
I/O信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
只有分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜及PLC的外围來说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计图，表3-1所示为该控制系统的I/O分配表。
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输入信号
启动信号
常开按钮
SB1
X0
停止信号
常开按钮
SB2
XI
L液位检测信号
光电检测开关
SQ1
X2
I液位检测信号
光电检测开关
SQ2
X3
H液位检测信号
光电检测开关
SQ3
X4
输出信号
电动机驱动信号
线圈KM
KM
Y0
注入A液体信号
YV1
Y1
注入B液体信号
电磁阀YV2
YV2
Y2
释放混合液信号
电磁阀YV3
YV3
Y3
表3TI/O分配表
4.2控制程序设计
在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。
它来源于继电器逻雜控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟范，因此，由这种逻辑控制技术发展而來的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。
梆形图由触点、线圈和应用指令等组成。
触点代表逻辑输入条件。
CPU运行扫描到触点饕号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。
在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。
线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。
[PLS
N21
Y003
M8002
HP
10
13
16
20
25
29
36
42
51
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卄
X001
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X002
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X003
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Y002
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[PLS
[PLS
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Ml
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——
TOY002
——
图3-4梯形图
（M20
{TOOO
（Y001
{Y003
K600
（TO
[END
梯形图分析：
1.初始状态当装置投入运行时，进液阀A和B的阀门YA1和YA2关闭，出液阀YA3打开20S将容器中的残存液体放空后关闭。
2.启动操作按下启动按钮SB1,控制液体A的阀门打开，液体A流入装置，当液位上升道SQ2位置，关闭阀门YA1,打开控制液体B的阀门YA2。
挡也提升高道SQ1位置时关闭阀门YA2,搅拌电动机开始转动，电动机工作60s后电机停止运转，阀门YA3打开，开始放出混合液体。
当页面下降到SQ3时，SQ3由接通变为断开，在经过20s后混合液体放空，阀门YA3关闭，开始下一周期操作。
3.停止操作工作中，若按下停止按钮SB2,待整个循环进行到结束，即待灌内液体排完停止工作，回到初始状态。
4.3控制程序语句表
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能，具体指令的说明可查阅参考文献［1］。
语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。
将该控制系统的梯形图转化为语句表如下所示：
0
LD
M8002
1
0FH
Y003
2
PLS
N21
4
LD
XOOO
5
FLS
MO
7
LD
X001
8
PLS
N1
10
LD
X002
11
FLS
M2
13
LD
X003
14
PLS
N3
16
LD
N21
17
OR
Y002
18
Ain
T1
44
OR
T003
45
AHI
TO
46
AM
Y002
47
OUT
Y003
48
OUT
TO
51
:
END
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19
OUT
Y002
20
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Y002
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T1
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LD
MO
26
OR
M20
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ML
28
OUT
M20
29
LD
M20
30
Ain
Y002
31
OR
Y000
32
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M3
33
AHI
Y001
34
Ain
Y003
35
OUT
YOOO
36
LD
YOOO
37
AND
M3
38
OR
Y001
39
aih
M2
40
aih
Y003
41
OUT
Y001
42
LD
Y001
43
A1ID
M2
本液体混合装置的PLC控制系统可以实现课题所规定的控制要求：
按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。
当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。
1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。
当液位高度下降到L后，再延时20S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。
该控制系统的突出优点是在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，该装置不会立即停止工作，必须待完成一个完整的循环后才能停车。
这样的设计可以保证容器中两种液体严格按照确定的比例进行混合，为下道工序提供高质量的混合溶液。
虽然在PLC的选型及应用程序的编制方面己充分考虑了系统工作的可靠性，以确保系统可以长期稳定高效率地工作。
但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。
设计总结
毕业设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程•随着科学技术发展的日新日异，可编程控制器（PLC）己经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学來说掌握可编程控制器（PLC）的开发技术是十分重要的。
经过一个多月的努力终于把毕业设计顺利完成了。
通过这一个多月的学习，我发现自己还有好多不足之处。
然而这次的毕业设计也让我进一步获得了独立自主的学习，摸索，思考，动手等多种能力。
指导老师刚开始分配任务时，我选择了做跟PLC相关的课题。
面对这那课题，开始束手无策！
在老师的指点下，我才有点眉目。
于是开始了对其运行要求进行解读，并着手开始绘制原理图，同时也积极查询相关资料。
在毕业设计中只知道原理是远远不够的，同时要有自己的想法和见解，这是成功的一项非常重要的保证。
而这次设计也恰好锻炼了我这一点。
时刻保持奋进的头脑，不断接受新事物，挑战新的问题。
拿这次毕业设计來说，我不仅用了好儿个学过的软件，还接触了新的软件。
在整个过程中，我也曾经因为遇到困难失落过，也曾为成功的解决棘手问题而热情高涨。
然而遇到困难，我都一直坚持着，寻找各种方法來解决问题，并不停鼓励自己一定会成功的。
本次设计中我综合运用了在校内外所学习的知识。
为很好的完成本次设计，我不断地从厂里获取机会并学习调试。
通过这次毕业设计，我想说：
为完成这次毕业设计，确实很辛苦时间很紧，人的精力也很有限。
从而巩固自己所学的知识，增强发现问题、分析问题、解决问题的能力。
从而做到理论与实际的融会贯通，充分的运用自己实习所获得的知识及经验为毕业设计增添亮点。
虽然有点苦，但苦中仍有乐，因为在其中我乂学会更多的东西，掌握了更多的知识。
以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！
在求知的路途上并不会一帆风顺，常会遇到令人困惑的问题。
老师是我们成长路上的拐杖，在求知的路上他对我们太重要了。
在这次课程设计中，我对这句话有了更理性的认识。
首先，我要感谢我的课程设计指导老师王宗才老师。
为了能够顺利的完成这次课程设计，王老师在平时的课堂上总是给我们讲解课程设计的内容，终于在开始课程设计前让我储备了足够的专业理论知识。
“严师出高徒”，“没有压力就没有动力”，在设计过程中，老师每天都会亲临设计教室督促大家、鞭策大家努力认真的按照进度完成课程设计所规定的内容。
本课题在设计过程中王老师多次询问设计进程，并对我进行技术指导，引导我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，必将对我以后工作态度的培养产生深远的影响。
在课程设计过程中王老师指出了我的不足之处，同时乂给我提出了许多宝贵的意见。
正是由于老师的精心指导，我才能顺利完成这次课程设计，所以，要再次说一声：
王老师，您辛苦了！
最让我感动的是学校图书馆的系统出了问题，同学们不能借阅参考书籍，为了能让大家顺利完成课程设计，他亲自跑到学校总部查询图书馆系统的维修情况。
王老师真是尽职尽责！
此外，还要感谢自己的同组同学，在课程设计中遇到困难时大家互相讨论、相互帮助的场景依旧浮现在我的脑海里，你们让我明白了团队合作的重要性，在解决难题的同时更增进了同学们间的友谊。
参考文献
[1]王宗才.机电传动与控制.北京:
电子工业出版社,2011.6
[2]邓星钟.机电传动控制.武汉:
华中科技大学出版社,2007
[3]周宏甫.机电传动控制.北京：
化学工业出版社，2006
[4]罗宇航•流行PLC实用程序及设计•西安：
电子科技大学出版社,2006.12
⑸陈建明•电气控制与PLC应用.北京:
电子工业岀版
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