电气与控制仪表综合设计.docx
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电气与控制仪表综合设计
物理与电子信息学院
电气与控制仪表设计报告
设计题目：
液位混合
专业：
14级电气工程及其自动化（过程控制方向）
学号：
140544118
姓名：
杨人豪
成绩：
指导教师：
徐万明老师
一、前言
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。
但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至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。
所以为了帮助相关行业，特别是中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学工业中，便于学以致用。
掺混PLC控制系统这个课题具有其重要的意义。
本课题掺混PLC控制系统，其目的就是以PLC为核心，配合智能仪表，完成系统功能控制，状态显示，信息检测和报警硬件组建所需要的PLC和传感器等元件的选择，实现对掺混的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。
用PLC对掺混进行控制，系统的硬件结构简单、服务功能增强、系统的可靠性大大提高，且节省了成本，使掺混系统的性能价格比提高。
尤其在集散控制系统中，利用现场总线技术，可方便地进行集中监控管理。
此次设计主要内容包括：
工作过程分析，I/O分配，梯形图，指令表，接线图，电气原理图及情况说明,经过多次修改和调试，最终实现题目要求。
本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：
（1）液体混合装置能够实现对混合罐安全、高效的加液、混液、出液的控制；
（2）满足混合液的各项技术要求；
（3）具体内容包括两种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。
二、系统方案设计
1、混合液控制系统设计要求
A、B两种液体混合装置如下图所示，其中阀A、阀B、阀C为电磁阀，线圈通电时打开，S1、S2、S3为上、中、下液位传感器，被溶液淹没时为ON。
（1）初始状态：
各阀门全关闭，电机停止，混液罐空，各传感器OFF；
（2）操作工艺流程：
按下启动按钮SB1后，打开A阀，液体A流入混液灌；当中限位传感器S2被淹没变ON时，阀A关闭，阀B打开；当上限位传感器S1被淹没变ON时，阀B关闭，电机M（2.2kw）开始运行，搅动液体，20S后停止搅动，阀C打开放出混合液体；当液面降至下限位传感器S3变OFF时，开始定时，5S后容器已放空，关闭阀C。
如已按下SB2，则就此停机；如未按下停止按钮SB2，则又打开A，开始下一次循环。
2、混合液控制系统方案比较及论证
（1）继电器与可编程控制器的方案比较论证
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛用于遥控，遥测，通讯，自动控制，机电一体化等领域。
继电器一般都有能反映一定输入变量的感应机构，有能对被控电路实现通断的执行机构，在感应机构（输入部分）和执行机构（输出部分）之间还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。
PLC，是一种电气自动化控制装置，专为工业环境下应用而设计。
它使用可编程存储器内部存储用户设计指令，这些指令用来实现特殊的功能。
诸如逻辑运算，顺序操作，定时计数以及算术运算和通过数字或者模拟输入/输出来控制各类机械工程。
与传统的继电器相比，PLC具有以下优点：
1）控制器可变，具有很好的柔性：
在工艺流程改变或者生产设备更新的情况下，不必改变PLC硬设备，只需要改变程序即可。
2）具有高度可靠性。
适用于工业环境。
3）功能完善：
现代的PLC具有数字和模拟量输入输出，逻辑和算数运算等一系列功能，使得控制水平大大提高。
4）易于掌握，便于维修。
根据两种控制器的特点，本次设计使用PLC作为控制核心。
（2）PLC经验设计法和顺序控制法的方案比较论证
经验设计法类似于通常设计继电器电路图的方法，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。
有时需要多次反复地调试和修改，增加一些触点或中间编程元件，最后才能得到一个较为满意的结果。
这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，一般用于简单的梯形图（例如手动程序）的设计。
在设计复杂系统的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。
修改某一局部电路时，可能对系统的其它部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改也很麻烦。
用经验设计出的梯形图往往难以阅读，给系统的维修和改进带来了很大的困难。
顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序的进行操作。
顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。
通过以上比较所以选择顺序控制法编程。
3、系统方案设计
本设计以两种液体的混合控制为例，要求是将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。
并自动开始新的周期，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（包括设计流程、设计要求、梯形图设计等）和监控系统,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
在设计论文中将详细介绍系统的硬件设计、软件设计、监控系统。
其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、电器元件、PLC控制、控制柜的布置设计；软件设计包括系统控制的流程图、梯形图、指令表及工作过程；监控系统设计包括易控和上位的设计。
程序采用结构化的设计方法,具有调试方便,维护简单,移植性好的优点。
三、系统硬件设计
1、PLC选型
（1）PLC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述。
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，选用整体式结构的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，如西门子公司的s7-200。
3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，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，尽量要做到机型统一。
由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；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联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。
物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的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，给生产带来很大方便。
PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。
离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。
5）PLC的环境适应性
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的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℃～＋85℃
湿度：
相对湿度5%～95%（无凝结霜）振动和冲击：
满足国际电工委员会标准
电源：
交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz瞬间停电保持l0ms
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。
（2）PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（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，以做备用。
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的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；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。
通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。
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）I/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，它的工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过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制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电平也是各种各样的，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需经过一定距离。
为了确保这些信息的正确无误，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，能方便地对功能进行扩展。
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I/O信号为5～24V（DC）。
3）选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：
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总输入点数的60%。
4）选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：
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，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交／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，要留有足够的余量。
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。
2、按钮开关的选择
选用LA19—11系列按钮开关。
（1）适用范围
SLA19系列按钮开关适用于交流50Hz，额定电压至380V及直流额定电压至220V的磁力起动器、接触器、继电器及其它电气线路中作遥远控制之用。
产品符合GB14048.5标准。
（2）结构特征
具有一对常开触头和一对常闭触头，相邻触头元件在电气上是不分开的（同极性触头元件）。
（3）正常使用条件
A.周围空气温度
周围空气温度不超过+40℃，且其24h内的平均温度值不超过+35℃。
周围空气温度下限为-5℃。
B.海拔高度
安装地点海拔不超过2000m。
C.大气条件
最高温度为+40℃时，空气的相对湿度不超过50％，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如20℃时达90％。
对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施。
D.防护等级
按钮的板前防护等级为IP40。
E.安装条件
无显著动摇和冲击振动的地方；在没有雨雪侵袭的地方。
3、交流接触器的选择
交流接触器选用EB9-30-10
特点：
（1）技术领先的全新特性、宽电压线圈；
（2）“开关”式、无抖颤吸合特性，使用寿命更长；
（3）抗电压波动及跌落能力强，吸持更可靠；
（4）交直流电源通用，设计使用更方便；
（5）吸合功率小，所需供电电源功率更小；
（6）保持功耗低，节能高达50％；
（7）额定电流范围宽（9－2050A），满足各种客户需要。
优点：
（1）超小体积，独特动作特性，动触头侧向动作
（2）端子有多种接线方式：
螺钉连接、插拔式、针式–可以焊接在PCB线路板上
（3）产品种类齐全：
包括交流接触器（B6、B7）、交流可逆接触器（VB6、VB7）、直流接触器（BC6、BC7）和直流可逆接触器（VBC6、VBC7）
（4）低功耗的PLC专用直接控制型接触器B6S、B7S，省略中继，节约成本
（5）可以选配热过载继电器-T16或电子过载继电器-E16DU
（6）结构紧凑，具有体积小、载流能力强、工作可靠、节省柜体空间的特点，适用于控制4~5.5kW的电动机。
尤其适合在电动阀门、自动门、中央空调终端、输送带、压缩机、水泵、电锯、自动洗车装置、电动缝纫机车和机械制造等行业中使用，这些应用对电控柜的尺寸有很高的要求，B系列微型接触器是极佳的解决方案。
4、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，当没有液面时，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；
（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。
5、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℃/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。
四、系统软件分析与设计
1、混合液控制系统功能分析
该系统为实现A、B两种液体混合装置，初始状态各阀门全部都是关闭，电机和传感器也关闭，且混合液罐为空。
其中阀A、阀B、阀C为电磁阀，M为电机，线圈通电时打开，SL1、SL2、SL3为上、中、下液位传感器，被溶液淹没时为ON。
具体功能如下：
（1）启动操作
按下按钮SB1,M0.0的常开触点闭合，A电磁阀Q0.1打开，液体A流入容器。
（2）液面上升到SL2
当液面上升到SL2时，SL2触点接通，使Q0.1断电，Q0.1控制的电磁阀关闭，液体A停止流入；同时Q0.2常开触点接通，使其控制输出的电磁阀接通，液体B电磁阀打开，液体B流入。
（3）液面上升到SL1
当液面上升到SL1时，SL1触点接通，使Q0.2断电，Q0.2控制的电磁阀关闭，液体B停止流入；同时Q0.3和T37接通，搅拌电动机开始工作。
（4）搅匀后放混合液
搅拌电机工作时，T37计时，10s后Q0.3断开，搅拌电机停止工作；同时Q0.0常开触点接通，使其控制输出的电磁阀接通，C放水电磁阀打开，混合液体开始流出。
（5）液面下降到SL3
当液面传感器SL3由接通变为断开时，T38开始工作，3s后混合液体放完，使Q0.0断电，Q0.0控制的C电磁阀关闭，混合液体停止流出，此时罐已放空；同时A电磁阀Q0.1打开，液体A流入，开始进入下一个循环。
（6）停止操作
再次按下按钮SB1，关闭所有阀门与电机开关，同时复位所有状态变量，即停止操作。
（7）手动部分。
打开kz，进入手动控制状态，然后依次打开各手动开关，使装置正常工作。
2、PLC符号表设计
混合液控制系统的输入输出地址分配下表如表所示：
3、S7-200程序T形图设计
液位混合系统程序设计包含功能实现，常见故障诊断等。
功能实现大致流程如下：
系统开始、C阀门打开，清空罐内液体、A阀门打开，开始加入A液体、B阀门打开，开始加入B液体、电机搅拌开关打开，搅拌10s、C阀门打开，放出混合液体；然后开始循环。
液位混合系统程序如下图：
4、MCGS组态软件设计
由于MCGS实时性强、有良好的并行处理性能。
MCGS嵌入版是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
例如，MCGS嵌入版在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内插空进行象打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。
MCGS嵌入版组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上，具备与北京昆仑通态公司已经推出的通用版本组态软件和网络版组态软件相同的组态环境界面，可有效帮助用户建造从嵌入式设备，现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案；并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移。
MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。
组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。
用户可根据实际需要裁减其中内容。
它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。
运行环境则是一个独立的运行系统，它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义，必须与组态工程一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。
一旦组态工作完成，并且将组态好的工程通过串口或以太网下载到下位机的运行环境中，组态工程就可以离开组态环境而独立运行在下位机上。
从而实现了控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。
MCGS运行主界面如下图所示：
历史数据查询界面如下：
变量数据库如下图:
控制液位与电机旋转的策略程序如下图：
S7-200与MCGS通讯连接的设备窗口如下：
五、总结与体会
本次课程设计是基于MCGS的PLC虚拟控制系统充分利用计算机软件功能,利用其庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持,“调用”或“制造”出各种现场设备和仪表,快速地开发出漂亮、生动的工程画面。
与PLC运行相配合,真实地再现了现场运行过程,有很好的可视性。
通过这次PLC课程设计，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了PLC基本指令的使用，掌握了PLC的I/O分配、程序调试等。
编写程序首先必须把I/O分配表写好。
弄清楚哪些信号作为输入，哪些信号作为输出，该用什么继电器，还有什么情况下要用定时器/计数器。
通过调试找出问题的所在，相应的修改程序。
在编程过程中难免会有不足之处，因此通过调试，再修改程序可以更好实现相应的功能。
这次设计，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。
使我在PLC的基本原理以及编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。
该设计通过Step7环境下编程与外部PLC硬件接线的结合使用，使我更熟悉了Step7的编程仿真步骤，硬件接线的练习锻炼了我的动手能力。
从课程设计正式下达，时至今日，设计基本完成，完成从最初的茫然到今日对思路的逐渐清晰的转变。
所做的这些努力能够培养和提高设计者分析和解决问题的能力。
本设计采用PLC对液体混合控制系统进行控制，简化了控制系统的设计和硬件结构，提高了该系统的可靠性、可维护性和安全性，并且完成了设计的所有需求。
整体来说，这次设计给了我很大的帮助，不仅仅熟悉的PLC的控制系统和各种元器件，并提高了实践的能力，这些都将成为我以后步入社会参加工作的一笔宝贵经验。
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