電氣控制與PLC課程設計液體自動混合控制

1、電氣控制與plc課程設計題目：液體自動混合控制院 系專 業(yè) 班 級：姓 名學 號：指導教師：二一五年六月plc課程設計任務書一、基本情況學時：1周 學分：1學分 適應班級：自動化1201-1202，電氣工程1201-1204二、進度安排本設計共安排1周，合計30學時，具體分配如下：實習動員及準備工作： 1學時總體方案設計：4學時硬件設計：10學時軟件設計：10學時撰寫設計報告：4 學時總結： 1學時教師輔導： 隨時三、基本要求1、課程設計的基本要求電氣控制與plc課程設計的主要內容包括：理論設計與撰寫設計報告等。其中理論設計又包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計；硬件設計包括單元電路，

2、選擇元器件及計算參數(shù)等；軟件設計包括模塊化層次結構圖，程序流程圖，應用程序。程序設計是課程設計的關鍵環(huán)節(jié)，通過進一步完善程序設計，使之達到課題所要求的指標。課程設計的最后要求是寫出設計總結報告，把設計內容進行全面的總結，若有實踐條件，把實踐內容上升到理論高度。2、課程設計的教學要求電氣控制與plc課程設計的教學采用相對集中的方式進行，以班為單位全班學生集中到設計室進行。做到實訓教學課堂化，嚴格考勤制度，在實訓期間累計曠課達到6節(jié)以上，或者遲到、早退累計達到6次以上的學生，該課程考核按不及格處理。在實訓期間需要外出查找資料，必須在指定的時間內方可外出。課程設計的任務相對分散，每3-4名學生組成一

3、個小組，完成一個課題的設計。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設計方法和經(jīng)驗。但每個學生必須單獨完成設計任務，要有完整的設計資料，獨立撰寫設計報告，設計報告雷同率超過50%的課程設計考核按不及格處理。四、設計題目及控制要求某一液料自動混合裝置如下，用于將3種液體按一定的容積比例進行混合。1.初始狀態(tài)，液罐為空的，電磁閥yv14、電動機m均為失電狀態(tài)，液位傳感器sq14均為不動作狀態(tài)。2.物料自動混合控制。按下起動按鈕sb1，電磁閥yv1的電，開始注入液料1，當液料1的液位達到液位傳感器sq3時，yv1關，yv2閥開，注入液料2，當液位達到

4、液位傳感器sq2時，yv2閥關，yv3閥開，注入液料3，當液位達到液位傳感器sq1時，yv3閥關，攪拌電動機m起動，攪拌20秒后停止，放液電磁閥yv4動作，當液位下降到液位傳感器sq4以下時，再經(jīng)過5秒鐘（放掉剩余液體）后，sq4閥關閉，之后，自動循環(huán)上述過程。3.停止操作。按下停止按鈕sb2，當完成一個循環(huán)過程，即液灌液體放空后在全部停止。按下急停按鈕sb3，所有輸出立即停止。五、設計報告設計完成后，必須撰寫課程設計報告。設計報告必須獨立完成，格式符合要求，文字（不含圖形、程序）不少于2000字，圖形繪制規(guī)范。設計報告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、

5、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(2) 硬件電路設計及描述（包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接線圖等的設計）；(3) 軟件設計流程及描述（流程圖及文字說明；(4) 源程序代碼及調試；5、心得體會 6、參考文獻 六、考核方法電氣控制與plc技術課程設計的考核方式為考查，考核結果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分數(shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格。 考核分三個方面進行：平時表現(xiàn)20%；設計過程25%；設計報告 40%；設計答辯15%。有下列情形之一者，課程設計考核按不及格處理： 1、設

6、計期間累計遲到、早退達8次；2、設計期間累計曠課達6節(jié)；3、設計報告雷同率超過50%或無設計報告；4、不能完成設計任務，達不到設計要求。摘要可編程序控制器（programmable controller）簡稱plc，是近年來一種極為迅速，應用極為廣泛的工業(yè)控制裝置。它是一種專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運行的電子系統(tǒng)，它采用可編程程序的存儲器，用來存儲用戶指令，通過數(shù)字或模擬的輸入/輸出完成確定的邏輯順序、定時、記數(shù)、運算和一些確定的功能來控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。由于plc的性能優(yōu)越，兼具計算機的功能完備，靈活性強，通用性好和繼電接觸器控制簡單易懂，維修方便等雙重優(yōu)點，形成以微電腦為核心的

7、電子控制設備?？删幊绦蚩刂破骷夹g在世界上己廣泛應用，成為自動化系統(tǒng)中的基本電控裝置plc在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和實際生活中有著廣泛的應用，由于可編程控制器（plc）具有編程軟件采自易學易懂的梯形圖語言、控制靈活方便、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等特點，現(xiàn)在的工業(yè)自動化生產(chǎn)控制多采用可編程控制器來實現(xiàn)。以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動機攪拌后要達到控制要求才能將混合的液體輸出容器，并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混合系統(tǒng)的控制設計考慮到其動作的連續(xù)性以及各個被控設備動作之間的相互關聯(lián)性，針對不同的工作狀態(tài)，進行相應的動作控制輸出，從而實現(xiàn)液體混合系統(tǒng)從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一

8、個周期控制工作的程序實現(xiàn)。該摻混控制系統(tǒng)，根據(jù)實際要求利用plc的實時控制和順序處理功能，完成系統(tǒng)控制，。在本次論文中，給出了控制系統(tǒng)的硬件原理圖，主電路圖及軟件設計。關鍵詞： 自動控制 可編程序控制器 存儲器 計算機技術目錄1章緒論11.1 研究的意義及目的11.2 可編程控制器基本應用和發(fā)展方向21.2.1 plc的基本應用21.2.2 plc發(fā)展方向31.3 本課題的主要任務和基本參數(shù)31.3.1 設計內容31.3.2 設計要求42章方案的論證與選擇53章液體自動混合控制的硬件設計93.1 總體結構93.2 元器件的選擇103.3 液位傳感器的選擇113.4 攪拌電機的選擇113.5 電

9、磁閥的選擇123.6 plc的選擇143.7 plc輸入輸出口分配153.8 plc輸入/輸出接線設計164章軟件系統(tǒng)174.1 程序流程圖174.2 梯形圖程序的總體結構圖設計185章調試結果19心得體會20參考文獻21第1章 緒論1.1研究的意義及目的以可編程序控制器為主要控制裝置所構成的控制系統(tǒng)為可編程序控制系統(tǒng)或plc控制統(tǒng)?？删幊炭刂破?plc)控制系統(tǒng)以其運行可靠、易學易用、抗干擾性強等特點,在工業(yè)控制中得到廣泛的應用。提高產(chǎn)品質量，縮短生產(chǎn)周期，適應產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求，產(chǎn)品生產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質量等方向發(fā)展。在煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不

10、可少的工序，而且也是其生產(chǎn)過程中十分重要的組成部分。但由于這些行業(yè)中多是易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質，以致現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作。另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控制可靠等特點，這也是人工操作和半自動化控制所難以實現(xiàn)的。所有為了幫助相關行業(yè)，特別是其中的中小型企業(yè)實現(xiàn)多種液體混合的自動控制，從而達到液體混合的目的，液體混合自動配料勢必就是擺在我們眼前的一大課題，借助實驗室設備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中plc的應用，了解不同公司的可編程控制器的型號和原理，熟悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見于工業(yè)生產(chǎn)中，適合大中型飲料生產(chǎn)廠家，尤其見于化學化工業(yè)中，便于學以致用。采用基于pl

11、c的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機、繼電器等構成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結構，具有良好的課移植性和可維護性。提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質量的波動，因此具有廣闊的市場前景，用plc進行開關量控制的實例很多，在冶金、機械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需要到它，如燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、液體混合自動配料系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應用plc來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本課題摻混plc控制系統(tǒng)，其目的就是以plc為核心，配合智能儀表，完成系統(tǒng)功能控制，狀態(tài)顯示，信息檢測和報警硬件組建所需要的plc和傳感器等元件的選擇，實現(xiàn)對摻混的自動控

12、制以及運行狀態(tài)的檢測功能和顯示功能。用plc對摻混進行控制，系統(tǒng)的硬件結構簡單、服務功能增強、系統(tǒng)的可靠性大大提高，且節(jié)省了成本，使摻混系統(tǒng)的性能價格比提高。尤其在集散控制系統(tǒng)中，利用現(xiàn)場總線技術，可方便地進行集中監(jiān)控管理。1.2可編程控制器基本應用和發(fā)展方向1.2.1plc的基本應用最初，plc主要用于開關量的邏輯控制。隨著plc技術的進步，它的應用如今，plc不僅用于開關量控制，還用于模擬量及數(shù)字量的控制，可采集與存儲數(shù)據(jù)，還可對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控；還可聯(lián)網(wǎng)、通訊，實現(xiàn)大范圍、跨地域的控制用plc進行開關量控制實例是很多的，冶金、機械、輕工、化工、紡織等等，幾乎所有工業(yè)行業(yè)都需要用到它。pl

13、c具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因。1.2.2plc發(fā)展方向由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)需求的多樣性，plc的發(fā)展方向有兩個：1、朝著小型、簡易、價格低廉方向發(fā)展。近年來，單片機的出現(xiàn)，促進了plc向緊湊型發(fā)展，體積減小，價格降低，可靠性不斷提高。這種plc可以廣泛取代繼電器控制系統(tǒng)，應用于單機控制和規(guī)模比較小的自動線控制。2、朝著大型、高速、多功能方向發(fā)展。大型的plc一般為多處理器系統(tǒng)，由字處理器、位處理器和浮點處理器等組成，有較大的存儲能力和功能很強的輸入輸出接口。通過豐富的智能外圍接口，可以獨立完成位置控制、閉環(huán)調節(jié)等特

14、殊功能；通過網(wǎng)絡接口，可級連不同類型的plc和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網(wǎng)絡，適用于大型自動化控制系統(tǒng)，如霍尼韋爾的9000系列等。從plc的發(fā)展趨勢看，plc控制技術將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，plc技術、機器人技術和cad/cam技術將成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。1.3本課題的主要任務和基本參數(shù)1.3.1設計內容1. 可編程程序控制器輸出輸入接線圖。2. 電動機主電路圖。3. 控制梯形圖和程序。1.3.2設計要求1. 設計應根據(jù)題目要求，滿足控制要求。2. 列出所選設備型號、規(guī)格和數(shù)量等。3. 說明書應書寫工整、整齊，用規(guī)定統(tǒng)一紙張。4. 圖紙應清潔規(guī)

15、范，電氣圖形符號和文字符號應規(guī)范。5. 設計獨立完成，不得抄襲他人。第2章 方案的論證與選擇目前常用的控制系統(tǒng)有以下幾種：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機和可編程控制器控制?，F(xiàn)在將這幾種控制系統(tǒng)相比較，并結合本設計的實際確定控制方案。(1)繼電器控制系統(tǒng)plc與繼電器均可用于開關量邏輯控制。plc的梯形圖與繼電器電路圖都是用線圈和觸點來表示邏輯關系。繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件繼電器(或稱物理繼電器)和硬件接線來實現(xiàn)的，plc的控制功能主要是用軟件(即程序)來實現(xiàn)的。plc采用的計算機技術、順序控制、定時、計數(shù)、運動控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，比繼電器控制系統(tǒng)的功能

16、強大的多。繼電器系統(tǒng)的可靠性差，診斷復雜的繼電器系統(tǒng)的故障非常困難。梯形圖程序中的輸出繼電器是一種“軟繼電器”，它們的功能是用軟件來實現(xiàn)的，因此沒有硬件繼電器那樣的觸點易于出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。plc的可靠性高，故障率極低，并且很容易診斷和排除故障。繼電器的控制功能被固定在線路中，其功能單一，不易修改，靈活性差。plc的控制方式靈活，有很強的柔性，僅需修改梯形圖就可以改變控制功能。至今還沒有一套通用的容易掌握的繼電器電路設計方法，設計復雜的繼電器電路既困難又費時，設計出的電路也很難閱讀理解。plc有大量用軟件實現(xiàn)的輔助繼電器，定時器和計數(shù)器等編程元件供梯形圖的設計者使用。用先進的順序控制設計法來

17、設計梯形圖，比設計相同功能的繼電器電路花費的時間要少得多。繼電器要在硬件安裝，接線全部完成后才能進行調試，發(fā)現(xiàn)問題后修改電路花的時間也很多。plc控制系統(tǒng)的開關柜制作，現(xiàn)場施工和梯形圖設計可以同時進行，梯形圖可以在實驗室模擬調試，發(fā)現(xiàn)問題后修改起來非常方便。（2）單片機控制單片機又稱單片微控制器，將cpu、并行輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器、存儲器和通信接口集成在一個芯片中，最便宜的8位單片機銷售僅為幾元，其功能強，響應速度快，性能價格比極高。但是除了單片機芯片外，單片機還需要設計硬件電路圖和印制電路板。單片機一般用匯編語言或c語言編程，編程時需要了解單片機內部的硬件結構。將單片機用于工業(yè)控制

18、，對開發(fā)人員的硬件設計水平和軟件設計水平的要求都很高。此外，用單片機設計測控產(chǎn)品需要采用大量的硬件，軟件方面的抗干擾措施，才能保證長期穩(wěn)定可靠的運行。有的專業(yè)公司開發(fā)的單片機產(chǎn)品的可靠性都難達到plc的水平。(3) 工業(yè)控制計算機控制控制用的個人計算機(pc)稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工控機。工控機是在個人計算機的基礎上發(fā)展起來的，采用總線結構，硬件的兼容性較強。ipc有各種各樣的輸入/輸出板卡供用戶選用，有很強的高速浮點去處、圖像運算、通信和人機交互等功能，容易實現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡的一體化。plc的體積小巧緊湊，硬件和操作系統(tǒng)的可靠性總體上比工控機高。工控機則來源于個人計算機，主要用于過程控制或

19、控制系統(tǒng)中的上位機和人機接口。在高端應用方面，很難區(qū)分plc和工業(yè)pc之間的差異，因主兩者均采用同樣的微機處理器和內存芯片。plc與pc相比有以下優(yōu)點：1) 對低端應用，plc具有極大的性能價格比優(yōu)勢。工控機的價格比較高，將它用于小型開關量控制系統(tǒng)以取代繼電器控制，無論在體積和價格上都很難接受，可靠性也遠不如plc。2) plc的可靠性無可比擬，故障停機時間最少。3) plc是專門為工廠現(xiàn)場應用環(huán)境設計的，結構上采用整體密封或插件組合型，對印制板，電源，機架，插座的制造和密閉，均采用了嚴密的措施。4) plc使用專門為工控設計的各種編程語言，這些語言簡單易學。與pc機發(fā)展太快相比，plc產(chǎn)品可

20、以長期供貨，并提供長期的技術支持。5) plc有龐大的有經(jīng)驗的設計人員，維護人員和技術支持系統(tǒng)。（4）可編程程序控制器控制plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。plc及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。有以下主要特點： 1）使用靈活、通用性強；2）可靠性高、抗干擾能力強；3）接口簡單、維護方便；4）體積小、功耗小、性價比高；5）編程簡單、容易掌握；6）

21、設計、施工、調試周期短?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。通過以上幾種控制方案的比較，選用plc來實現(xiàn)對液體混合過程的控制。第3章 液體自動混合控制的硬件設計3.1 總體結構某一液料自動混合裝置如圖1所示，用于將3種液體按一定的容積比例進行

22、混合圖3.1 液料自動混合裝置工作示意圖1.初始狀態(tài)，液罐為空的，電磁閥yv14、電動機m均為失電狀態(tài)，液位傳感器sq14均為不動作狀態(tài)。2.物料自動混合控制。按下起動按鈕sb1，電磁閥yv1的電，開始注入液料1，當液料1的液位達到液位傳感器sq3時，yv1關，yv2閥開，注入液料2，當液位達到液位傳感器sq2時，yv2閥關，yv3閥開，注入液料3，當液位達到液位傳感器sq1時，yv3閥關，攪拌電動機m起動，攪拌20秒后停止，放液電磁閥yv4動作，當液位下降到液位傳感器sq4以下時，再經(jīng)過5秒鐘（放掉剩余液體）后，sq4閥關閉，之后，自動循環(huán)上述過程。3.停止操作。按下停止按鈕sb2，當完成一

23、個循環(huán)過程，即液灌液體放空后在全部停止。按下急停按鈕sb3，所有輸出立即停止。3.2 元器件的選擇表一元器件明細表名稱型號數(shù)量備注按鈕開關kh-22043個液位傳感器lsf-2.54個攪拌電動機ej15-31個電磁閥（入液罐）vf4-253個電磁閥（出液罐）avf-401個接觸器cjx1-9/220v4個3.3 液位傳感器的選擇選用lsf-2.5型液位傳感器其中“l(fā)”表示光電的，“s”表示傳感器，“f”表示防腐蝕的，2.5為最大工作壓力。lsf系列液位開關可提供非常準確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當沒有液體時，光被前端的棱鏡面或球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面時，光被折

24、射出去，這使得輸出發(fā)生變化，相應的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關量。應用此原理可制成單點或多點液位開關。lsf 光電液位開關具有較高的適應環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關元件主要技術參數(shù)及原理如下：（1）工作壓力可達2.5mpa （2）工作溫度上限為125c （3）觸點壽命為100萬次 （4）觸點容量為70w （5）開關電壓為24v dc （6）切換電流為0.5a 3.33.4 攪拌電機的選擇選用ej15-3型電動機其中“e”表示電動機，“j”表示交流的，15為設計序號，3為最大工作電流 相關元件主要技術參數(shù)及原理如下： ej15系列電動機是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異

25、步電動機。 (1)額定電壓為220v，額定頻率為50hz，功率為2.5kw，采用三角形接法。 （2）電動機運行地點的海拔不超過1000m。工作溫度-1540c /濕度90%。 （3）ej15系列電動機效率高、節(jié)能、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。其硬件接線如圖2所示。3.5 電磁閥的選擇（1）入罐液體選用vf4-25型電磁閥 其中“v”表示電磁閥，“f”表示防腐蝕，4表示設計序號，25表示口徑（mm） 寬度。相關元件主要技術參數(shù)及原理如下： 1）材質：聚四氟乙烯。使用介質：硫酸、鹽酸、有機溶劑、化學試劑等酸堿性的液體。2）介質溫度150/環(huán)境溫度-2060c。3）使用電壓：ac：22

26、0 v50hz/60hz dc：24v。 4）功率：ac：2.5kw。5）操作方式：常閉：通電打開、斷電關閉，動作響應迅速，高頻率。（2）出罐液體選用avf-40型電磁閥其中“a”表示可調節(jié)流量，“v”表示電磁閥，“f”表示防腐蝕，40為口徑(mm) 相關元件主要技術參數(shù)及原理如下：圖3.2 攪拌機的硬件接線圖1）其最大特點就是能通過設備上的按鍵設置來控制流量，達到定時排空的效果。2）其閥體材料為：聚四氟乙烯，有比較強的抗腐蝕能力。 3）使用電壓：ac：220 v50hz/60hz dc：24v。4）功率：ac：5kw。3.6 plc的選擇plc的一般結構如圖3所示，由圖可見主要有6個部分組成

27、，包括cpu(中央處理器)、存儲器、輸入輸出接口電路、電源、外設接口、i/o擴展接口。（1）中央處理單元（cpu）與通用計算機中的cpu一樣。plc中的cpu也是整個系統(tǒng)的核心部件，主要有運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關電路。cpu在很大程度上決定了plc的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內存容量等。（2）存儲器存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。plc常用的存儲器類型有ram、eprom、 eeprom等。（3）i/o模塊輸入模塊和輸出模塊通常稱為i/o模塊或i/o單元。plc的對外功能主要是通過各種i/o接口模塊與外界聯(lián)系而實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是plc與現(xiàn)場i/o裝置或設備之間的連接部件，起著plc與外部設備之間傳遞信息的作用。通常i/o模塊上還有狀態(tài)顯示和i/o接線端子排，以便于連接和監(jiān)視。圖3.3 plc結構圖3.7 plc輸入輸出口分配表二 輸入輸出分配輸入點地址功能輸出點地址功能i0.0 sb1啟動按鈕q