基于PLC多種液體混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、煙臺(tái)南山學(xué)院PLC課程設(shè)計(jì)題目 基于 PLC多種液體混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名 ：林義武所在學(xué)院 ：計(jì)算機(jī)與電氣自動(dòng)化學(xué)院所學(xué)專業(yè) ：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師 ：完成時(shí)間 ：摘要隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)， 計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，但是我國工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度普遍較低， PLC產(chǎn)品有很大的應(yīng)用 空間，如機(jī)械行業(yè) 80%以上的設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進(jìn)行控制。 因此， PLC在我國的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)沒有得到充分發(fā)揮。隨著競爭的日益加劇，越來越多的 小型企業(yè)將采用經(jīng)濟(jì)、 實(shí)用的自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制， 以提高企業(yè)的經(jīng) 濟(jì)效益和競爭實(shí)力。PLC是一種專門為在工

2、業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器， 用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、 順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、 計(jì)數(shù)、和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制 系統(tǒng)形成一個(gè)整體， 易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 本監(jiān)控系統(tǒng)采用 PLC為控制 核心，具備自動(dòng)混合三種液體的功能， 由傳感器檢測儲(chǔ)藏罐中的液面高度， 按順 序加入 A、B和 C三種液體，攪拌 5s后，加熱，放出混合液體。 在此過程監(jiān)控上， 我們采用的是西門子 STEP7。西門子 STEP7是用于 SIMATIC S7-300

3、/400 創(chuàng)建可 編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件， 可使用梯形邏輯圖、 功能塊圖和語句表進(jìn)行編程 操作。關(guān)鍵詞 ：自動(dòng)化產(chǎn)品；數(shù)字運(yùn)算操作；液體自動(dòng)混合；可編程控制器PLC；西門子 STEP7；16目錄第 1 章 緒論 41.1 課程背景及意義 . 41.2 課程研究的意義及目的 . 41.3 課程研究的主要內(nèi)容 5第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 62.1 總體控制要求 62.2 設(shè)計(jì)要求 7第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 83.1 液 位 傳感器的選擇 83.2 溫度傳感器的選擇 83.3 接觸器的選擇 93.4 PLC 的選擇 93.5 系統(tǒng)的 IO 分配圖及外部接線圖 9第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4、 114.1 軟件概述 114.2 系統(tǒng)的程序圖 11心得體會(huì) 13參考文獻(xiàn) 14第 1 章 緒論1.1 課程背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的猛速發(fā)展， 自動(dòng)控制技術(shù)在人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越 來越廣泛，它的水平已成為衡量一個(gè)國家生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo) 志。在煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的程序，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)中多為易燃易爆、 有毒有腐蝕性的介質(zhì)， 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)要具有配料精確、控制 可靠等特點(diǎn)， 這也是人工操作和半自動(dòng)化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。 所以為了幫助相關(guān) 行業(yè)，特別是其

5、中的中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)多種液體自動(dòng)混合的目的， 液體自動(dòng)混合配 料勢必就是擺在我們眼前的一大課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)原有液體混合裝置進(jìn)行技術(shù)改造， 提出數(shù)據(jù)采集、 自動(dòng)控制、 運(yùn)行管理等多方面的要求。 設(shè)計(jì)的多種液體混合裝置利用可編程控制 器實(shí)現(xiàn)在混合過程中精確控制，提高了液體混合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，自動(dòng)化程度高， 適合工業(yè)生產(chǎn)的需要。PLC一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動(dòng)化程度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、使用和維 護(hù)簡便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，備受國內(nèi)外工程技術(shù)人員和工業(yè)界廠商的極大關(guān)注，生產(chǎn) PLC的廠家云起。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在 PLC中的應(yīng)用，使 PLC的功 能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。1.2

6、課程研究的意義及目的在工藝加工最初， 把多種原料在適合的時(shí)間和條件下進(jìn)行需要的加工以得到 產(chǎn)品一直都是在人監(jiān)控或操作下進(jìn)行的， 在后來多用繼電器系統(tǒng)對(duì)順序或邏輯的 操作過程進(jìn)行自動(dòng)化操作， 但是現(xiàn)在隨著時(shí)代的發(fā)展， 這些方式已經(jīng)不能滿足工 業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。實(shí)際生產(chǎn)中需要更精確、更便捷的控制裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異， 自動(dòng)化程度要求越來越高， 原來的液體混合遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不能夠滿足當(dāng)前自動(dòng)化的需要。 可編程控制器液體自動(dòng)混合系統(tǒng)集成自動(dòng)控制技 術(shù)，計(jì)量技術(shù)， 傳感器技術(shù)等技術(shù)與一體的機(jī)電一體化裝置。 充分吸收了分散式 控制系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，配置靈活，組 態(tài)方便。

7、采用基于 PLC的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機(jī)、 繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)， 具有良好的可移植性和可維護(hù)性。 對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大的幫 助，同時(shí)又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波 動(dòng)，因此具有廣闊的市場前景。用 PLC進(jìn)行開關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金、 機(jī)械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需用到它，如燈光照明、機(jī)床電 控、自動(dòng)化倉庫、液體混合自動(dòng)配料系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都 廣泛應(yīng)用 PLC來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。1.3 課程研究的主要內(nèi)容本課題應(yīng)解決的主要問題是如何使 PLC在液體灌裝中實(shí)現(xiàn)控制功能， 在相關(guān) 的研究文獻(xiàn)報(bào)道中用 PLC對(duì)灌

8、裝機(jī)進(jìn)行控制的研究尚不多見， 以致人們難以根據(jù) 它的具體情況，正確選用參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制， 也就難以滿足提高質(zhì)量和效率、 降 低成本的要求，本設(shè)計(jì)就是基于以上問題進(jìn)行的一些探索。然后，講述了可編程控制器的應(yīng)用， 通過論述可編程控制器的優(yōu)點(diǎn)對(duì)可編程 控制器對(duì)多種液體混合裝置的控制有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)。 綜合多種液體自動(dòng)混合裝 置的控制系統(tǒng)的要求，進(jìn)行了外部電路的連線和 PLC 程序設(shè)計(jì)，從部件的選擇， 流程的分析，程序順序控制的設(shè)計(jì)等方面，完成了本次的設(shè)計(jì)任務(wù)。最后，通過對(duì)程序液位控制系統(tǒng)的程序的調(diào)試， 檢測，再進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的更正， 使控制系統(tǒng)更加完善，確保系統(tǒng)能順利運(yùn)行。第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2

9、.1 總體控制要求本題目用 PLC 來模擬并實(shí)現(xiàn)多種液體自動(dòng)混合裝置的控制圖 2.1 液 體 混 合 灌 裝 機(jī) 面 板由面板圖可知：其中 L1、L2、L3 為液面?zhèn)鞲衅?，液面淹沒該點(diǎn)時(shí)為 ON。Y1、 Y2、Y3、Y4為電磁閥， M為攪拌電機(jī)， T 為溫度傳感器， H為加熱器。另外還有 控制電磁閥和電動(dòng)機(jī)的 1 個(gè)交流接觸器 KM。所有這些元件的控制都屬于數(shù)字量 控制，可以通過引線與相應(yīng)的控制系統(tǒng)連接從而達(dá)到控制效果?？刂埔笕缦拢?、初始狀態(tài)裝置投入運(yùn)行時(shí)，液體 A、B、C 閥門關(guān)閉 ，混合液閥門 打開 20s 將容器 放空后關(guān)閉。2、起動(dòng)操作按下啟動(dòng)按鈕 SB1，裝置開始按下列給定規(guī)律運(yùn)

10、轉(zhuǎn)。(1) 液體 A閥門打開，液體 A 流入容器。當(dāng)液面到達(dá) SQ3時(shí)，SQ3接通，關(guān) 閉液體 A閥門，打開液體 B 閥門。(2) 當(dāng)液面到達(dá) SQ2時(shí)，關(guān)閉液體 B 閥門，打開液體 C閥門。(3) 當(dāng)液面到達(dá) SQ1時(shí)關(guān)閉閥門 C，攪勻電動(dòng)機(jī)開始攪勻。（4）攪勻電動(dòng)機(jī)工作 1min 后停止攪動(dòng)，混合液體閥門打開，開始放出混合 液體。（5）當(dāng)液面下降到 SQ4時(shí)， SQ4由接通變斷開，再過 20s 后，容器放空，混 合液閥門關(guān)閉，開始下一周期。3、停止操作啟動(dòng)、停止、液面?zhèn)鞲衅鳌?溫度到達(dá)開關(guān)利用鈕子開關(guān)來模擬， 液體 A 閥門、 液體 B 閥門、液體 C閥門的打開與關(guān)閉以及攪動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行與停

11、轉(zhuǎn)， 加熱器的開 停用發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與熄滅來模擬。2.2 設(shè)計(jì)要求根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備工作方面及其它方面的需要，本次設(shè)計(jì)要達(dá)到如下設(shè)計(jì)要求：（1）要求本次設(shè)計(jì)的控制裝置采用 PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn) ;（2）要能完全滿足控制要求；（3）按下停止按鈕后，要將當(dāng)前的混合操作處理完畢后，才停止操作。經(jīng)過對(duì)上述設(shè)計(jì)要求的深入思考后， 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程有了一定的構(gòu)架。 具 體的想法有以下幾點(diǎn)：經(jīng)過對(duì)上述設(shè)計(jì)要求的深入思考后， 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程有了一定的構(gòu)架。 具 體的想法有以下幾點(diǎn)：我做的系統(tǒng)為多種液體自動(dòng)混合， 需要對(duì)各種液體的液面的高度監(jiān)控， 因此， 需要運(yùn)用到傳感器進(jìn)行液面高度的監(jiān)控。 各種液體入池的比例需要應(yīng)用

12、電磁閥控 制，入池后的攪拌，則需要電機(jī)控制。對(duì)各個(gè)控件的控制，需要一個(gè)完整的控制 流程，運(yùn)用 PLC 技術(shù)進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)控件的控制。具體控制方法根據(jù)題目要求，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)， A 種液體進(jìn)入溶液，當(dāng)達(dá)到 一定值時(shí)，停止進(jìn)入， B 種液體開始進(jìn)入，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，停止進(jìn)入， C 種液 體開始進(jìn)入，當(dāng)達(dá)到一定深度停止所有液體進(jìn)入。攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌， 5s 后攪拌 均勻，停止攪拌，開始加熱，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，放出液體。經(jīng) 5s 后停止放 出，按停止鍵停止操作。第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 液位 傳感器的選擇選用 LSF-2.5 型 液位傳感器其中“ L”表示光電的，“ S”表示傳感器，

13、“ F”表示防腐蝕的， 2.5 為最 大工作壓力。LSF系列液位開關(guān)可提供非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光的反 射折射原理，當(dāng)沒有液體時(shí)， 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(shí)，光被折射出去， 這使得輸出發(fā)生變化， 相應(yīng)的晶體管或繼電器動(dòng) 作并輸出一個(gè)開關(guān)量。 應(yīng)用此原理可制成單點(diǎn)開關(guān)。 LSF 光電液位開關(guān)具有較高 的適應(yīng)環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（1）工作壓力可達(dá) 2.5Mpa；（2）工作溫度上限為 125C；（ 3）觸點(diǎn)壽命為 100萬次；（4）觸點(diǎn)容量為 70w；（5）開關(guān)電壓為 24V DC；（6）切換電

14、流為 0.5A。3.2 溫度傳感器的選擇選用KTY81-210A型溫度傳感器其中“ T” 表示溫度KTY系列溫度傳感器采用進(jìn)口 Philips 硅電阻元件精心制作而成，具有精度 高，穩(wěn)定性好， 可靠性強(qiáng)， 產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點(diǎn) , 該溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于電機(jī) 變頻調(diào)速溫度控制，太陽能熱水器溫度測量領(lǐng)域彩印設(shè)備溫控，汽車油溫測量、 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)中過熱保護(hù)、加熱控制系統(tǒng)、電源供電保護(hù)等。 選用KTY81-210A型溫度傳感器。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（1）溫度系數(shù) TC 為 0.79%/K ；（ 2）精度等級(jí)為 0.5% ；（ 3）公稱壓力為 0.6MPa。3.3 接觸器的選

15、擇選 用 CJ20-10/CJ20-16 型接觸器其中“ C”表示接觸器，“ J”表示交流， 20為設(shè)計(jì)編號(hào)， 10/16 為主觸頭額 定電流相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（ 1 ） 操 作 頻 率 為 1200/h ；（ 2 ） 機(jī) 電 壽 命 為 1000 萬 次 ；（ 3 ） 主 觸 頭 額 定 電 流 為 10/16 （ A）；（ 4 ） 額 定 電 壓 為 380/220 （ A）；（ 5 ） 功 率 為 2.5KW 。3.4 PLC 的選擇在本控制系統(tǒng)中， 所需的開關(guān)量輸入為 6點(diǎn)，開關(guān)量輸出為 7點(diǎn)，考慮到系統(tǒng) 的可擴(kuò)展性和維修的方便性，選擇模塊式 PLC。選用 SIMATIC

16、 S7-300/400。主要 考慮 SIMATIC STEP7有以下特點(diǎn)：（1）豐富的指令系統(tǒng)；（2）快速的 CPU處理速度、大程序容量；（3）大的網(wǎng)絡(luò)通信功能；（4）編程及監(jiān)控功能強(qiáng)大、維護(hù)簡單、價(jià)格。3.5 系統(tǒng)的 IO 分配圖及外部接線圖多種液體混合系統(tǒng)的 IO 分配圖如表 3.1 ：表 3.1 IO 分配圖地址名稱功能I0.0啟動(dòng)開關(guān)I0.1停止開關(guān)I0.2液面?zhèn)鞲衅鞯臀粰z測I0.3液面?zhèn)鞲衅髦形粰z測I0.4液面?zhèn)鞲衅鞲呶粰z測I0.5溫度傳感器溫度檢測Q0.1電磁閥A進(jìn)液閥Q0.2電磁閥B進(jìn)液閥Q0.3電磁閥C進(jìn)液閥Q0.4電磁閥出液閥Q0.5攪動(dòng)電機(jī)Q0.6加熱器多種液體混合系統(tǒng) P

17、LC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部接線圖如圖 3.1 ：圖 3.1 系統(tǒng)外部接線圖第4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 西門子軟件概述西門子 STEP7是用于 SIMATIC可編程序控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包， 其用 戶接口是基于當(dāng)前最高水平的人機(jī)控制工程設(shè)計(jì)，可以輕松方便的使用。 STEP7 編程軟件適用于 SIMATIC S7、M7、C7 和基于 PC的 WinAC,是供它們編程、監(jiān)控 和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7是一個(gè)強(qiáng)大的工程工具， 用于整個(gè)項(xiàng)目流程的設(shè)計(jì)。 從項(xiàng)目的計(jì)劃配置、 實(shí)施模塊測試、集成測試調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)階段，都需要不同功能的工程工具。 STEP7工程工具包括了整個(gè)項(xiàng)目流程的各種功能要求：

18、CAD/CAE支持、硬件組態(tài)、 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、仿真、過程診斷等。4.2 系統(tǒng)的程序圖多種液體混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PLC程序圖如下：1) 開始啟動(dòng)， A 液體進(jìn)料2) B 液體開始進(jìn)料， A 液體停止3) C 液體開始進(jìn)料， B液體停止4）開始攪拌， C 液體停止進(jìn)料，并且啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí) 10s6）到達(dá)設(shè)定溫度，開始放混合液體5）攪拌 10s,開始加熱，停止攪拌（ 7）當(dāng)混合液體達(dá)到低液位 L1 時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器 T2，定時(shí) 5s，放完剩余的液體， 同時(shí)進(jìn)入下一輪循環(huán)心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是非常難得的一次理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)， 通過這次對(duì) “多種液 體自動(dòng)混合裝置的 PLC 控制”的設(shè)計(jì)使我擺脫了單純理論學(xué)習(xí)的狀態(tài)，和眼高 手低的毛病，通過本次 PLC的課程設(shè)計(jì)，使我了解到 PLC 的重要性。電氣控制與可編程控制器是一門極其重要的課程， 它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和自 動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)。 在當(dāng)今由機(jī)械化向自動(dòng)化， 信息化飛速發(fā)展的社會(huì)， PLC 技術(shù)越來越受人們的廣泛應(yīng)用， 前景可觀， 因此學(xué)會(huì)和運(yùn)用 PLC，將對(duì)我們以后 踏上工作崗位有極其重要的幫助，在此次設(shè)計(jì)中，我們遇到了許多困難， 通過對(duì) 自身的查找，我找出幾點(diǎn)不足之處： 不能有效的利用身邊的資源，有點(diǎn)依賴他人； 學(xué)習(xí)認(rèn)真程度不夠，學(xué)習(xí)熱情不高，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。通過這次 PLC課程設(shè)計(jì)實(shí)踐。 我學(xué)會(huì)了 PLC的基本編程方法， 對(duì) PLC的工