电气控制与PLC课程设计液体自动混合控制.doc

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1、电气控制与PLC课程设计题目：液体自动混合控制院 系专 业 班 级：姓 名学 号：指导教师：二一五年六月PLC课程设计任务书一、基本情况学时：1周 学分：1学分 适应班级：自动化1201-1202，电气工程1201-1204二、进度安排本设计共安排1周，合计30学时，具体分配如下：实习动员及准备工作： 1学时总体方案设计：4学时硬件设计：10学时软件设计：10学时撰写设计报告：4 学时总结： 1学时教师辅导： 随时三、基本要求1、课程设计的基本要求电气控制与PLC课程设计的主要内容包括：理论设计与撰写设计报告等。其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、软件系统设计；硬件设计包括单元电路，

2、选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图，程序流程图，应用程序。程序设计是课程设计的关键环节，通过进一步完善程序设计，使之达到课题所要求的指标。课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。2、课程设计的教学要求电气控制与PLC课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到6次以上的学生，该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。课程设计的任务相对分散，每3-4名学生组成一

3、个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。四、设计题目及控制要求某一液料自动混合装置如下，用于将3种液体按一定的容积比例进行混合。1.初始状态，液罐为空的，电磁阀YV14、电动机M均为失电状态，液位传感器SQ14均为不动作状态。2.物料自动混合控制。按下起动按钮SB1，电磁阀YV1的电，开始注入液料1，当液料1的液位达到液位传感器SQ3时，YV1关，YV2阀开，注入液料2，当液位达到

4、液位传感器SQ2时，YV2阀关，YV3阀开，注入液料3，当液位达到液位传感器SQ1时，YV3阀关，搅拌电动机M起动，搅拌20秒后停止，放液电磁阀YV4动作，当液位下降到液位传感器SQ4以下时，再经过5秒钟（放掉剩余液体）后，SQ4阀关闭，之后，自动循环上述过程。3.停止操作。按下停止按钮SB2，当完成一个循环过程，即液灌液体放空后在全部停止。按下急停按钮SB3，所有输出立即停止。五、设计报告设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。设计报告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目录4、正文(1) 所作题目的意义、

5、本人所做的工作及系统的主要功能；(2) 方案选择及论证；(2) 硬件电路设计及描述（包括硬件的选型及电路图、输入输出接线图等的设计）；(3) 软件设计流程及描述（流程图及文字说明；(4) 源程序代码及调试；5、心得体会 6、参考文献 六、考核方法电气控制与PLC技术课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。 考核分三个方面进行：平时表现20%；设计过程25%；设计报告 40%；设计答辩15%。有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理： 1、设

6、计期间累计迟到、早退达8次；2、设计期间累计旷课达6节；3、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；4、不能完成设计任务，达不到设计要求。摘要可编程序控制器（Programmable controller）简称PLC，是近年来一种极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出完成确定的逻辑顺序、定时、记数、运算和一些确定的功能来控制各种类型的机械或生产过程。由于PLC的性能优越，兼具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等双重优点，形成以微电脑为核心的

7、电子控制设备。可编程序控制器技术在世界上己广泛应用，成为自动化系统中的基本电控装置PLC在现代工业生产和实际生活中有着广泛的应用，由于可编程控制器（PLC）具有编程软件采自易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器来实现。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控制要求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

8、个周期控制工作的程序实现。该掺混控制系统，根据实际要求利用PLC的实时控制和顺序处理功能，完成系统控制，。在本次论文中，给出了控制系统的硬件原理图，主电路图及软件设计。关键词： 自动控制 可编程序控制器 存储器 计算机技术目录1章绪论11.1 研究的意义及目的11.2 可编程控制器基本应用和发展方向21.2.1 PLC的基本应用21.2.2 PLC发展方向31.3 本课题的主要任务和基本参数31.3.1 设计内容31.3.2 设计要求42章方案的论证与选择53章液体自动混合控制的硬件设计93.1 总体结构93.2 元器件的选择103.3 液位传感器的选择113.4 搅拌电机的选择113.5 电

9、磁阀的选择123.6 PLC的选择143.7 PLC输入输出口分配153.8 PLC输入/输出接线设计164章软件系统174.1 程序流程图174.2 梯形图程序的总体结构图设计185章调试结果19心得体会20参考文献21第1章 绪论1.1研究的意义及目的以可编程序控制器为主要控制装置所构成的控制系统为可编程序控制系统或PLC控制统。可编程控制器(PLC)控制系统以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点,在工业控制中得到广泛的应用。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

10、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是易燃易爆、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。所有为了帮助相关行业，特别是其中的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就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，尤其见于化学化工业中，便于学以致用。采用基于PL

11、C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，具有良好的课移植性和可维护性。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，用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。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

12、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。1.2可编程控制器基本应用和发展方向1.2.1PLC的基本应用最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。PL

13、C具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。1.2.2PLC发展方向由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：1、朝着小型、简易、价格低廉方向发展。近年来，单片机的出现，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和规模比较小的自动线控制。2、朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多处理器系统，由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。通过丰富的智能外围接口，可以独立完成位置控制、闭环调节等特

14、殊功能；通过网络接口，可级连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络，适用于大型自动化控制系统，如霍尼韦尔的9000系列等。从PLC的发展趋势看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术和CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。1.3本课题的主要任务和基本参数1.3.1设计内容1. 可编程程序控制器输出输入接线图。2. 电动机主电路图。3. 控制梯形图和程序。1.3.2设计要求1. 设计应根据题目要求，满足控制要求。2. 列出所选设备型号、规格和数量等。3. 说明书应书写工整、整齐，用规定统一纸张。4. 图纸应清洁规

15、范，电气图形符号和文字符号应规范。5. 设计独立完成，不得抄袭他人。第2章 方案的论证与选择目前常用的控制系统有以下几种：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机和可编程控制器控制。现在将这几种控制系统相比较，并结合本设计的实际确定控制方案。(1)继电器控制系统PLC与继电器均可用于开关量逻辑控制。PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器(或称物理继电器)和硬件接线来实现的，PLC的控制功能主要是用软件(即程序)来实现的。PLC采用的计算机技术、顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能

16、强大的多。继电器系统的可靠性差，诊断复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的输出继电器是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于出现接触不良的现象。PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既困难又费时，设计出的电路也很难阅读理解。PLC有大量用软件实现的辅助继电器，定时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。用先进的顺序控制设计法来

17、设计梯形图，比设计相同功能的继电器电路花费的时间要少得多。继电器要在硬件安装，接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时间也很多。PLC控制系统的开关柜制作，现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。（2）单片机控制单片机又称单片微控制器，将CPU、并行输入/输出接口、定时器/计数器、存储器和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的8位单片机销售仅为几元，其功能强，响应速度快，性能价格比极高。但是除了单片机芯片外，单片机还需要设计硬件电路图和印制电路板。单片机一般用汇编语言或C语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。将单片机用于工业控制

18、，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。此外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件，软件方面的抗干扰措施，才能保证长期稳定可靠的运行。有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都难达到PLC的水平。(3) 工业控制计算机控制控制用的个人计算机(PC)称为工业控制计算机，简称为工控机。工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线结构，硬件的兼容性较强。IPC有各种各样的输入/输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点去处、图像运算、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。PLC的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。工控机则来源于个人计算机，主要用于过程控制或

19、控制系统中的上位机和人机接口。在高端应用方面，很难区分PLC和工业PC之间的差异，因主两者均采用同样的微机处理器和内存芯片。PLC与PC相比有以下优点：1) 对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优势。工控机的价格比较高，将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制，无论在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如PLC。2) PLC的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。3) PLC是专门为工厂现场应用环境设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，对印制板，电源，机架，插座的制造和密闭，均采用了严密的措施。4) PLC使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易学。与PC机发展太快相比，PLC产品可

20、以长期供货，并提供长期的技术支持。5) PLC有庞大的有经验的设计人员，维护人员和技术支持系统。（4）可编程程序控制器控制PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。有以下主要特点： 1）使用灵活、通用性强；2）可靠性高、抗干扰能力强；3）接口简单、维护方便；4）体积小、功耗小、性价比高；5）编程简单、容易掌握；6）

21、设计、施工、调试周期短。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。通过以上几种控制方案的比较，选用PLC来实现对液体混合过程的控制。第3章 液体自动混合控制的硬件设计3.1 总体结构某一液料自动混合装置如图1所示，用于将3种液体按一定的容积比例进行

22、混合图3.1 液料自动混合装置工作示意图1.初始状态，液罐为空的，电磁阀YV14、电动机M均为失电状态，液位传感器SQ14均为不动作状态。2.物料自动混合控制。按下起动按钮SB1，电磁阀YV1的电，开始注入液料1，当液料1的液位达到液位传感器SQ3时，YV1关，YV2阀开，注入液料2，当液位达到液位传感器SQ2时，YV2阀关，YV3阀开，注入液料3，当液位达到液位传感器SQ1时，YV3阀关，搅拌电动机M起动，搅拌20秒后停止，放液电磁阀YV4动作，当液位下降到液位传感器SQ4以下时，再经过5秒钟（放掉剩余液体）后，SQ4阀关闭，之后，自动循环上述过程。3.停止操作。按下停止按钮SB2，当完成一

23、个循环过程，即液灌液体放空后在全部停止。按下急停按钮SB3，所有输出立即停止。3.2 元器件的选择表一元器件明细表名称型号数量备注按钮开关KH-22043个液位传感器LSF-2.54个搅拌电动机EJ15-31个电磁阀（入液罐）VF4-253个电磁阀（出液罐）AVF-401个接触器CJX1-9/220V4个3.3 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

24、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125C （3）触点寿命为100万次 （4）触点容量为70w （5）开关电压为24V DC （6）切换电流为0.5A 3.33.4 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

25、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-1540C /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。其硬件接线如图2所示。3.5 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-2060C。3）使用电压：AC：22

26、0 V50Hz/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：图3.2 搅拌机的硬件接线图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：220 V50Hz/60Hz DC：24V。4）功率：AC：5KW。3.6 PLC的选择PLC的一般结构如图3所示，由图可见主要有6个部分组成

27、，包括CPU(中央处理器)、存储器、输入输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。（1）中央处理单元（CPU）与通用计算机中的CPU一样。PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。（2）存储器存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、 EEPROM等。（3）I/O模块输入模块和输出模块通常称为I/O模块

28、或I/O单元。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。图3.3 PLC结构图3.7 PLC输入输出口分配表二 输入输出分配输入点地址功能输出点地址功能I0.0 SB1启动按钮Q0.0 YV1电磁阀I0.1SB2停止按钮Q0.1 YV2电磁阀I0.2SQ3液位传感器1Q0.2 YV3电磁阀I0.3SQ2液位传感器2Q0.3 YV4电磁阀I0.4SQ1液位传感器3Q0.4搅拌机I0.5 SB4液位传感器43

29、.8 PLC输入/输出接线设计图3.4 PLC输入输出接线设计图第4章 软件系统4.1 程序流程图图4.1 程序流程图4.2 梯形图程序的总体结构图设计第5章 调试结果程序仿真如下图所示按下启动按钮，电磁阀1打开，进液料1液位到SQ3时，电磁阀2开，电磁阀1关闭，进液料2液位到SQ1时，YV3关，M启动液位到SQ4时，5秒后YV4关心得体会由于PLC产品自身具有可靠性高、灵活性强、对工作环境无要求和抗干扰性能好等诸多优点，使之完全可以将操作人员从恶劣的现场环境中解放出来，因此深受用户欢迎。同时采用PLC控制液体混合装置，还能容易的随时修改可编程控制器程序，以改变液体混合装置的工作时间和工作状态

30、，满足不同液体混合的需要。该控制系统可用较少的资金投入，达到很高的控制精度。本设计已通过模拟仿真检验，有很好的推广价值。在这一周的课程设计中，我们大致按照老师给定的进度完成设计。第一阶段完成方案的确定，实验的调试。在大家的共同努力下，我们完成了实验任务。任何设计的控制系统都是要经过实践和时间的考验方能不断的完善。此次课程设计是对我基础知识的巩固和对实践能力的提升，同时我也再一次在团队活动中完成任务，体会到团队的力量。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，我们才能走的更远！参考文献【1】晁阳 可编程控制器原理应用与实例解析 2007 清华大学出版社【2】王阿根 可编程控制原理与应用 2007 清华大学出版社【3】何献忠 可编程控制器应用技术 2007 清华大学出版社 【4】张晓锋 电气控制与可编程控制技术及应用 2010 国防工业出版社【5】史国生 电气控制与可编程控制器 2004 化学工业出版社【6】宋伯生 PLC编程使用指南 2007 机械工业出版社【7】王曙光 S7-200应用技术与实例 2007 人民邮电出版社