1、目 录第 1 章 多种液体混合灌装机控制系统设计 11.1 方案设计 11.2 方案的介绍 1第 2 章 硬件电路设计 32.1 总体结构 32.2 液位传感器的选择 42.3 搅拌电机的选择 42.4 接触器的选择 52.5 热继电器的选择 52.6 电磁阀的选择 62.7 PLC 的选择 .62.8 PLC 输入、输出口分配 .82.9 液体混合装置输入/输出接线 .8第 3 章 系统常见故障分析及维护 103.1 系统故障的概念 103.2 系统故障分析及处理 103.3 系统抗干扰性的分析和维护 11第 4 章 软件电路设计 124.1 程序框图 .124.2 根据控制要求和 I/O
2、地址编制的控制梯形图 .13课程设计心得 14参考文献 15附 录 16PLC 控制系统课程设计1第 1 章 多种液体混合灌装机控制系统设计1.1 方案设计对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现状来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。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
3、是其生产过程中十分重要的组成部分。以往常采用传统的继电器接触器控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC 在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善, 而且PLC 的抗干扰的能力也非常强，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造, 大大提高了控制系统的可靠性和自控程度, 为企业提供了更可靠的生产保障，所以PLC 在工业控制系统中得到了良好的应用。采用PLC 对容器中的液位进行监控控制
4、，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。而要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。1.2 方案的介绍（1）单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接，要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和
5、I/O接口电路，硬件设计、控制和程序设计的工作量相当大。（2）继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参数变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响PLC 控制系统课程设计2整个系统的正常工作，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制系统价格非常高，灵活性差，响应速度慢。（3）可编程序控制器控制可编程控制器(PLC)从上世纪 70 年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，
6、可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统，随着 30 多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现状 PLC 已经发展成不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种功能，是名副其实的多功能控制器。由 PLC 为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。（4）工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性比较强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实时性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大才效用。且其外部 I/O 接线一般都
7、用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。PLC 控制系统课程设计3混合液体 D 阀门液体 C 阀门液体 A 阀门液体 B 阀门液面传感器 SL4液面传感器 SL3液面传感器 SL2液面传感器 SL1M搅拌电动机图 2-1 液体混合灌装机第 2 章 硬件电路设计2.1 总体结构从图 2-1 中可知设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌。此装置需要控制的元件有：其中 SL1，SL2，SL3，SL4 为液面传感器，液面淹没该点时为 ON，YV1，YV2，YV3，YV4 为电磁阀，M 为搅拌机。另外还有控制电磁阀和电动机的 1 个交流接触器 KM。所有这些元件
8、的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。PLC 控制系统课程设计4要求如下：1、初始状态：当装置投入运行时，容器内为放空状态。2、起始操作：按下启动按钮 SB1，装置开始按规定工作，液体 A 阀门打开，液体 A 流入容器。当液面到达 SL2 时，关闭液体 A 阀门，打开 B 阀门。当液面到达 SL3 时，关闭液体 B 阀门，打开 C 阀门。当液面到达 SL4 时，关闭液体 C 阀门，搅拌电动机开始转动。搅拌电动机工作 1min 后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到 SL1 时，SL1 有接通变为断开，在经过 20s 后，容器放空，混合
9、液体阀门 YV4 关闭，接着开始下一个循环操作。3、停止操作：按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余任务，系统停止在初始状态。2.2 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
10、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 24V DC；6）切换电流为 0.5A。2.3 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；PLC 控制系统课程设计52）电动机运行地点的海拔不超过 10
11、00m。工作温度 -1540/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 2-2。2.4 接触器的选择选用 CJ20-10/CJ20-16 型接触器。其中“C ”表示接触器， “J”表示交流，20 为设计编号，10/16 为主触头额定电流。相关元件主要技术参数及原理如下：1）操作频率为 1200/h；2）机电寿命为 1000 万次；3）主触头额定电流为 10/16（A） ；4）额定电压为 380/220（A） ；5）功率为 2.5KW。2.5 热继电器的选择选用 JR16B-60/3D 型热继电器。其中“J”表示继电器， “D”表
12、示带断相保护。相关元件主要技术参数及原理如下：1）额定电流为 20（A） ；L1 L2 L3QSFUKMFRM3图 2-2 硬件接线PLC 控制系统课程设计62）热元件额定电流为 32/45（A） 。2.6 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。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-2060；3）使用电压：AC：220V50Hz/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
13、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）宽度。相关元件主要技术参数及原理如下：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：220V50Hz/60HZ DC：24V；4）功率：AC：5KW。2.7 PLC 的选择传统的控制方法是采用继电器-接触器控制。这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率。采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将
14、计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，完全能满足控制要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。PLC 的一般结构如图 2-3 所示，由图可见主要有 6 个部分组成，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、
15、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PLC 控制系统课程设计7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
16、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。（4）电源模块输入、输出接口电路是 PLC 与现场 I/O 设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为 PLC 能够接收和处理的信号，将 CPU 送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。接受现场信号微处理器 CPU电源部件输 出 部 件输 入 部 件外 设 接 口I/O扩 展 接 口系 统 程 序用 户 程 序其他外设I/O扩 展 接 口编译器其他外设驱动受控单元AB图 2-3 PLC 结构图PLC 控制系统课程设计8220VFU22.8 PLC 输入、输出口分配输入/输出地址分配如表 2-1 所示。输入设备
17、 输入点编号 输出设备 输出点编号启动按钮 0.00 电磁阀 YV1 1.00SL1 液位传感器 0.01 电磁阀 YV2 1.01SL2 液位传感器 0.02 电磁阀 YV3 1.02SL3 液位传感器 0.03 电磁阀 YV4 1.04SL4 液位传感器 0.04 搅拌机 M 1.03停止按钮 0.052.9 液体混合装置输入/输出接线输入/输出接线图如图 2-4 所示。（1）一种液体的进入PLC 通电源后，按下启动按钮 SB1，触点 0.00 通，1.01 得电并自锁，与之相连的电磁阀 YV1 接通并保持，液体 A 开始流入，当液体达到液面传感器 SL1 的位置时，SL1 动作。0.02
18、0.01表 2-1 液体混合装置输入/输出地址分配图 2-4 输入/ 输出接线图0.030.040.05SL1SL2SL3SL4启动 SB1停止 SB2IM IL1.001.011.021.031.04MFU1NYV1YV2YV3YV4KM0.00PLC 控制系统课程设计9（2）第二种液体的进入液体达到液位传感器 SL2 的位置时，SL2 动作，0.02 接通使 1.02 得电并自锁，与之相连的电磁阀 YV2 接通并保持，液体 B 开始流入液罐，同时0.02 的动断辅助触点 0.02 断开，液体 A 停止流入。（3）第三种液体的进入液体到液位感器 SL3 的位置时，SL3 动作作，0.03 接
19、通使 1.03 得电并自锁，与之相连的电磁阀 YV3 接通并保持，液体 C 开始流入液罐，同时1.03 的动断辅助触点 1.03 断开，液体 B 停止流入。（4）搅拌机工作当液体达到液位传感器 SL4 时，SL4 动作，0.04 接通使 1.04 得电并自锁，与之相连的电磁阀接通并保持，同时 0.04 的动断辅助触点 0.04 断开，液体 C 停止流入，搅拌机开始搅拌，同时时间继电器 T37 得电开始计时。（5）混合液体开始排出1 min 后时间继电器 T37 计时时间到，其动合辅助触点 T37 闭合，1.05得电并自锁，与之相连的电磁阀 YV4 接通并保持，同时 1.05 的动断辅助触点 1
20、.05 断开，断开 1.01、1.02、1.03、1.04，液体开始排出。（6）混合液体排完1.05 得电的同时带动 1.06 得电，液体排出的同时SL4、 SL3、 SL2、SL1 相继复位，当液面下降到 SL1 时， SL1 由接通变为断开，其动断辅助触点 SL1 复位闭合，时间继电器 T38 得电开始计时，20s后 T38 计时时间到，其动断辅助触点 T38 断开，1.05 失电停止排放液体。（7）重复液体混合过程及停止T38 动合辅助触点闭合，1.01 得电自锁，其动断辅助触点 1.01 断开，T38 失电复位，开始循环，当需要停止时按下停止按钮 0.05，1.07 得电并自锁，当 T
21、38 得电时 1.08 得电，停止工作。PLC 控制系统课程设计10第 3 章 系统常见故障分析及维护3.1 系统故障的概念系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为 PLC 故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC 系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O 模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括 I/O 端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。3.2 系统故障分析及处理PLC 主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统、电源在连续工作、散热中、电压和电流的波动冲击是不可避免的。系统总线的损坏主要由于现在 PLC 多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局
22、部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前 PLC 的主存储器大多采用可擦写 ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU 模块工艺水平有关。而 PLC 的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片、故障率已经大大下降。对于 PLC 主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，同时在系统维护时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。PLC 最大的薄弱环节在 I/
23、O 端口。PLC 的技术优势在于其 I/O 端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O 模块是体现 PLC 性能的关键部件，因此它也是 PLC 损坏中的突出环节。要减少 I/O 模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先应按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面：第 1 类故障点是在继电器。接触器、PLC 控制系统的日常维护中，电器备件消耗量最大的为各类继电器和空气开关，主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点容易打火或氧化
24、，然后发热变形直至不能使用。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。第 2 类故障多发点在阀门等设备上。因为这类设备的关键执行部件，利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环PLC 控制系统课程设计11节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。第 3 类故障点是传感器和仪表。这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量和动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出
25、电缆，而且要在 PLC 内部进行软件滤波。这类故障的发生及处理也和日常巡检有关，发现问题应及时处理。3.3 系统抗干扰性的分析和维护由于 PLC 是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要再采取特殊措施就能直接用于工业环境中。单如果工业环境过于恶劣，如干扰特别强烈，可能使 PLC 引起错误的输入信号；运算出错误的结果；产生出错误的输出信号；造成错误的动作，就不能保证控制系统正常、安全运行。因此为提高控制系统的可靠性，在设计时采取相应有效的抗干扰措施是非常有必要的。外界干扰的主要来源有：1）电源的干扰供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。2）感应电压的干扰PLC 周围邻近的大容量设
26、备启动和停止时，因电磁感应引起的干扰；其他设备或空中强电场通过分布电容串入 PLC 引起的干扰。3）输入输出信号的干扰输入设备的输入信号线间寄生电容引起的差模干扰和输入信号线与大地间的共模干扰；在感性负载的场合，输出信号由断开-闭合时产生的突变电流和由闭合- 断开的反向感应电势以及电磁接触器的接点产生电弧等产生的干扰。4）外部配线干扰因各种电缆选择不合理，信号线绝缘降低，安装、布线不合理等产生的干扰。提高 PLC 控制系统抗干扰性能的措施：1 科学选型；2 选择高性能电源，抑制电网干扰；3 正确的选择接地点，完善接地系统；4 柜内合理选线配线，降低干扰。PLC 控制系统课程设计12启动开阀门
27、YV1，1.00，输入液体 A液体到 SL1 位液体到 SL2 位液体到 SL3 位关阀门 YV1，1.00，开阀门YV2，1.01，输入液体 B液体到 SL4 位关阀门 YV2，1.01，开阀门YV3，1.02，输入液体 C关阀门 YV3，1.02，启动搅拌机 1.03搅拌时间到停止搅拌机 1.03，开阀门YV4，1.04，输出混合液体 D传感器 SL4,SL3,SL2,SL1 相继复位，混合液体低于 SL1启动输出延时延时时间到关阀门 YV4，1.04，溶液排空第 4 章 软件电路设计4.1 程序框图程序框图如图 4-1 所示。任务 1任务 2任务 3任务 4任务 5任务 6任务 7按下停
28、止按钮 处理完当前循环周期任务 停止图 4-1 程序框图PLC 控制系统课程设计134.2 根据控制要求和 I/O 地址编制的控制梯形图控制梯形图如图 4-2 所示。IN TONPT 100msIN TONPT 100ms0.00 1.00 0.02 1.051.011.01T380.02 0.03 1.051.021.031.050.040.031.041.050.04600T371.05T38T371.051.05 1.081.061.060.01 1.06 1.01 T382001.071.080.051.071.07 T381.08图 4-2 控制梯形图PLC 控制系统课程设计14课程
29、设计心得经过两周多的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多得多。而在这次设计液体混合控制的过程中，我学到了很多有关设计方法与工作原理，不但巩固了以前所学过的知识，也学到了很多在书本上所没有学到过的知识。同时也明白了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，原本以为我们学习的课程很多了。但是当我们要真正
30、的用我们已学过的知识来解决实际的问题时，开始我们都茫然了。所以，我们要学的东西真的还有很多很多，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，在实际的操作过程中，我们才能够体会到其中意义，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。PLC 控制系统课程设计15参考文献1 弭洪涛,宋宏 .电气控制技术M.吉林:吉林科技出版社,2001.2 江秀汉.可编程控制器原理及应用M.西安:西安电子科技大学出版社,1994.3 廖常初. PLC 基础及应用M.北京:北京机械工业出版社,2004.4 马小军.可编程控制器及其应用M.南京:东南大学出版社,2007.5 史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京:北京化
31、学工业出版社,2003.PLC 控制系统课程设计16附 录程序语句表如下：NETWORK 1LD 0.00OR 1.01OR T38AND NOT 1.08AND NOT 0.02AND NOT 1.05OUT 1.01NETWORK 2LD 0.02AND NOT 0.03AND NOT 1.05OUT 1.02NETWORK 3LD 0.03AND NOT 0.04AND NOT 1.05OUT 1.03NETWORK 4LD 0.04AND NOT 1.05OUT 1.04TON T37，+600NETWORK 5LD T37OR 1.05AND NOT T38OUT 1.05NETWORK 6LD 1.05OR 1.06PLC 控制系统课程设计17AND NOT 1.08OUT 1.06NETWORK 7LD NOT 0.01AND 1.06AND NOT 1.01TON T38，+200NETWORK 8LD 0.05OR 1.07AND NOT 1.08OUT 1.07NETWORK 9LD 1.07AND T38OUT 1.08END
