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学号天津城建大学现代电气控制及PLC应用技术课程设计说明书用顺序控制指令实现搅拌控制系统设计起止日期2014年月日至2014年月日学生姓名班级成绩指导教师签字控制与机械工程学院2014年月日天津城建大学课程设计任务书20—20学年第学期控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级课程设计名称现代电气控制及PLC应用技术课程设计题目用顺序控制指令实现搅拌控制系统完成期限自2014年月日至2014年月日共1周设计依据、要求及主要内容(可另加附页)一.课程设计的目的
(1)能够根据功能要求选择PLC的类型及其根据I/O点的要求选择该类PLC的型号
(2)根据所选的PLC的类型,掌握该PLC的编程软件并能够利用该软件绘制设计课题的梯形图
(3)根据I/O点的定义,绘制PLC外部电气接线图二.课程设计的基本要求要求每位同学__完成设计任务设计任务要完成内容的基本要求如下
(1)电气原理图设计根据设计课题的工艺流程,绘制系统的电气原理图(主电路图)原理图设计要符合项目的工作原理,原理图要完整,连线要正确
(2)硬件选型根据要实现的功能要求,确定PLC的型号和所需I/O点数所选PLC型号应能满足设计要求,如所选PLC型号I/O点不满足设计需要,则还需进行I/O口扩展模块选型
(3)PLC外部接线图设计根据设计要求,自行分配I/O点,列I/O分配表;根据I/O点的分配情况,绘制PLC外部电气接线图
(4)软件流程图设计根据要求,将总体项目分解成若干个子功能模块,每个功能模块完成一个特定的功能根据总体要求及分解的功能模块,确定各功能模块之间的关系,设计出完整的程序流程图
(5)梯形图设计根据所绘制流程图,利用相应PLC编程软件编写出梯形图
(6)书写设计说明书课程设计报告要做到层次清晰,论述清楚,图表正确1)电气原理图设计说明简要说明设计目的,原理图中所使用的器件功能及作用2)PLC选型和I/O口分配说明对PLC选型过程进行说明,给出I/O口分配表和PLC外部接线图3)程序设计说明对程序设计总体功能进行说明,对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述,给出程序流程图,并给出相应的程序清单,选择比较有难度的程序段进行详细说明三.课程设计控制要求按启动按钮后系统自动运行,首先打开进料泵1,开始加入液料A中液位传感器动作后,则关闭进料泵1,打开进料泵2,开始加入液料B高液位传感器动作后,则关闭进料泵2,启动搅拌器,搅拌10s后关闭搅拌器,开启放料泵,当低液位传感器动作后,延时5s后关闭放料泵按停止按钮,系统应立即停止运行指导教师(签字)系(教研室)主任(签字)批准日期年月日目录TOC\o1-3\h\z\u
一、绪论1
二、总体方案的设计
12.1方案的目的与意义
12.2总体方案设计原则
12.3总体方案设计要求
22.4总体方案设计思想2
三、 硬件设计
33.1硬件选择
33.2PLCI/O点分配5四软件设计
54.1程序设计流程图
54.2顺序功能图的设计6
五、总结10
六、参考资料10
一、绪论鉴于搅拌设备的广泛应用,随着近年来工业技术的发展,流体混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究__以来,虽有大量设计经验关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合因此,从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对__新型搅拌设备,而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义而对于搅拌设备的研究,除功率问题外,有关搅拌的流体力学研究具有重要意义这方面已经做了很多工作,但尚需扩大和深入在液体中进行搅拌时,搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动,而且要在液体中产生波动,波动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋窝现象有密切关系随着科学技术的发展,设备有大型发展的趋势,也需求搅拌设备大型化采用大型聚合釜可以大大减少操作和检修人员,有利于自动化,减少投资,提高生存率,稳定产品质量随着容积的大型化,釜型逐渐有细长型向矮胖型发展,而且采用底部搅拌的方式越来越多,多用三叶后掠式搅拌器三叶后掠式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好的搅拌器因它排出量大,釜内液相循环充分,每分钟可达5-10次,能促使釜内反应均匀一致可见,科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大,搅拌技术的发展又使得搅拌设备的大型化为了提高搅拌的全自动好和稳定性能,就需要一个功能更强、性能更好的系统做支持本设计基于可编程程序控制器(PLC)的设计方案,实现对液体混合搅拌的控制以PLC S7-200为主要控制器根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等,设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时,从而满足控制要求
二、总体方案的设计
2.1方案的目的与意义在众多生产领域中,经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控,以往常采用传统继电器接触控制,使用硬连接电器多,可靠性差,自动化程度不高,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本文在此介绍一种采用可编程控制器(PLC)对液位进行监控的一种方法,其电路结构简单,投资少(可利用原有设施改造),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,适用于多段液位监控场合应用PLC作为主控制器设计液体混合控制系统,完成两种液体的混合和搅拌工艺通过课设计,使我们的综合素质和动手能力有所提高,能够真正做到自己发现问题、分析问题和解决问题通过本课程设计的使我们掌握PLC的软、硬件结构、工作原理、指令系统和梯形图编程的基本方法,以及__PLC控制生产过程的基本方法使我们能初步对生产过程或设备的PLC控制系统进行__、设计并了解PLC与PC之间的网络化通信控制,为毕业后从事工业生产过程自动化打下良好的基础
2.2总体方案设计原则这个设计过程是按工艺流程设计,为设备__、运行和保护检修服务,设计的编程按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号及其他相关标准和规范编写设计原则主要包括工作条件工程对电气控制线路提供的具体资料,系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下,尽量做到经济、合理、合用,减小设备成本在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品控制由人工控制到自动控制,由模拟控制到微机控制,使功能的实现由一到多而且更加趋于完善对于本课题来说,液体混合系统是一个较大规模工业控制系统的改适升级,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的元器件要实现整个液体混合控制系统的设计,需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑,现在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
2.3总体方案设计要求本设计设计为两种液体混合搅拌控制,在该混合液体装置中,需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能其元件、要求如下该系统有三个液面传感器L1为高液面传感器,L2为中液面传感器,L3为低液面传感器当液面到达某个传感器的位置时,该传感器就会发出ON__,若低于传感器的位置时,传感器就会变成OFF状态该系统有三个电磁阀Y1为液料A输入电磁阀,Y2为液料B输入电磁阀,Y4为混合液料C输出电磁阀当电磁阀为ON状态时,阀门打开,为OFF状态时阀门就关闭,阀门的开和闭来实现液体的流入和流出M为搅拌电动机,当M=ON时搅拌电动机运行,当M=OFF时,搅拌电动机停止初始状态启动搅拌机之前,容器是空的,各阀门关闭,传感器L1=L2=L3=OFF,搅拌电动机M=OFF操作工艺搅拌机开始工作时,先按下启动按钮,阀门Y1打开,开始向仓里放液料A;当液面达到传感器L3时,L3=ON、A液料继续注入,直到液面达到L2时,L2=ON使得Y1=OFF、Y2=ON即关闭阀门Y1,停止送液料A,打开阀门Y2,开始注入液料B;当液面达到L1时,关闭Y2同时开始启动搅拌电动机M,电机开始搅拌10秒后,液体均匀,停止搅拌,即N=OFF,打开阀门Y4,放出混合液体当液面低于L3时,再过5秒,容器中的混合液体全部放空,关闭阀门Y4,自动开始下一个操作循环若在工作中按下停止按钮,搅拌器不会立即停止工作,只有当混合搅拌操作结束后才能停止工作,即停在初始状态
2.4总体方案设计思想
1.可靠性高,抗干扰能力强 可靠性指的是PLC平均无故障工作时间由于PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一,主要有这样几方面1输入、输出均采用光电隔离,提高了抗干扰能力;2主机的输人电源与输出电源均可相互__,减少了电源间干扰;3采用循环扫描工作方式,提高抗干扰能力;4内部采用“监视器”电路,有良好的自诊断功能,以保证CPU可靠地工作;5采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构,可适应恶劣环境;6在软件方面,增加故障检测和程序诊断等措施2.控制功能强一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,可以实现非常复杂的控制功能与相同功能的继电器系统相比,它具有很高的性能__比PLC可以通信联网,实现分散控制与集中管理3.用户使用方便PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选 用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统PLC的__接线也很方便,有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器硬件配置确定后,可进行在线修改,柔性好,通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化4.编程方便、简单梯形图是PLC使用最多的编程语言,其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似梯形图语言形象、直观、简单易学,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序5.设计、__、调试周期短PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、__、接线工作量大大减少,缩短了施工周期PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行__和接线,在现场的统一调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,大大缩短了设计和投运周期6.易于实现机电一体化PLC体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强,使之易于__在机器设备内部,制造出机电一体化产品目前以PLC作为控制器的计算机数控装置CNC设备和机器人装置已成为典型
[11]
三、 硬件设计
3.1硬件选择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__比,具体应考虑的因素如下所诉
(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,选择整体式结构的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就能够达到要求
(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,西门子的S7-200系列或欧姆龙公司的COM1
(3)同一机型PLC的结构分为整体式和模块式两种整体式结构把PLC的I/L和CPU放在同一印刷电路板上,并封装在一个壳体内,省去了插接环节,因此体积小、__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,尽量要做到机型同一由于同一机型的PLC,其模块可以互为备用,以便配件的采购和管理;另外,功能及编程方法统一,有利于技术人员的培训;其外部设备的通用也有利于资源共享若配备了上位计算机,可把各__系统的多台PLC连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的控制要求比较简单,可选择整体式结构的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,给生产带来很大的方便PLC的编程可分为离线编程和在线编程两种离线编程的PLC,其主机和编程器公用,物料控制系统采用离线编程
(5)PLC的环境适应由于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℃—+80℃ 湿度 相对湿度5%-95%(无凝结霜)振动和冲级满足国际电工委员会标准电源交流200V,允许变化范围-15%—+15%,频率47-53Hz,瞬间停电保持10ms 环境 周围空气不能混有可燃性、__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PLC容量选择PLC容量包括两个方面一是I/O点数,而是用户储存器的容量(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,以作备用根据经验,在选择储存容量时,一般按照实际需要的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;对于有模拟量控制的PLC,所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100通常,一个逻辑指令专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据存储器的字数可查阅PLC产品使用手册I/O点数也应留有适当的裕量由于目前I/O点数较多的PLC__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__和输出__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,它的工业生产环境是工业生产现场它与工业生产的__是通过I/O接口模块来实现的通过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__电平各种各样,各种机构所需的信息也是各种各样的,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__都煦经过一定的距离为了确保这些信息的准确无误,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,能方便的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、__器、电动机起动器等)进行数据传输典型的交流I/O__为24-240V(AC),直流__为5-24VDC
(3)选择开关量输入模块从下面两个方面考虑一是根据现场输入__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输入总点数的60%
(4)选择开关量输出模块时应从一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__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,且响应速率较慢,适用于不频繁的交/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,要留有足够的裕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
3.2PLCI/O点分配
(1)I/O分配表表一输入输出分配表输入点输出点地址作用地址作用I
0.0启动按钮SF1Q
0.0液体A电磁阀Y1I
0.1液位传感器L1Q
0.1液体B电磁阀Y2I
0.2液位传感器L2Q
0.2混合液体电磁阀Y3I
0.3液位传感器L3Q
0.3搅拌电机接触器MI
0.4停止按钮SF2
(2)I/O连线图���I
0.1Q
0.0I
0.2Q
0.1I
0.3Q
0.2I
0.0Q
0.3I
0.41MCOM+24VL1_GNDL1L2L3SF1SF2Y1Y2Y3KM220V图1硬件构成示意图四软件设计
4.1程序设计流程图��开始打开Y1注入液料A�到达中液位关Y1打开Y2注入液料B到达高液位关Y2电动机启动开始搅拌10s后电动机停止�Y3打开导出混合液�到达低液位�延时5s关闭Y3�按停止按钮图2程序流程图
4.2顺序功能图的设计输入输出起动按钮__1I
0.0Y1Q
0.0停止按钮__2I
0.4Y2Q
0.1L1按钮I
0.1Y3Q
0.2L2按钮I
0.2M Q
0.3L3按钮I
0.3S
0.1S
0.2S
0.3S
0.4S
0.0S
0.5T38Q
0.1Q
0.3Q
0.0Q
0.2T37Q
0.3I
0.0I
0.2I
0.2I
0.1T37I
0.3I
0.4I
0.4SM
0.1图3顺序功能图
4.3设计完整的梯形图图4混合液体控制装置PLC程序
五、总结本文重点解决了PLC程序设计的问题本文根据STEP7的结构化程序设计特点,大量采用代码重用的方法大大减少了系统的__和维护总之,基于PLC的工业现场控制的研究,在实际的应用中有着深远的影响,是一个非常有意义的研究课题这里由于时间有限和本人的研究水平有限,系统中还有很多的问题在这里没有一一详细列举出来文中也难免存在错误,希望在以后的学习过程当中能够不断的深入,所以有不足之处请各位老师给予批评指正
六、参考资料
[2]何有华.可编程序控制器及常用控制电路.冶金工业出版社.2002
[3]郭纯生.可编程序控制器编程实战与提高.电子工业出版社.2006
[4]谢克明夏路易.可编程控制器.电子工业出版社.2003。