多种液体自动混合控制系统设计
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本科生课程设计报告
题目多种液体自动混合控制系统设计
课程电气控制及可编程控制器
专业电气工程及其自动化
班级电气0802
学号
姓名
指导老师
完成日期 2011 年 12 月
目录
1 绪论 (1)
1.1 课程题目 (1)
1.2 设计目的及要求 (1)
1.3 原始资料 (1)
1.4 课题要求 (1)
1.5 日程安排 (2)
1.2 主要参考书 (2)
2 器件选择 (3)
2.1 总体结构 (3)
2.2 具体器件的选择 (3)
2.2.1液位传感器的选择 (3)
2.2.2温度传感器的选择 (4)
2.2.3 搅拌电动机的选择 (4)
2.2.4 电磁阀的选择 (5)
2.2.5 接触器的选择 (5)
2.2.6 热继电器的选择 (6)
3 程序设计 (7)
3.1 总体设计思路 (7)
3.2 PLC输入输出口分配 (8)
3.3 主电路设计 (9)
3.4 液体混合装置的输入输出接线图 (9)
3.5 液体混合装置的梯形图 (11)
4 安装、接线及系统联合测试 (13)
5 后期工作 (13)
6 总结 (14)
7 参考文献 (14)
1.绪论
1.1 课程题目
多种液体自动混合控制系统设计
1.2 设计目的及要求
1、熟悉电气控制系统的一般设计原则、设计内容及设计程序。
2、掌握电气设计制图的基本规范，熟练掌握PLC程序设计的方法和步骤。
3、学会收集、分析、运用电气设计有关资料及数据。
4、培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。
1.3 原始资料
初始时，容器为空，Y1、Y2、Y3、Y4电磁阀和M搅拌机均为OFF，
液面传感器L1、L2、L3为OFF。按下启动按钮，开始下列操作：
1、Y1、Y2为ON，液体A和B同时注入容器，当液面达到L2时，L2
为ON，使Y1、Y2为OFF，Y3为ON，即关闭Y1、Y2阀门，打开液体
C的阀门Y3。
2、液面达到L1时，Y3为OFF，M为ON，即关闭阀门Y3，电动机起
动开始搅拌。
3、经10S搅匀后，M为OFF，停止搅拌，H为ON，加热器开始加热。
4、当混合液体温度达到某一指定值时，T为ON，H为OFF，停止加热，使电磁阀Y4为ON，开始放出混合液体。
5、当液体高度降为L3后，L3从ON到OFF，再经5S，容器放空，Y4为OFF，开始下一周期。当按下停止按钮后，在当前的混合操作处理完毕后，停止操作，停在初始状态。
1.4 课题要求
1、设计原则：国家现行有关电气设计规范及主管部门规定等。
2、设计范围：控制系统主电路及控制电路设计，电器设备选型。
3、设计成果：课程设计报告（设计说明书及计算书等），主电路图、控制电路图、流程图、I/O端子接线图、梯形图及程序。（所有成果均应为打印稿）。
1.5 日程安排
本次课程设计时间共一周，进度安排如下：
1、设计准备，熟悉有关电气设计规范，熟悉课题设计要求及内容。（1天）
2、分析控制要求、主电路及控制电路方案设计。（1天）
3、绘制控制流程图、I/O端子接线图。（1天）
4、梯形图设计、编制程序及程序说明。（1天）
5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。（1天）
1.6 主要参考书
1、《电气控制与可编程控制器应用技术》郁汉琪主编东南大学出版社
2、《工厂电气控制技术》方承远主编机械工业出版社
3、《可编程控制器原理应用网络》徐世许主编中国科学技术大学出版社
4、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社
2.器件选择
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并控制温度，如图2-1所示。
此装置需要控制的元件有：其中L1、L2、L3为液面传感器，液面淹没该点时为ON。Y1、Y2、Y3、Y4为电磁阀，M为搅拌电机，T为温度传感器，H为加热器。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。
图2.1 液体混合灌装机
2.1 具体器件的选择
2.2.1 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125°C
（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 3.3
在本实验中，I/O接线图中用限位开关来代替液位传感器。
2.2.2 温度传感器的选择
选用KTY81-210A型温度传感器
其中“T”表示温度
KTY系列温度传感器采用进口Philips硅电阻元件精心制作而成，具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点, 该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统、工业控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。选用KTY81-210A型温度传感器。
相关元件主要技术参数及原理如下：
（1）测量温度范围为 -50~150℃℃
（2）温度系数TC 为 0.79%/K
（3）精度等级为 0.5%
（4）公称压力为 0.6MPa
2.2.3搅拌电动机的选择
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。
（2）电动机运行地点的海拔不超过1000m。工作温度-15～40°C /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。
2.2.4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-20～60°C。
3）使用电压：AC：220 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：
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。
2.2.5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
2.2.6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”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）
（2）热元件额定电流为32/45（A）
3.程序设计
3.1总体设计思路
经过对上述设计要求的深入思考后，对系统的设计过程有了一定的构架。具体的想法有一下几点：
系统为多种液体自动混合，需要对各种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌，则需要电机控制。对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。
具体控制方法根据题目要求，按下启动按钮时，A种液体进入容器，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入C种液体开始进入，当达到一定深度停止所有液体进入。搅拌机进行搅拌，一分钟后搅拌均匀，停止搅拌，放出液体。经20s后停止放出，按停止键停止操作。
液体的进入和放出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制。
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况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。
要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现各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。
控制流程图如下。
图3-1 液体混合装置流程图
3.2 PLC输入输出口分配
输入/输出地址分配如表1
表1 液体混合装置输入/输出地址分配输入点地址功能输出点地址功能X0 SB0启动按钮Y0 电磁阀Y1
X1 SB1停止按钮Y1 电磁阀Y2
X2 L2液位传感器Y2 电磁阀Y3
X3 L3液位传感器Y3 搅拌机M
X4 L1液位传感器Y4 加热器H
X5 T温度传感器Y5 电磁阀Y4
X6 FR常闭触点
3.3 主电路设计
因为只有搅拌机是电动机控制的，所以主电路只需要一个电机控制，并搅拌机只有启动与停止两种工作状态，因此只需要一组主触点。
主电路如下。
图3-1 液体混合装置流程图
图3-2 液体混合装置的主电路
3.4 液体混合装置的输入输出接线图
（1）两种液体的进人当PLC接通电源后，按下启动按钮SB0后，触点X0接通，由于有微分指令DF，使该路只接通一扫描周期，通过保持指令KP使Y1、Y2输出继电器线圈得电并保持，分别与之相接的Y1、Y2电磁阀带电接通，流进两种不同成分的液体。
（2）第三种液体的进人
当液体达到L2液位传感器的位置时，X2输人继电器接通使Y1、Y2关闭，同时地址为16的X2接通，利用KP指令使输出继电器Y3接通并保持，与之相连的Y3电磁阀得电接通，第3种液体流进液罐。
（3）搅拌机工作当液位到达L1液位传感器的位置时，该传感器检测到该信息，使Xl输人继电器线圈得电，在梯形图中它的X1常开触点接通，通过KP 指令复位端，使输出继电器Y3关闭，与之相连的砚电磁阀关闭，同时接通地址为32的X1常开触点，使代表搅拌机Y5的输出继电器接通。
（4）加热器工作搅拌机通过Y5的输出信号得电并开始搅拌，并用TIMY0定时器定时，定时时间为10s。10s到后，地址为45的定时器常开触点T0接通，使Y6输出继电器得电，与之相连的加热器H这时接通，开始加热液体，同时关闭Y5使搅拌机M停止。
（5）混合液体开始排出当液体温度达到预定温度时，温度传感器T检测到该信息，同时梯形图中地址为47的X4接通使Y6失电，从而使加热器H关闭，同时接通地址为51的X4常开触点，使X4接通，与之相连的Y4电磁阀打开，排出搅拌均匀后的混合液体。
（6）混合液体排完当液位低于L3液位传感器的位置时，L3液位传感器由通到断，使X3也由通到断，这样相当于一个下降沿，驱使DF产生一个扫描周期的脉冲，通过KP指令置位端使辅助继电器R0接通，接通后使定时器TMY1定时，大约5s时间，液体排完。
（7）重复液体混合过程重复液体混合过程是通过并联在梯形图地址为2位置上的定时器TMY1常开触点实现的。同时T1常开触点也接通，通过保持保持指令KP使R0复位，定时器关闭。
液体混合装置输人输出接线图如下。
图3-3 液体混合装置的I/O接线图
3.5 液体混合装置的梯形图
图3-4 液体混合装置的梯形图
多种液体混合自动装置指令表如下：
LD 0.00
ANDNOT 10.05
OR 10.00
OR 10.07
ANDNOT 0.02
ANDNOT 10.06
OUT 10.00
OUT 10.01
LD 0.02
ANDNOT 0.04
ANDNOT 10.05
OUT 10.02
LD 0.04
ANDNOT 10.04
ANDNOT 10.05
OUT 10.03
TIM 001 #100
LD TIM001
OR 10.04
ANDNOT 0.05
OUT 10.04
LD 0.05
AND 0.03
OR 10.05
ANDNOT TIM002
OUT 10.05
ANDNOT 0.03
TIM 002 #50
LD 0.01
OR 10.06
ANDNOT 0.00
OUT 10.06
LD TIM002
OR 10.07
ANDNOT 10.06
ANDNOT 10.00
OUT 10.07
4.安装、接线及系统联合测试
按照电气设计图完成接线，对程序系统与电气系统进行联合测试，详细步骤略。
如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足要求为止
5.后期工作
1、操作过程简要说明
本实验在试验箱上模拟了多液体自动混合装置的工作过程，用按钮代替液面出发开关，用信号灯表示阀门和电动机的工作状态
（1）启动开接通时，系统开始工作，电磁阀Y1、Y2打开,A和B液体注入（Y0、Y1灯亮）。当起动开关断开时，信号灯运行完一个周期后才熄灭。
（2）当液体液位到达SQ4位置时，触动开关X4，搅匀电动机M开始搅匀（Y3灯亮），同时计时器T0开始计时，10s后计时完毕，加热器H开始加热（Y4灯亮）。
（3）当液体温度达到一指定值时，温度传感器T运行，触动开关X5,加热器停止加热，电磁阀Y4开始运行（Y5灯亮）。
（4）开始放出混合液体，当液面下降到SQ3时，出动X3按钮，计时器T2开始计时5s，计时完毕后，电磁阀Y4停止。完成了一个周期的控制，开始进行下一个周期。
2、常见故障及其排除方案
(1)检查PLC能否完成1个工作流程?
不能：程序错误
解决方案：程序重编
(2)检查PLC能否从最后1步（Y4）回到第1步(Y1)开始新一轮循环?
不能：程序错误
解决方案：程序重编
(3)检查PLC能否实现连续运行？
不能：程序错误
解决方案：程序重编
6.总结
为期一个星期的PLC课程设计结束了，通过此次课程设计，我学会了PLC 的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。课程设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的一份综和性作业.在不断的努力下我的课程设计终于完成了。
在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对课程设计时发现自己的想法是错误的，我们对知识的掌握都是理论上的，对一些细节不够重视，面对单独课题的时候感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料或者是请教同学，一次一次的调试程序，最后达到设计要求。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，这次课程设计使我更深刻的理解了PLC的编程思想，也能更好的将所学知识应用到实践中去。在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
7.参考文献
1、《电气控制与可编程控制器应用技术》郁汉琪主编东南大学出版社
2、《工厂电气控制技术》方承远主编机械工业出版社
3、《可编程控制器原理应用网络》徐世许主编中国科学技术大学出版社
4、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社