毕业设计基于PLC的液体混合控制系统设计.doc

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1、基于PLC的液体混合控制系统设计1.课程设计的目的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，以往常采用传统的继电器接触控制，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，

2、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，以及开发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控制系统进行开发、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.课程设计题目描述和要求2.1控制要求按下起动按钮，电磁阀Y1闭合，开始注入液体A，按L2表示液体到了L2的高度，停止注入液体A。同时电磁阀Y2闭合，注入液体B，按L1表示液体到了L1的高度，停止注入液体B，开启搅拌机M，搅拌20s，停止搅拌。

3、同时Y3为ON，开始放出液体至液体高度为L3，再经10s停止放出液体。同时液体A注入。开始循环。按停止按钮，所有操作都停止，须重新启动。2.2 I/O分配输入 输出起动按钮：I0.0 Y1：Q0.1 停止按钮：I0.4 Y2：Q0.2图2.1 液体混合罐示意图L1按钮：I0.1 Y3：Q0.3L2按钮：I0.2 M：Q0.4L3按钮：I0.33、结构框图3.课程设计报告内容3.1 总体设计电动机MM440EM235CPU224图3.1 结构框图3.2变频调速3.2.1 变频调速的工作原理图改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越

4、来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度的降低。图 3.2 主电路连接图3.2.2 操作使用(1)根据订货资料查对柜内安装的电气元件型号、规格是否相符。(2)检查紧阎件是否有松动，发现有松动的成拧紧。(3)运行前应检查每相主回路接触电阻500 。(4)主回路工频绝缘电压试验，在相与相、相对地之间施加交流50HZ，根据开关柜的额定电压，按GB311183规定的值历时1 min应无击穿闪络现象。(5)手动操作隔离手车、断路器、机械联锁装置等35次应灵活尤卡住现象，应动作准确，程序无误。(6)在主回路不通电情况下-次控制回路通电进行动作试验，应符合二次接线图的要求，具体步骤如下：对于

5、采用ZNA一630A型真空断路器的开关 ，闸门时，用摇把先接通二次控制电源，此时电源指示灯或分指示灯亮，将分合闸转换开关按顺时针方向转到合闸位置并维持10S左右，此时断路器储能电机动作进行储能，并且合闸，断路器本身合闸指示牌显示合闸，开关柜L门合闸指示灯亮，处于合闸状态，将分合闸转换开关按逆时针方向转钊分闸位置，此时分闸线圈动作断路器分闸，指示牌显水分闸，开关柜上门分闸指示灯亮处于分闸状态。对于采用VZN一400(BC开关)频繁真空操作断路器的开关柜，首先，用手柄上大断口，使之处丁大断口状念，外关柜上门大断指示灯亮，然后将分合闸转换开关按顺时针转到合闸位置，BC开关线圈通电吸引衔铁并自保，此时

6、处于合闸状态，断路器本身合闸指示牌显示合闸， 开关柜上门合闸指示灯亮。将分合闸转换开 按逆时针方向转向分闸位置，开关线圈断电释放衔铁，此时处于分闸状态，断路器本身分闸指示牌显示分闸，开关柜上门分闸指示灯亮。按下上门紧急分闸按钮断路器以大断口状态分闸，上门大断口指示灯灭，若下次要合闸必须先用手柄合上大断口，再按上述步骤操作对于采用ZN6312(VS1型)真空断路器的开关柜操作步骤如下：关前门，用摇把将小车摇至试验或工作位置，此时试验位置或工作位置指示灯亮，分闸指示灯亮，通过前门观察孔观察断路器的合分闸指示牌应指示“分闸状态”，按下储能按钮，储能电机动作使弹簧机构储能，储能完毕后储能指示灯亮，将分

7、合闸转换开关按顺时针方向转到合闸位置，合闸线圈动作使断路器合闸，断路器本身指示牌显示“合闸”状态，开关柜上门合闸指示灯亮，处于合闸状态，将分合闸转换开关按逆时针方向转到分闸位置，此时分闸线圈动作断路器分闸，指示牌显示分闸，开关柜上门分闸指示灯亮，此时断路器处于分闸状态，可用摇把将小车退至试验位置，断路器的触头与触头盒彻底断开，前门打开，检修人员对开关柜进行维护和检修。3.3 CPU224S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果I/O点不够，则可增加I/O扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特

8、殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。CPU224本机集成14输入/10输出，和前两者相比，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量扩大了四倍，它最多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数器的处理能力，是使用得最多的S7-200产品。图 3.3 主机模块3.4 EM235当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行系统扩展。系统扩展包括I/O点数的扩展和功能的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，比如可连接的扩展模块的数量和种类等，这些主要受CPU的功能限制。S7-200 系列的PLC的主机提供一定数量的数字量I/O和模拟量I/O,在采购PLC时，用户可根

9、据需要选择最合适的主机产品，以满足具体工程项目的需要。对于I/O点数不够的情况，就必须增加I/O扩展模块，对I/O点数进行扩充了。模拟量输入/输出扩展模块EM235只有一种4路AI/1路AO（占用2路输出地址）的产品。图 3.4 扩展模块3.5专用电源的设计3.5.1 概述该设计以DC-DC变换器为核心，实现220V市电至+60V/20A的电源转换。电源设计中采用功率因数校正技术，提高了有功功率；特别是电源设计了微机控制接口，与随动系统同步工作，并实现了上电时序控制，确保+60V电压相对低压输出滞后上电。采用多重滤波措施和双绞线输出方式，有效降低输出电压纹波，提高电源输出质量；具备完善的自保护

10、功能和监控检测功能，提高了电源的安全性和可靠性。3.5.2 系统结构220V交流电压经整流和滤波后得到320V左右的直流电压，加至电源模块输入端。单DC-DC模块的最高输出电压一般为+48V，要得到+60V的直流输出电压，必须采用模块串联的方法得到。设计采用两块PH600S280-28DC-DC模块（调至+30V输出），通过串联得到+60V的输出电压，如图3.4所示快恢复二极管D1、D2为串联方式中的保护器件，要求D1、D2反向耐压大于两倍的电源额定输出电压，电流大于两倍的电源额定输出电流，正向导通压降应尽量小。由于是采用两个电源模块串联构成电源系统，在一个有限制的封装内完成设计有一定困难，有

11、的模块串联方案采用两个封装完成设计，即设计两个30V的独立电源，再进行外部串联构成+60V电源系统。本设计通过合理配置空间，在电源上下盒盖中各安装一个DC-DC模块，以金属壳体作为散热手段，采用紧凑的设计和安装技术将整个电源系统封装在一个较小的空间内，使整个电源体积、重量大大减小，截面积仅为69英寸2，实现了小体积大功率的一体化电源系统设计。图 3.5 电源结构3.5.3 S7-200 CPU内部直流电源每个S7-200 CPU模块均提供一个24V直流传感器电源和一个5V直流电源。24V直流传感器电源可以作为CPU本机和数字量扩展模块的输入、扩展模块（如模拟量模块）的供电电源以及外部传感器电源

12、使用。如果容量不能满足所有需求，则必须增加外部24V直流电源。此时外部电源不能与模块的传感器电源并联使用，以防止两个电源电位的不平衡造成对电源的破坏，但为了加强电子噪声保护，这两个电源的公共端（M）应连在一起。当S7-200 CPU与扩展模块连接时，CPU模块为扩展模块提供5V直流电源。如果扩展模块的5V直流电源需求超出CPU 5V直流电源的容量，则必须减少扩展模块的数量。3.6 液位传感器3.6.1 概述在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及自来水厂、污水处理厂等众多领域，液位（水位）是一个重要的技术参数。目前常用的液位传感器有：旋转编码浮子式传感器（机械式和光电式）、非接触式超声波传

13、感器、压力式传感器、磁浮子接点式传感器（连续式和液位开关式）等。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位信号转换成标准电流信号（420mA）。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码和脉冲信号。除智能型一体化传感器外（压力式或超声波），一般没有就地显示和数字通信功能。 3.6.2 组成及原理传感器主要由以1cm间隔均匀分布的干簧管阵列、全密封不锈钢防护管、球型磁浮子、检测电路、变送电路

14、及LCD显示器等组成。其基本原理是检测干簧管阵列中某一个或几个干簧管触点闭合状态来表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的检测方法是采用电阻分压方式，其输出电压Vo是第i个闭合干簧管的分压值。这种测量方法需精确稳定的电源Ve和分压电阻R，通过适当的变换电路（V/I），可获得420mA标准电流输出。但是，如果多个干簧管同时接通，就会影响其分压电阻比，产生较大的测量误差。若在测量中产生一个或多个干簧管永久性导通（干簧管失效），则测量无法正常进行。为避免这种情况发生，增强传感器的适应性（现场显示和通信）。3.7 元件的选型3.7.1 接触器的选择可根据据所控制负载的工作任务选择相应使用类别的接触器。生

15、产中广泛使用中小容量的笼型电动机，其中大部分负载是一般任务，相当于AC3使用类别。对于控制机床电动机的接触器，其负载情况比较复杂，既有AC3类的也有AC4类的，还有AC1和AC4类混合的负载，这些都属于重任务范畴。如果负载明显属于重任务类，则应选用AC4类接触器。如果负载为一般任务与重任务混合的情况选用AC3或AC4类接触器。若确定选用AC3类接触器，它的容量应降低一级使用。3.7.2 熔断器的选择选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体

16、为铅锡合金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。当短路电流较大时，宜采用具有高分断能力的熔断器。当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的熔断器。3.7.3 PLC的选型首先要对控制任务进行详细分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器还是晶体管型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触

17、器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能用相同种类和等级的电源。所以一旦它们是供交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以，要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。3.8软件设计3.8.1 流程图图 3.6 整体流程示意图3.8.2 仿真结果开始注入液体A,按L2表示

18、液体到了L2的高度，开启搅拌机M，搅拌20s，注入液体B，按L1表示液体到了L1的高度，图 3.7 仿真结果1以另一个速度搅拌图 3.8 仿真结果23.8.3 I/O分配说明3.8.3.1 概述一种答应多处理机系统的多个节点共享一组I/O部件的系统和方法。设置一个箱式输入输出控制器（CI/CO），其治理多处理机系统的节点和公用I/O部件之间的通信，以答应各节点排它地访问它的一个或多个目标部件。各个节点经过一个业务处理机和该CI/CO通信，并且该IC/OC和不同的I/O部件以及节点的USB控制器互连。3.8.3.2 主要要求一种计算机系统，包括： 多个系统节点，每个节点至少具有一个系统处理机和一

19、个关联的存储器，所述系统节点各被连接以在各自的部件端口上进行通信； 一个部件控制器，其连接到所述部件端口中的至少一个端口上；以及 至少一个和所述部件控制器连接的外围设备， 其中所述系统配置成执行下述步骤： 在直接连接上从某系统节点向所述部件控制器发送请求； 通过所述控制器建立所述系统节点和所述外围部件之间的排它性连接；以及 由所述系统节点操作所述外围设备。4.总结该实验程序可正确实现液体混合的控制，而且可靠性安全性高，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。该传感器非常适合小量程移位的测量，测量方法简单，不受环境温度及个别干簧管永久性导通的影响，稳定性好，适应性强，安

20、装方便，维护简单。因集传感、变送和通信为一体，易于和计算机检测与控制系统相连，方便地组成网络化应用系统，大大降低系统成本，可广泛应用于水利、环保和农业灌溉等场合。参考文献1王永华，现代电气控制及PLC应用技术M，北京，北京航空航天出版社，2003年2胡学林，可编程控制器教程（基础篇）M，北京，电子工业出版社，2004年3陈建明，电气控制与PLC应用M，北京，电子工业出版社，2006年4西门子（中国）有限公司，深入浅出西门子S7-200PLCM，北京，北京航空航天出版社，2003年5吕卫阳，PLC工程应用实例解析M，北京，中国电力出版社，2007年6张万忠，可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列）M，北京，中国电力出版社，2005年7纵 勇，王红军，变频调速的原理及应用J，煤炭技术，第25卷第9期2006年9月8李为民，吴曼曼，直流电机伺服驱动专用电源的设计J，中国传动网，2006-8-25 10:34:009网络转载，种新型液位传感器及变送器的设计J，中国传动网，2007-6-11 13:29:0010于静，分区计算机系统中的动态I_O分配的技术专利参考J，学生创业考试网，2007:12:28 附录A附录B附录C小组分工：系统分析： 系统设计： 撰写报告：