搅拌机基于PLC的设计资料机械制造工业自动化_机械制造-工业自动化.pdf

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1、1/43 第1章 绪论 1.1 课题的目的、意义及现状 目前，我国的液体搅拌机控制系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法耗能大，浪费大，搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时对噪声污染也很严重。而且，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，但由于这些行业中多为易燃易爆、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。随着计算机技术的飞速发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。采用 PLC实现液体搅拌控制，不但可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且可以大大降低成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。此外，对搅拌机控制系统进行改

2、进，使它可以灵活的根据液体的不同而进行混料的浓度调节，从而达到节能环保，改善工作环境的效果。用 PLC对液体混合进行控制，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，使液体混合系统的性价比提高。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。通毕业设计，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。通过本毕业设计使我们掌握 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及 P

3、C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。2/43 本课题应解决的主要问题是如何使 PLC在液体搅拌器中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用 PLC对液体搅拌器进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况，正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，及计算机技术同步发展，向着通用化、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国内的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面及国际先进水平还

4、存在很大差距。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器及计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度。此液体混合 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现对液体混合的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。1.2 液体搅拌系统的简介 目前，我国的液体搅机控制系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法耗能大，浪费也大，而且搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时噪声污染也很严重。随着计算机技术的飞速发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。所以，对搅拌机控制系统应该进行改进，使

5、它可以灵活的根据液体的不同而进行混料的浓度可调，从而达到节能环保，降低成本的目的。液体搅拌系统由原料罐，混料罐，出料罐组成。它先将两种原料送混料罐，然后在混料罐内混合，最后，送出料罐出料。两种原料液体进料时达到设定的液面3/43 时停止进料，且搅拌器搅拌时间可根据浓度的不同而自行设定。为了实现液体搅拌系统的控制需要，系统使用 PLC为控制核心。系统通过液位变送器采集现场液位高度并将其转换成 420mA的电流信号送 PLC，PLC根据现场状况及外部输入指令控制搅拌系统，并显示操作指示及发出报警。系统的控制框图如图 1-1 所示。报警指示PLCA/D 转换搅拌系统液位变送器控制4-20mA 图 1

6、-1 系统控制框图 根据系统的工艺流程整个液体搅拌控制系统过程可分成多个阶段：基本液位控制过程、模拟量信号采集、报警指示。(1)基本液位控制过程：按控制要求，实现进料及出料时进料罐和出料罐的基本液位控制。(2)模拟量信号采集：通过液位变送器及A/D转换器完成现场液位的采集过程。(3)报警指示：当超过所设定的液位时，报警输出。1.3 液体搅拌机的组成 1.3.1 搅拌机机械部分的组成 搅拌机机械部分主要由搅拌轴、机架、轴封、搅拌器、搅拌容器（筒体）、传动装置组成。本次设计的搅拌机为立式容器中心搅拌机，其结构形式如图1-24/43 所示。此搅拌机将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式为齿

7、轮传动，用普通电机直接联接。一般认为功率3.7kW一下为小型，5.5 22kW 为中型。本次设计中所采用的电机功率为18.5kW，故为中型电机。本次设计主要进行的是搅拌机控制系统的设计，对搅拌机的机械部分直接进行简单的结构设计。10987654321 图1-2 搅拌机的结构形式 1.3.2 搅拌机控制系统的组成 为实现液位的采样、自动控制，系统必须包括硬件部分和软件部分。硬件部分由可编程控制器、液位变送器、电磁阀、电机、泵、A/D转换器、RS-232电缆接口组成。软件部分由 PLC编程软件组成。(1)系统硬件组成及功能：1）可编程控制器：系统下位机选用三菱2NFX-FR型 PLC，作为整个系统

8、的控制核心，主要用于实现自动控制。1、电动机 2、减速器 3、进料口 1 4、封头 5、筒体 6、夹套 7、搅拌器叶片 8、出料口 9、进料口 2 10、搅拌轴 5/43 2)电磁阀：选用 DF 2 型二位二通（常闭）电磁阀，用来控制进料及出料时液体的流动。3)接触器：选用 CJ10-20 交流接触器，用于控制电机、泵。4)中间继电器：选用 JZ14-44Z 型中间继电器，主要起中继作用，及接触器配合使用。5)液位变送器：选用 HP-31B液位变送器，并转换成 420mA的电流输入2NFX-FR，用于采集现场液位数据。6)A/D转换器：选用三菱四通道模拟量输入模块2NFX-FR，用于将采集到的

9、现场液位数据传送给 PLC。7)RS-232 电缆接口：用于连接 PLC及上位机。(2)系统软件组成：PLC编程软件：由于系统采用三菱的 PLC，故也是使用三菱 PLC编程软件GX Developer，用于编写 PLC 控制程序。1.3.3 PLC 在液体搅拌系统中的应用 在化工、机械等行业的生产过程中，液体搅拌是十分重要也是必不可少的重要环节，液体搅拌的关键是保证混料过程中原料的准确性和比例以及保证原料的充分混合。采用通用计算机控制，尽管可以达到控制精度，但成本高，对工作环境要求高，对现场操作人员要求也高。采用 PLC实现液体搅拌控制，不但可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且大大降低成

10、本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。以往常采用传统的继电器控制液体搅拌系统，使用硬件连接电器多，可靠6/43 性差，自动化程度不高，为了克服上述缺点，目前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，为生产提供了更可靠的保障。本文在此介绍一种采用可编程控制器对液体搅拌系统进行控制的方法，其电路结构简单，投资少，可靠性好，自动化程度高。7/43 第 2 章 搅拌机的结构设计 2.1 搅拌容器（筒体）的尺寸确定及结构选型 2.1.1 筒体及封头型式的选择 搅拌机的料斗筒体用于盛装混合液，选择圆柱形筒体，简单实用；封头采用标准椭圆形封头，降低设计成本。

11、2.1.2 内筒体及封头的直径确定 发酵罐类设备长径比取值范围是 1.7 2.5，综合考虑罐体长径比对搅拌功率、传热以及物料特性的影响选取长径比2/HiD，根据制作工艺要求，装料系数=0.6，罐体全容积3V，罐体公称容积（操作时盛装物料的容积）3gm8.46.08VV。1、初算筒体直径，由圆柱形体积公式 HD4)2D(V2i2Hi得HgiV4HV4D，而2/HiD，则72.16.014.38.42V2Dgim 圆整到公称直径系列，取mmD1700i。封头取及内筒体相同内经，封头直边高度mmh402。2、确定内筒体高度 H （1)当mmD1700i，mm40h2时，查压力容器封头GB-T2519

12、8-2010表 C.1得封头的容积3734.0mv，则21.37.114.3)734.08(4422iDvm，取8/43 2.3m。（2)核算长径比iD/H及装料系数 计算长径比88.17.1/2.3/HiD，该值处于 1.7 2.5 之间，故合理。计算装料系数559.0734.07.37.114.38.444VVV22ggvHDi,该值接近所取值0.6，故也是合理的。（3)选取夹套直径 夹套直径及内通体直径的关系如表 2-1 所示 表 2-1 夹套直径及内通体直径的关系 内筒径iD(mm)500600 7001800 20003000 夹套 jD（mm)iD+50 iD+100 iD+200

13、 由表 2-1，取10017001001800jiDDmm。夹套封头也采用标准椭圆形，并及夹套筒体取相同直径。2.2 内筒体及夹套的壁厚计算 此筒体采用内筒体和夹套筒体，使用夹套筒体的目的是加热或冷却内筒及其内部的介质，当然也可以作为内筒的密封绝热室。这样的搅拌机筒体在石油、天然气等方面得到广泛应用。夹套筒体的型式如图 2-1 所示。9/43 夹套封头夹套筒体容器筒体容器封头 图 2-1 夹套筒体的型式 2.2.1 选择筒体材料，确定设计压力 1、按照 钢制压力容器（GB150-1998）规定【13-20】，决定选用9Ni180Cr（GB/T 14976 高合金不锈钢板）为内筒材料，该板材在C

14、150下的许用应力由过程设备设计附表4-D查取许用应力 aMp103t，常温屈服极限Mpa137。2、计算夹套内压力 由介质密度3/k1000mg，液柱静压力aHMP037.07.3101000g和最高压力MPa5.0Pmax以及设计压力MPa55.0P1.1Pmax得液柱静压力大于5%P，所以计算压力agHPMP587.0037.055.0Pc。内筒体和底封头既受内压作用又受外压作用，按内压则取aMP587.0Pc，按外压则取aMP55.0Pc。2.2.2 夹套筒体和夹套封头厚度计算 夹套材料的选择由钢制压力容器（GB150-1998）【13-18 页】规定，决定选用 Q235-B热轧钢板，

15、由钢制压力容器表 4-1 知其极限应力MPa235s，10/43 150C的需用应力 t=113aMP 由夹套筒体壁厚j的计算公式 cjjP-2)100(2DPticctcDPP（过程设备设计公式 4-12）和夹套采用的双面焊接以及局部探伤检查，查过程设备设计表4-3 得钢制压力容器的焊接接头系数85.0,则 17.555.0-85.01132180055.0P-2)100(CjtiCDPmm。钢板或钢管厚度负偏差1C应按相应的规定选取。按热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许差的规定，钢板负偏差值为固定，其1C=0.8mm。对于不锈钢材料，当介质的腐蚀性极其微弱时，可取腐蚀裕量即腐蚀深度0C

16、2，对于碳钢则取腐蚀裕量即腐蚀深度mm2C216，故内筒体厚度附加量mm8.0C21aCC，此处2C取 0.8mm。夹套厚度附加量mm8.2CCC21b，此处2C取 2mm。根据钢板规格，取夹套筒体名义厚度nj=14mm。夹套封头计算壁厚kj为 16.555.00.5-85.01132180055.00.5P-2)100(CtkjiCDPmm 取厚度附加量mm8.2C，确定取夹套封头壁厚及夹套筒体壁厚相同。2.2.3 内筒体壁厚计算 1、按承受0.587MPa的内压力计算 此焊缝系数同夹套一样，取85.0，则内筒体计算壁厚为：mmPc72.5587.085.010321700587.02DPt

17、jc。11/43 2、按承受0.55MPa外压计算 设内筒体名义厚度mm12n，则有效厚度mmCae2.118.012n，内筒体外径mmn4.17222.11217002DDi0，内筒体计算长度mmDni7.334512425313200)4(31HL）（。所以长径比94.1/LD，79.153/D0，由过程设备设计图 4-6 查得周向应变系数0005.0A，然后再根据设计温度 150C，由图 4-9 查得最大许用应力aMP55B，此时许用外压 P为 MPaa55.0MP36.04.17222.1155DBP0【17】所以不满足强度要求。再假设名义厚度mm16n，则有效厚度mman2.158.

18、016C-e，内筒外径mmn4.17302.15217002DDi0，内筒体计算长度mmDni334716425313200)4(31HL）（，则93.1/LD，79.153/D0，由过程设备设计图 4-6 查得周向应变系数0006.0A，然后再根据设计温度 150C，图 4-9 得最大许用应力60BMPa，此时许用外压 P为 MPaa55.0MP562.04.17302.1560DBP0e 故取内筒体壁mm16n可以满足强度要求。3、壁厚校核 考虑到为使料斗加工制造的方便，取封头及夹套筒体相等厚度，即取封头12/43 名义厚度也取mmk16n。按内压计算肯定是满足强度要求的，下面仅按封头受外

19、压情况进行校核。封头有效厚度mman2.158.016C-e。由过程设备设计表 4-5 查得标准椭圆形封头的形状系数9.0K1，则椭圆形封头的当量球壳内径mmDKii153017009.0R1，则计算系数 A为 001242.015302.15125.0125.0AeiR 查过程设备设计图 4-9 得最大许用应力110BMPa，所以许用外压力：MPaMPa55.009.115302.15110RBPie 故封头壁厚取16mm可以满足稳定性要求。4、水压试验校核 （1）试验压力 内筒试验压力取MPa687.01.0587.01.0PPcT 夹套试验压力取MPa65.01.055.01.0PPcT

20、 （2）内压试验校核 内筒筒体应力MPaDPeeiTi2.9185.02.152)2.151700(687.02)(T 夹套筒体应力MPaDPejejjTi83.6185.02.112)2.111800(65.02)(T 而内筒体的 0.9 倍的极限应力Mpasi3.1231379.09.0，大于内筒筒体应力，故内筒筒体满足水压试验时的应力要求；夹套筒体的 0.9 倍的极限应力MPaj5.2112359.09.0s，大于夹套筒体应力，13/43 故夹套筒体满足水压试验时的应力要求。2.3 搅拌器的选型 2.3.1 搅拌器的参数选择 搅拌器的分类方法有很多，主要由以下几种。1、按叶片的结构：分为

21、平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。浆式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。2、按搅拌器的用途：分为低黏流体用搅拌器、高黏流体用搅拌器。用于低黏流体的搅拌器有：推进式、浆式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框浆式、三叶后完式等。用于高黏流体的搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋浆式、螺带式等。3、按流体流动形态：分为轴向流动搅拌器和径向流动搅拌器。有些搅拌器在运转时，流体即产生轴向流又产生径向流的称为混合流型搅拌器。推进式搅拌器是轴流型的代表，平直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表，而斜叶涡轮搅拌器是混合流型的代表。此次设计采用的是涡轮式平叶

22、搅拌器。搅拌器桨径及罐内径之比叫桨径罐径比Dd/,这次设计选用的涡轮式叶轮的Dd/一般为0.250.5，涡轮式的叶轮为快速型，快速型搅拌器一般在高度 H1.3 倍的罐内径长度 D时要设置比较多层的搅拌器，而且相邻搅拌器间的距离不小于叶轮的直径 d，其适应的最高黏度为sa P50左右。14/43 搅拌器在圆形罐中心直立安装时，涡轮式下层叶轮离罐底面的高度 C一般为桨径的 11.5 倍。如果为了防止底部有沉降，也可将叶轮放置低些，比如离底高度取/10CD，而最上层叶轮高度离液面至少要有 1.5d 的深度【17,345-349】。涡轮式搅拌器的结构简图如图 2-2 所示。搅拌轴孔涡轮叶片 图 2-2

23、 涡轮式搅拌器结构简图 查 HG-T 3796.112-2005,选取搅拌器参数如下：b：键槽的宽度，取 b=22mm B:搅拌器桨叶的宽度,取 B=110mm d:轮毂内经,取 d=80mm 0d:搅拌器桨叶连接螺栓孔径，取 M10 2d轮毂外径，取2d=120mm 1d:搅拌器紧定螺钉孔径，取 M10 JD：搅拌器直径，取JD=550mm 1D：搅拌器圆盘的直径，取1D=370mm 15/43 G：搅拌器参考质量，G=14.9Kg 1h：轮毂高度，取1h=120mm 2h：圆盘到轮毂底部的高度，取2h=40mm L：搅拌器叶片的长度，L=137mm M：搅拌器许用扭矩mN，取 M=252m

24、m t：轮毂内经及键槽深度之和，取 t=85.4mm ：搅拌器桨叶的厚度，取=5 mm 1：搅拌器圆盘的厚度，取1=6mm 2.3.2 搅拌附件的选择 搅拌附件一般包括挡板和导流筒。挡板一般是指长条形的竖向固定在搅拌罐壁上的板，主要是在湍流状态微粒消除槽中央的“圆柱状回转区”而增设的。挡板还可以提高桨叶的剪切性能，如有的悬浮聚合的搅拌装置，在设有挡板时可使颗粒细而均匀。此设计搅拌罐内径为 1700mm，选择4块竖式挡板，且沿搅拌罐壁周围均匀分布地直立安装。导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，涡轮式搅拌器有时也用导流筒。此次设计主要为两种液体的混合，黏度不高，且选用的搅拌器为涡轮式，所以不

25、用导流筒。16/43 第 3 章 可编程控制器（PLC）概述 3.1 可编程控制器（PLC）概述 3.1.1 PLC 的产生及发展 1、PLC的产生 按照 IEC(国际电工协会)国标标准定义，可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，又称 PC或 PLC，它是以微型计算机为基础,综合计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展的工业自动控制装置，这种装置用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的设备，都应按易于及工业控制系统

26、连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。可编程序控制器问世于20世纪60年代末期。以往的顺序控制主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序的工作，若要改变控制的顺序就必需改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活。1969年美国数字设备公司（DEC）根据通用汽车公司向全球招标开发研制新型的工业控制17/43 装置取代继电器控制装置的招标技术要求，研制了第一台可编程控制器。当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产，CPU 以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十

27、条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可编程序控制器最多只能替代200300个继电器组成的控制系统，在体积方面，及现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。2、PLC 的发展概述 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种更好的控制器。1969年，美国数字设备公司（DEC 公司）研制出第一台可编程序控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，PLC 由此诞生。进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等，可

28、靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算，闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、德国和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70 年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC 向大规模、高性能方向发展，形成了多种系列化产品。这时面向工程技术人员的编程语言发展18/43 成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上P

29、LC 已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC 系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能及其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使 PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管 PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单及易于使用的特点。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于 PLC及其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。目前 PLC朝以下几个方向发展：(1)大型网络化：网络化和强通信能力是 PLC发展的一个主要的方面，向下及多个智能装

30、置相连，向上及工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。(2)多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。这些智能模块以处理器为基础，其 CPU及 PLC的 CPU并行工作，占用主机 CPU时间很少，有利于提高 PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。(3)高可靠性、好兼容性：由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。3、PLC的优点 PLC产品在抗电磁干扰、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场的各种单元、部件

31、连接，坚固耐用。在可靠性方19/43 面，PLC的平均无故障时间一般在 5 万小时以上，操作及维修十分方便，功能十分强大。目前，PLC已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并跃居现代工业控制三大支柱（PLC、机器人和 CAD/CAM)。然而，技术的日新月异、突飞猛进是 PLC迅速扩展市场的根本原因。具体表现在:PLC 在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、扩展容易、抗干扰能力强等特点。及继电一接触器系统相比，PLC控制系统具有以下特点:（1）可靠性高，抗干扰能力强。高的可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大

32、规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从 PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。（2)配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3)易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控

33、制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号及表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代20/43 替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5)体积小，重量轻，能耗低。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。PLC取代继电一接触系统己经成为

34、大的趋势，且 PLC控制较之微机控制更有价格优势，基于上述原因，控制系统选择用可编程控制器来组成以完成对自动摆饼机的控制。4、PLC的分类 可编程控制器一般从点数、功能、结构形式和流派等方面进行分类。(1)根据点数和功能进行分类 根据点数和功能可以分为小型、中型和大型 PLC。小型 PLC的输入/输出端子数量为 256 点以下；中型 PLC的输入/输出端子数量为 1024 点以下；大型 PLC的输入/输出端子数量为 1024 以上。小型 PLC、中型 PLC和大型 PLC不光体现在输入输出端子数量上，更重要的是功能的差别。小型 PLC主要用于完成逻辑运算、计时、计数、移位、步进控制等功能。中型

35、 PLC的功能，除完成小型 PLC的功能外，还有模拟量控制、算术运算、数据传送和矩阵等功能。大型 PLC，除完成中型 PLC的功能外，还有更强的连网、监视、记录、打印、中断、智能、远程控制等功能。另外，小型、中型和大型 PLC的分类不是绝对的，有些小型 PLC的功能可以具备部分中型 PLC的功能。(2)根据结构形式进行分类 21/43 按照结构形式分，PLC有整体式和模块式两种。1）整体式 PLC是一个整体，其所有部件均在一个盒内。它的优点是结构紧凑、体积较小，成本低，安装方便，缺点是输入输出点数是固定的，不一定能适应具体的控制现场的需要。整体 PLC根据需要也可以进行扩展。2）模块式 PLC

36、是由多个模块组成的，通过内部总线连接在一起，用户可以根据需要组建自己的 PLC系统。模块式 PLC的优点是 1/O 模块及 I/O 点数可根据用户需要灵活组合，扩展能力强、使用方便、便于维修。缺点是体积较大、插件较多，影响工作的可靠性，并且价格较高。5、PLC的工作原理 由于 PLC具有比计算机更强的及工业过程相连的接口，具有更适应及控制要求的编程语言，因此，PLC可以被视为是一种特殊的工业控制计算机。但由于有特殊的接口器件及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理及普通计算机相比也有一定的区别。另一方面它作为继电器控制电路的替代物，由于其核心是计算机芯片，因而及继电器控制逻辑的工作过程

37、也有很大差别。普通计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式。当按下键盘或 I/O 动作后，计算机转入相应的子程序运行，无键按下或无 I/O 动作责则继续扫描；PLC则采用循环扫描的方式，整个扫描过程分为输入采样、内部处理、用户程序执行、输出刷新 4 阶段。PLC周而复始的循环执行这 4 个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。PLC每重复一次这 4 个阶段所用的时间称为一个扫描周期（或称循环周期、工作周期）。内部处理阶段是运行 PLC内部系统的管理程序，该程序是厂家在 PLC出厂时就已经固化好了的，及用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间及22/43 用户

38、程序运行时间相比要短的多。因此，为了理解上的方便，通常忽略内部处理阶段，而认为 PLC的工作过程为 3 个阶段：输入采样阶段、用户执行阶段、输入刷新阶段。并近似的认为每重复一次这 3 个阶段所用的时间为一个扫描周期。PLC的工作过程图如图 2-1 所示。输入信号输入端子输出端子用户程序输出映像区输出锁存输入映像区输出信号输入采样程序执行输出刷新图 2-1 PLC 的工作过程图 (1)输入采样阶段 PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号输入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在这个工作周期内，这个采样结果的内容不会变，而且这个采样结果将在 PLC执行程序时被执行。(2)程序执

39、行阶段 PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右的扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、内部元件寄存器（内部寄存器、定时器、计数器等）和输出映像寄存器中获取所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中进行保存。但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。这就是说反映各输出元件状态的输出元件映像存储器中所储存的内容才固定下来。23/43 这里要注意，当执行控制程序时，如果程序要求某个输出继电器动作，此时这个动作要求并没有直接实时的传送到该继电器，而只是将输出映像存储器中代表该继电器的对应位置“1”，在所有程序段都执行完毕后，才将全部程序执行后产

40、生的输出结果（输出映像存储器的内容）一次送到输出锁存器。PLC的这种工作方式同一般单纯用硬件组成的控制电路或由控制计算机组成的控制电路是不同的。(3)输出刷新阶段 在执行完所有用户程序后PLC将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间即为一个扫描周期，用T表示。PLC在一个扫描周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为 4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。PLC的一个扫描周期一般为 40100ms。PLC的扫描工作是重复进行的，因此，其输出和输入存储器不断被刷新（I/O刷新）。一个扫描周期内输

41、入刷新之前，若外部输入信号状态没有变化，则此次的输入刷新就没有变化，经运算处理后，相应的输出刷新和输出控制信号也没有变化，只是重新被刷新一次。若在一个扫描周期内，输入刷新之前，输入的外部输入信号状态发生了变化，则此次输入刷新就有了变化，经运算处理后，其输出刷新和输出的控制信号也可能有变化。不管输出控制信号有没有变化，一个扫描周期内对所有输出只刷新一次，即前一次和后一次的输出状态的变化，至少要经历一个扫描周期的时间。PLC工作的主要特点是输出信号集中批处理，执行过程集中批处理，输出24/43 控制也集中批处理。PLC的这种“串行工作方式”，可以避免继电器、接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题

42、，还可以增强系统抗干扰能力。由于干扰一般是脉冲式的、短时的，只要 PLC不是正好工作在输入刷新阶段，就不会受到干扰的影响，因此，瞬间干扰所引起的误动作就会大大减少，从而增强了系统的抗干扰能力，这是 PLC可靠性高的原因之一。但是这种工作方式又导致输出对输入在时间上的滞后，对于要求快速响应的控制系统，这也是 PLC的缺点之一。还需要指出一点，在 PLC中常采用一种被称为“看门狗”（Watchdog）的监视定时器来监视 PLC的实际工作周期是否超出预定的时间，以避免 PLC在执行程序过程中进入死循环，或“跑飞”（PLC执行非预定的程序）而造成系统瘫痪。6、PLC的选择 三菱FX系列 PLC 是日本

43、三菱的产品，是在工业领域使用比较广泛的 PLC品种之一，此次设计采用其中的N2FX型，其功能强大，有较高的性价比。3.2 三菱N2FX可编程控制器的简述 3.2.1 三菱N2FXPLC的一般技术指标 N2FXPLC的一般技术指标如表 3-1 所示。表 3-1 N2FXPLC的一般技术指标 项 目 性能指标 注 释 操 作 控 制 方 式 反复扫描程序 有逻辑控制器 LSI 执行 I/O 刷新方式 批处理方式（在 END指有直接 I/O 指令及输入25/43 操作处理时间 基本指令：0.08 S/步 功能指令：1.52 几百编程语言 梯形图、助记符语言 可用 SFC方式编程 程序容量/存贮器类型

44、 2K步 RAM（标准配置）使用附加寄存器盒可扩展到16K 8K步 RAM（标准配置）EEPROM EEPRO 卡盒（选配）指令数 基本逻辑指令 20 条，步进顺空指令 2 条，功能指令 128 条 输入继电器 DC输入 24VDC，7mA,光电隔离 X0X177（8 进制）I/O点数共256 点 输出继电器 继电器 250VAC，30VDC，2A(电阻负载）X0 X177(8 进制)晶闸管 242VAC，0.3A/点，0.8A/4 点 Y0Y177(8 进制)晶体管 30VDC，0.5A/点，0.8A/4点 输出继电器 通用型 非电池后备 M0 M499（500点）范围可通过参数设置来改变

45、锁存型 电池后备 M500 M3071（2572 点）特殊型 非电池后备 M8000 M8255（256 点）26/43 状态继电器 初始化用 使用初始状态 S0S9（10 点）通用 非电池后备 S0S499（500点）范围可通过参数设置来改变 锁存 电池后备 S500S 899（400 点）报警 电池后备 S900 S999（100 点）定时器 100ms 0.13676.7s T0T199(100 点）10ms 0.01 327.67s T200T245（46 点）1ms(积算）0.00132.767s 电池后备 T246T249(4 点）100ms（积算）0.1 3276.7s T250

46、T255（6 点）计数器 加计数器 16bit，1 32767 通用型 C0 C99（100点）范围可通过参数设置来改变 电 池 后备 C100 C199（100 点）加/减计数器 32bit，-21474836482147483648 通用型 C200C219（20 点）范围可通过参数设置来改变 电 池 后备 C220C234（15 点）高速计数器 32 位加/减计电 池 后C235C255（6 点）（单续表 见下页 27/43 数 备 相计数）寄存器 通用寄存器 16bit 组合处理32bit 通用型 D0D199（200点）范围可通过参数设置来改变 16bit 电 池 后备 D200 D

47、7999（7800 点）特殊寄存器 16bit D8000D8255（256 点）变址寄存器 16bit V0V7，Z0Z7（16 点)文件寄存器 16bit(存于程序中）电池后备 D1000 D2999，由参数设置 嵌套标志 主控线路用 N0N7（8 点）指针 JUMP/CALL 128 点 P0P127（128 点）中断 X0X5为中断输入，计时器中断 I0I8（9 点)常数 十进制 16bit：-3276832768 32bit：-21474836482147483647 十六进制 16bit：0000HFFFFH 32bit：00000000HFFFFFFFFH 3.2.2 FXn2系

48、列 PLC的编程元件 在 PLC中，常利用其内部存储单元来模拟各种控制电器元件。我们把这些存储单元成为 PLC的编程元件，也成 PLC的软元件。其作用相当于高级语言的数据结构。使用逻辑指令和功能指令对 PLC进行编程时，经常要使用到这些编28/43 程元件。N2FX系列 PLC的编程元件有 4 种类型：（1）位元件。这是 PLC最基本的编程元件，它们分别是：X-输入继电器；Y-输出继电器；M-辅助继电器；S-状态继电器等。（2）字元件。典型的字元件是数据寄存器 D，在程序中用于数据存储和处理。一个数据寄存器可以存放 16 位二进制数（字），也可以存放 32 位二进制数（双字）。（3）位元件的组

49、合。N2FX系列 PLC用 KnP的形式表示连续的位元件组，每组由 4 个连续的位元件，P为位元件的首地址，n 为组数，32 位操作数时 n=18,16 位操作数时 n=14。例如，K2M0表示由 M0 M7组成的两个位元件组，M0为数据的最低位（首位）。（4）位及字混合元件。例如，定时器和计数器的线圈和触点是位元件，其当前值寄存器盒设定值寄存器是字元件。3.2.3 输入/输出继电器（X/Y）（1）输入继电器（X)输入继电器是 PLC接收外部输入的开关量信号的元件。PLC通过光电耦合器，将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器区中。输入端可以外接控制开关、按钮、限位开关、传感器、常开触点或常

50、闭触点，也可以接多个触点组成的串并联电路。在梯形图中，可以无限次使用输入继电器的常开触点和常闭触点。PLC在每次扫描周期开始时采样外部输入点的状态，采样结果以“1”或“0”29/43 写入输入映像寄存器，供 PLC程序执行时调用。（2）输出继电器（Y)输出继电器是 PLC向外部负载发送信号的元件。输出继电器用来将 PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。输出继电器的通断状态（ON/OFF)由程序执行结果决定，在编程时可以反复使用输出继电器的触点。FX 系列 PLC输出采用批处理方式，在每次扫描周期的最后，CPU才以批处理方式刷新输出映像寄存器区的内容，并传送到输出端子，驱动外部负