基于PLC控制的物料搅拌系统设计(液体)

高等教育自学考试毕业论文学生姓名：XXX考籍号：专业年级：工业自动化XXX级题目：基于PLC控制的物料搅拌系统设计指导教师：XXXXX评阅教师：2011年10月目录第一章引言………………………………………………………………………1第二章总体方案设计……………………………………………………………22.1总体方案设计原则…………………………………………………………22.2总体方案设计要求…………………………………………………………32.3控制方式系统要求设计……………………………………………………32.4系统方案的设计思想………………………………………………………4第三章硬件设计…………………………………………………………………53.1硬件选择………………………………………………………………………53.1.1PLC机型选择…………………………………………………………53.1.2PLC容量选择…………………………………………………………63.1.3I/O模块选择…………………………………………………………63.1.4电源模块选择…………………………………………………………73.1.5设备型号选择…………………………………………………………83.2PLCI/O点分配………………………………………………………………83.2.1I/O分配表……………………………………………………………83.2.2I/O接线图……………………………………………………………93.3混合控制系统示意图………………………………………………………9第四章软件设计…………………………………………………………………104.1程序设计流程图……………………………………………………………104.2程序设计梯形图……………………………………………………………114.3程序设计……………………………………………………………………13第五章人机界面设计……………………………………………………………155.1设计思想……………………………………………………………………155.2画面组态……………………………………………………………………15第六章系统调试…………………………………………………………………166.1系统模拟调试………………………………………………………………166.2系统联机调试………………………………………………………………17第七章系统常见故障分析及维护………………………………………………187.1系统故障分析及处理………………………………………………………187.1.1PLC主机系统故障分析及处理………………………………………187.1.2PLC的I/O端口系统故障分析及处理………………………………187.1.3现场控制设备故障分析及处理………………………………………187.2系统干扰性的分析和维护…………………………………………………19结论…………………………………………………………………………………20致谢…………………………………………………………………………………21参考文献……………………………………………………………………………22第一章引言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。长期以来，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。这种方法不但消耗巨额的资金和大量的人力物力，而且设计周期很长。据统计，在工业高度发达的美国，化学工业因反应搅拌器设计不合理而造成的损失每年约为10-100忆美元。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，不仅对开发新型搅拌设备，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。这些旋窝因经常地互相碰撞和破裂，是液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学研究是极其重要的。近代化学工业中，流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其是许多高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以对非牛顿型流体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度流体，特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究，也是近年来的一个方向。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。如国外聚合釜已由最初的8-40立方米扩大到60-100立方米，最火的已达到140立方米。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PLCS7-200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。根据控制要求，可以看出此程序是一个典型的顺序控制问题。这样就可以按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图，然后在根据顺序功能图画梯形图，最后在用仿真软件对程序进行调试仿真。这样就可以实现PLC对混合搅拌控制程序的设计。第二章总体方案设计2.1总体方案设计原则这个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、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。2.2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信号，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为液体A输入电磁阀，Y2为液体B输入电磁阀，Y4为混合液体输出电磁阀。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，开始向仓里放液体A；当液面达到传感器L3时，L3=ON、A液体继续注入，直到液面达到L2时，L2=ON,使得Y1=OFF、Y2=ON,即关闭阀门Y1，停止送液体A，打开阀门Y2，开始注入液体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60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15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。2.3控制方式系统要求设计就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程控制器控制。1、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的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，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，都会影响整个系统的正常运行，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，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。2、单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括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器之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连，要将它用于工业控制还需要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量非常大。3、工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用，且其外部I/O接线一般多用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板引出，不如接线端子可靠。4、可编程控制器控制可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程控制器的硬件配置和外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电气系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。可编程控制器（PLC）从上个世纪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，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。现在PLC已经发展成为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、联网通讯功能等多种性能，是名副其实的多功能控制器。有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。故选用PLC来实施本次设计。1）、开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2）、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要的PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3）、闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。4）、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控