液体混合装置的控制系统设计

内容摘要

随着科学技术的发展，人们的生活日趋自动化，生产技术更是如此。PLC作为计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程序控制器PLC在工业控制中的地位也日益提升并且在工业控制中得到广泛应用，而且可编程控制器在工业控制中所占比重在迅速的上升。

本次设计是利用PLC实现两种液体的自动混合。此次设计主要考虑其各个不同状态动作的连续和关联，对不同的状态进行不同的动作控制输出，从而实现将AB两种液体混合的周期性控制（包括单周期）。本次设计的主要意义是：用PLC编程来控制，一方面可以省去人力物力，从而达到节省成本的目的；另一方面，程序的合理性，全面性和可靠性可以使液体混合能更安全可靠全面的实现。 关键词：PLC 液体混合装置 自动控制

目 录

第 1章 引言 ...................................................... 1

第2章 控制系统设计 ............................................. 2

2.1 系统整体设计要求 ............................................ 2 2.2 系统设计思想 ................................................ 2 2.3 系统硬件设计 ................................................ 3 2.3.1 PLC输入输出口分配 ..................................... 3 2.3.2液体混合装置输入输出接线图 ............................. 4 2.3.3 PLC主电路图 ........................................... 5 2.3.4 电气位置安装图 ......................................... 6 2.4硬件选择 .................................................... 6 2.4.1液位传感器选择 ......................................... 6 2.4.2电动机选择 ............................................. 7 2.4.3电磁阀的选择 ........................................... 7 2.4.4 PLC的选择 ............................................. 7

2.4.5元件选择 .............................................. 8 2.5系统软件设计 ................................................ 8

2.5.1PLC控制相关流程图 ..................................... 8

2.5.2可编程控制器梯形图 ................................... 10 2.6系统调试 ................................................... 13

第3章 总结及进一步研究方向 ................................... 18 致谢 .............................................................. 19 参考文献 ......................................................... 20

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第1章 引言

随着科学技术的飞速发展，自动控制技术已经在人类活动的各个领域中的应用得越来越广泛，而它的水平已经成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要指标。在炼油、制药、化工等行业中，液体混合已经是不可缺少的程序，而且也是工业生产中非常重要的一部分。然而由于此类行业中多数为有腐蚀有毒性介质和易燃易爆介质，这样就造成现场的工作环境非常恶劣，不适宜工作人员在现场操作。此外，要求该系统在生产过程中具有配料准确、控制良好等规定，这也是半自动化及人工操作控制所难以实现的。因此为了解决相关行业出现的这些问题，尤其是中小型企业中要求做到多种液体自动混合,液体自动混合配料势必成为摆在我们眼前的一大课题。

多种液体混合搅拌用于灌装各种各样的瓶装饮料，使用于大中型饮料生产厂家。早期的灌装机械大多数采蠕动泵式、用容积泵式作为计量方式。它具有效率高，功能强，加工质量高等特点，是当今世界的前沿课题，但还是存在一些问题。

该液体混合系统采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性的特点。对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景，液体混合自动配料系统就此应社会工厂的需要而诞生了。

如何使PLC在饮料灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机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。

整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，设计的编写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（GB4728）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，液体混合系统部分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工艺和设备现况来构成并需尽量用以前系统中的元器件。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，以便于操作人员快速掌握。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。

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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。

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第2 章 液体混合装置系统设计

2.1系统的整体设计要求

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，控制要求如下：

按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。

本设计使用液位LT1、LT2、LT3三个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。

2.2 系统方案的设计思想

控制系统简单、经济、使用和维护方便。物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要求：

（1）可靠性高

具有较高的可靠性是衡量一个电气控制设备很关键的性能指标。由于PLC采用现代大规模集成电子电路技术，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，所以生产制作出来的产品的可靠性往往都是很高的。

（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。除了功能中的逻辑处理以外，现代PLC基本上都具有比较完善的数据运算能力，因此可以用在各种各样的数字控制场合。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

作为通用的工业控制计算机，PLC是面向工矿企业的工控设备。它的接口简单，编程语言容易被工程技术人员接受。梯形图编程语言的符号及图形与表达方式跟继电器的电路图比较相当接近，只用少量的PLC开关量逻辑控制指令就能方便地实现继电器电路所能实现的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机来从事工业控制减少了很多工作量，节约了时间。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

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PLC中存储逻辑被接线逻辑代替了，这样一来就大大的削减了控制设备的外部接线数量，控制系统的设计及建造的周期也大大缩短，同时维护起来也变得容易。更为重要的是这样同一设备只需改变程序便可实现不同的生产过程，给需要进行多品种、小批量的生产场合带来了很大的便利。

（5）体积小，重量轻，能耗低

（6）硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强

2.3 系统硬件设计

2.3.1 PLC输入输出口分配

通过分析控制任务，共需要5个数字量输入和4个数字量输出。I0.0为开始按钮，I0.1为停止按钮，I0.2、I0.3、I0.4分别为三个液位传感器，Q0.1、Q0.2、Q0.3分别为电磁阀A、电磁阀B、排放电磁阀三个电磁阀，Q0.0为搅拌电机。

输入/输出地址分配如表2-1所示。

表 2-1

控制信号 输入信号 信号名称 启动 停止 液位传感器I接通 液位传感器H接通 液位传感器L接通 输出信号 电动机驱动 电磁阀YV1打开 电磁阀YV2打开 电磁阀YV3打开 元件名称 常开按钮 常开按钮 液位传感器 液位传感器 液位传感器 接触器 电磁阀 电磁阀 电磁阀 元件符号 SB1 SB2 LT1 LT2 LT3 KM YV1 YV2 YV3 地址编码 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 4

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2.3.2液体混合装置输入输出接线图

液体混合装置输入/输出接线图如图2-1所示。 （1）启动操作

按下启动按钮SB1，YV1通电并自锁，液体A流入容器。 （2）液面上升到I

当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。 (3) 液面上升到H

液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。 (4) 搅匀后排放混合液体

1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。 (6) 停止操作

按下停止按钮SB2，在当前的操作处理完毕后停止操作。

图2-1 液体混合输入/输出接线图

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2.3.3 PLC主电路图

本次设计中的混合液体搅拌由电动机M启动。带有短路保护、过载保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能，过载保护由FR热继电器来实现其保护功能。

当液体倒到H时，KM接通，搅拌电机开始运行。液体混合装置的主电路图如图2-2所示。

2.3.4 电器位置安装图 如图2-3

图2-2 主电路

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图2-3 2.4 硬件选择

2.4.1 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 。

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2.4.2 搅拌电机的选择

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。

2.4.3 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。

2.4.4 PLC的选择

在本控制系统中，所需的开关量输入为5点，开关量输出为4点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用西门子S7-200系列PLC作控制单元来控制整个系统。之所以选择这种PLC，主要考虑S7-200系列PLC有以下特点：

（1）丰富的指令系统。除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数

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据处理，甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。

（2）快速的CPU处理速度、大程序容量。

（3）大的网络通信功能。可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1：n上位链接通信方式，用一台计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。

（4）编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。

2.4.5 元件选择

元器件明细表2-2

名称 按钮开关 液位传感器 搅拌电动机 电磁阀（入液罐） 电磁阀（出液罐） 接触器 型号 KH-2204 LSF-2.5 EJ15-3 VF4-25 AVF-40 CJX1-9/220V 数量 2个 3个 1个 2个 1个 1个 备注

2.5系统PLC软件设计

2.5.1 PLC控制相关流程图

PLC控制相关流程图如图2-4所示，主要是有混合过程和停止过程两个方面构成： (1) 混合过程：

按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。

(2) 停止过程：

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1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。

(3) 具体运行过程为：

按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，液体B流入容器。液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液体去下道工序。当液位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。

图2-4

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2.5.2 可编程控制器梯形图

根据系统控制流程图所表达出的各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制，各功能子程序的编制，其他辅助程序的编制。本次设计利用经验设计的方法进行在整体上将继电器转化成对输出线圈的控制，然后进行细节修改。

本次设计的PLC梯形图：

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语句表

Network 1 // Network Title // 按下I0.1程序运行完后结束 LD I0.1 O M0.0 AN I0.0 = M0.0 Network 2

// 按下I0.0，Q0.1工作 LD I0.0 O Q0.1 O T38 AN M0.0

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AN Q0.2 = Q0.1 Network 3

// 液位到I时，Q0.2工作，Q0.1结束 LD I0.2 EU

O Q0.2 AN Q0.0 = Q0.2 Network 4

// 液位到H时电机启动，开始计时 LD I0.3 EU

O Q0.0 AN T37 = Q0.0 TON T37, 600 Network 5

// 一分钟后Q0.3工作， LD T37 O Q0.3 AN T38 = Q0.3 Network 6

// 液位到L时，T38开始计时2s后Q0.3停止工作，开始新循环 LD I0.4 ED

O M0.1 AN T38 = M0.1 TON T38, 20

2.6 系统调试

根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用PLC的仿真软件进行仿真。

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具体步骤如下： （1）导入梯形图 （2）点击运行 （3）进行调试

按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，PLC输出Q0.1工作状态指示灯亮，液体A流入容器。

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当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电接通，PLC输出Q0.2工作状态指示灯亮,PLC输出Q0.1工作状态指示灯灭，液体B流入容器。

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液位达到H时液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电机M搅拌。PLC输出Q0.2工作状态指示灯灭，PLC输出Q0.0工作状态指示灯亮。

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1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，PLC输出Q0.0工作状态指示灯灭，PLC输出Q0.3工作状态指示灯亮，放出混合液体去下道工序。

当液位下降到L后，再延时2s使电磁阀YV3断电关闭，PLC输出Q0.3工作状态指示灯灭，并自动开始新的周期。若按SB2按钮系统停止运行。

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第3章 总结及进一步研究方向

本设计主要阐述液体混料罐的自动控制，实现液体混料全过程：即进料、混料、出料的自动控制。其系统结构简单，运行稳定可靠。使用了西门子SL-200系列PLC，设计了控制程序。

尽管毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种继电器的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。与老师的交流沟通也使我从各种角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。

对现场的控制也只是理论，没有完成PLC与液位传感器之间的通讯。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0zbg.html