基于PLC的搅拌机控制系统的设计

毕业设计（论文）

题 目 基于PLC的搅拌机控制系统的

设计 电气工程系 电气工程与自动化 2010级4班 袁树帅 1014090428

赵娟 讲 师

系 （院） 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称

二〇一四年六月二十日

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 二〇一四年 月 日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名: 二〇一四年 月 日

滨州学院本科毕业设计（论文）

基于PLC的搅拌机控制系统的设计

摘 要

液体搅拌已成为现代工厂中必不可少的环节，以往的搅拌机都是由继电器控制的，其系统较为复杂，响应速度缓慢。基于PLC控制技术的飞速发展，用软件就可以取代继电器系统中的触点和接线，因此，选用PLC对搅拌机的控制系统进行设计。

本设计主要采用PLC控制技术实现对液体搅拌系统的自动控制。首先设计系统的工艺流程，根据工艺流程进行硬件配置，主要包括PLC、电动机、电磁阀、泵、液位变送器等元件的选型。然后对控制系统的主电路、控制电路进行设计，从而达到控制要求。最后根据控制要求进行软件设计，通过液位变送器将采集到的现场液位高度传送给PLC，并由PLC对现场数据逻辑处理后，发出相应的控制指令，完成系统的自动控制。该设计在保证其功能的前提下，对其结构进行了尽量的简化，从而达到降低制造成本和维护成本的目的。 关键字：PLC, 液体搅拌，控制系统，自动控制

i

滨州学院本科毕业设计（论文）

The design of the Mixer Control System based on PLC

Abstract

Liquid mixing has become an indispensable part of the modern

factories, past mixer is controlled by relay, the system is more complicated, the speed of response is slow. Based on the rapid development of PLC control technology, using the software can replace the contact and connection in relay system, therefore, this article chooses PLC to design the control system of mixer.

This design mainly uses the PLC control technology to realize automatic control of liquid mixing system. Firstly, designing process of the system which can determine the hardware configuration , mainly including PLC, motor, solenoid valve, pump, liquid level transmitter components selection, etc. Then so as to achieve the requirements of the control, designing the control system of main circuit, control circuit. At last, according to the control requirements for software design, through the liquid level transmitter will be collected the water height transmitted to PLC, and after processing by PLC to field data logic, a corresponding control instruction, complete the automatic control system. The design under the premise of function, try to achieve aim of lowering costs manufacturing and maintenance, thereby simplify the structure of system.

Keywords: PLC, Liquid mixing, Control system, automatic control

ii

滨州学院本科毕业设计（论文）

目 录

第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 设计背景 ...................................................................................................................... 1 1.2 研究目的与意义 .......................................................................................................... 2 第二章 搅拌机控制系统总体方案设计 ........................................................................... 3 2.1 控制系统的简介 .......................................................................................................... 3 2.1.1 控制方式的确定 ....................................................................................................... 3 2.1.2 控制系统的优点 ....................................................................................................... 4 2.1.3 控制系统的组成 ....................................................................................................... 4 2.2 系统设计内容及需求分析 .......................................................................................... 5 2.2.1 系统设计内容 ........................................................................................................... 5 2.2.2 系统需求分析 ........................................................................................................... 6 2.3 系统设计的基本步骤 .................................................................................................. 6 第三章 控制系统的硬件设计 ........................................................................................... 7 3.1 系统的工艺流程设计 .................................................................................................. 7 3.2 PLC的工作原理 ........................................................................................................... 7 3.3 硬件模块的设计 .......................................................................................................... 9 3.3.1 可编程控制器的选用 ............................................................................................... 9 3.3.2 液位变送器的选用 ................................................................................................. 12 3.3.3 电磁阀的选用 ......................................................................................................... 13 3.4 系统主电路的设计 .................................................................................................... 14 3.5 系统控制回路的设计 ................................................................................................ 16 第四章 系统的软件设计 ................................................................................................. 17 4.1 程序设计思想 ............................................................................................................ 17 4.2 系统初始化程序及主程序设计 ................................................................................ 17 4.3 报警电路程序的设计 ................................................................................................ 18

I

滨州学院本科毕业设计（论文）

4.4 断电保护程序的设计 ................................................................................................ 19 4.5 系统控制过程分析 .................................................................................................... 20 第五章 总 结 ................................................................................................................... 21 参考文献 ........................................................................................................................... 22 谢 辞 ................................................................................................................................. 23 附 录 ................................................................................................................................. 24

II

滨州学院本科毕业设计（论文）

第一章 绪论

目前，我国的液体搅拌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，因此，对搅拌系统应该加以改进。基于PLC的搅拌机控制系统可以灵活的根据液体的不同而进行混料，从而达到节能环保目的。 1.1 设计背景

在生产第一线有着各种各样的自动加工系统，其中液体混合加工就是最为常见的一种。在工艺加工最初，把多种原料在合适的时间和条件下进行顺序加工，一直都是在人监控或操作下进行的。随着经济的发展和社会的进步，各种工业自动化的不断升级，对于工人的素质要求也逐渐提高。从20世纪20年代开始，人们就把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定的逻辑关系连接起来组成控制系统来控制各种生产设备，这就是大家所熟悉的传统继电器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面比较广，在工业控制领域中也一直占主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点：设备体积大、功能少、动作速度慢、可靠性差，难以实现较复杂的控制。又因其是靠硬连线逻辑构成的系统，接线比较复杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就会更换，所以通用性和灵活性比较差。

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）提出了公开招标方案，设

想将继电器便于使用和计算机技术功能完备、灵活的特点相结合，生产一种面向过程，面向问题的工业通用控制器。其主要目的在于简化计算机编程方法和程序输入方式，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器，简称PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和

1

滨州学院本科毕业设计（论文）

维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起[1]。 1.2研究目的与意义

以往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的继电器控制进行改造，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。基于PLC的搅拌机控制系统具有混合精确高、效率高、控制可靠等特点，它避免了人工在恶劣的工作现场操作，降低了危险系数。同时提高了企业生产和管理的自动化水平，减少了人员的使用，减轻了员工的劳动强度，提高了人员的使用效率，在某些工作环境恶劣的行业中得到了广泛的应用，具有良好的经济和社会效益。 在化工、食品加工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环节，液体搅拌的关键部分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。现场采用计算机控制，尽管可以达到控制精度，但成本高，对工作环境要求比较高，对现场操作人员的要求也高。采用可编程序控制器实现液体搅拌控制，不但可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且大大降低成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不是很高。该液体搅拌系统采用基于PLC的控制系统来取代继电器构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和维护性的特点，对企业提高自动化管理水平具有很大的帮助。在此同时也提高了工作效率和生产线的使用寿命，减少了企业生产质量的波动，因此具有广阔的发展前景。液体搅拌控制系统就应工厂的生产需要诞生了。

2

滨州学院本科毕业设计（论文）

第二章 搅拌机控制系统总体方案设计

液体搅拌机控制系统主要通过运用液位变送器采集现场的液位信号，经过数模转换将信号传递给PLC来实现对系统的控制。本系统总体方案设计的主要目的在于保证混料过程中原料的准确性以及保证原料的充分混合。 2.1 控制系统的简介

搅拌机控制系统关键在于选择合适的控制方式和系统组成构件，在完成控制任务的同时，尽量简化结构、降低制造成本。 2.1.1 控制方式的确定

就目前的现状有以下几种控制方式可以满足系统的要求：继电器控制、单片机控制、可编程序控制器控制。

（1）继电器控制

控制功能是由硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速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。系统较为复杂，在控制过程中，如果某个继电器被损坏，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]。 （2）单片机控制

单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括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，成为工控领域、尖端武器、日常生活中应用最广泛的计算机之一。但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接。若要将它用于工业控制还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相当大。

（3）可编程序控制器控制

可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，因此，用户不用自己设计和制作硬件装置，只需确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯

3

滨州学院本科毕业设计（论文）

形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序来适应工艺条件的改变[3]。

随着微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级极大的增强了其功能。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、连网通讯功能等多种性能，是名副其实的多功能控制器。由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。因此，选择PLC来进行本次设计。 2.1.2 控制系统的优点

（1）从控制方式上比较：用继电接触器控制完成一项控制工程，首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来非常麻烦。而采用PLC控制，由于其硬件和软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，因此仅需按性能、控制要求设计控制程序，而且在以后的修改中只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

（2）从工作方式上比较：电气控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘等都有非常周到的考虑。

（3）从控制速度上比较：电气控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，故无抖动。

（4）从定时，计数上比较：电气控制定时精度不是很高，易受环境温度变化的影响，并且无计数功能；而PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；并且有计数功能。

（5）从可靠性，可维护性上比较：电气控制接触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线较多，可靠性，维护性差；而PLC无触点，采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，能适应工作现场的恶劣环境，使用寿命长，且有自我诊断的功能和对程序执行监控功能，现场调试和维护方便。 2.1.3 控制系统的组成

本系统由计算机、现场控制柜、电机、位置检测装置以及报警装置组成。计算机安装在主控室，用以收发液体混合的实时信号，记录，存储和控制现场的运行状

4

滨州学院本科毕业设计（论文）

态。现场控制柜安装在生产现场，电动机及位置传感器等安装在生产线上，受现场控制柜的控制。系统控制框图如图2-1所示。

计算机现场控制柜电机位置检测报警装置装置图2-1系统控制框图

为了实现液体搅拌系统的控制要求，系统主要以PLC作为控制核心。通过液位变送器采集现场液位的高度并将其转换成4～20mA的电流信号送至PLC，PLC通过现场状况及外部输入指令来控制搅拌系统，并显示操作指示及发出报警。 2.2 系统设计内容及需求分析

系统设计内容主要是根据液体搅拌的过程来概述的，并根据设计内容对系统的需求进行分析。 2.2.1 系统设计内容

液体搅拌系统由原料罐、搅拌机、出料罐组成。它先将两种原料送搅拌机，然后在搅拌机内混合，最后，送出料罐出料。两种原料液体进料达到设定的液面时停止进料，且搅拌机搅拌时间可根据浓度的不同而自行设定。设计要求在搅拌机内混合两种液体，首先确定搅拌机内无残留液体，即让放料阀打开10s，然后注入A液体，当A液体上升到SL2位置时禁止A液体流入；B 液开始注入，当B液体上升到SL1位置时B液体停止流入；搅拌电机M开始搅拌，搅拌均匀后(时间设定为30 s)停止并保温10s；出料阀打开，当液位高度下降到SL3后，再延时10s出料阀断电

5

滨州学院本科毕业设计（论文）

关闭，并同时开始新的循环。根据上述构想，决定采用PLC、电磁阀、泵、电机以及液位变送器进行设计。 2.2.2系统需求分析

在设计一个控制系统时，首先要清楚系统所要实现的功能和所具备的的性能，因此需要进行系统需求分析，再决定配置什么样的硬件和软件。

（1）功能需求

控制系统应具有可靠性高，功能强大，扩展容易及连接方便，能够满足开关量控制和数据通讯等功能；系统能够对模拟信号进行数据采集，并保证在传输过程当中的可靠性。 （2）实时性需求

在液体搅拌控制系统中，根据液体混合生产工艺流程，对实时性是有要求的，特别是在测量各种物料液位时，要保证各种液位的动态精度，必须实时地对传感器数据进行采集，并在适当的时候，系统能尽可能快的作出反映，关闭某个阀门或电机。也就是说存在一个时限，系统必须在规定时限内动作，加上执行机构的响应时间，系统必须反应灵敏[4]。 2.3 系统设计的基本步骤

在液位控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析液体混合控制系统的工艺条件和控制要求。

（2）确定好I/O设备。根据液位控制系统功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。

（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。

（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

（5）设计液体自动控制系统的梯形图，根据控制要求设计出完整的梯形图程序，这是整个液体自动控制系统设计的核心工作。

6

滨州学院本科毕业设计（论文）

第三章 控制系统的硬件设计

在液体搅拌机控制系统的设计中，想要经济合算地实现工厂自动化，对于任何一种硬件的设计都应有一个最适宜的方案。本控制系统的硬件设计主要包括系统工艺流程的设计，各种硬件的选用、主电路的设计和控制电路的设计。 3.1 系统的工艺流程设计

整个搅拌系统由进料罐、搅拌机、出料罐以及液位变送器、电机、泵、电磁阀组成。该系统需要1个搅拌电机，进料泵及出料泵总共3个，电磁阀3个。整个系统的工业流程如图3-1所示。

液体A液体B阀B SL1泵2阀ASL2阀C 泵1SL3搅拌机图3-1系统工业流程图

泵3储料罐3.2 PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段[5]。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

7

滨州学院本科毕业设计（论文）

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图3-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

8

滨州学院本科毕业设计（论文）

输入信号输入端子输入映像区用户程序输出映像区输出锁存输出端子输入采样程序执行输出刷新图3-2 PLC的工作过程

3.3 硬件模块的设计

为使系统安全可靠的运行，在进行硬件结构设计时，应充分了解各硬件设备的工作原理，以便选择合适的型号。 3.3.1 可编程控制器的选用

进行PLC选型时，应该从以下几个方面进行考虑：

（1）I/O点数问题

当控制对象I/O点在60点之内，I/O点数比为3:2时选用整体式（小型）PLC较为经济；当控制对象I/O点在100-300点左右，选用中小型模块式的较为合理；当控制对象I/O点在500点以上时就必须选用大型PLC。 （2）I/O类型问题

I/O类型也是决定PLC选型的重要因素之一，一般而言，多数小型PLC只具有开关量I/O ；PID、 A/D、D/A、位控功能一般只有大、中型PLC才有。

（3）联网通信问题

联网通讯是影响PLC选型的重要因素之一，多数小型机提供较简单的RS-232通讯口，少数小型PLC没有通讯功能。而大型PLC一般都有各种标准的通信模块可供选择。

（4）系统响应时间问题

系统响应时间也是影响PLC选型的重要因素之一。一般而言，小型PLC扫描时间为10-20ms/kb；中型PLC扫描时间在10ms/kb以下；大型PLC扫描时间在1 ms/kb

9

滨州学院本科毕业设计（论文）

以下，而系统响应时间约为2倍的扫描周期[6]。 （5）可靠性问题

应从系统的可靠性角度，决定PLC的类型和组网形式，比如对可靠性要求极高的系统，可考虑选用双CPU型PLC或冗余控制系统/热备用系统。 （6）程序存贮器问题

在PLC选型过程中，PLC内存容量、型式也是必须考虑的重要因素。通常的计算方法是:

I/O点数?（开关量）8?100?模拟量?120?（1?采样点数?0.25）。

进行PLC选型时，不要盲目地追求过高的性能指标。另外，I/O点数，存贮容量应留有一定的余量以便实际工作中的调整。

确定PLC的型号以后，就必须对各种模块进行选型，开关量模块的选型主要涉及到如下几个问题:

（1）外部接线方式问题。I/O模块一般分为独立式、分组式和汇点式。通常，独立式的点均价格较高，如果实际系统中开关量输入信号之间不需隔离可考虑选择后两种。

（2）点数问题。前面所说，点数是影响PLC选型的重要因素，同样在进行I/O模块的选型时也必须根据具体点数的多少选择恰当的I/O模块。一般而言，点数多的点均价就低。

（3）开关量输入模块。通常的开关量输入模块类型有有源输入、无源输入、光电接近传感器等输入。进行开关量输入模块的选型时必须根据实际系统运行中的要求综合考虑。

（4）开关量输出模块。通常的开关量输出模块类型有继电器输出、可控硅输出和晶体管输出。在开关量输出模块的选型过程中，必须根据实际系统运行要求及要求输出的电压等级进行相应的选型。

根据对控制要求的分析，本设计选择了三菱系列中的FX2N-32MR，它不仅满足中等性能要求的应用，而且应用领域相当广泛。其指令非常丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、易于扩展、性价比高。并且有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制，设计中使用的PLC所用的模块共有I/O总数32点，其中输入点12个，输出点12个。可带8个特殊扩展单元。FX2N-32MR系

10

滨州学院本科毕业设计（论文）

列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块[7]。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。该系列所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。根据系统控制要求设计出PLC的外部接线图，如图3-3所示。

开始停止X0X1X2 X3X4X5X6X7X10X11X12COMY0Y1Y2Y3Y4M1、阀AM2、阀B液位开关SL1 液位开关SL2M3、阀C搅拌机热电偶报警铃液位开关SL3试灯、试铃三菱FX2N-32MRY5Y6Y7Y10Y11Y12COM消铃按钮M1、阀A故障指示灯M2、阀B故障指示灯M3、阀C故障指示灯搅拌机故障指示灯循环结束指示灯M1、阀A故障 M2、阀B故障 M3、阀C故障 搅拌机故障图3-3 PLC外部接线图

根据PLC外部接线图，将11个输入信号、11个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC I/O端地

11

滨州学院本科毕业设计（论文）

址编号对照表，如表3-1所示。

表3-1 I/O分配表

输入点 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 开始SB1 停止 SB2 液位开关 SL1 液位开关 SL2 液位开关 SL3 试灯、试铃 消铃按钮 M1、阀A故障 M2、阀B故障 M3、阀C故障 搅拌机故障 输出点 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 M1、阀A M2、阀B M3、阀C 搅拌机 热电偶 报警铃 M1、阀A故障指示灯 M2、阀B故障指示灯 M3、阀C故障指示灯 搅拌机故障指示灯 一次循环结束指示灯 3.3.2 液位变送器的选用

液位传感器（静压液位计／液位变送器／液位传感器／水位传感器）是一种测量液位的压力传感器。静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA或1~5V DC）[8]。液位变送器的选择首先要根据其输出信号类型及大小来选择，以保证其能与PLC模拟量输入模块相匹配，然后再根据设计需要选择量程、工作电压以及精度等性能适合的液位变送器。

12

滨州学院本科毕业设计（论文）

在本设计中，需使用液位变送器采集搅拌机的液位信号，因此根据系统的实际情况，选用一个测量范围为5m的HP-31B液位变送器，并使用二线输出使液位变送器输出4-20mA的电流信号。性能指标如表3-2所示。

表3-2 HP-31B液位变送器性能指标

传感部件 测量范围 过 载 工作温度 工作电压 输出信号 输出负载

与介质接触材料

美国Sensors充油硅芯体 0-1、2、3、5、10、....200 m

1.5倍满量程 -20-85度 24V DC

4-20mA二线

（Uv-10）/0.02 (欧姆) a.壳 体：不锈钢 1Cr18Ni9Ti b.密封圈：丁腈橡胶或氟橡胶 c.膜 片：不锈钢 316L d.橡胶件：丁腈橡胶 e.电 缆：聚乙烯导气电缆

仪表接线

二线制 不分正负

三线制 1.GND 2.+V 3.OUT

3.3.3 电磁阀的选用

电磁阀选型首先应该依次遵循安全性、可靠性、适用性、经济性四大原则，其次是根据管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求等六个方面进行选择。

二位二通电磁阀是指电磁阀有两个位置（开启、关闭），两个通道（进油通道、出油通道）。在未通电时球阀处于开启状态，即电磁阀的进液口和出液口相通，则为常开二位二通电磁阀；在未通电时球阀处于关闭状态，即电磁阀的进液口和出液口关闭，则为常闭二位二通电磁阀[9]。

在本设计中选择DF2型二位二通（常闭）电磁阀。它为导阀动作式常闭型电磁阀，利用直流或交流电磁铁进行操作。当电磁阀通电时动铁芯受电磁力作用被吸向

13

滨州学院本科毕业设计（论文）

上，从而打开阀门，断电时，阀即关闭。其适应性比较强、口径比较大，采用膜片式结构，密封性能好、耗电量小、体积小、使用范围大。DF2型电磁阀性能和尺寸如表3-3所示。

表3-3 DF2型电磁阀性能和尺寸

工作介质 工作压力 工作介质温度 工作环境 工作电压 安装方式

水、油及其他液体

1~8Kg/cm2 0~60℃

温度0~60 湿度<85% 直流24V 交流220V

管式连接

3.4 系统主电路的设计

如图3-4所示，L1、L2、L3为三相三线电源进线，经电源开关QS，熔断器FU1供给电机和电磁阀工作。其中电动机M1将A液体注入泵1，YV1为A液体进料电磁阀，M1和YV1用接触器KM0控制，若KM0线圈得电后其三对主触点闭合，M1和YV1进料阀运行将液体A注入搅拌机。热继电器FR1对M1液压泵进行过载保护。

电动机M2将B液体注入泵2，YV2为B液体进料电磁阀，M2和YV2用接触器KM1控制，热继电器FR2对M2进行过载保护。其工作原理和M1相同。

电动机M3为搅拌电机，用接触器KM2控制，当两种液体注入搅拌机的工作完成后，从PLC得到搅拌信号后，KM2线圈得电使M3开始搅拌，搅拌时间到后PLC发出信号，KM2线圈失电，M3停止搅拌。热继电器FR3对搅拌电机M3进行过载保护。

电动机M4将混合液体注入泵3，YV3为混合液体出料电磁阀，M4和YV3用接触器KM3控制，若KM3线圈得电后其三对主触点闭合，液压泵3将混合液体注入出料灌。热继电器FR4对M4液压泵进行过载保护。

14

滨州学院本科毕业设计（论文）

图3-4 系统主电路图

15

滨州学院本科毕业设计（论文）

3.5 系统控制回路的设计

如图3-5所示，中间继电器KA0与KM0相接，用来控制原料A液体的注入；中间继电器KA1与接触器KM1相接，用来控制原料B液体的注入；中间继电器KA2与接触器KM2相接，两种液体注入搅拌机，工作完成后，用来控制搅拌电机；中间继电器KA3与接触器KM3相接，用来控制混合液体的流出。

L+QSKA0KM0KA1KM1KA2KM2KA3KM3L-图3-5 系统控制电路图

16

滨州学院本科毕业设计（论文）

第四章 系统的软件设计

针对该设计要求，在软件方面主要是对主程序、报警电路程序、和断电保护程序进行设计。本次设计应用的编程软件是三菱GX Developer，该软件的主要特点有软件的共通化、程序标准化、能够简单设定和其他站点的链接、具有丰富的调试功能[10]。

4.1 程序设计思想

为了使PLC完成液体搅拌的现场控制功能，PLC需要采集各液位传感器模拟量信号，并对此进行处理后，输出对电磁阀、电动机等各执行机构的控制信号，其具体细节如下：

（1）液体A、液体B等由液位传感器感应的信号分别经液位变送器进入PLC。由于变送器输出的是并行BCD码，所以需经过程序转换成二进制码，存储在PLC的数据寄存器中，然后经过PLC程序处理。 （2）各液体达到设定值时停止给料。

（3）考虑到有可能因突然停电造成配料停止，为了不使已经配好的原料浪费，己经配好的原料的液位需要具有停电保护功能，所以在程序中，把这些液位信号存在可断电保持的数据寄存器中。

（4）由于搅拌机运行过程中，搅拌电机等难免不出故障，因此，应设计故障报警程序。

4.2 系统初始化程序及主程序设计

PLC控制程序执行输出动作时，计算机必须己经处于数据的采集与处理状态，因此，需要设定内部辅助继电器标志。只有当计算机复位该标志时，PLC才能确认计算机已处于所要求的状态，否则必须关断所有输出负载，进入等待。同理，结束时，判断停止条件：电磁阀均己关闭，电动机已停止，本批搅拌结束且PLC无输出动作等。

（1） 在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完

17

滨州学院本科毕业设计（论文）

成相应的控制任务。

（2）根据系统工业流程及系统控制流程制定出主程序流程图，以实现整个液体搅拌的过程控制。如图4-1所示

开始搅拌30秒阀C开10秒保温10秒M1、阀A运行M4、阀C运行N到达SL2YN到达SL3YM2、阀B运行N定时10秒到达SL1YN停止Y结束

图4-1主程序流程图

4.3 报警电路程序的设计

当液位越限或电动机发生故障时，为了减少对工厂造成的危害，必须设计报警电路来实时检测系统是否运行正常。一旦液位越限或电动机发生故障，报警器可立

18

滨州学院本科毕业设计（论文）

即发出声光来提醒人们来排除故障，因此，设计报警电路具有重要的价值和意义。由于条件有限，报警电路的设计较为简单，如图4-2所示为程序运行流程图。

故障产生故障指示灯亮，报警电铃响按下试灯、试铃按钮图4-2 报警电路运行流程图

按消铃按钮关闭电铃，报警指示灯变常亮消除故障报警灯熄灭4.4 断电保护程序的设计

由于整个设备的工作流程是连续循环进行的，因此断电之后再起动必须仍然恢复断电前的状态。程序设计选择具有断电保护的内部辅助保持继电器和数据，将泵、电磁阀或电机的运行状态和参数进行保存，实现断电保护。图4-3所示为程序运行流程图。

系统初始化原始配方及控制参数初始化是否执行断电恢复？N开始Y调入断电时状态接上次断电时状态运行结束一次循环图4-3 断电保护运行流程图

19

滨州学院本科毕业设计（论文）

4.5 系统控制过程分析 （1）启动操作

按下启动按钮SB1，X0的常开触点闭合，Y2、T2同时得电并通过Y2常开触点自锁，Y2常开触点闭合，使M4和YV3通电排放剩余混合液体，经T2延时10s后M4和YV3断电，即关闭阀C。同时M1和YV1通电打开，液体A流入搅拌机。

（2）液面上升到SL2

当液面到达SL2时，SL2触点接通，即X3接通，Y1置位，其常闭触点打开，使Y0断电，M1和阀A关闭，液体A停止流入；同时Y1线圈得电，使其控制的M2和YV2通电打开，液体B流入搅拌机。

（3）液面上升到SL1

当液面上升到SL1时，SL1触点接通，即X4接通，Y1控制M2和YV2关闭，液体B停止注入，同时Y3和T0接通，搅拌电动机开始工作。

（4）搅匀后放混合液

搅拌电机工作时，T0计时，30s后M3断开，搅拌电机停止工作。同时T1触点控制热电偶接通，保温10s，M3和YV3得电，开始放混合液体。

（5）液面下降到SL3

当液面传感器SL3（X4）由接通变为断开时，T2开始工作，10s后混合液体放完，T2常开触点闭合，复位所用的内部继电器M，使Y3断开，其控制的M4和YV3断电，同时T2常开使X0得电Y0接通，M1和YV1通电，使液体A流入搅拌机，开始进入下一个循环。

（6）停止操作

按下停止按钮SB2，X1接通，其常闭触点断开，切断循环信号。在当前的操作处理完毕后，使X1不能再接通，即停止操作。

当一次循环结束时进行判断，如果判断的是停止按钮后，PLC程序将返回到原始状态，当再次开始的时候，需要提供PLC一个上电脉冲M8002。如果想进入下一次循环，而这期间又没有按下停止按钮，那么PLC将返回到程序自动运行的下一循环点进行下一次的操作。

20

滨州学院本科毕业设计（论文）

第五章 总 结

本文首先对搅拌机控制系统的发展前景进行分析，从液体搅拌的工艺流程介绍开始，确定了基于PLC的搅拌机控制系统的设计方案。设计的主要任务为通过液位变送器采集现场液位的高度并将其转换成4～20mA的电流信号送至PLC，PLC通过现场状况及外部输入指令来控制搅拌系统，并显示操作指示及发出报警。然后对控制系统的硬件需求进行分析，选用适合本系统的硬件设备，设计符合控制要求的主电路和控制电路。在软件设计方面主要应用编程软件三菱GXdeveloper进行程序的编写，其中主要包括主程序和报警程序的设计，达到最终的设计目的。 本文所设计的基于PLC的搅拌机控制系统采用先进控制器对传统继电器控制进行改造，不但提高了控制系统的可靠性和自控程度，而且为生产提供了更可靠的保障，还能随时随地的修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。PLC的使用使整个控制系统的可靠性得到了提高，而且易于操作和维护，简化了系统的组成。由于自己能力有限本次设计中还存在一些不足，如可以用组态软件对控制过程进行实时监控，并对系统进行数据处理、流程控制，通过计算机接口对系统液位控制发出控制命令以及通过动画显示生动的模拟整个液体搅拌控制系统的工艺流程。

21

滨州学院本科毕业设计（论文）

参考文献

[1] 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M]..北京:机械工业出版社,2005:1-2 [2] 方承远.工厂电气控制技术[M]. 北京:机械工业出版社,2000:10-20 [3] 何建平.可编程控制器及其应用[M].重庆:重庆大学出版社,2004:15-17 [4] 陶美雄.基于PLC的液位自动控制系统[J].江西冶金,2003:32-35

[5] 陈立定,吴玉香编.电气控制与可编程控制器[M].广州:华南理工大学出版社,2001:6-7 [6] 郭艳萍.电气控制与PLC技术[M]. 北京:北京师范大学出版社,1993:60-62

[7] 赵峰,贾石峰,顾桂梅.现代电气控制与PLC应用[M].兰州:兰州大学出版社,2006:70-75 [8] 杨帮文.新型传感器和变送器实用手册[M].北京:电子工业出版社,2008:9

[9] Karl Heinz-John, Michal Tiegelkamp.IEC61131-3: Programming Industrial Automation Systems, Springer-Verlag Benlin Heidelberg[M]. 2001:10-11

[10] 丁炜.可编程序控制器在工业控制中的应用[M].化学工业出版社,2004:8-11

22

滨州学院本科毕业设计（论文）

谢 辞

毕业设计是对大学四年学习的一次验证，这次对搅拌机控制系统的设计是在赵娟老师的认真指导下完成的，从设计题目的选定到设计最终定稿的每一个环节，赵老师都亲自指导并提出意见和需要改正的地方，在这个过程中她为此付出了大量的心血和精力。在这里诚挚的向赵老师说一声谢谢！谢谢老师无微不至的指导。经过一个多月的学习，发现了自己还有很多的知识漏洞需要弥补，正所谓学无止境，在这期间通过同学的帮助我还学会几个实用性的软件，在这里也谢谢帮助过我的那些热心同学，你们将是是我人生中最大的财富，为我以后的发展奠定了良好的基础。人们经常说学而知不足，我发现这句话特别适合我们即将毕业的大学生，就像这次毕业设计一样，不断的学习不断的总结。

也许这次毕业设计是我学生时代的最后一次作业了，谢谢赵老师帮我完成这次最后的作业，同时也要感谢我的父母这四年来对我的默默支持，还有对大学四年的所有同学和教过我的老师说声谢谢！你们将是我人生中最美好的回忆。

23

滨州学院本科毕业设计（论文）

附 录

主程序梯形图

24

滨州学院本科毕业设计（论文）

25

滨州学院本科毕业设计（论文）

26

滨州学院本科毕业设计（论文）

报警电路梯形图

27

滨州学院本科毕业设计（论文）

28

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a37o.html