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1、山东建筑大学成人教育 毕业设计（论文）题 目： 基于PLC液体药品成分混合专 业： 电气工程及自动化技术班 级： 13级电气自动化 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 完成日期： 2015年10月基于PLC液体药品成分混合的控制设计摘要：可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是一种数字运算操作的电子系统。它采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、计算和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。本课题是使用三菱PLC控制两种不同液体的混合。根据生产需求，通过液面传感器控制生产对两种液
2、体需求的量，由定时器对搅拌机进行定时控制，从而使液体进行充分混合，最后将混合液体排出容器罐，同时实现生产的循环。关键词：可编程序控制器 自动控制 液面传感器The mixed control design based on PLC liquid pharmaceutical compositionAbstract: Programmable Logic Controller (PLC) is a microprocessor-based general-purpose industrial control device, a digital electronic computers opera
3、ting system. It uses a programmable memory used in its internal storage for performing logic operations, sequential control, timing, calculation and arithmetic operation instruction, and is widely used in various mechanical devices through digital and analog inputs and outputs, and the automatic con
4、trol system of the production process. This topic is Mitsubishi PLC control two different liquid mixture. Controlled by the liquid level sensor according to the produce requirements, the amount of the production of two liquid are wanted by the timer timing control mixer, so that the liquid is thorou
5、ghly mixed, the mixed liquid discharge container tank, while achieving a production cycle.Keywords: Programmable Logic Controller automatic control liquid level senor 目 录摘要1Abstract2Keywords: 21 概论41.1课题内容41.1.1选题的目的41.1.2课题设计的意义41.2 PLC的发展史41.3 PLC的结构51.4 PLC的工作原理51.5 PLC的应用领域61.6 PLC的发展趋势72 总体设计82
6、.1 方案设计82.2 液体混合装置的示意图92.3 方案结构框图102.4 设计要求103 硬件设计113.1 硬件选型113.1.1 PLC机型选择113.1.2 搅拌机的选择123.1.3 液面传感器143.1.4 电磁阀选择153.2 外部接线图153.2.1 I/O端口分配表153.2.2 硬件接线图164 程序设计174.1 流程图174.2 梯形图185 综合测试及系统仿真19总 结25致 谢26参考文献27附录一：梯形图程序281 概论1.1课题内容1.1.1选题的目的借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，进一步了解所学可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式。而多种液体混
7、合装置的控制更常见于工业生产中，尤其见于化学化工业中，便于学有所用。1.1.2课题设计的意义用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需用到它，如机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC用于多种液体混合物装置的控制，对学习与实用是很好的结合。1.2 PLC的发展史伴着工业自动化的蓬勃发展，生产设备和操作流程逐渐复杂。对于传统的继电器控制系统无法可靠灵活的控制复杂的系统，为了使生产出的产品品种齐全、成本低廉和品质优良，PLC被引入生产控制中。早期PLC在工业中替代
8、继电器的功能，但是其比继电器简单，且对控制出现故障它可以进行指示，功能上优于继电器；中期的PLC结合了微处理器，变得智能化，功能在原来的基础上变得更加强大；近期的PLC发展的愈发完善，很多生产商都开发专业的芯片来装配在PLC中，增加其在硬软件方面的功能。PLC以其编程简单易学，使用简便，可靠灵活、性能价格比高的优点，很快在工业领域广泛推广。我国于上世纪80年代开始研制，并取得显著的成功，随后开始应用工业生产中，在现代的工业自动化生产中PLC被广泛应用。1.3 PLC的结构 图1 PLC控制示意图PLC主要由CPU模块、输出模块、输出模块和编程器组成，它们有着各自的功能1。表1 模块功能表模 块
9、功 能CPU模块采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出； 输入模块 接收和采集输入信号； 输出模块输出信号，控制装置执行； 编程器生成用户程序，进行编程、检查、修改和监视用户程序的执行情况； 电源一般使用AC220V或DC24V。 1.4 PLC的工作原理 RUN模式 STOP模式 内 部 处 理通 信 服 务输 入 处 理程 序 执 行输 出 处 理内 部 处 理通 信 服 务 图2 PLC扫描过程PLC有RUN模式和STOP模式两种基本工作方式，PLC在运行模式执行用户程序、内部处理、通信服务、输入处理、输出处理五个阶段，且周而复始的循环工作模式1。内部处理阶段检查CPU内部硬件是否正
10、常，以及复位监控定时器；通信服务阶段是PLC连接其他智能装置通信，使编程器输入的命令相应，同时使显示的内容更新；输入处理阶段是将外部电路的状态输入映像寄存器中；程序执行阶段是输入信号的变化必须在下一个周期内才可以被输入；输出处理阶段是将寄存器的状态传输到输出寄存器中1参考文献。1.5 PLC的应用领域由于PLC在实际生产控制中带来的效益显著，其在现代企业中的使用比例日益增多，而且被应用的区域越来越广泛。PLC的应用领域： (1) 逻辑控制 逻辑控制是PLC最基本的应用，可以实现定时控制。随着功能不断完善，可以实现单台设备的控制，也可以对自动生产线控制。(2) 运动控制PLC对运动控制具有专用的
11、模块，它可以对直线运动、圆周运动和速度等进行控制，使运动控制和顺序控制相结合，实现各种位置控制。(3) 闭环过程控制闭环过程控制是对连续变化的模拟量进行控制。PLC通过I/O模块实现数模转换与模数转换，并对模拟量进行比例-积分-微分控制。(4) 数据处理PLC具有数学运算、转换、数据传输、位操作等功能，可以实现数据的采集、分析和处理。这些数据可以与参考值比较，也可以传送到智能装置中。(5) 通信联网PLC的通信联网能力使其与其他智能装置一起实现对生产的控制与管理。1.6 PLC的发展趋势(1) 小型化、微型化和大型化、多功能化小型化、微型化PLC是为了适应小型企业的要求，提高性价比更高的系统，
12、大型化、多功能PLC专为那些要求高的企业提供的。PLC在不断地更新，越来越趋向于高性能、高精度、反应速度快的方向发展。(2) 增强控制功能随着PLC的发展和市场的需求，增强控制功能使其可以实现模糊控制、闭环控制、参数设定和自适应控制，使在实际生产中高效准确。(3) I/O模块智能开发使I/O模块智能化，使其具有较强的处理信息的能力以及提高它的控制能力，圣体可以自成系统，独立工作，提高PLC的适应能力。(4) 与计算机紧密结合计算机具有数据分析处理的能力，将其与PLC相结合，在工业控制系统中广泛应用，使得控制系统的性能不断提高。(5) 编程语言取向标准化国际电工委员会制定了标准，还开发了可编程控
13、制器编程语言的标准。(6) 通信与联网能力不断提高PLC的通信联网功能力，使智能设备和PLC之间数据交换，从而形成一个统一的整体，实现准确的控制。2 总体设计2.1 方案设计本方案设计生产工艺的流程设计，为设备的选择、安装、和检测维修服务。系统要满足生产安全、稳定、高效以及要做到经济适用。在方案的设计要求达到最优化，器件的选择要考虑新技术、新产品，以满足实际生产对自动化的需求，使生产具备更高的可靠性和灵活性。对于本课题来说，设计的混合液体系统方案应满足实际工业生产控制的需求以及相应的生产环境。在实际生产过程中，往往面对一些对人身体安全有害的液体，以及恶劣的工作环境；在生产中的配料精准和控制可靠
14、的是决定产品的品质，人工配料了可能导致很大的误差从而影响产品质量。因此自动控制技术在生产中越来越广泛。(1) 方案一 继电器控制 继电器控制是将硬件继电器串接在控制电路中，根据主电路中某种输入信号变化而动作，以实现控制设备的自动控制及保护。实际生产过程中使用的系统相对比较复杂，如果某个继电器损坏，会导致整个系统的运行。由于系统复杂查找和排除故障困难，不易检查维修，并且控制柜的安装接线工作量大，灵活性差，响应速度慢，精准度相对低。 (2) 方案二 单片机控制单片机作为一个集成电路，集成了中央处理器、存储器系统、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断系统和一些特殊功能寄存器13。其低功耗和较强控制
15、功能，日常生活中使用较为广泛。但是，单片机的缺点相当明显，其稳定性差，在实际控制经常出现故障，扩展麻烦，受环境影响较大。若将它用于实际生产控制要附加相应的电路，并且硬件设计和编辑程序的工作量较大。(3) 方案三 可编程序控制器控制 可编程序控制器配备不同功能的硬件设备，用户也可以根据自己实际需求制作相应的程序，同时选择设计相应的外部电路就可以实现自己想要的控制。PLC安装很方便，接线一般用端子直接与外部电路连接，且具有较强能力去驱动负载。关于维护和检修，PLC的故障率较低，且自身具有完善的自我诊断和现实功能。由于传统的继电器控制系统对于复杂的控制系统可靠性差，排除障碍困难，灵活性差。在工业生产
16、中，为了使自动化生产设备和生产线更加稳定灵活可以选择PLC来进行系统控制。PLC性能好价格低，且具有强大的控制能力和稳定性，适用实际对控制的要求。由于它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。综上所述，我选择三菱PLC来作本课题设计的控制装置。2.2 液体混合装置的示意图图3 混合装置示意图2.3 方案结构框图图4 方案结构框图2.4 设计要求由装置示意图可以看出，在液体混合罐上有两个阀门V1、V2控制液体注入以及阀门V3排放液体、三个液面传感器和一个搅拌电机。三个液面传感器检测混合罐中液体在容器中的量。电机M目的是将容器中的液体均匀混合。具体要求如下：（1）初始
17、状态时液体混合罐空，电磁阀V1、V2、V3为OFF状态，电机M关闭，传感器为OFF状态。（2）按下启动按钮，电磁阀V1接通（ON状态），开始向混合罐中注入液体A，当液体A的液面到SL2时，V1关闭（OFF状态），停止注入液体A；同时电磁阀V2接通（ON状态），向混合罐中注入液体B，当液体上升到SL1时，V2关闭（OFF状态）,停止注入液体B。（3）当液体注入混合罐中，即液面达到SL1位置，搅拌电机起动。搅拌混合1分钟，电磁阀V3接通（ON状态），排出混合液体；当液面到达SL1时，V3继续接通，20秒后液体全部排出，V3关闭（OFF状态）。到此完成一个周期，随后可以根据要求执行执行循环。3 硬件
18、设计3.1 硬件选型 3.1.1 PLC机型选择 根据课题设计要求，选择三菱PLC进行整体方案设计。三菱电机公司最初推出的F系列的小型PLC。其后为了可以满足不同用户的需要，三菱推出FX系列的PLC，其在硬件和软件功能上都有了很大的提高，性能价格比也明显提高了。FX系列主要有FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC这4个子系列。表2 FX系列PLC性能比较根据它们的性能对比，可以看出FX1S、FX1N适用于中小型的控制系统，虽然具有通信功能但是没有FX2N系列PLC的功能强，且FX2N系列的PLC对基本指令的执行迅速，扩展能力强。根据实际生产控制需求和PLC的输入、输出点数，为了避免浪费，且让
19、用户能够用最少的投资来满足自己设计的要求，故本方案设计选择的PLC是FX2N-32MR-D。图5 FX2N-32MR-D实物图FX2N-32MR-D：（1）选用FX系列中子系列为2N的系列；（2）输入点数16，输出点数16，总点数为32；（3）M为选择基本单元；（4）R为输出方式为继电器输出；（5）D为电源的输入输出方式DC24V。3.1.2 搅拌机的选择选择合适的搅拌机，可以提高生产效益，而且还能够更好的实现搅拌的要求，提高产品的品质，立式搅拌机广泛应用于化工、制药的一系列液体混合的生产行业中。立式搅拌机的工作原理：是通过泵体和螺杆所形成的啮合空间的容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵
20、，主动的螺杆的转动从而带动与啮合的从动螺杆一直转动，吸入腔一端的螺杆啮合空间容积逐渐增大，且压力降低。立式搅拌机的特点：（1） 立式搅拌机可输送高浓度高粘度的悬浮液；（2） 搅拌液体平稳，低噪音；（3） 搅拌机结构简单，便于维护修理；由于在实际生产中，有些液体本身具有腐蚀性，比如盐酸、硫酸，所以要对搅拌机的搅拌器的材料进行选择。搅拌器材料分三种：碳钢、304不锈钢、316不锈钢，三者的防腐效果不同。表3 三种材料的比较材料适 用 环 境碳钢无腐蚀性质的液体，不适合要求高的液体搅拌306不锈钢适用于腐蚀性较低的液体，比如弱酸、弱碱316不锈钢适用于强酸和高浓度的液体搅拌器的电机选用EJ15-3，
21、相关技术参数：(1) 额定电压220V，最大工作电流3A；(2) 工作温度-1540摄氏度；(3) 工作效率高，节能，噪音低。图6 电机连接图3.1.3 液面传感器在实际生产中，混合液体各种成分投入的量的控制关系产品质量的高低。因此选择液面传感器要考虑以下几点：（1）传感器的测量环境以及测量液体的性质；（2）传感器的灵敏度；（3）传感器的稳定性；因此可以选择光电耐腐蚀的传感器LSF-2.5型。LSF系列的液面传感器就有较高的灵敏度，其根据光的折射反射原理来设计的。当液体未到指定的液面时，光被前端的球面反射；当液体淹没光电探头时，光被折射出来，输出一个变化的信号，晶体管或继电器做出相应的响应，从
22、而输出一个开关量。LSF系列液面传感器对环境具有较强的适应能力，且具有较强的抗腐蚀能力。元件的技术参数：（1）最大工作压力2.5Mpa；（2）最高温度为120摄氏度；（3）触点寿命100万次； （4）开关电压24V DC。3.1.4 电磁阀选择电磁阀是由电磁控制流体的自动化的工业设备，其控制的精度、安全性以及适用性和经济性是选择电磁阀的依据。综合考虑选择VF系列电磁阀，其工作原理是通电状态，电磁线圈产生电磁力打开阀门；断电状态，电磁力消失，阀门关闭。入灌液体电磁阀选择VF4-25，其技术参数：（1） 材料：聚四氟乙烯；（2） 工作电压：交流220V，直流24V；（3） 介质温度不低于150摄氏
23、度，工作环境温度为-2060摄氏度；（4） 功率：2.5KW出灌液体电磁阀选择可调节流量的AVF-40，其技术参数：（1） 材料：聚四氟乙烯；（2） 工作电压：交流220V，直流24V；（3） 功率：5KW3.2 外部接线图3.2.1 I/O端口分配表表4 端口分配输入端口输出端口元 件I/O端口元 件I/O端口SDX0V1Y0STX1V2Y1SL1X2V3Y2SL2X3MY3SL3X43.2.2 硬件接线图图7 PLC外部接线图4 程序设计4.1 流程图图8 流程图4.2 梯形图5 综合测试及系统仿真在液体自动混合实验区完成对两种不同液体混合的模拟仿真，试验台的控制面板如下图所示：图9 液体
24、混合控制面板 在面板图中，按钮SD、ST分别接PLC的输入点X0、X1，传感器SL1、SL2、SL3分别接X2、X3、X4；搅拌电机接PLC的输出点Y3，电磁阀V1、V2、V3分别接Y0、Y1、Y3。在实验模拟中，使用开关来模拟控制，使用动合开关来实现启动和停止功能，用发光二极管的点亮来表示电磁阀V1、V2、V3和搅拌电机M的启动，用发光二极管的熄灭来表示电磁阀V1、V2、V3和搅拌电机M的停止。实验操作步骤：（1） 根据要求连接电路，并检查电路；（2） 编写程序，检查无误后将程序导入PLC中；（3） 启动运行；（4） 调试控制，实现仿真；控制要求：在启动装置之前，关闭阀门V1、V2，且打开混
25、合液体阀门V3，并延时6秒，目的是将容器罐中的液体排尽，从而使生产控制更加准确。仿真结果：(1) 初始状态：将输入点与主机控制屏上的数字量输入依次连接，输出点也依次连接数字量输出，并且给PLC提供直流24V电压。(2) 将模拟开关K0接通，即启动SD，启动信号输入，二极管发光表示阀门V1打开，A液体注入容器罐中，灯一直亮表示液体在不断注入；（3）向右拨动SL3的开关，二极管发光表示液面到达SL3处，但是阀门V1处的二极管一直发光，表示一直在注入液体A。(4) 向右拨动SL2的开关，二极管发光表示液面到达SL2处，此时阀门V2接收到信号从而接通，二极管发光表示开始注入液体B；（5）向右拨动SL3
26、的开关，二极管发光。三个液面传感器的的二极管都发光表示液体已经注入完成。电机M开始启动。（6）电机搅拌60秒后，电机的二极管熄灭表示停止搅拌，阀门V3变为ON状态，二极管的发光，开始向外排出混合液体；（7）阀门V3的二极管一直发光，一直在向外排出液体，当混合液体排放低于某一个传感器时相应的二极管就熄灭，低于SL3时，SL3立即变成OFF状态，定时器定时排液体20秒，排空容器罐中的液体，执行下一个生产周期；（8） 若按下ST，输入停止信号，则当前的生产周期完成后才终止操作，从而返回初始状态。总 结在这段时间的不断努力后，我的毕业设计终于完成了。起初在拿到毕业设计题目时，觉得毕业论文是对大学所学知
27、识的一次总结。但当我在真正的接触论文设计，我发现自己还存在一些问题。首先，自己的知识储备不足，平时学过的知识理解不透彻。所以在设计的初期，我开始对相关知识进行进行复习和梳理。其次，在论文的设计方向没能够很好的把握，导致自己在设计方案中不够完善。但是在指导老师的悉心指导下，以及在对一些相关论文的阅读后，自己完成了最终的方案设计。最后，在实验室进行仿真中出现调试错误，但是在老师指导和同学的帮助下完成了仿真，最终完成了自己的毕业设计。作为一名电气自动化的学生，本次论文设计是对我所学专业知识的一次综合性的训练，同时也是对我们综合能力的一次培训。它是以三菱PLC技术的知识为中心，以及传感器原理等一系列的
28、知识，要求理论知识和实践相结合锻炼我们综合能力，以及提高了我们对问题读入分析与解决的能力。致 谢此次毕业论文的能够顺利完成，我衷心感谢那些帮助过我的人。首先感谢我的指导老师周老师。正是周老师细心地讲解，我的思维得以扩展，使得总体设计方案渐渐完善；正是周老师耐心地指导，我才完顺利完成自己的毕业设计。感谢我的同学在我需要帮助的时候提供了援助之手，帮助我度过很多的难关。我要感谢的家人，一直在支持我、鼓励我，我才能充实的度过大学的生活。参考文献1 廖常初.FX系列PLC编程及应用M，机械工业出版社，2012年7月2 胡学林.可编程序控制器教程M，电子工业出版社.2003年4月 3 李洪群.可编程序控制
29、器原理和实践M，清华大学出版社.2010年3月.4 高钦和.可编程器件技术与设计M，人民邮电出版社.2004年7月.5 俞国亮.PLC原理与应用M，清华大学出版社.2005年6月第一版.6 史国生.电气控制与可编程控制技术M，化学工业出版社.2010年5月.7 黄贤武 郑筱霞.传感器原理和应用M，电子科技大学出版社.2004年6月.8 李树雄PLC原理及应用M，航空航天大学出版社，2006年10月.9 王红，王艳玲可编程控制器使用教程电子工业出版社，2002年.10 齐从谦，王士兰PLC技术及应用机械工业出版社，2000年.11 王兆义可编程控制器教程机械工业出版社，1998年.12 李志谦P
30、LC项目式教学、竞赛与工程实践北京：机械工业出版社，2012年4月.13 谢维成，杨家国.单片机原理与应用及C51程序设计.清华大学出版社，2009年7月附录一：梯形图程序0 LD M80021 OR M1002 OUT M1003 LD M1004 OUT T0 K607 LD X0008 OR M09 ANI X00110 OUT M011 LD X00212 AND M013 PLS M214 OUT T1 K10018 LD X00319 AND M020 PLS M322 LD X00423 AND M024 PLF M426 LD M427 OR M528 ANI X00129 O
31、UT M530 LD X00031 ANI X00232 ANI X00333 ANI X00434 SET Y00035 LD M336 OR X00137 RST Y00038 LD M339 AND X00440 SET Y00141 LD M242 OR X00143 RST Y00144 LD M045 AND X00246 AND X00347 AND X00448 ANI T149 OUT Y00350 LD T151 OR M1052 ANI X00153 OUT M1054 LD M555 OUT T2 K6058 LD M1059 ANI T260 LDI M061 ANI T062 ORB 63 OUT Y00264 END
