液体混合控制装置的模拟(一).doc

目 录
1 课题的内容和设计要求 11
1.1控制系统简介 11
2.控制要求如下： 12
2 系统整体方案设计 12
2.1总体方案选择说明 12
2.2控制方式选择 13
2.3操作界面 13
3 PLC控制系统的硬件设计 14
3.1 PLC选择： 14
3.2 I/O点数的估算 14
3.3 电动机所用接触器的选择 15
3.4 热继电器的选择 16
3.5笼型电动机所用低压断路器的选择 16
3.6 电气元器件明细表 16
3.7 电气元器件布置图设计 18
3.8 电气元器件接线图设计 18
4 PLC控制系统系统程序设计 18
4.1 I/O分配表 18
4.2 电气原理图 18
4.3 顺序功能图 18
4.4 状态分配表 19
4.5 控制程序设计思路 19
5 系统调试及结果分析 23
5.1 系统调试及解决的问题 23
5.1.1系统梯形图 23
5.2 调试情况 33
5.2.1 程序检验 33
5.2.2 信号模拟 33
5.2.3 按要求进行模拟运行 34
6 设计小结 34
7 附录 36
7.1 附录A 36
7.2 附录B 36
7.3附录C 37
7.4 附录D 37
8 参考文献 37

1 课题的内容和设计要求
1.1控制系统简介
液体混合装置控制的模拟实验面板图：如图所示

本装置为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅动电机。SA1、SA2为工作流程选择开关。SA3为单次工作和循环工作的选择开关。SB1、SB2为启动和停止。
2.控制要求如下：
（1）初始状态:装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭。
（2）启动操作:按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：
（3）液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅动电机开始搅动。搅动电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。
停止操作:按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。
通过PLC控制实现工作流程的选择并且准确控制每个流程的每一步完美完成。
选择工作流程一：这个流程只工作一次就自动停止，首先液体阀门A打开；当液面到达SL2时阀门A关闭，阀门B打开；当液面到达SL1时液体阀门B关闭并且搅匀电机M开始工作，搅匀电机工作六秒后关闭并且混合液体阀门打开；当液面到达SL3时混合液体阀门延时两秒关闭并且停止工作。
选择工作流程二：开始液体阀门A、B同时打开，当液面到达SL2时液体阀门A关闭；当液面到达SL1时，液体阀门B关闭并且搅匀电机M运行，搅匀电机运行十秒后混合液体阀门打开；当液面到达SL2时搅匀电机停止；当液面到达SL3时混合阀门延时两秒关闭接着液体阀门A、B打开进行下次工作。
选择工作流程三：开始液体阀门A和B轮流打开五秒，当液面到达SL2后，液体阀门A和B轮流打开八秒；当液面到达SL1，立即关闭液体阀门并且混合液体阀门打开；当液面到达SL3混合液体阀门延时两秒，两秒后进行下次工作（总共循环三次）。

2 系统整体方案设计
2.1总体方案选择说明
刚开始拿到这个实训课题时还不知道如何下手，然后通过网上查找相关的资料得出了自己的设计思想。
首先根据课题的要求画出了大致的顺序功能图，然后根据课题要求有3个工作流程，我们就把这3个工作流程分作对应的3个工作功能块。在OB1中通过开关SA1、SA2开关，来选择工作流程方式。当SA1接通时选择工作流程1；当SA2接通时选择工作流程2；当SA1、SA2同时接通时选择工作流程3。
功能块FC1为工作流程1。
功能块FC2为工作流程2。
功能块FC3为工作流程3。
2.2控制方式选择
由于PLC控制系统较继电-接触器控制系统有许多优点，如硬件电路简单，修改程序容易，可靠性高等，所以本设计选择PLC控制系统。
2.3操作界面

3 PLC控制系统的硬件设计
刚开始拿到这个实训课题时还不知道如何下手，然后通过网上查找相关的资料得出了自己的设计思想。
首先根据课设要求我们做出了输入/输出分配表，然后在做出了流程图，接着根据流程图画出了系统流程图。之后，用PLC做出LAD图，通过流程一、流程二、流程三的分别调试、更改、修正、直到成功的满足课设要求之后。再根据LAD图画出了原理图，进而得出了混合液体装置控制的接线图和器件分配图。整体思路，就是这样。沿着这条线做的
梯形图编程语言是一沿用了种图形化的编程语言，它沿用了继电器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理图非常相似，但又加入了许多功能强又使用灵活的指令，他比较直观，形象，对于那些熟悉继电器的人来说，易被接受。

3.1 PLC选择：
本次液体混合装置的模拟设计用的是来自西门子公司的S7-300可编程控制器。西门子公司的SIMATIC S7-300系列属于中型PLC，可用来代替继电器的简单控制场合，也可用于负载的自动化控制系统。由于他有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。它可靠性高，可以用梯形图，语句表和功能图块三种语言来编程。它是指令丰富，指令功能强大，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器，高速输出，PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议，MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多个KB程序和数据存储空间。
3.2 I/O点数的估算
I/O是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数即可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC的输入/输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入/输出设备情况(包括模拟量、开关量等输入信号和需控制的输出设备数元件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上加上20%～30%的备用量。
根据实验前的输入输出分配表可知本次试验用了11个I/O口，所用PLC满足需求，且还有20%～30%的备用量
3.3电动机所用接触器的选择
接触器的基本选择原则：接触器的额定电流≥电动机的额定电流
交流接触器一般按“AC-3类别”设计，如CJ20、CJX4类别的接触器，则应降级使用v中小型工厂90KW及以下的笼型电动机，基本是一般任务型，属于“AC-3工作类别”。本例电动机M1功率为1.5KW，额定电流In=3.7A，故可选CJ20-10型交流接触器；为多留一点余量，实际CJ20-10，10A、380V，线圈额定电压选220V。

额定电压（V）
工作功率(KW)
工作电流（A）
220
2.2
10
330
4
660
表2 CJ20-10的主要参数

额定工作电压（V）
工作功率（KW）
工作电流（A）
220
4.5

16
330
7.5.
660
11
表3 CJ20-16的主要参数

3.4热继电器的选择

热继电器的基本选择原则：热继电器座体的额定电流≧电动机的额定电流In；热元件的电流≧电动机的的电流In，动作整定值=（1.0~1.1）In，档电动机的启动电流不超过6倍且启动时间不超过5s是取1.0，其他情况可取1.1。这里的继电器取1.1，热继电器JR20-10的外形及安装尺寸与交流接触器CJ20-10的想匹配所以取JR20-10，额定电流的范围为2s （5.4-6.7-8）A 3s （8-10-12）A 4s （10-12-14）A 。
在本次设计中热继电器底座的额定电流为10A>电动机的额定电流3.7A
热元件的电流（5.4-7.8）A>电动机的电流3.7A.
3.5 电源模块选择
一般步骤为：
（1）确定电源的输入电压。220V
（2）将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值。
（3）I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上适配器模块或扩展本地I/O适配器模块的最大电流值。
1200Ma+80mA+75Ma=1355maA
（4）如果框架中留有空槽用作将来扩展时，则应做以下处理：列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；将所有扩展的I/O模块的背板总电流值与步骤（3）中计算得出的总背板电流值相加。
（5）在框架中是否有用于电源的空槽，若没有，将电源装到框架的外面。
（6）根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。电源模块（PS 307 10A）
3.6 熔断器的选择
对于变压器、电炉、和照明等负载，熔体的额定电流应略大于负载电流；对于输配电线路，熔体的额定电流应略大于线路的安全电流，在电动机回路中用作短路保护时，因考虑电动机的启动条件时间的长短来选择熔体的额定电流。
本次设计熔断器的RT18-32-1 ，座体32A400v熔体1A PLC内的保险负载启动电流0.6A 完全满足要求。
3.7 笼型电动机所用低压断路器的选择
低压断路器又名自动开启开关，简称“空开”。
笼型电动机所用空开的基本原则：空开的壳架额定电流≧空开的额定电流，空开的额定电流=（1.5~2）电动机的额定电流In；瞬间脱扣整流电流≈12×电动机的额定电流In;热脱扣器（长延时）整流电流=（1~1.1）电动机的瞬时电流In；6倍长延时电流整定值的课返回时间＞电动机启动时间，按实际可选用返回时间1S、3S、5S、8S、15S中的某一档。本例电动机M功率为功率1.5KW，额定电流In=3.7A，3.7A×2=7.4A，故可选DJ20Y-100/3-20Y,20A（380A）、3极；瞬时脱扣整流电流12×20A，不带热脱扣器；热过载保护另由热继电器实现。

3.8 电气元器件明细表
序号
文字符号
名称
型号
规格
单位
数量
备注
1
M
电动机
Y90L-4
380V、1.5KW、3.7A、7倍
台
1
Y接法3端接头
2
PLC
可编程控制器
314c-2DP
32路输出输入
工作电压24V 输出频率50（KHZ）
台
1
西门子 S-700系列
3
KM1
通电接触器
CJ20-10/03
主触点10A380V/线圈AC220V
台
1
（ac-3）10A4KW正泰电器
4
FR0
热继电器
JR20-10/L
座体10A 380V 热元件3.6~5.4A3相带断相保护
个
1
整定值4.7AL独立安装正泰电器虎牌集团
5
QS
空气开关
DJ20Y-100/32002-20A
壳架电流100A额定电流In=20A2-保护电动机用
个
1
200-带瞬时脱扣器2-瞬脱扣整定12In正泰
电器
6
FU1、FU2

负载保护
RT18-32-1
座体32A400v熔体1A
个
4
plc内含2A保险负载启动电流0.6A
7
SB1
启动按钮
LA39-11/g

个
1
1常开，1常闭上
8
SB2
预停按钮
LA39-11/r

个
1

9
YV1，YV2，YV3
电磁阀门
SV0110-100
AC 220V
P 58VA
个
3

10
XT1
端子板

个
1
XT1需24个端子XT2需24个端子
11

主电路导线
BV500

套
2

12

交流控制线
BV500

500v铜芯塑料线

3.9 电气元器件布置图设计
见附录C

3.10 电气元器件接线图设计
见附录D

4 PLC控制系统系统程序设计
4.1 I/O分配表
变量名
变量符号
注明
SB1
I0.0
启动
SB2
I0.1
停止
SA1
I1.0
工作流程选择开关
SA2
I1.1
YV1
Q0.0
液体A阀门
YV2
Q0.1
液体B阀门
YV3
Q0.2
混合液体阀门
YKM
Q0.3
搅匀电机M
SL1
I1.2
液面传感器SL1
SL2
I1.3
液面传感器SL2
SL3
I1.4
液面传感器SL3
4.2 电气原理图
见附录B

4.3 顺序功能图
见附录A
4.4 状态分配表
表3状态分配表

工序名称
状态器地址号
功 能
1
M0.0
启动程序
2
M0.7
复位程序
3
M1.0
控制A阀门工作线圈
4
M1.1
控制B阀门工作线圈
5
M1.2
控制混合阀门工作线圈
6
M1.3
控制搅匀电动机M工作线圈
7
M2.0
控制A阀门工作线圈
8
M2.1
控制B阀门工作线圈

控制程序的设计有两种设计思路：一种是使用起保停指令，另一种是使用置位复位指令，本次程序为方便起见，使用了置位复位指令。
4.5 控制程序设计思路
（1）程序的组成(注：本次课程设计采用顺序功能图设计方法)
液体混合装置的组成情况如下图所示。

●初始程序

● 主体程序
▪切换程序
▪计数及其定时程序
▪动作程序
▪信号程序

（2）初始程序
液体混合装置的初始程序的梯形图如下所示：

I1.1、I1.2为各个功能的选择，I1.1闭合启动功能FC1，I1.2闭合启动功能FC2，同事闭合I1.1、I1.2启动功能FC3.此程序是为启动程序进行初始化的程序。
（3）混合液体阀门打开5S放料的程序

当关闭启动按钮I1.0时，关闭按钮I1.1，此时要进行放料，因此M0.0要进行工作，即置位，并启动定时器进行定时，当定时时间到达5S时，混合液体阀门要关闭，此时混合液体阀门不工作，因此要进行复位。
（4） 循环3次的程序设计

5 系统调试及结果分析
5.1 系统调试及解决的问题
5.1.1系统梯形图

5.2 调试情况
这个课题在调试当中还是比较成功的，并没有遇到太大的问题。不过有些小的问题通过我们组员对梯形图的分析得到了解决。
5.2.1 程序检验
首先我们将我们编好的PLC程序输入到计算机上的PLC编程软件，利用该软件进行程序的正确性的初步检验，当检验没有编程语法错误后，下载到PLC内。
5.2.2 信号模拟
利用实验台上的模拟开关、按钮和指示灯来模拟输入信号，传感器信号、电机和电磁阀通断信号，并且接入相应的输入和输出端点。输入程序后，扳动开关，接通或断开模拟开关，泳衣模拟相应的按钮动作及机械动作是检测原件状态发生的变化，并通过输出指示灯来观察输入输出端点的状态变化，经检查模拟开关与PLC连接正常。
5.2.3 按要求进行模拟运行
首先对照已定义的系统输入表，先设置好原始状态下所有输入信号的状态，然后让PLC运行，并且按下相应的按钮或者开关，那梯形图程序，观察输出情况死否符合要求，经过试验改程序运行符合要求
问题1：当选择好工作流程后，一按下启动快关Q0.0一直处于亮的状态（即混合液体阀门处于打开状态）。
分析及解决方法：因为I0.0（启动）是用的快关，因此MO.O一直处于置1的状态。我们在I1.0加了一个上升沿的检测指令，问题就得以解决。
问题2：在调试工作流程2时，搅匀电机M一直处于运行状态（Q0.3亮），混合液体阀门不打开（Q0.0不亮）。
分析及解决方法：原来是我们组员在输入梯形图时，错将功能块FC2 Network 9中的M0.3写成了M0.5，从而导致M0.3不能复位、M0.4能不置位，从而使得搅匀电机M一直处于工作状态，混合液体阀门不打开。
另外，由于这次实训的课题与我们平时做过的实验四“顺序控制程序的编程”和实验五“小车控制”都是关于顺序控制的问题，所以我们这个课题还是比较的简单，总之，在调试的过程中我们并没有遇到什么大的问题。

6 设计小结
在这次为期一周的PLC课程设计中，我们小组成员精诚合作，不畏困难，在不懈的努力下终于完成了这次课程设计的要求。
我们首先掌握了液体混合装置控制的工作原理，然后对PLC的液体混合装置控制系统进行功能分析。
通过PLC课程设计，我们知道：混合液体装置控制模仿实际装置的某些动作功能，用以按固定程序打开进料阀和搅拌的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。混合液体装置主要由液体阀门、液面传感器和搅动电动机系统三大部分组成。
和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是机械手臂的PLC控制系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。
第二天，我们画出了硬件电路图，设计硬件系统结构。同时又完成了软件的设计。
第三天的软件系统调试，是最麻烦，遇到问题最多的地方。我们对程序修改了多次，才将程序中的错误全部改正过来。又经过了长时间的研究，对软件进行调整，最终终于得到了需要的数据和结果。
通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。
通过此次课设，让我了解了plc梯形图、指令图、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找到最合适的设计方法。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。
最后我们小组对数据和结果进行了总结，完成了说明书的的设计，完成了课程设计报告。
通过这次的PLC应用与设计的课程设计，我增强了查阅资料的能力，掌握了梯形图的编写以及流程图的绘制，加强了对定时器与计数器的使用，还学会了使用分块编写。
总的来说，这次的课程设计对我将来的开发与研究有着深远的影响。为我今后的学习，有着显著的帮助。

7 附录
7.1 附录A
控制系统顺序功能图
7.2 附录B
控制系统电气原理图
7．3附录C
控制系统电气元器件布置图
7.4 附录D
控制系统电气接线图
8 参考文献
【1】 刘春生.西门子PLC应用与设计教程.北京：机械工业出版社，2011.2
【2】 胡健.西门子S7-300 PLC 应用教程【M】.北京：机械工业出版社，2007
【3】 程宪平主编.机电传动与控制.武汉：华中科技大学出版社，2003.

【4】 邓星钟.机电传动控制. 武汉：华中科技大学出版社，2003

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