基于欧姆龙C40P型的两种液体混合控制系统设计.docx
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基于欧姆龙C40P型的两种液体混合控制系统设计
基于欧姆龙C40P型的两种液体混合控制系统设计
摘要
以两种液体的混合罐装控制为例,将两种液体按一定的比例混合,在电动机搅拌后要达到一定的温度才能将混合的液体输出容器,并形成液态。
液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性,针对不同的工作状态,进行相应的动作控制输出,从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混和完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。
设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程(包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计等),旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
设计采用日本欧姆龙(OMRON)公司的C40P型PLC去实现设计要求。
关键词:
多种液体、混合装置、自动控制
BasedontheOmronC40PPLCtwofluidsmixcontrolsystemdesign
ABSTRACT
Intwooftheliquidmixcannedcontrolasanexample,thetwoliquidratamixed,stirinthemotormustreachacertaintemperaturecanbemixedwiththeliquidoutputcontainer,andformingliquid.Liquidmixedsystemofcontroldesigntakingintoaccountthecontinuityofitsactionsandindividualchargeddeviceactionbetweentherelevance,fordifferentworkstatus,maketheappropriateactionstocontroltheoutput,enablingliquidhybridsystemfromthefirstliquidaddedtothemixandthecompleteoutputofsuchacyclecontrolofprogramimplementation.DesigntoliquidmixturecontrolsystemfortheCentre,fromthecontrolsystemhardwaresystems,softwareselectiontosystemdesignprocess(includingthedesign,designprocesses,designrequirements,ladderdiagram,etc),designedtoenticethemtodesignandproductionprocessesdosimpleintroductionanddescription.DesignuseOmron(OMRON)companyofC40PPLCtoimplementdesignrequirements.
KEYWORDS:
multipleliquid,mixingequipment,automaticcontrol
目 录
前 言
从上世纪四、五十年代到七十年代初期,模拟式仪表控制系统经历了基地式气动、电动仪表、单元组合式仪表和组装式智能仪表等几个阶段。
随着工业生产规模日益扩大,生产能力不断提高,要求有更高水平的控制系统,常规的模拟式仪表控制暴露它的局限性。
计算机技术的应用,使仪表控制无法达到的功能得以实现,计算机控制系统首先实现了开环监视、闭环控制,同时引入了现代控制方法,如自适应控制,最优控制及分级控制等等,提高了控制精度;实现了集中显示和操作;但是由于整个生产过程控制集中到一台计算机上,对计算机的可靠性提出了苛刻的要求,一旦计算机出现故障,整个生产系统将处于瘫痪,甚至产生危险。
随着现代工业控制的分散性和管理的集中性的不断的提高,分布型或集散型配料控制系统应运而生。
分布型配料控制系统由分散的仪表控制系统组成,它将控制系统分成若干个独立的局部控制系统,用以完成受控制生产过程自动控制任务。
由于微型计算机的出现与发展,为实现分散控制提供了物质和技术基础。
集散型控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计,有过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个通信网络为纽带的集中显示操作管理、控制相对分散、具有灵活配置、组态方便的多级计算机网络系统结构。
集散控制系统不同于集中控制系统,它由多个微处理器组成的分布式控制系统,有分散的控制站来控制分散的生产部分,实现了功能、负荷和危险的分散,从而克服了集中型集中性计算机控制系统的致命弱点;它也不同于分散的仪表控制系统,它的集中在于各操作员站可以生产监控,从而克服了二者的缺陷而集中了二者的优势,利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分算控制。
在现代工业生产中,如化工、冶金、建材、矿山、电力、食品、饲料加工等行业,有许多产品是将一种原料和其他多种原料按事先设定的比例进行混合配料,在通过加工而成。
这种按一定的比例混合原料的过程就是配料的过程。
配料过程中,物料混合比例是否按预先的配比进行,将直接影响产品的质量。
现在各行业对配料的效率和精度要求越来越高,人工配料己远远不能满足连续化、自动化生产化的要求。
所以研制高效率、高精度自动配料生产线势在必行,而配料控制器是关键的设备之一。
一般配料工业现场要保持良好的环境、噪音污染小、通风设施好,有利于操作人员的身心健康。
第1章液体混料装置控制系统的方案设计
1.1总体方案设计
整个设计过程是按思想工艺流程设计,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、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,有模拟控制到微机控制,使功能的实现一到多而且更加趋于完善。
对于本课题来说,如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级,新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需要尽可能的利用旧系统中的元器件。
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,以便于操作人员迅速掌握,从企业的改造要求可以看出在新控制系统中急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。
要实现整个液体混合控制系统的设计,需要从怎样实现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。
1.1.1方案的介绍
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、工业控制计算机工业、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中的电压、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贵,但是控制柜的安装接线工作量大,因此整个控制柜价格昂贵,灵活性差,影响速度慢。
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、定时器和多种输入和输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能,成为控制领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
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.工业控制计算机工业
工业控制采用总线结构,各厂家产品兼容性强,有时操作系统的支持,
在要求快速、实用性功能复杂的领域中占优势。
但工业控制价格较高,将
它用于开关控制有些大材小用。
且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电
缆和插头、插座,直接从印刷电路板上引出,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,只需确定可编程控制器的硬件配置和设计外部接线图,同时采用梯形图语言编程,用软件取代继电器电器系统中的触电和接线,通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器从上个世纪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、
价格低等优点,是目前工业自动化的首选控装置。
1.2PLC的选择
随着PLC的推广普及,PLC产品的种类和数量越来越多,而且功能也日趋完善。
近年来,从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。
PLC的品种繁多,其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同,适用场合也各有侧重。
因此,合理选择PLC,对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。
传统的控制方法是采用继电器-接触器控制。
这种控制系统较复杂,并且大量的硬件接线使系统可靠性降低,也间接的降低了设备的工作效率。
采用可编程控制器较好地解决了这一问题,可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。
因此,将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机,完全能满足控制要求,且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。
PLC机型选择的基本原则是,在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好(维修量较小)的场合,建议选用整体式结构的PLC;其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等),可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
根据不同的应用对象,表1列出了PLC的几种功能选择。
PLC的功能及应用场合
序号、应用对象、功能要求、应用场合
1替代继电器继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器替代传统使用的继电器,完成条件控制和时序控制功能。
2数学运算四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算设定值控制、流量计算;PID调节、定位控制和工程量单位换算。
3数据传送寄存器与数据表的相互传送等数据库的生成、信息管理、BAT-CH(批量)控制、诊断和材料处理等。
4矩阵功能逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位(位修改)、移位和变反等这些功能通常按“位”操作,一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等。
5高级功能表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等。
6诊断功能PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种。
内诊断是PLC内部各部件性能和功能的诊断,外诊断是中央处理机与I/O模块信息交换的诊断。
7串行接口(RS-232C)一般中型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口(RS-232C),以例连接打印机、CRT、上位计算机或另一台PLC。
8通信功能现在的PLC能够支持多种通信协议。
比如现在比较流行的工业以太网等对通信有特殊要求的用户。
对于一个大型企业系统,应尽量做到机型统一。
这样,同一机型的PLC模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理;同时,其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发;此外,由于其外部设备通用,资源可以共享,因此,配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统,这样便于相互通信,集中管理。
在本控制系统中,所需的开关量输入为6点,开关量输出为5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作为控制单元来控制整个系统,之所以选择这种PLC,主要考虑S7系列PLC有以下特点:
1)快速的CPU处理速度,大程序容量;
2)编程及监控功能强大,维修简单;
3)结构紧凑,价格低廉,具有极高的性能/价格比;
4)丰富的指令系统。
输入/输出的选择
PLC是一种工业控制系统,它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程,工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数,并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。
同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程,从而驱动各种执行机构来实现控制。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离,为了确保这些信息的正确无误,PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要,一般情况下,PLC都有许多I/O接口模块,包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块,使用时应根据它们的特点进行选择。
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。
输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件,起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。
通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排,以便于连接和监视。
PLC的一般结构如图1-1所示,由图可见主要有6个部分组成,包括CPU(中央处理器)、存储器、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。
图1-1PLC结构图
中央处理单元(CPU)
与通用计算机中的CPU一样,PLC中的CPU也是整个系统的核心部件,主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成,此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。
CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。
存储器
存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。
(1)I/O模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。
输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件,起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。
通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排,以便于连接和监视。
(2)电源模块
输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。
它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号,将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。
第2章硬件电路设计
2.1总体设计
从图2-1中可知设计的液体混合装置主要完成两种液体的自动混合搅拌并控制温度,如图2-1所示。
此装置需要控制的元件有:
其中SL1、SL2、L分别为低位液面传感器、中位液面传感器、高位液面传感器,液面淹没该点为ON。
YV1、YV2、YV3为电磁阀,控制液体A、液体B的流入和混合液体的流出,M为搅拌电机。
控制要求如下:
初始:
容器内为防空状态
启动:
液体A阀门打开,液体A进入混和液体装置;当液面达到中位传
感器时,关闭液体A阀门,打开液体B阀门。
液体B流入,当液面达到高液位传感器时,关闭液体B阀门,搅拌电机开始转动,进行液体混合搅拌,先正传二秒,停一秒,再反转二秒,停一秒;当搅拌电机正反转三次后,停止搅拌,同时启动YV3,混合液体放出;当液面达到低液位传感器时,延时二秒,延时时间到,关闭混合液体卸料阀门YV3关闭,重新开始下一循环。
停止操作:
按下停止按钮SB2,要处理完当前周期之后,系统才会停在初始位置。
图2-1混料罐
控制流程:
当混合液体装置中的液体放空时,液体A阀门打开,液体A进入混和液体装置;当液面达到中位传感器时,关闭液体A阀门,打开液体B阀门,液体B进入混和液体装置;当液面达到高液位传感器时,关闭液体B阀门,搅拌电机开始转动,进行液体混合搅拌,先正传二秒,停一秒,再反转二秒,停一秒;当搅拌电机正反转三次后,停止搅拌,混合液体卸料阀门打开,开始放出混合液体;当液面达到低液位传感器时,延时二秒,延时时间到,关闭混合液体卸料阀们,然后开始下以混合液体操作。
在该控制系统中,其中进料和卸料使用的是电磁阀来控制,液体混合中搅拌电机(三相交流异步电动机)来完成,液体在装置中的液位有三个反射式光电传感器进行检测,对应位置有液位时信号为1,否则为0。
2.1.1传感器的选择
(1)传感器的灵敏度与量程范围
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。
灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。
不难理解,传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定,但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值,而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比,所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。
大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小,例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g);然而对高频振动当位移为0.1mm,频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(40000g)。
因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围,但对用于测量高低两端频率的振动信号,选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。
最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度,电压输出型(IEPE型)为50~100mV/g,电荷输出型为10~50pc/g。
(2)传感器的灵敏度与量程范围
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。
灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。
不难理解,传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定,但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值,而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比,所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。
大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小,例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g);然而对高频振动当位移为0.1mm,频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(40000g)。
因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围,但对用于测量高低两端频率的振动信号,选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。
最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度,电压输出型(IEPE型)为50~100mV/g,电荷输出型为10~50pc/g。
一般情况下传感器的高频截止频率与输出信号的形式(即电荷型或低
阻电压型)无关;而与传感器的结构设计,制造以及安装形式和安装质量都密切相关。
以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的归类,供用户在选用时对比和参考。
如表2-1
表2-1传感器的灵敏度与量程范围
高频
响应
外形,重量和灵敏度
敏感芯体形式
总体设计
安装
形式
最好
体积小,重量轻,低灵敏度
压缩型
单层壳通用型
螺钉
安装
好
通用型
剪切型
单层壳带绝缘座
吸铁,
粘接
差
个头大,体重,高灵敏度
弯曲梁形式
双层屏蔽壳
手持
2.1.2传感器接头形式
M5(M6)接头是加速度传感器最为常用的输出接头形式。
M5接头特点是尺寸较小,一般用直径较细的电缆(2mm或3mm),比较适合振动实验的测试。
另外M5(M6)的结构型式对信号屏蔽较好,所以对电荷输出型加速度传感器因其输出为较容易受干扰的高阻抗信号一般均采用M5(M6)接头。
测量振动的加速度传感器接头一般避免使用Q9(BNC),原因是Q9(BNC),接头组件没有螺纹联接,构件之间的机械耦合刚度较低;因此如果加速度传感器输出采用Q9(BNC),,其将会影响传感器的高频响应。
如下图2-2
图2-2传感器输出接头形式
2.1.3传感器的性能
从广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置;简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
所以它由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成,有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。
敏感元器件品种繁多,就其感知外界信息的原理来讲,可分为①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
②化学类,基于化学反应的原理。
③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将传感器分46类)。
下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。
1、温度传感器及热敏元件
温度传感器主要由热敏元件组成。
热敏元件品种教多,市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。
以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛,这是因为在元件允许工作条件范围内,半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点,而且制造工艺简单、价格低廉。
2、半导体热敏电阻的工作原理
按温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系数热敏电阻。
(1)正温度系数热敏电阻的工作原理
此种热敏电阻以钛酸钡(BaTio3)为基本材料,再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。
纯钛酸钡是一种绝缘材料,但掺入适量的稀土元素如镧(La)和铌(Nb)等以后,变成了半导体材料,被称半导体化钛酸钡。
它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面,对于导电电子而言,晶粒间界面相当于一个位垒。
当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用,导电电子可以很容易越过位垒,所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度(即临界温度,此元件的‘温度控制点’一般钛酸钡的居里点为120℃)时,内电场受到破坏,不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。
因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能,只发热,不发红,无明火,不易燃烧,电压交、直流3~440V均可,使用寿命长,非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
(2)负温度系数热敏电阻的工作原理
负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料,采
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