混料系统.docx

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混料系统

课题的主要研究内容

此次研究主要针对在混料系统中将两种不同的液体按照一定的比例混合，并进行循环，搅拌已达到充分混合的目的，最后排出。

系统生产工艺流程及系统工作流程图

1生产工艺流程简介

此次介绍一个周期为例，说明生产工艺流程。

生产工艺流程大致分为五个步骤：

A灌进料-----A灌自循环---A灌倒入B灌------B灌自循环------B灌排出

（1）灌配料过程

当打开阀门1，气动泵A，开始将液体A泵入灌A；

当液体A泵入500L时，打开阀2，气动泵B和搅拌器M1，开始将液体B泵入灌A；

当液体B泵入1500L时，关闭阀2，停止泵B；

当液体A泵如4500时，关闭阀1，停止泵A。

（2）A灌自循环过程（第一遍泵强制混合）

打开阀3和4（同时关闭阀5，阀6，阀7），启动泵C，使灌A内混合液体精心自循环以充分混合。

（3）A灌倒入B灌过程（第二遍强制结合）

A灌自循环5分钟后，打开阀6，关闭阀7，关闭阀4，自动启动搅拌器M2，将灌A中的混合液体倒入灌B；

待灌A排空后关闭阀3，打开阀5，转入下一步骤。

同时，若生产批次为1或已达到设定批次数，则不再进行配料，停止搅拌器M1；若生产批次大于1且未达到设定批次次数，则同时开始步序1之配料过程。

（4）B灌自循环过程（第三遍泵强制混合）

B灌自循环5分钟，转入下一步骤。

（5）B灌排除过程（第四遍强制混合）

打开阀7，关闭阀6，将B观众的混合液体排出。

当B灌排空后，停止搅拌器M2。

若生产批次为1，或以达到设定的批次数，或灌A空，则停止泵C，结束工作；若生产批次次数大于一，且未达到设定的批次数，则泵C不停止，转入步骤2。

2控制对象简介

泵A，B具备有三项异步电机直接拖动，泵AB没赚所排出的液体以一定。

编码盘安装在电机轴上，从而测出电机转速，计算出电机的转数。

计算出蹦出的液体量。

泵C有三相异步电机直接拖动，电机采用Y-Δ启动，泵的流量与泵A相当。

两个搅拌器均有三项异步电机经减速器减速拖动，功率较小，可以直接启动。

（搅拌转数一般在800-1400r/min）

7个阀由交流电直接驱动，功率为10W，通电时阀处于打开状态，断电时关闭。

2.2系统工艺流程图

系统整体电气原理连接图

2.5.1主电路接线图

（1）泵AB和搅拌器1，2的电机M1~M4分别别有接触器KM1.KM2.KM3.KM4控制

（2）泵C电机M5功率较大，采用Y-启动，接触器KM5，KM6KM7分别控制其电源和Y电路切换

（3）电机M1~M5有热继电器FR1~FR5短路保护

（4）由电压断路器QF1~QF5分别实现电机M1~M5的短路保护，电源开关控制

（5）由电压断路器QF0实现系统的短路保护和电源开关控制

2.5.2控制电路设计

全部控制均为开关量控制，根据题目的控制对象和控制要求，选择S7-200作为主控制器

（1）I/O继电器地址分配

PLC的I/O继电器地址分配如表所示

地址电路器件作用I0.0SQ01泵A测速传感器，高速脉冲信号I0.1SQ02泵B测速传感器，高速脉冲信号

I0.2SQ03灌A空信号；灌空时，开关闭合

I0.3SQ04灌A满信号；灌满位时，开关闭合

I0.4SQ05灌B空信号；灌空时，开关闭合

I0.5SQ06灌B满信号；灌满位时，开关闭合

I0.6SA01模式转换开关，开关断开为调试，闭合为工作

I0.7SB01启动/停止按钮，点此按钮，系统在运行与停止之间切换

I1.0SB02阀1打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.1SB03阀2打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.2SB04阀3打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.3SB05阀4打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.4SB06阀5打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.5SB07阀6打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.6SB08阀7打开/关闭按钮；点此按钮，阀1在通断之间切换

I1.7SB09搅拌器1启/停按钮，点此按钮，运行与停止状态互相切换

I2.0SB10搅拌器1启/停按钮，点此按钮，运行与停止状态互相切换

I2,1SB11泵A启停按钮，点此按钮运行与停止状态呼唤

I2.2SB12泵B启停按钮，点此按钮运行与停止状态呼唤

I2.3SB13泵C启停按钮，点此按钮运行与停止状态呼唤

Q0.0YV01,HL06阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.1YV02,HL07阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.2YV03,HL08阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.3YV04,HL09阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.4YV05,HL10阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.5YV06,HL11阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.6YV07,HL12阀1驱动指示灯；通电表示阀打开，指示灯亮断电阀开指示灯灭

Q0.7KM1搅拌器1电机接触器

Q1.0KM2搅拌器2的接触器

Q1.1KM3泵A电机接触器

Q1.2KM4泵B电机接触器

Q1.3KM5泵C电机接触器

Q1.4KM6泵C的电机运行接触器

Q1.5KM7泵C电机的Y启动接触器

Q1.6HL13灌A溢出指示，灯闪烁表示灌溢出

Q1.7HL14灌A空指示，灯亮表示灌空

Q2.0HL15灌A溢出指示，灯闪烁表示灌溢出

Q2.1HL16灌A空指示，灯亮表示灌空

Q2.2HL17工作模式-调试指示灯，系统处于调试模式，灯亮

Q2.3HL18工作模式-调试指示灯，系统处于调试模式，灯亮

Q2.4HL19工作指示灯，系统正在运行，灯亮

2.5.3主电路接线图如附录所示。

2.6编码盘介绍

2.6.1液体泵入量计算问题

液体A，B的泵入量计量采用下列公式：

泵入量（L）=泵的排量（L/r）*泵的转速（r）

泵的排量之泵每转所排出的液体体积，对确定的泵来说，每转排出的液体量确定。

所以只需计算电机转述就可以了。

2.6.2编码盘介绍

在系统设计中涉及到液体体积的计算，当选用一定出液体量的泵时，计算电机转速则成为计算液体体积的重要环节，在设计中，主要采用编码盘进行电机转数测量，从而进行运算。

编码盘根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

此次设计中主要选择增量式光电编码盘进行测量，下面主要针对SPMC75F2413A增量编码盘进行解释。

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位SPMC75F2413A的PDC定时器模块的增量码盘接口功能，用这个接口可以测量增量码盘转轴的角位移，同时还可根据单位时间的角位移计算出增量码盘转轴的角速度，进而得到转轴的转速。

本例使用的增量码盘接口模式1，这是四倍频接口模式，适合图2-1中所示类型的波形。

2.6.3系统框图

　　系统结构如图2-6所示，主要由信源模拟发生模块和速度测量模块组成。

两个模块均由SPMC75F2413A构成。

信源模拟发生模块产生如中A、B所示的信号波形，A、B信号相差90度，图中只示出了B超前A的情况，信号的频率由电位器调整。

图2-6系统结构图

2.6.4增量编码盘接口原理

设计原理

　　SPMC75F2413A的增量编码盘外部输入信号TCLKA、TCLKB频率相同但相位互差90度，其频率与其转速成正比，比例为增量编码的细分数（每转1转所输出的脉冲个数）。

而两路信号的相位关系则代表了转向信息。

当TCLKA超前TCLKB时为正转，反之当TCLKA滞后TCLKB时为反转。

同时，由于这两路信号是互差90度的，为了提高测量的精度，计数器是在两路信号的跳变沿都计数，而计数的方向则由两路信号的相位关系确定。

TCLKA超前时计数器增计数，TCLKA滞后时计数器减计数。

如此，用户便可以得到从计数器开始计数后增量编码转轴的角位移量（如当增量编码盘的细分数为N时，增量编码盘的每一个脉冲代表的角位移为

由于为四倍频计数，因此，当计数器的值为K时，所代表的角位移为

。

同时，用户可以通过测量单位时间内的角位移而得到当前转轴的转速。

其转速为：

式中：

为转轴角速度；

为测量时间；

为

内的计数器增量；

N为码盘的细分数；

2.6.5编码器的接线原理

旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。

因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。

不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。

如图所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX系列PLC的连接示意图。

编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。

编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。

电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+”与编码器的电源端连接。

编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。

有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。

混料系统中的PLC硬件选型与设计

3.1PLC控制系统I/O点的选择

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

3.1.1开关量输入输出点数

PLC开关量I/O总点数是计算所需内存量的重要依据。

根据经验，开关量I/O点数占用内存容量的关系如下：

所需内存点数=开关量输入电枢*10+开关量输出点数*8

3.1.2模拟量I/O点数

只有模拟量输入时:

所需内存字数=模拟量点数*100

模拟量输入输出存在：

所需内存字数=模拟量点数*200

上述经验公式的算法是以10点模拟量输入输出为目标估算出来的，当电视小雨10是，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减少。

据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。

对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。

典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

序号电气设备、原件输入点数输出点数

1Y-启动的笼型异步电机43

2单向运行的笼型异步电机41

3可逆运行的笼型异步电机52

4单相变极电动机63

5可逆变极电动机94

6单向运行直流电动机126

7可逆运行的直流电动机28

8单线圈电磁阀31

9双线圈电磁阀32

10比例阀15

11按钮1——

12光电管开关2——

13信号灯——1

14拨码开关4——

15三档波段开关3——

16行程开关1——

17接近开关1——

18制动器——1

19风机——1

20位置开关2——

21单向运行的绕线转子异步电动机34

22可逆运行的绕线转子电动机45

3.2PLC的选择

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。

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。

序号应用对象功能要求应用场合

继电器触点I/O，替代传统的继电器

1替代继电器逻辑线圈，定时器完成条件，时序控制

四则数学运算，开方，设定值控制，流量

2数学运算对数，函数计算，双倍计算，PID调节，

精度数学运算定位控制，换算

寄存器与数据表的相互数据库生成，管理

3数据传输传送信息

逻辑与，或比较，置位移设备诊断状态监控，

4矩阵功能位或变反分类，报警

表与块之间的传送，校验，通讯速度和方式

5高级功能双倍精度运算，对数和反与上位机的联网功

对数，平方根，PID调节能，调制解调器

PLC的诊断功能有内诊断

6诊断功能和外诊断，内诊断是PLC------

内部各部件性能和功能诊

断，外诊断是中央处理器

一般中型以上的PLC都提

供一个或一个以上串行标

7串行接口接口，以例连接打印机，-----

CRT,上位机算机或另一

台PLC

现在的PLC能过支持多

8通信功能种通信协议。

比如现在比对通讯有特殊要求

较流行的工业以太网等的用户

各种器件的I/O口介绍

3.2.1电源模块

1）PLC控制系统的输入电路设计。

PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:

1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。

　PLC输入电路电源一般应采用DC24V,同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。

2）PLC控制系统的输出电路设计。

依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

　　如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

　　当PLC扫描频率为10次/min以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。

　　对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。

对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。

3.3开关量I／O

通过标准的I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。

典型的交流I/O信号为24～240V，直流I/O信号为5～240V。

尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。

如用于消除错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。

此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。

在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。

熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

3.4模拟量I／0

模拟量I/O接口一般用来感知传感器产生的信号。

这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。

这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。

一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。

一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混合信号。

3.5特殊功能I／O

在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定如定位、快速输入、频率等。

此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。

有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从耗时的任务处理中解脱出来。

3.6智能式I／O

当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。

一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

智能式I/O模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作绝对编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII／BASIC处理器、RS—232C／422接口模块等。

表3归纳了选择I/O模块的一般规则。

第四章混料系统PLC控制系统软件设计

4.1PLC控制系统的软件设计

在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。

软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。

在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。

4.1.1PLC控制系统的程序设计思想

由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。

　1）基本程序:

既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:

顺序结构、条件分支结构和循环结构。

　　2）模块化程序:

把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。

这种方法叫做模块化程序设计。

我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。

特别是用于复杂控制要求的生产过程。

4.1.2PLC控制系统的程序设计要点

PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。

定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。

　　程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。

　　在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。

　　彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。

4.1.3PLC控制系统编程技巧

PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC编程必须遵循的原则。

下面介绍几点技巧。

　　PLC各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。

　　同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。

如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者RQ4.0）。

　　如果要使PLC多个输出为固定值1（常闭），可以采用字传送指令完成，例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。

　　对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。

例如:

我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。

　　模块化编程思想的应用:

我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC程序的编制。

4.2PLC程序设计步骤

（1）根据控制要求进行I/O分配。

（2）在设计中由各种设备来计算I/O点的多少，从而选择PLC的型号类型。

（3）设计中CPU226在CPU224的基础上功能进一步强大，之计增加到40个数字量I/O点，最大扩展至248个数字量I/O点。

增加了通信接口数量，可以分别进行设置，同时与两个设备进行通讯而不受干扰，通讯功能大大增强。

CPU226可用于较高要求的控制系统，更多I/O点，更增强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应复杂的中小型控制系统。

4.3CPU226的基本配置介绍

外形尺寸（mm）190*80*62

功耗（W）11W

本机数字量I/O数量24/16

本机模拟量I/O数量0

允许扩展模块7

允许扩展智能模块数量7

高数计数器数量6

单项频率6个30KHZ

两项频率4个20KHZ

脉冲输出频率2个20KHZ（DC）

模拟电位器个数2个8位分辨率

脉冲捕捉输入（个）24

程序空间（B）4096

数据空间（B）2560

RS-485通讯接口数（个）2

每网络最大连接站点（个）126

掉电保护时间（小时）100

特性CPU226

指令执行速度0.37

4.4系统设计的总体步骤

根据控制要求设计控制程序,

画出PLC外围接线图，（电气原理图和气路原理图）

布置好元件；装好线槽，固定好电气元件；如漏电开关，空开，熔断器,热继电器，继电器，固态继电器