柳健-机电传动课程设计-两种液体混合控制装置PLC

2、指导教师按课程设计大纲的要求评定成绩，并给出总评成绩；

3、折合分：优秀≥90分,良好80-分,中等70-79分,及格60-69分,不及格<60分。

襄  樊  学  院

《机电传动控制课程设计》报告

摘要

本设计以两种液体的混合控制为例，其要求是将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。并自动开始新的周期，形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。

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液体加入到混合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、外部连接等）,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。

文中详细介绍了系统的硬件设计、软件设计。其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、输入/输出的分配表及外部接线；软件设计包括系统控制的梯形图、指令表及工作过程。在本装置设计中，液面传感器和电阀门以及搅动电机采用相应的钮子开关和发光二极管来模拟，另外还借助外围元件来完成本装置。整个程序采用结构化的设计方法, 具有调试方便, 维护简单, 移植性好的优点。

关键词：两种液体、混合装置、自动控制

目    录

第一章 引言    1

1.1课程设计的目的    1

1.2 设计内容及要实现的目标    1

第二章 系统总体方案设计    3

2.1 系统硬件配置及组成原理    3

2.2 系统接线图设计    4

第三章 控制系统设计    5

3.1 I/O估算    5

3.2 PLC选型    5

3.3 I/O分配表设计    6

3.4 外部接线图设计    7

3.5 控制程序流程图设计    8

3.6 控制程序设计    8

3.7 创新设计内容    11

第四章 系统调试及结果分析    12

4.1 系统调试    12

4.2 结果分析    12

第五章 总结    13

参考文献    14

附 录    15

附录1  液体混合装置PLC控制程序的指令表（带功能注释）    15

附录2  液体混合装置PLC控制程序的梯形图和外部接线图    16

第一章 引言

1.1课程设计的目的

在工艺加工最初，把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合远远不能满足当前自动化的需要。可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点：

1）系统自动工作；

2）控制的单周期运行方式；

3）由传感器送入设定的参数实现自动控制；

4）启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。

本系统采用PLC是基于以下两个原因：

1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；

2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现。

根据多种液体自动混合系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。

这次课程设计的目的就是设计一个集PLC技术，自动控制技术，自动化仪表技术，系统仿真技术于一体的功能较全的多种液体自动混合的自动装置。

1.2 设计内容及要实现的目标

利用三菱PLC设计两种液体混合装置控制系统。在实验之前将容器中的液体放空，按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到L后，再延时2s电磁阀YV3断电关闭，并同时开始新的周期。

需要完成的内容有：

1）编写输入输出对照表。包括信号名称、外部元件号、内部继电器号；

2）绘制PLC外部接线图；

3）绘制功能流程图；

4）编写、调试梯形图或语序表。

图1-1 两种液体混合装置

第二章 系统总体方案设计

根据设计要求，本系统为两种液体自动混合，需要对各种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌，则需要电机控制。对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。

具体控制方法根据题目要求，按下启动按钮时，A种液体进入容器，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入。搅拌机进行搅拌，一分钟后搅拌均匀，停止搅拌，放出液体。液体放出达到一定值时停止放出。液体的进入和放出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制。

下面就是系统总体的设计方案。

2.1 系统硬件配置及组成原理

随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。在炼油、化工、制药、饮料等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。

我准备设计一个可以将两种食用液体自动混合成饮料的控制装置，两种饮料分别命名为液体A和液体B。基本的设计硬件如下表所示：

表2-1 设计硬件选择

如图2-2为搅拌机的立体示意图。

图2-1 液体混合控制装置控制的模拟实验面板图

图2-2　搅拌机的立体示意图

2.2 系统接线图设计

表3-3　输入/输出接线列表

第三章 控制系统设计

3.1 I/O估算

首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。

在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。此时液体控制电磁阀YV1=YV2=YV3=OFF状态；传感器H=I=L=OFF状态；电动机M为关闭状态。

在启动操作中，当装置和液体的都准备好之后，按下启动按钮,开始下列操作:

1)YV1=ON,液体A流入容器;当液面到达I时,YV1=OFF,YV2=ON;

2)液体B流入,液面达到H时,YV2=OFF,M=ON,电动机开始进行液体的充分混合搅拌;

3)当混合液体搅拌均匀后(设时间为60s),M=OFF,YV3=ON,开始放出混合液体;

4)当液体下降到L时,L从ON变为OFF,把时间控制为再过2s后容器放空,关闭YV3,YV3=OFF完成一个操作周期;

5)在只要没有按停止按钮的状态下,则自动进入下一个循环操作周期。

在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在当前混合操作周期结束后,才停止操作。从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始系统的循环。

根据以上分析，对PLC来说，需要提供5个输入点和4个输出点。除了以上的输入输出点意外，PLC与计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。因此，要按估计数再增加15%―20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。综上所述，I/O估算为：输入点点数为8，输出点点数为7。

3.2 PLC选型

PLC的型号、规格繁多，根据前面的I/O估算，再查阅《三菱PLC编程手册》中的相关表格，确定PLC选型。

因为点数在30以内，所以选择FX1s系列。

节选《三菱PLC编程手册》中的相关表格如下表：

表3-1 软元件编号一览表

参照表格，选择FX1s-20M型号的PLC。具体参数如表中所示。

3.3 I/O分配表设计

在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3-2所示。

表3-2    I/O分配表

图3-1 PLC外部接线图

图3-2 装置操作面板

如图3-1所示，PLC外部接线图左边一排为输入，其中X000，X001，X002，X003，X004分别与SB1，SB2，H，I，L相连;右边一排为输出，其中Y001，Y002，Y003，Y000分别与YV1，YV2，YV3，KM相连。如图3-2所示起停按钮P1，P2分别与主机的X000，X001相连，液面传感器P3，P4，P5分别与主机的输入点X002，X003，X004相接，液体A阀门，液体B阀门，混合液体阀门和搅拌机P6，P7，P8，P9分别与主机的输出点Y001，Y002，Y003，Y000相连。

3.5 控制程序流程图设计

图3-3 控制程序流程图

3.6 控制程序设计

根据系统的要求及I/O通道分配,写出继电器梯形图，如图3-4所示。具体设计思路如下：

1)起始操作

在按启动按钮X000之后，使Y001得电，断开电磁阀YV1，从而使液体A流入容器。

2)当液位上升到I时

当液面上升到I时,X004由OFF变为ON,使Y001复位，关闭电磁阀YV1。同时使Y002置位，断开电磁阀YV2，从而使液体B流入容器。

3)当液位上升到H时

当液面上升到H时, X002由OFF状态变为ON状态,使Y002复位，关闭电磁阀YV2。同时使Y000置位，启动搅拌机M。此时启动定时器TIM00，60s后TIM00动作，使Y000复位。

4)搅拌均匀后放出混合液体

在Y000的下降沿通过后沿微分指令DIFD使Y003置位,断开电磁阀YV3,开始放出混合液体。

5)当液位下降到L时

当液位下降到L时,X003由ON变为OFF,启动器TIM01,2s后使Y003复位, 关闭电磁阀YV3,此时电磁阀已放空。

6)自动循环工作

在没有按停止按钮X001的情况下,系统将在TIM01的记时时间到了时,使Y001置位,自动进入下一操作周期。从而实现混合液体PLC自动控制的循环工作。

7)停止操作

当按下停止按钮时,停止按钮X001为ON状态,不能使电磁阀YV1断开,系统执行完本周期的操作后,将自动停留在初始状态。

使用FX三菱简易编程器编入梯形图，如下所示。

使用FX三菱简易编程器将上述梯形图转化成指令语句表的形式，如下所示。

3.7 创新设计内容

此次设计过程中，我有一些自己的想法。

1）搅拌桶内的液位传感器的可靠性不强，可以试着改为灵敏性强、可靠性高的检测仪器。避免因为输入液体时，飞溅的液体触碰到液位传感器而导致发出错误信号。

2）在电路中提供一个备用电源，这样做的目的就是保证掉电之后也能使系统完成该周期的工作，从而保证系统在完成当前周期的操作时，停止在初始状态，使容器为空。以便在恢复电源后能顺利的从第一步开始进行循环。这样就避免了在混合某些化学物质，比如具有腐蚀性的物质时。因为掉电，长时间储存在容器中，从而造成对装置的腐蚀或损坏；也避免了引起环境污染的可能。同时取代了掉电保持这样一个麻烦和考虑不周的过程。

第四章 系统调试及结果分析

4.1 系统调试

运用调试程序进行系统静调。模拟两种液体混合装置的操作过程，对控制程序作一些改动，使之变成可连续运行的调试程序。具体作法如下：

设PLC进入运行方式后：

经过一定的准备时间，模拟按下启动按钮，Y001的指示灯亮；

一段时间后，液面上升到I位置，Y001的指示灯灭，Y002的指示灯亮；

一段时间后，液面上升到H位置，Y002的指示灯灭，Y000的指示灯亮；

一段时间后，Y000的指示灯灭，Y003的指示灯亮；

一段时间后，液面低于L位置，Y003的指示灯灭，Y001的指示灯亮，当前操作周期结束，自动进入下一个操作周期。

在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，所有运行立即结束。

调试结束。

4.2 结果分析

基于以上设计与调试，两种液体混合装置的系统设计基本结束。测试结果满足课题给定要求。

第五章 总结

此次机电传动控制课程设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“课题十八  多种液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病。通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。

机电传动控制是一门极其重要的课程，他综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，尤其是PLC技术越来越受人们广泛应用。因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次设计中，我们遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处：

1）不会利用查翻资料。在理论课学习过程中，老师曾经给过我们很多关于PLC的参考资料。而我没有去充分利用。在老师的提示下，我才如获至宝。

2）学习认真程度不够，基础相对薄弱。

通过这次课程设计。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，提高了我的科学文化素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的撑握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题就出现了。这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料和询问老师，使得我对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

最后通过本次课程设计，使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地位。因此，学好这门课程十分重要。

参考文献

【1】邓星钟. 机电传动控制[M].武汉: 华中科技大学出版社, 2007.

【2】张海根. 机电传动控制[M].北京: 高等教育出版社, 2001.

【3】电子文档. [三菱]PLC编程手册

附 录

附录1  液体混合装置PLC控制程序的指令表（带功能注释）

（X001 *启动按钮）

（M8002 *初始脉冲量）

（Y003 *排放混合液体）

（T1 *定时时间设定）

（X000 *启动按钮）

（Y001 *放液体A）

（X003 *中限位开关I）

（Y002 *放液体B）

（X002 *上限位开关H）

(Y000 *电动机搅拌60s）

(T0 *定时时间设定）

(T0 *定时时间设定）

（Y003 *排放混合液体）

（X004 *下限位开关L）

（T1 *定时时间设定）

附录2  液体混合装置PLC控制程序的梯形图和外部接线图

如A3图纸所示。