目 錄 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 緒論 . 1 1.1 傳統(tǒng)的物料混 合設(shè)備的控制存在的問題 . 1 1.2 物料混合 發(fā)展趨勢(shì) . 1 1.3 引入 PLC 來實(shí)現(xiàn)其物料混合設(shè)備的控制功能 . 2 1.4 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 . 2 1.5 擬解決主要問題 . 2 1.6 技術(shù) 路線或研究方法 . 3 第 2 章 控制 系統(tǒng)總體方案 . 4 2.1 控制方式系統(tǒng)的要求的設(shè)計(jì) . 4 2.1.1 繼電器控制系統(tǒng) . 4 2.1.2 單片機(jī)控制 . 4 2.1.3 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 . 4 2.1.4 可編程 序 控制器控制 . 4 2.2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想 . 5 2.3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求 . 6 2.4 本章小結(jié) . 7 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 8 3.1 硬件選用 . 8 3.1.1 選擇接觸器 . 8 3.1.2 選擇攪拌電機(jī) . 9 3.1.3 選擇小型三極斷路器 . 10 3.1.4 選擇液位傳感器 . 11 3.1.5 選擇電磁閥 . 12 3.2 PLC 選型基本原則 . 13 3.3 PLC 容量選擇 . 14 3.4 I/O 模塊的選擇 . 14 3.5 電源模塊的選擇 . 15 3.6 PLC I/O 點(diǎn)分配 . 16 3.6.1 分析原理 . 16 3.6.2 PLC的 I/O接線圖 . 17 3.7 主電路的設(shè)計(jì) . 17 3.8 物料混合控制系統(tǒng) . 18 3.9 本章小結(jié) . 19 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 20 4.1 PLC 控制的相關(guān)流程圖 . 20 4.2 可編程序控制器梯形圖 . 21 4.3 本章小結(jié) . 23 第 5 章 組態(tài) 設(shè)計(jì) . 24 5.1 組態(tài)王軟件 . 24 5.2 組態(tài)王相關(guān)操作 . 24 結(jié)論 . 30 參考文獻(xiàn) . 31 致謝 . 32 附錄 . 33 I 摘 要 可編程序控制器簡稱 PLC，是近年來一種發(fā)展極為迅速，應(yīng)用極為廣泛的工業(yè)控制裝置。它是 一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)行的電子系統(tǒng)，它采用可編程程序的存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)用戶指令，通過數(shù)字或模擬的輸入 /輸出完成確定的邏輯順序、定時(shí)、記數(shù)、運(yùn)算和一些確定的功能來控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 工業(yè)混合攪拌設(shè)備，使得攪拌過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制、并且提升了攪拌設(shè)備工作的穩(wěn)定性，為攪拌機(jī)械順利、有序、準(zhǔn)確的工作創(chuàng)造了有力的保障。 本文所介紹的多種液體混合的 PLC 控制程序可進(jìn)行單周期或連續(xù)工作，具有斷電記憶功能，復(fù)電后可以繼續(xù)運(yùn)行。另外， PLC 還有通信聯(lián)網(wǎng)功能，再通過 WINCC組態(tài)，可直接對(duì)現(xiàn)場監(jiān)控、更方 便工作和管理。 該混合控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際要求利用 PLC 的實(shí)時(shí)控制和順序處理功能，完成系統(tǒng)控制，。在本次論文中，給出了控制系統(tǒng)的硬件原理圖，主電路圖及軟件設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ： 可編程序控制器 PLC；液位傳感器；定時(shí)器；交流接觸器；攪拌電機(jī)；三級(jí)斷路器； II ABSTRACT Programmable logic controller PLC for short is a development very quickly in recent years, has wide application in industry control device. It is an application designed for industrial environments and the design of digital electronic systems that run, it uses the programmable program memory, used to store the user instructions, through digital or analog input/output completion determine the number, timing and recording in a logical order, operations and determine features to control various types of machinery or production processes. Industrial mixing equipment, mixing processes are automated control, and improve the stability of mixing equipment, mixing machinery for a smooth, orderly and accurate creation of strong protection. Multiple liquid mix of PLC control program described in this article for single-cycle or continuous work, with power off memory function, complex system can continue to run.In addition, PLC has communication networking, then by WINCC configuration, can be directly on the site monitoring and more convenient work and management. The hybrid control system, based on actual requirements with PLC control and order processing functionality, complete system control,In this paper, the hardware of the control system are given schematics, circuit diagrams and software design. Key words: PLC programmable controller； Level sensor； The timer； AC contactor； Stirring motor； Three-level circuit breakers； 1 第 1 章 緒 論 1.1 傳統(tǒng)的物料混合設(shè)備的控制存在的問題 鑒于攪拌設(shè)備的廣泛應(yīng)用，隨著近年來工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，流體混合技術(shù)在上世紀(jì)60到 80年代期間得到了迅猛發(fā)展 ,其重點(diǎn)主要是對(duì)于常規(guī)攪拌槳在低粘和高粘非牛頓均相體系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時(shí)間等宏觀量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。長期以來 ,雖然有大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)聯(lián)式可用于分析和預(yù)測(cè)混合體系 ,但將攪拌反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模直接放大到工業(yè)規(guī)模 ,仍是十分危險(xiǎn)的 ,至今仍然需要通過逐級(jí) 放大來達(dá)到攪拌設(shè)備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費(fèi)巨額的資金和大量的人力物力 ,而且設(shè)計(jì)周期很長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的美國，化學(xué)工業(yè)由于攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)不合理所造成的損失每年約為 10 100億美元。 因此，從更微觀更本質(zhì)的角度 ,例如采用先進(jìn)的測(cè)試手段和建立合理的數(shù)學(xué)模型 ,獲取攪拌槽中的速度場、溫度場和濃度場 ,不僅對(duì)開發(fā)新型攪拌設(shè)備，而且對(duì)攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義 ,對(duì)放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 而對(duì)于攪拌設(shè)備的研究，除功率問題外，有關(guān)攪拌的流體力學(xué)研究具有重要意義。這方 面已做了許多工作，但尚需擴(kuò)大和深入。在液體中進(jìn)行攪拌時(shí)，攪拌器的功能不僅引起液體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)，而且要在液體中產(chǎn)生湍動(dòng)，湍動(dòng)程度與攪拌器使液體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的旋渦現(xiàn)象有密切關(guān)系。這些旋渦因經(jīng)常地互相撞擊和破裂，使液體受到劇烈的攪拌。由此可見在攪拌操作中，對(duì)于流體力學(xué)理論的研究是極其重要的。 1.2 物料設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) 近代化學(xué)工業(yè)中，流動(dòng)的物料不再只是一些低粘度的牛頓型流體，許多高粘度流體也常常遇到，尤其是各種各樣的高分子溶液以及混有催化劑粒子的漿狀流體等非牛頓型流體的應(yīng)用日益廣泛。它們與通常的牛頓型流體具有不同的 流動(dòng)特性，所以對(duì)于非牛頓型液體的研究是當(dāng)今的一個(gè)重要課題。對(duì)高粘度流體，特別是非牛頓型流體的攪拌傳熱的研究，也是近年來的一個(gè)方向。聚合釜的傳熱特性與其中所用的攪拌器的型式關(guān)系甚大。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。設(shè)備有大型化發(fā)展的趨勢(shì)，也需求攪拌設(shè)備大型化。如國外聚合釜的容積已由最初的 8 40m3擴(kuò)大到 60 100m3，最火的已達(dá)到 140m3。采用大型聚臺(tái)釜可大大減少操作和檢修人員，有利于自動(dòng)化，減少投資，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。隨著容積的大型化，釜型逐漸由細(xì)長型向矮胖型發(fā)展。而且采用底部攪拌的方式越采越多，多用三 葉后掠式攪拌器。三葉后掠式攪拌器是目前大型聚合釜采用 2 的一種較好攪拌器。因它排出量大，釜內(nèi)液相循環(huán)充分，每分鐘可達(dá) 5 10 次，能促使釜內(nèi)反應(yīng)均勻一致。 攪拌也可以在管路中進(jìn)行，采用在管路中安裝裝置的辦法對(duì)氣 -液系和液 -液系進(jìn)行混合。側(cè)如采用噴射泵對(duì)水及醋酸丁酯進(jìn)行混合；在石油精制中，也采用使液體流過設(shè)置在管路中的銳孔板或擋板，以便使兩種液體進(jìn)行接觸。還有在管道中放入攪拌器的，即所謂管道攪拌。 可見，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了攪拌應(yīng)用面的擴(kuò)大。攪拌技術(shù)的發(fā)展又使得攪拌設(shè)備大型化。為了提高攪拌的全自動(dòng)化和穩(wěn)定性能，就需 要一個(gè)功能更強(qiáng)、性能更好的系統(tǒng)做支持。 在本設(shè)計(jì)中我將引入 PLC來實(shí)現(xiàn)其攪拌控制功能。 1.3 引入 PLC 來實(shí)現(xiàn)其物料混合設(shè)備的控制功能 本設(shè)計(jì)基于采用可編程序控制器（ PLC）的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合攪拌的控制。以 PLC S7-200為主要控制器。根據(jù)攪拌設(shè)備的功能特性、運(yùn)作順序等，設(shè)計(jì)中可選用電磁閥、時(shí)間繼電器來實(shí)現(xiàn)液體的流入和時(shí)間上的延時(shí)，從而滿足其控制要求。 根據(jù)控制要求，可以看出此程序是一個(gè)很典型的順序控制問題。這樣就可以先按照攪拌設(shè)備的先后運(yùn)行順序畫出相應(yīng)的順序功能圖，然后在根據(jù)順序功能圖畫梯形 圖，最后再用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行調(diào)試仿真。這樣就可以實(shí)現(xiàn) PLC 對(duì)混合攪拌控制程序的設(shè)計(jì)。 1.4 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.基本方案的選擇和確定； 總體方案論證，系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、 PLC 和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)緊密結(jié)合起來 。 2.設(shè)計(jì)電氣控制原理圖；從初始狀態(tài)到啟動(dòng)到最后操作的結(jié)束的中間詳細(xì)過程的原理圖。 3.進(jìn)行 PLC 的選型及 I/O 分配；從從對(duì) PLC 的選擇到 PLC 的容量選擇在到啟動(dòng)到物料混合的各個(gè) I/O 的選擇和分配。 4.PLC控制程序的編寫 ,寫出指令表。 1.5 擬解決主要問題 （ 1） PLC機(jī)型的選擇 根據(jù) PLC物料混合控制要求，列出該系統(tǒng)的輸入輸出表，從表中可得出該系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)總和為多少點(diǎn)。選型時(shí)還應(yīng)將性價(jià)比作為重點(diǎn)考慮因素。 （ 2）硬件電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)合適的硬件電路，選型、調(diào)試。 （ 3）了解程序的設(shè)計(jì) 控制程序設(shè)計(jì)，最大限度的滿足被控對(duì)象的控制要求 。 3 1.6 技術(shù)路線或研究方法 1.查閱文獻(xiàn)資料，專業(yè)設(shè)計(jì)或論文，從中學(xué)習(xí) PLC 物料混合控制 原理。完成基本的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系 .例如控制系統(tǒng)有進(jìn)料、循環(huán)、輸送三種工作狀態(tài)； 2.到涉及課題有關(guān)的單位進(jìn)行實(shí)地考查或?qū)嵙?xí)，并開展有關(guān)研究，參考實(shí)際中核心問題的解決方案，以及實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)的問題和應(yīng)該注意的事項(xiàng)。 3.請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行指導(dǎo)與評(píng)議，找到自己的不足，取長補(bǔ)短，將不合適的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中的失誤剔除改正。 4.自己試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試性能。 5.編寫畢業(yè)論文。 4 第 2 章 控制系統(tǒng)總體方案 2.1 控制方式系統(tǒng)的要求的設(shè)計(jì) 就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制、可編程 序 控制器控制。 2.1.1.繼電器控制系統(tǒng) 控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的 電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參量變化而動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)裝置的自動(dòng)控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢 。 2.1.2.單片機(jī)控制 單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，機(jī)構(gòu)上包括 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入 /輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。但是，單片機(jī)是一片集 成電路，不能直接將它與外部 I/O信號(hào)相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大 。 2.1.3.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 工控機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實(shí)用性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢(shì)。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開關(guān)量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 2.1.4.可編程序控制器控制 可編程控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇， 用戶不用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬 件 配制和設(shè)計(jì)外部接線圖，同時(shí)采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點(diǎn)和接線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的變化。 可編程控制器 (PLC)從上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對(duì)開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等構(gòu)成開關(guān)量控制系統(tǒng)。隨著 30多年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， PLC也通過不斷的升級(jí)換代大大增強(qiáng)了其功能?，F(xiàn)在 PLC 已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能和數(shù) 據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實(shí)的 5 多功能控制器。由 PLC 為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)自動(dòng)化的首選控制裝置。故選擇 PLC來實(shí)施本次設(shè)計(jì)。 (1) 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 (2) 運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制，世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 (3) 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 (4) 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制 系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 (5) 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想 控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用和維護(hù)方便。物料混合設(shè)備要節(jié)能、安全、高效和滿足生產(chǎn)及應(yīng)用要求 ： 1 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵 性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 2 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能 6 力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 3 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路 圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 5 體積小，重量輕，能耗低 6 硬件配套齊全，擁護(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 2.3 系統(tǒng)的整 體設(shè)計(jì)要求 在該混合液體裝置中，需要完成兩種液體的進(jìn)料、混合、卸料的功能，如圖 2.1控制要求如下： 1.混合過程：開始排放混合液體閥打開延時(shí) 10S后自動(dòng)關(guān)閉， A液體閥 Y1打開，注入 A 液體。當(dāng)液面上升到 SL2 時(shí)，關(guān)閉 A 液體閥 Y1，同時(shí)注入 B 液體閥 Y2 打開，注入 B 液體。當(dāng)液面上升到 SL3 時(shí)，關(guān)閉 B 液體閥，并開始定時(shí)攪拌，攪拌 10S 后停止。 2.停止過程：停止攪拌后自動(dòng)排放混合液體，當(dāng)混合液體的頁面下降到 SL1 時(shí)，開始計(jì)時(shí)到 10S后關(guān)閉排氣閥 Y4。一個(gè)循環(huán)結(jié)束。 3.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警燈閃爍。保護(hù)動(dòng)作自動(dòng)關(guān)閉 相應(yīng)的閥門和開啟相應(yīng)的閥門。停止混合系統(tǒng)運(yùn)行。 4.本設(shè)計(jì)使用液位 H、 I、 L 3個(gè)傳感器控制液體 A、液體 B的進(jìn)入和混合液排出的 3個(gè)電磁閥門及攪拌機(jī)的啟停。 7 Y 2Y 1液 體 A 液 體 BS L 3 ( H )S L 2 ( I )S L 1 ( L )Y 4混 合 液 體M3 攪 拌 機(jī)電圖 2.1混合液體 2.4 本章小結(jié) 本章介紹了控制方式系統(tǒng)的要求以及系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想和對(duì)整體設(shè)計(jì)的要求，對(duì)設(shè)計(jì)的整體有個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。 8 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 硬件選用 3.1.1 選擇接觸器 1.選用 CJX1-9， 220V型接觸器（如圖 3.1） 圖 3.1 CJX1-9， 220V 型交流接觸器 其中“ C” 表示接觸器，“ J” 表示交流， 20 為設(shè)計(jì)編號(hào)， 10/16為主觸頭額定電流 2.用途 CJX1 系列交流接觸器 (以下簡稱接觸器 )適用于交流 50Hz 或 60Hz，壓至 660V，額定絕緣電壓至 660V；電流 9 475A（ 380V、 AC-3使用類別）的電力線路中供遠(yuǎn)距離接通或分?jǐn)嚯娐分茫深l繁地起動(dòng)及控制交流電動(dòng)機(jī)。適用于控制交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止及反轉(zhuǎn)。 3.工作條件 海拔高度不超過 2000米； 周圍環(huán)境溫度： -25 +40； 空氣相對(duì)濕度：在 40時(shí)不 超過 50%，低溫時(shí)允許有較大的相對(duì)濕度； 大氣條件：沒有會(huì)引起爆炸危險(xiǎn)的介質(zhì)，也沒有會(huì)腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體和導(dǎo)電塵埃 。 安裝位置： 安裝面與垂直面的傾斜度不超過 5； 在無顯著搖動(dòng)和沖擊的地方； 在沒有雨雪侵襲的地方； 9 控制電壓允許變動(dòng)范圍： 85% 110%US。 4.結(jié)構(gòu)特征 總體結(jié)構(gòu)：接觸器為 E 字形鐵芯，雙斷點(diǎn)觸頭的直動(dòng)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。接觸器動(dòng)作機(jī)構(gòu)靈活，手動(dòng)檢查方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可防止外界雜物及灰塵落入接觸器活動(dòng)部位。接線端有罩蓋，人手不會(huì)直接接觸帶電部位，可確保使用安全。接觸器外形尺寸小巧，安裝面積小。安裝方式可用螺釘堅(jiān)固， 938A也可扣裝在 35毫米寬的標(biāo)準(zhǔn)安裝導(dǎo)軌上，裝卸迅速、方便。 觸頭系統(tǒng)：主觸頭、輔助觸頭均為橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，觸頭材料由導(dǎo)電性能優(yōu)越的銀合金制成，具有使用壽命長及良好的接觸可靠性，滅弧室成封閉型，并由阻燃性材料阻擋電弧向外噴濺，保證人身及鄰近電器的安全。 磁系統(tǒng)： 9 38A 接觸器的磁系統(tǒng)是通用的，電磁鐵工作可靠、損耗小、具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，線圈的接線端裝有電壓規(guī)格的標(biāo)志牌，標(biāo)志牌按電壓等級(jí)著有特定的顏色，清晰醒目，接線方便，可避免因接錯(cuò)電壓規(guī)格而導(dǎo)致線圈燒毀。 3.1.2 選擇攪拌電機(jī) 三相異步電動(dòng)機(jī) （如圖 3.2） 應(yīng)用非常廣泛，因而正確的選擇電動(dòng)機(jī)顯得極為重要。三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇包括它的功率、種類、方式、電壓和轉(zhuǎn)速等。 1.功率選擇 合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率是運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)的可靠保證。所選電動(dòng)機(jī)的功率是由生產(chǎn)機(jī)械所需的功率確定的。 1). 連續(xù)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率的選擇 原則：對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，若負(fù)載是恒定負(fù)載，先算出生產(chǎn)機(jī)械的功率，所選電動(dòng)機(jī)的額 定功率稍大于或等于生產(chǎn)機(jī)械功率（即若負(fù)載是變化的，計(jì)算比較復(fù)雜，通常根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載的變化規(guī)律求出等效的恒定負(fù)載，然后選擇電 動(dòng)機(jī)）。 2). 短時(shí)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率的選擇 原則：通常是根據(jù)過載系數(shù)來選擇短時(shí)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的功率。 （原因由于發(fā)熱慣性，在短時(shí)運(yùn)行時(shí)可以容許過載。工作時(shí)間愈短，過載可以愈大。但電動(dòng)機(jī)的過載是受限制的）。 電動(dòng)機(jī)的額定功率是生產(chǎn)機(jī)械所要求功率的 1/。 2.種類和型式的選擇 種類選擇原則：主要從交流或直流、機(jī)械特性、調(diào)速與起動(dòng)性能、維護(hù)及價(jià)格等方面來考慮。 結(jié)構(gòu)型式選擇原則：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的周圍環(huán)境條件來確定。 10 電動(dòng)機(jī)常用的結(jié)構(gòu)型式有：開啟式、防護(hù)式、封閉式、防爆式。 3.電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 電壓等級(jí) 選擇原則：要根據(jù)電動(dòng)機(jī)類型、功率以及使用地點(diǎn)的電源電壓來決定。 Y系列籠型電動(dòng)機(jī)的額定電壓只有 380V 一個(gè)等級(jí)；大功率異步電動(dòng)機(jī)才采用 3000V、6000V的電壓等級(jí)。 轉(zhuǎn)速選擇原則：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而選定。 圖 3.2 電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y90S-6/0.75KW Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)是一般用途低壓三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)基本系列。該系列可以滿足國內(nèi)外一般用途的需要，機(jī)座范圍 80-315，是全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的系列產(chǎn)品。 Y系列電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、性能好、振動(dòng)小、噪聲低、壽命長、可靠性高、維護(hù)方便、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。 安裝尺寸和功率等級(jí)完全符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。采用 B 級(jí)絕緣、外殼防護(hù)等級(jí)為 IP44，冷卻方式 IC418. 3.1.3 選擇小型三極斷路器 （如圖 3.3） 圖 3.3 DZ47-63系列小型斷路器 11 適用范圍： 交流 50Hz 額定工作電壓至 380V 額定電流至 63A 額定短路分?jǐn)嗄芰Σ怀^ 6000A的配電線路中 作為過載和短路保護(hù)之用，亦可作為線路不頻繁通斷操作與轉(zhuǎn)換之用，斷路器符合 GB10963.1標(biāo)準(zhǔn)。 3.1.4 選擇液位傳感器 選用 LSF-2.5型液位傳感器（圖 3.4） 圖 3.4 LSF-2.5 型液位傳 感器 其中“ L” 表示光電的，“ S” 表示傳感器，” F“表示防腐蝕的， 2.5為最大工作壓力。 LSF 系列液位開關(guān)可提非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測(cè)，其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當(dāng)沒有液體時(shí)，光被前端的棱鏡面或球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面時(shí)，光被折射出去，這使得輸出發(fā)生變化，相應(yīng)的晶體管或繼電器動(dòng)作并輸出一個(gè)開關(guān)量。應(yīng)用此原理可制成單點(diǎn)或多點(diǎn)液位開關(guān)。 LSF 光電液位開關(guān)具有較高的適應(yīng)環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1. 工作壓力可達(dá) 2.5Mpa； 2. 工作溫度上 限為 125； 3. 觸點(diǎn)壽命為 100 萬次； 4. 觸點(diǎn)容易為 70W； 5. 開關(guān)電壓為 24VDC； 6. 切換電流為 0.5A。 12 3.1.5 選擇電磁閥 1.入罐液體的選用 入罐液體的選用 VF4-25型電磁閥（如圖 3.5） 圖 3.5 VF4-25型電磁閥 其中“ v” 表示電磁閥，“ F” 表示防腐蝕， 4 表示設(shè)計(jì)序號(hào)， 25 表示口徑（ mm)寬度。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： l).材質(zhì)：聚四氟乙烯。使用介質(zhì)：硫酸、鹽酸、有機(jī)溶劑、化學(xué)試劑等酸堿性的液體； 2).介質(zhì)溫度 150環(huán)境溫度 -20一 60； 3).使用電壓： AC:220V50HZ/60HZ DC:24V； 4). 功率： AC:2.5KW； 5). 操作方式：常閉：通電打開，斷電關(guān)閉，動(dòng)作響應(yīng)迅速，高頻率。 2.出罐液體的選用 出罐液體的選用 AVF-40型電磁閥（如圖 3.6） 13 其中“ A” 表示可調(diào)節(jié)流量 ， “ V” 表示電磁閥，“ F” 表示防腐蝕， 40 為口徑（ mm） 圖 3.6 AVF-40型電磁閥 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1). 其最大特點(diǎn)就是能通過設(shè)備上的按健設(shè)置來控制流量，達(dá)到定時(shí)排空的效果； 2). 其閥體材料為： ABS，有比較強(qiáng) 的抗腐蝕能力； 3). 使用電壓： AC:220V 50HZ/60HZ DC:24V； 4). 功率： AC:5KW。 3.2 PLC 選型基本原則 產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號(hào)的 PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用 PLC，對(duì)于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控 制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的 控制系統(tǒng)。 14 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的 工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： （ 1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 （ 2）保證 PLC控制系統(tǒng)安全可靠 （ 3）力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 （ 4）適應(yīng)發(fā)展的需要 綜合以上選型原則，本課題 PLC S7-200 作為控制器。 S7-200 由 4 種不同的基本單元和 6 種型號(hào)的擴(kuò)展單元組成。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。 3.3 PLC 容量選擇 PLC 容量包括兩個(gè)方面：一是 I/O 的點(diǎn)數(shù)；二是用戶存儲(chǔ)器的容量（字?jǐn)?shù)）。 PLC容量的選擇除滿足控制要求外，還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ浚宰鰝溆?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)，在選擇存儲(chǔ)容量時(shí)，一般按實(shí)際需要的 10% 25%考慮裕量。對(duì)于開關(guān)量控制系統(tǒng)，存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為開關(guān)量 I/O乘以 8；對(duì)于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為模擬內(nèi)存單元數(shù)乘以 100。通常，一條邏輯指令占用存儲(chǔ)器一個(gè)字。計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯?chǔ)器兩個(gè)字。各種指令占存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)可查閱 PLC 產(chǎn)品使用手冊(cè)。 I/O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。由于目前 I/O 點(diǎn)數(shù)較多的 PLC 價(jià)格也較高，若備用的 I/O點(diǎn)的數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù) 被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的 10% 15%考慮備用量。 3.4 I/O 模塊的選擇 PLC 是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，它的工 作 環(huán) 境 是 工 業(yè) 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場 。 它 與 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過 程 的 聯(lián) 系 是 通 過 通過 I/O 接口模塊可以檢測(cè)被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制器對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制的 依據(jù)。同時(shí)控制器又通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控設(shè)備，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制。外部設(shè)備或生產(chǎn)過程中的信號(hào)電平各種各樣，各種機(jī)構(gòu)所需的信息電平也是各種各樣的，而 PLC 的 CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O 接口模塊還需實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 PLC 從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號(hào)都需經(jīng)過一定距離。為了確保這些信息的正確無誤， PLC的 I/O接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際需要， PLC相應(yīng)有許多種 I/O 接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模 擬量輸出模塊，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇使用。 15 1 確定 I/O點(diǎn)數(shù) I/O 點(diǎn)數(shù)的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)一個(gè)控制對(duì)象，由于采用不同的控制方法或編程水平不一樣， I/O點(diǎn)數(shù)就可能有所不同。 2 開關(guān)量 I/O 標(biāo)準(zhǔn)的 I/O接口用于同傳感器和開關(guān)（如按鈕、限位開關(guān)等）及控制（開 /關(guān)）設(shè)備（如指示燈、報(bào)警器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。典型的交流 I/O信號(hào)為 24240V（ AC），直流 I/O 信號(hào)為 5 24V（ DC）。 3 選擇開關(guān)量輸入模塊主要從下面兩方面考慮：一是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號(hào)與 PLC輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來選擇電平的高低。一般 24V 以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。如 12V電壓模塊一般不超過 10m，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。二是高密度的輸入模塊，如 32點(diǎn)輸入模塊，能允許同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過總輸入點(diǎn)數(shù)的 60%。 4 選擇開關(guān)量輸出模塊時(shí)應(yīng)從以下三個(gè)方面來考慮：一是輸出方式選擇。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出。其中，繼電器輸出價(jià)格便宜，使用電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力強(qiáng)，且有隔 離作用。但繼電器有觸點(diǎn)，壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動(dòng)作不頻繁的交直流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，最大開閉頻率不得超過 1Hz。晶閘管輸出（交流）和晶體管輸出（直流）都屬于無觸點(diǎn)開關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載。感性負(fù)載在斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生較高反電壓，必須采取抑制措施。二是輸出電流的選擇。模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對(duì)于電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載，考慮到接通時(shí)有沖擊電流，要留有足夠的余量。三是允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)。在選用輸出點(diǎn)數(shù)時(shí)，不 但要核算一個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力，還要核算整個(gè)輸出模塊的滿負(fù)荷負(fù)載能力，即輸出模塊同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的總電流值不得超過模塊規(guī)定的最大允許電流值。 3.5 電源模塊的選擇 電源模塊的選擇一般只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、 I/O模塊、專用模塊等消耗電流的總和。以下步驟為選擇電源的一般規(guī)則： 1 確定電源的輸入電壓； 2 將框架中每塊 I/O模塊所需的總背板電流相加，計(jì)算出 I/O模塊所需的總背板電流值； 3 I/O模塊所需的總背板電流值再加上以下各電流： （ 1） 框架中帶有處理器時(shí)，則加上處理 器的最大電流值； 16 （ 2） 當(dāng)框架中帶有遠(yuǎn)程適配器模塊或擴(kuò)展本地 I/O適配器模塊時(shí)，應(yīng)加上其最大電流值。 4 如果框架中留有空槽用于將來擴(kuò)展時(shí)，可做以下處理； （ 1） 列出將來要擴(kuò)展的 I/O模塊所需的背板電流； （ 2） 將所有擴(kuò)展的 I/O模塊的總背板電流值與步驟。 5 在框架中是否有用于電源的空槽，否則將電源裝到框架的外面。 6 根據(jù)確定好的輸入電壓要求和所需的總背板電流值，從用戶手冊(cè)中選擇合適的電源模塊。 具體應(yīng)考隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展， PLC產(chǎn)品的種類越來越多，而且功能也日益完善。PLC 的種類繁多，其 結(jié)構(gòu)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等各有不同，當(dāng)然使用場合也有所不同。因此選擇合理的 PLC 對(duì)提高 PLC 控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)意義重大。 因此在選擇機(jī)型時(shí)不僅要滿足其功能要求及維護(hù)等方面的