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1、物料自动混合控制系统设计制作692020年5月29日文档仅供参考e四川机电职业技术学院专业核心能力综合训练报告综合训练学习任务: 物料自动混合控制系统设计制作 院系名称: 电子电气工程系 专业班级: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 教师职称: 9月10日目录1前言21.1 应用现状31.2 应用前景31.3 应用功能42系统方案论证及设计思想42.1 系统方案论证42.2 系统设计思想63系统硬件设计83.1 PLC硬件设计83.1.1 PLC机型的选择83.1.2 PLC容量的选择103.1.3 I/O点数的选择103.1.4 PLC电源模块的选择113.2 其他相关硬件的设计123.2.
2、1 电磁阀的选择123.2.2 传感器的选用163.2.3 搅拌机选择193.3 I/O分配表223.4 接线原理图243.5 系统控制要求254系统软件设计264.1 总体设计框图264.1.1 系统运行流程264.1.2 流程图274.2 软件选择与设计方法284.2.1 软件的选择284.2.2 设计方法284.2.3 PLC编程的基本原则294.2.4 程序设计295人机界面365.1 设计思想365.2 控制方式376系统调试386.1 系统硬件调试386.2 系统软件调试386.3 系统整体调试496.4 系统误操作的分析497总结50参考文献511. 前言1.1 应用现状鉴于搅拌
3、设备的广泛应用,随着近年来工业技术的发展,物料混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今依然需要经过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。据统计,在工业高度发达的美国,化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10100亿美元。因此,从更微观更本质的角度
4、,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不但对开发新型搅拌设备,而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。而对于搅拌设备的研究,除功率问题外,有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做了许多工作,但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时,搅拌器的功能不但引起液体的整个运动,而且要在液体中产生湍动,湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常地互相撞击和破裂,使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中,对于流体力学理论的研究是极其重要的。混合搅拌作为工艺过程的基础操作单元,广泛应用
5、于石油、化工、医药、食品、油漆、涂料等许多行业。可是,由于这些行业中所用到的材料,多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质, 以至于现场工作环境十分恶劣,不适合人工现场操作,另外生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠、工作效率高等特点,这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。1.2应用前景近代化学工业中,流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体,许多高粘度流体也常常遇到,特别是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与一般的牛顿型流体具有不同的流动特性,因此对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度流体,特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究,也是近年
6、来的一个方向。聚合釜的传热特性与其中所用的搅拌器的型式关系甚大。随着科学技术的发展。设备有大型化发展的趋势,也需求搅拌设备大型化。如国外聚合釜的容积已由最初的840m3扩大到60100m3,最火的已达到140m3。采用大型聚台釜可大大减少操作和检修人员,有利于自动化,减少投资,提高生产率,稳定产品质量。随着容积的大型化,釜型逐渐由细长型向矮胖型发展。而且采用底部搅拌的方式越采越多,多用三叶后掠式搅拌器。三叶后掠式搅拌器是当前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器。因它排出量大,釜内液相循环充分,每分钟可达510次,能促使釜内反应均匀一致。 搅拌也能够在管路中进行,采用在管路中安装装置的办法对气-液系和
7、液-液系进行混合。例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合;在石油精制中,也采用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板,以便使两种液体进行接触。还有在管道中放入搅拌器的,即所谓管道搅拌。可见,科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大。搅拌技术的发展又使得搅拌设备大型化。为了提高搅拌的全自动化和稳定性能,就需要一个功能更强、性能更好的系统做支持。在本设计中我将引入PLC来实现其搅拌控制功能。1.3应用功能本设计基于采用可编程序控制器(PLC)的设计方案,实现对物料混合搅拌的控制。以PLC S7-300为主要控制器。根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等,设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的
8、延时,从而满足其控制要求。根据控制要求,能够看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。这样就能够先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图,然后在根据顺序功能图画梯形图,最后再用仿真软件对其进行调试仿真。这样就能够实现PLC对混合搅拌控制程序的设计。2. 系统方案论证及设计思想2.1 系统方案论证就当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、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。(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
9、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太贵,可是控制柜的安装接线工作量大,因此整个控制柜价格非常高,灵活性差,响应速度慢。(2) 单片机控制系统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/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能,成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。可是,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) 工业计算机控制系统工控机采用总线结构,
10、各厂家产品兼容性强,有实时操作系统的支持,在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高,将它用于开关量控制有些大材小用。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) 可编程控制器可控制编程器是一种专门为在工业环境下应用而设计的电子装置。它采用能够编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能经过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。可编程序控制器配备各种硬件装
11、置供用户选择,用户不用自己设计和制作硬件装置,只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图,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点和接线,经过修改程序适应工艺条件的变化。PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品,而且已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力,可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器,能够用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各
12、种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。可编程控制器(PLC)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,能够取代中间继电器、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也经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、连网通讯功能等多种性能,是名符其实的多功能控制器。由PLC为主构
13、成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点,是当前工业自动化的首选控制装置。故选择PLC来实施本次设计。2.2 系统设计思想根据多种控制的比较,选择PLC的控制系统有着它的特点。(1) 可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。另外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还
14、能够编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2) 硬件配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品,而且已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力,可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器,能够用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年
15、来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3) 易学易用,深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表示方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能。(4) 容易改造系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便,容易改造。(5) 体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,仅相当于几个继电器的大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。3. 系统硬件设计3.1 PLC硬件设计3.1.1 PLC机型的选择一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满
