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上海電機學院 課 程 設 計 2015～2016 學年第一學期 課程名稱 可編程控制器原理及應用 設計題目 液體混合裝置控制的模擬（一） 院 (系) 電 氣 學 院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化（港口自動化方向） 學生姓名 任 書 洋 學 號 151101190241 設計時間 2016年 1月 18日 指導教師 龔 建 芳 提交日期 年 月 日 目 錄 1. 簡介------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1課題概況-----------------------------------------------------------------------------------1 1.2設計要求-----------------------------------------------------------------------------------1 1.3設計內容----------------------------------------------------------------------------------------------1 2. 系統(tǒng)總體方案設計------------------------------------------------------------------------2 2.1總體方案選擇說明-----------------------------------------------------------------------2 2.2 控制方式選擇----------------------------------------------------------------------------2 2.3 操作界面設計----------------------------------------------------------------------------2 3. PLC控制系統(tǒng)的硬件設計---------------------------------------------------------------3 3.1 PLC的選型-------------------------------------------------------------------------------3 3.2 用戶存儲器容量的估計----------------------------------------------------------------3 3.3 I/O點數(shù)的估算---------------------------------------------------------------------------3 3.4電源模塊選擇-----------------------------------------------------------------------------3 3.5 I/O分配表---------------------------------------------------------------------------------4 3.6電氣原理圖設計--------------------------------------------------------------------------4 4．PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)程序設計-----------------------------------------------------------5 4.1狀態(tài)分配表---------------------------------------------------------------------------------5 4.2 控制程序順序功能圖設計--------------------------------------------------------------6 4.3 控制程序設計思路-----------------------------------------------------------------------6 5．系統(tǒng)調試及結果分析---------------------------------------------------------------------------13 5.1 系統(tǒng)調試及解決的問題----------------------------------------------------------------13 5.2 結果分析----------------------------------------------------------------------------------28 6．系統(tǒng)的使用說明書-------------------------------------------------------------------------------28 7．課程設計體會--------------------------------------------------------------------------------------29 8．參考文獻-----------------------------------------------------------------------------------30 9．附錄-----------------------------------------------------------------------------------------30 控制系統(tǒng)電氣原理圖-----------------------------------------------------------30 1．簡介 1.1 課題概況 本裝置為兩種液體混合裝置，SL1、SL2、SL3為液面?zhèn)鞲衅?，液體A、B的閥門與混合液閥門由電磁閥YV1、YV2、YV3控制，M為攪動混合電機。SA1、SA2為工作流程選擇開關，SA3為單次工作和循環(huán)工作的選擇開關。SB1、SB2為啟動和停止開關。 1.2 設計要求 （1）初始狀態(tài):裝置投入運行時，液體A、B閥門關閉，混合液閥門打開5秒,將容器放空后關閉。 （2）啟動:按下啟動按鈕SB1，裝置就開始按工作流程進行。 （3）停止:按下停止按鈕SB2后，完成本次循環(huán)，并停在原位，恢復原位狀態(tài)。 1.3 設計內容 步驟 工作流程1 工作流程2 工作流程3 啟動按鈕 按下 按下 按下 第一步 液體A閥門打開 液體A閥門打開 液體B閥門打開 液體A閥門、液體B閥門依次打開5s 第二步 液面到達SL2 液體A閥門關閉 液體B閥門打開 液面到達SL2 液體A閥門關閉 液體B閥門打開 液面到達SL2 液體A閥門、液體B閥門依次打開8s 第三步 液面到達SL1 液體B閥門關閉 液面達到SL1 液體B閥門關閉 液面達到SL1 液體A、B閥門關閉 第四步 攪勻電機M運行6s 攪勻電機M運行10s 攪勻電機M運行10s 第五步 放出混合液體閥門打開 混合液體的閥門打開 攪勻電機M繼續(xù)運行 放出混合液體的閥門打開 第六步 液面到達SL3 混合液體閥門打開 延時2s 液面到達SL2 M停止運行 混合液體閥門打開 液面到達SL3 混合液體閥門打開 延時2s 第七步 停止工作 液面到達SL3 液面到達閥門打開 延遲2s 回到第一步 循環(huán)工作3次后自動停止工作 回到第一步循環(huán)工作 2．系統(tǒng)總體方案設計 2.1 總體方案選擇說明 剛開始拿到這個課設課題時還不知道如何下手，然后通過網(wǎng)上查找相關的資料得出了自己的設計思想。 首先根據(jù)課題的要求畫出了大致的順序功能圖，然后根據(jù)課題要求有3個工作流程，我們就把這3個工作流程分作對應的3個工作功能塊。在OB1中通過開關SA1、SA2開關，來選擇工作流程方式。當SA1接通時選擇工作流程1；當SA2接通時選擇工作流程2；當SA1、SA2同時接通時選擇工作流程3。 功能塊FC1為工作流程1。功能塊FC2為工作流程2。功能塊FC3為工作流程3。 2.2 控制方式選擇 由于PLC控制系統(tǒng)較繼電-接觸器控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如硬件電路簡單，修改程序容易，可靠性高等，所以本設計選擇PLC控制系統(tǒng)。 2.3 操作界面設計 根據(jù)任務書的控制要求和總體方案，設計如圖所示操作界面。 　　　　　　　　　　　　　液體混合裝置控制操作面板 1、為了便于隨時觀察系統(tǒng)的運行狀況，每個閥、泵、攪拌器均裝有運行狀態(tài)指示燈，對應于混料罐的高/中/低液位，均裝有位置指示燈。 2、用兩個選擇開關切換系統(tǒng)工作模式――“工作流程1”、“工作流程2”、“工作流程3”，并用兩個指示燈來指示當前所處工作模式。 3、根據(jù)控制要求（2）設置一個“啟動”按鈕和一個工作指示燈。 4、根據(jù)控制要求（3）設置一個“停止”按鈕和一個工作指示燈。 3.PLC控制系統(tǒng)的硬件設計 3.1 PLC的選型 隨著PLC的推廣普及，PLC產品的種類和數(shù)量越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從美國、日本、德國等國引進的PLC產品及國內廠家組裝或自行開發(fā)的產品已有幾十個系列、上百種型號。PLC的品種繁多，其結構型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各不相同，適用場合也各有側重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應用起著重要作用。 本次液體混合裝置控制設計用的是來自西門子公司的S7-300可編程控制器。西門子公司的SIMATIC S7-300系列屬于中小型PLC，可用來代替繼電器的簡單控制場合，也可用于負載的自動化控制系統(tǒng)。在液體混合裝置控制的模擬這個課設主題上，它結構上合理，安裝方便，功能相當，滿足相應時間和對聯(lián)網(wǎng)通信功能等要求。 3.2 用戶存儲器容量的估計 通常，一條邏輯指令占存儲器一個字，計時、計數(shù)、移位以及算術運算、數(shù)據(jù)傳送等指令占存儲器兩個字。在選擇存儲容量時，一般可按實際需要的25%~30%考慮余量。根據(jù)存儲器的總字節(jié)數(shù)再加上10%~25%的備用量即可估算出所需存儲容量。 3.3 I/O點數(shù)的估算 I/O是PLC的一項重要指標。合理選擇I/O點數(shù)的確定以系統(tǒng)實際的輸入/輸出數(shù)為基礎確定。在確切I/O點數(shù)時，應留有適當余量。目前PLC的I/O點價格還較高，平均每點為100~120人民幣。如果備用的I/O點的數(shù)量太多，就會使成本增加。因此，通常在選擇I/O點數(shù)時可按實際需要的10%~15考慮余量。 3.4 電源模塊選擇 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步驟： （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：框架中帶有處理器時，則加上處理器的最大電流值；當框架中帶有遠程適配器模塊或擴展本地I/O適配器模塊時，應加上適配器模塊或擴展本地I/O適配器模塊的最大電流值。 （4） 如果框架中流油 空槽用作將來擴展時，則做一下處理：列出將來要擴展的I/O模塊所需的背板電流；將所有擴展的I/O模塊的總背板電流值與步驟（3）中計算得出的總背板電流值相加。 （5） 在框架中是否有用于電源的空槽，若沒有，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，從用戶手冊中選擇合適的電源模塊。 3.5 I/O分配表 表1 I/O分配表 變量名 變量符號 SB1啟動按鈕 I0.0 SB2停止按鈕 I0.1 SA1工作流程1選擇開關 I0.7 SA2工作流程2選擇開關 I1.0 SL1液面?zhèn)鞲衅鱏L1 I1.3 SL2液面?zhèn)鞲衅鱏L2 I1.4 SL3液面?zhèn)鞲衅鱏L3 I1.5 YV1液體A閥門 Q0.1 YV2液體B閥門 Q0.2 YV3混合液體閥門 Q0.3 YKM攪勻電機M Q0.0 3.6電氣原理圖設計(見附錄) 4. PLC控制系統(tǒng)程序設計 4.1 狀態(tài)分配表 工序名稱 狀態(tài)器地址號 功 能 啟動 M0.0 初始 進液體 M0.1 液體B閥門關閉，液體A閥門打開5s 進液體 M0.2 液體A閥門關閉，液體B閥門打開5s 攪勻 M0.3 液體A閥門關閉液體B閥門關閉，攪勻電機M運行3s 計數(shù) M0.4 回到第一步循環(huán)工作三次計數(shù) 放液體 M0.5 混合液體閥門打開 放液體 M0.6 混合液體閥門打開延時2s 進液體 M0.7 液體A閥門關閉，液體B閥門打開 進液體 M1.0 液體A閥門打開，液體B閥門打開 攪勻 M1.1 液體A、B閥門關閉, 攪勻電機M運行10s 放液體 M1.2 放出混合液體的閥門打開 放液體 M1.3 混合液體閥門打開2s 進液體 M1.4 液體A閥門、液體B閥門依次打開3s 進液體 M1.5 液體A閥門、液體B閥門依次打開5s 攪勻 M1.6 液體A、B閥門關閉, 攪勻電機M運行10s 放液體 M1.7 放出混合液體的閥門打開 放液體 M2.0 混合液體閥門打開延時2s 計數(shù) M2.1 循環(huán)工作3次計數(shù) 4.2 液體混合裝置控制程序順序功能圖設計 液體混合裝置控制程序流程圖 4.3 控制程序設計思路 程序的組成 液體混合裝置控制程序的組成情況如圖所示。 ●初始程序 ● 主體程序 ● 工作模式一 ● 工作模式二 ● 工作模式三 液體混合裝置控制程序的組成 5．系統(tǒng)調試及結果分析 5.1 系統(tǒng)調試及解決的問題 程序調試時在工作流程三中液面到達STL2時，未滿足液體A閥門、液體B閥門依次打開5S的控制要求。 檢查后發(fā)現(xiàn)，SL2與ST1在程序中的位置設置錯誤，改正后系統(tǒng)正常運行。 5.1.1系統(tǒng)梯形圖 OB100 初始程序 液體混合裝置控制初始化程序梯形圖 在OB100暖啟動中，將各個狀態(tài)復位，將M0.0和M5.0置位。M0.0為開始運行程序做好準備，M5.0則是為了在主程序中能夠將開始運行前將混合液閥門打開5秒，將容器放空。 OB1 主程序 液體混合裝置控制主體程序梯形圖 先將混料液的閥門打開5秒，將容器放空后關閉。通過I0.7和I1.0選擇工作模式。只有I0.7按下時，執(zhí)行工作流程一；只有I1.0按下時，執(zhí)行工作流程二；I0.7和I1.0都按下時，執(zhí)行工作流程三 FC1程序 工作流程1：按下啟動按鈕I0.0，液體閥門A打開，當液面到達SL2時，液體Ａ閥門關閉，液體Ｂ閥門打開，當液面達到SL1，液體B閥門關閉。攪拌電機M運行6S，放出混合液體的閥門打開，液面到達SL3，混合液體閥門打開并延遲2S，然后停止工作。 液體混合裝置控制工作模式１程序梯形圖 液體混合裝置控制工作流程一程序梯形圖 FC2 程序 工作流程2：按下啟動按鈕I0.0，液體閥門A打開，液體B閥門打開，當液面到達SL2，液體A閥門關閉，液體B閥門打開，液面達到ＳＬ１，液體Ｂ閥門關閉，攪勻電機Ｍ運行１０Ｓ。混合液體的閥門打開，攪勻電機Ｍ繼續(xù)運行，液面達到ＳＬ２，Ｍ停止運行，混合液體們打開，當液面到達ＳＬ３，混合液體閥門打開并延遲２Ｓ，回到第一步循環(huán)工作。 液體混合裝置控制工作模式１程序梯形圖 液體混合裝置控制工作流程二程序梯形圖 FC3 程序 工作流程３：按下啟動按鈕I0.0，液體閥門A、液體Ｂ閥門依次打開５Ｓ，液面到達ＳＬ２，液體Ａ閥門、液體Ｂ閥門依次打開８Ｓ。當液面到達ＳＬ１時，液體閥門關閉，攪拌電機運行１０Ｓ后，放出混合液體的閥門打開，液面到達SL3，混合液體閥門打開并延遲2Ｓ，回到第一步，循環(huán)工作３次后自動停止工作。 液體混合裝置控制工作模式１程序梯形圖 液體混合裝置控制工作流程三程序梯形圖 5.2 結果分析 （1）系統(tǒng)先將YV3(Q0.3)打開5秒。 （2）按下SA1(I0.7),恢復SA2（I1.0）再按下啟動按鈕SB1，按下ＳＬ２、ＳＬ１， M（Q0.0）亮６秒，再按下SL3，YV3（Q0.3）亮2秒后停止。 （3）按下SA2(I1.0)，恢復SA1（I0.7）。按下啟動按鈕SB1，按下SL1, M(Q0.0)亮10秒后，按下SL3，YV3（Q0.3）再亮2秒后循環(huán)。 （4）同時按下SA1(I0.7)和SA2（I1.0）。按下啟動按鈕SB1，YV1(Q0.1)和YV2(Q0.2)依次亮５秒。按下STL2，依次亮８秒。按下SL1, YV1(Q0.1)和YV2(Q0.2)不亮，M（Q0.0）亮，按下SL3后，M（Q0.0）再亮2秒，循環(huán)3次后停止。 （5）按下停止按鈕SB2，循環(huán)都變?yōu)?次，完成本次循環(huán)后，立即停止。 6．系統(tǒng)的使用說明書 （1）通電后，放出混合液的閥門打開5秒鐘。將容器放空后關閉。 （2）利用I0.7和I1.0分別選擇三個工作流程。按下I0.7,恢復I1.0,為工作流程一。按下I1.0,恢復I0.7,為工作流程二。同時按下I1.0和 I0.7,為工作流程三。 （3）按下啟動按鈕SB1，啟動當前工作流程。 （4）在工作流程一中，混合液體閥門打開后，按下SL3,混合液體閥門打開2秒后結束。 （5）在工作流程二中，按下SL2，實現(xiàn)液體閥門A不工作，液體閥門B工作，按下SL1，使得液體閥門B停止工作，攪勻電動機M工作10秒?；旌弦后w閥門打開后，按下SL3,混合液體閥門打開2秒。 （6）在工作流程三中，按下SL1，液體A閥門和液體B閥門依次打開5S。按v下SL2，液體A閥門和液體B閥門依次打開８Ｓ。攪勻電動機M工作10秒?；旌弦后w閥門打開后，按下SL3,混合液體閥門打開2秒。循環(huán)３次后自動停止工作。 （7）按下停止按鈕SB2后，完成本次循環(huán)，并停在原位，恢復原位狀態(tài)。 7．課程設計體會 這次PLC課程設計，我們小組的課題是“液體混合裝置控制的模（一）”，在龔建芳老師的帶指導下，我們先根據(jù)課題要求畫出了大致的順序功能圖然后根據(jù)順序功能圖和查找相關的資料寫出初步的梯形圖程序，最后通過調試與修改，在全組成員的共同努力下，我們成功的完成了這次課程設計任務，實現(xiàn)了老師期望的結果。 此次設計以分組的方式進行，每組有一個題目。由于平時大家都是學理論，沒有過實際開發(fā)設計的經驗，拿到的時候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并學習。我們基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學合作的機會，提高了人與人合作的意識與能力。 最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。第二天的軟件系統(tǒng)調試，是最麻煩，遇到問題最多的地方。我們對程序修改了多次，才將程序中的錯誤全部改正過來。又經過了長時間的研究，對軟件進行調整，最終終于得到了需要的數(shù)據(jù)和結果。通過這次設計實踐，我們的合作意識也得到加強，合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。 通過此次課設，讓我對于PLC梯形圖、指令圖、順序功能圖有了更好的了解，也讓我了解了關于PLC設計原理。有很多設計理念來源于實際，從中找到最合適的設計方法。通過這次設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解，尤其是對于PLC的順序控制方式和程序段的轉換有了深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對PLC的掌握都是理論上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序放到實際PLC應用中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運行，就是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個在調試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC 的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。 最后我們小組對數(shù)據(jù)和結果進行了總結，完成了課程設計報告。總的來說，這次的課程設計對我將來的開發(fā)與研究有著深遠的影響。為我今后的學習，有著顯著的幫助。 8．參考文獻 劉春生主編.西門子PLC應用與設計教程 機械工業(yè)出版社 程憲平主編.機電傳動與控制.武漢：華中科技大學出版社，2003. 鄧星鐘.機電傳動控制. 武漢：華中科技大學出版社. 王永華編.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術.北京：北京航空航天出版社，2008 殷洪義主編.可編程控制器選擇設計與維護.北京：機械工業(yè)出版社，2002 程子華，PLC原理與實例分析.北京:國防工業(yè)出版社，2006 高欽和，可編程控制器應用技術及其設計實例.北京:高等教育出版社，2004 9．附錄 液體混合裝置控制系統(tǒng)電氣原理圖