可编程控制搅拌机的设计课程设计说明书

课程设计说明书可编程控制搅拌机的设计

课程设计说明书

摘要

搅拌机的控制传统是采用传统的动力控制模式，这种控制模式对于现代的高精度的搅拌要求是不适应的，对搅拌材质的均匀控制也是难于实现生产要求的，所以，采用了 PLC的控制模式，这种控制模式在操作上是比较简单实用且比较精准。

I

目录

摘要 .................................................................................................................................................. I 1绪论 (1)

1.1选题的意义 (1)

1.2 国内研究综述 (2)

1.3 研究的主要内容 (2)

2基于PLC的搅拌机控制系统总体方案 (5)

2.1控制系统要实现的功能 (5)

2.2搅拌机控制系统的组成 (5)

2.3搅拌机控制系统的设计内容 (6)

2.4搅拌机控制系统的总体结构设计方案 (6)

2.5搅拌机控制系统的基本运行原理 (7)

2.6搅拌机控制系统的需求分析 (8)

2.7 搅拌机控制的自动化控制概述 (8)

2.8本章小结 (10)

3基于PLC的搅拌机控制系统的硬件部分 (11)

3.1搅拌机控制系统的硬件选型 (11)

3.1.1搅拌机控制系统的PLC选型 (11)

3.1.2电磁阀的选择 (11)

3.1.3纸浆的液位传感器选择 (12)

3.1.4变频器的选择 (13)

3.1.5搅拌电动机的选择 (13)

3.2搅拌机系统硬件结构 (14)

3.3搅拌机控制系统的主电路设计 (14)

3.3.1搅拌机控制系统的检测电路 (15)

3.3.2搅拌机控制系统的控制部分 (16)

3.4本章小结 (16)

4搅拌机控制系统的软件设计 (17)

4.1搅拌机控制系统的工作流程 (17)

4.2PLC的I/O分配 (18)

4.3搅拌机控制系统梯形图的设计 (19)

4.3.1系统的启动停止 (19)

4.3.2系统的自动入液控制 (21)

4.3.3系统的自动加热部分 (22)

4.3.4搅拌机出液控制 (23)

4.3.5检测电路 (26)

附录基于PLC的搅拌机控制系统程序梯形图 (29)

III

1绪论

随着工业发展速度的加快，人们越来越注重科学、稳定、简便以及安全的工业生产方式。生产方式又依赖于生产机器的稳定、可靠、高效的运行，而这样子的运行是可以通过一定的技术手段对生产设备进行改善来达到实现的。目前大部分的企业对液体搅拌系统都是采用继电器技术进行控制，这种方法不仅消耗大，而且搅拌效果也很难达到设计要求，这使得企业的能源和资源不能得到充分的利用。伴随我国互联网技术的快速发展，许多生产厂商更倾向于自动化生产，在这方面产生了新的市场需求。所以，我们应当对搅拌机技术水平进行改进升级。在经过大量的尝试和改进后，基于PLC的搅拌机成功研发出来，它能够根据建筑需求混合建筑材料，且有着节能环保、高效高产的优势特点。

1.1选题的意义

近年来随着我国经济的飞速发展，工厂机器制造业进程不断的加快，功能的需求也逐渐增加。搅拌已经成为了现代工业制造不可缺少的部分，由继电器控制组成的搅拌机，因为系统比较复杂，反应速度也跟不上工序的需求，应此，需要一款更加高效的控制装置来代替继电器为主的系统控制。本系统的设计就是将搅拌机工业化的自动性能进行控制，搅拌机的自动化设计，不但可以对液体搅拌过程的每个部分进行准确的自动控制，并且还能很大程度的降低生产成本，这样便可以直接的用在现场作业，对现场人员的要求也不是很高，而且能够大力提升企业商家的自动化管理水平，并且一定程度上可以延长生产线的寿命提升流水生产线的工作效率水平，使得企业厂商在生产经营过程减少产品质量的不合格数量。由此可见，新型的搅拌机有着巨大的市场需求和深远的市场发展空间。

由于工业的快速发展，技术的不断前进，自动化和智能化越来越多的被用在工业生产中。很多行业生产都需要运用到液体搅拌技术，例如较为常见的食品加

工行业和化学用品生产行业，在这些行业，液体搅拌是非常重要的一个工作环境和操作流程，在产品质量和产量有举足轻重的作用和影响。在进行液体搅拌过程中，最重要关键是对于原材料的精准无误性，在一定混合比例下能够使得原材料充分均匀搅拌混合。所以我自动化的搅拌机控制系统不管是从技术的角度或者发展的潜力来说都是具有深远的意义的。希望通过本次设计能够更加熟悉搅拌机在工业生产中的作用并且能够更好地运用。

1.2 国内研究综述

目前，我国的液体搅拌机控制系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法耗能大，浪费大搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时对噪声污染也很严重。而且，在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀的介质，以致现场环境十分恶劣，不适合人工现场操作。随着计算机技术的飞速发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。采用PLC实现液体搅拌控制，不但可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且可以大大降低成本，可直接应用于工业现场，对现场人员的操作也不高。此外，对搅拌机控制系统进行改进，使它可以灵活的根据液体的不同而进行混料的浓度调节，从而达到节能环保，改善工作环境效果。用PLC对液体混合进行控制，系统的可靠性大大提高且节省了成本，使液体混合的性价比提高。

1.3 研究的主要内容

本设计主要是基于PLC的搅拌机控制系统，设计步骤如下：

(1) 深入对搅拌机结构组成和工作原理进行详细的了解。

(2) 分析搅拌机控制系统的硬件结构，确定控制系统整体的设计思路。

(3) 确定好系统的整体控制，根据控制中要实现的要求进行I/O点数的设计，再根据要求选择PLC型号，编写I/O分布表或I/O端子的接线图。

(4) 根据控制要求画出流程图，学习使用编程软件，并且根据流程图编写梯

形图。

1.4 本章小结

本章主要包括选题的意义、国内研究综述、研究的主要内容、选题的意义主要讲述了PLC搅拌机的设计对现代经济发展的需求和带来的方便，通过对选题的意义和国内研究综述的分析制定出研究的主要内容，从而进行硬件和软件的设计。

2基于PLC 的搅拌机控制系统总体方案

2.1控制系统要实现的功能

随着世界范围内的互联网计算机运用水平不断提升和自动化应用越来越娴熟，可编程序控制器，即PLC 在工业生产过程中的使用已经非常常见。同时，伴随着市场需求的增大和生产规模的逐步扩大，PLC 的应用范围也越来越大，应用比例也在一步步提升。PLC 控制器主要包含5个部分：存储器、外接端口、中央处理器、输入端口和输出端口。在工业的液体搅拌过程中加入PLC ，可以在搅拌过程实现自动化减少员工参与度，同时在一定程度上保证了搅拌工作的稳定性和可靠性，即使得液体在PLC 搅拌机下能够有效均匀的混合。

2.2搅拌机控制系统的组成

该系统的主要部分包括PLC 、纸浆液位检测装置、CPU 、电机、现场控制柜以及报警装置组成。系统控制图如图2-1所示。

图2-1 搅拌机控制系统示意图

纸浆液位传送器通过对现场纸浆液位的高度的采集后，并将其转换成电流信 电机 PLC 液位装置 报警装置 计算机

号传给PLC中心分析，PLC依据现场的状况以及外部输入的信号来控制搅拌机系统，并将信号传送至计算机中心处理，最后再显示操作指示如操作错误及发出报警。

2.3搅拌机控制系统的设计内容

液体搅拌系统由搅拌机、进液阀、出液阀三部分构成。需要进行搅拌的液体在通过进液阀进入到搅拌机的搅拌部位，接着在搅拌机的启动工作下进行均匀混合搅拌过程，最后出液阀打开，流出已经混合搅拌好的液体材料。需要搅拌的原材料液体在进液过程中如果达到预先设计好的标准液面水平线时，进液阀门能够自动感应出来及时关闭阀门阻止液体再流入，且同时能够根据需要搅拌的均匀混合浓度灵活设定交办时间长度。

要搅拌混合两种液体，首先要确定搅拌机内无残留的液体，所以，在控制启动前，同时让出液阀打开，然后打开系统启动键，此时进液阀A打开液体进入，当液体在容器中的位置到中限位的时候入液阀门自动关闭，阻止液体原料再继续进入，同时B入液阀门自动打开使得液体能够从B阀门进入，但是液体的位置在上限位时，液体停止注入，同时电动机开始工作，搅拌均匀后，出液阀C打开混合液体流出，当纸浆液位的位置到下限位时，再使阀C继续保持打开的状态，使混合液体流干净，再开始新一轮的循环。

2.4搅拌机控制系统的总体结构设计方案

在图2-2中，搅拌机系统有三个液体液面自动传感器，分别为上、中、下三个，在液体原料淹没它时才会接通并相应停止液体继续流入。同时搅拌机系统有三个电磁阀，分别为A电磁阀、B电磁阀和C电磁阀，它们三个相对应是被YV1、YV2、YV3控制，其中M是搅拌电机主机，如下图所示：

图2-2 搅拌机控制系统示意图

2.5搅拌机控制系统的基本运行原理

如图2-2中所示分为上限位SL1（上）、中限位SL2（中）、下限位SL3(下)3个纸浆液位传感器，被淹没时接通信号为ON。电磁阀线圈通电时打开。其中液体A和液体B的进液分别由进液阀A和B控制，混合液体的液出由出液阀C控制。

（1）起始操作：为了确保搅拌容器是空的，不残留前次混合液体，在运行过程中，进液阀门A和进液阀门B都要是关闭的。只有出液阀C是打开在工作运行的，当搅拌机内上次剩余液体原料没有后，出液阀C关闭。

（2）打开启动按钮，进液阀A打开，A液体注入，液体高度持续上升。

（3）当纸浆液位高度到中限位SL2（中）时，开关量变为ON，A液体立即停止注入，同时打开进液阀B，B液体便开始注。

（4）当纸浆液位高度至上限位SL1（上）处，进液阀门B马上关闭停止B液体再继续进入，之后搅拌电动机开始正常的运行工作状态。

（5）电动机带动搅拌器搅动液体，混合搅拌时间设定60s。

（6）当电机搅拌到达设定时间后，电机线圈失电打开，停止工作，此时出液

阀C打开，纸浆液位开始下降。

（7）当液体高度到下限位SL3(下)处时，出液阀C保持打开状态8s，液体继续流出，直至搅拌容器放空为止。

（8）8s后放液阀门C线圈的开关闭合，搅拌系统自动下一个工作流程环节。（9）停止操作：这个功能是最后一步操作，如果有人按下工作停止这个功能按键，系统不会立即停止，而是按照流程需要完成当前的操作直至一个流程结束方会自动停止操作。

2.6搅拌机控制系统的需求分析

（1）功能需求

控制系统应当有功能强大、效率水平高、可靠性强等几个重要特性，与此同时还要能轻易实现拓展功能和连接使用步骤简单容易操作，实时动态地实现I/O 口多样化的控制、I/O端的选择性多和实时信号通讯等多个功能；同时，控制系统必须可以实时动态收集采集相关信息，确保信息在传递过程的畅通性机稳定性等。

（2）实时动态需求

在搅拌机的生产操作过程中，根据需要液体原材料的混合进度设计具有实时性能是非常有必要的，特别是在各种材料的混合测量方面，必须要能够保证所有种类的纸浆液位的动态精度，可以快速实时地传递到传感器从而进行有效的数据薪资采集分析，如果有突然的搅拌浓度等的变动等，控制系统能够更快的响应做出相应的操作步骤，或关闭阀门停止工作运动。也就是说，搅拌过程需要有时间长短的限制，控制系统也能够在一定时间内采取行动完成操作。同时。这也要求中央处理器和执行器的响应时间要快速。

2.7 搅拌机控制的自动化控制概述

随着微电子技术的迅速发展，本设计以PLC作为搅拌机的控制中心，PLC也

在一步步的发展壮大过程中大大提升自身的竞争优势和功能水平。现在PLC已经发展成为企业生产不可缺少的部分，是名副其实的聚多功能控制于一身的装置器。由于PLC的主要控制系统具有控制功能完整强大、可靠性能高、性价比高等特点，并且具有顺序性、周期性等优良工作特征，即成为工业自动化的首选控制装置器。

根据实际的应用来分析可编程控制器，且具有以下特点：

（1）准确性较高：因为PLC的时间动量是由晶振效果发生的，所以准确性非常之高，其数据储存范围也比较宽；并且具有计数/定时的功能。其内部是通过半导体组成的，控制响应速度快，同时信号也不因外界环境温度改变而受到影响。

（2）装置体积小：在工业生产过程中主要运用微处理器和大规模的集成电路进行组装，这样使安装更加方便，并逐步实现了体积向小型化方向发展。

（3）使用方便：PLC是串行工作，所以不受禁锢，并且I/O控制有很好的传输保护模块与信号调节整理模块；在受热性能、防尘性能、受潮性能等方面都考虑的非常周全。

在不同的控制系统中，当硬件结构的选择确定后，如果I/O作为很小的变量时，这时只需根据要求改变对程序做改变即可，并对系统的I/O口连接线做小范围的调整，不仅能够使现场调试的工作量减少，而且操作也变得灵活简便。

（4）稳定性能高：因为PLC的I/O口均采用光电耦合器件，并运用了隔离和抗干扰等方法，使其具有了较强抗干扰的能力，因而能够工作在恶劣的外界因素下；PLC是无触点结构，并采用了密封、防尘、防潮的外壳封装，具有自我诊断的功能和监控程序执行的功能。

（5）通用性能好：由于PLC采用的是模块化结构，一般有计算机模块、PID 模块、模拟I/O模块等，可以用这些模块灵活的组成要求不同的控制系统，对不同的控制系统中，只要选取需要的模块完成，因而具有较好的通用性能；

本课题搅拌机控制系统，是通过纸浆液位变送器对搅拌容器内的纸浆液位信号进行实时的采集，并通过A/D转换将信号输送给CPU进行处理，从而实现PLC 对搅拌系统的成功控制。这个新型系统的研发目的是，确保液体原材料在混合搅拌过程中的准确性以及保证原料的能够充分的混合。

基于PLC的上述优点便能够实现和满足本课题的设计内容，所以我选择搅拌机控制系统为采用西门子的PLC，提高系统的自动化水平。系统的水位，温度，压力均可以进行监测和控制，减少了人力资源的浪费；变频器可以根据实际负荷的大小来调节电动机的运转频率，减少能量的损失；对电动机进行软启动，会减小电流和机械的冲击，使系统设备的使用寿命延长。

2.8本章小结

本章主要包括控制系统实现的功能、搅拌机控制系统发的组成、搅拌机控制系统的总体结构设计方案、搅拌机控制系统的基本运行原理、搅拌机控制的自动化控制概述、其中搅拌机控制系统的组成包括PLC、纸浆液位检测装置、CPU、电机、现场控制柜、以及报警装置。

3基于PLC的搅拌机控制系统的硬件部分

3.1搅拌机控制系统的硬件选型

根据上面对于搅拌机系统的了解，控制要求的设定，首先清楚了解系统中会使用到的相关元件和性能，然后先对整体的硬件结构进行介绍。

3.1.1搅拌机控制系统的PLC选型

在该系统中，有5个开关输入量和7个开关输出量。在经过综合拓展性和系统维护两方面的考虑，可编程控制器的最佳选择应当是模块化装置。因为这个控制系统是一个有连续性的，所以，这里选择西门子S7-200 作为本次研究设计的控制部件。

S7-200 PLC包括以下6大部分：①中央处理单元，即CPU、②电源设备、③存储器、④外设接口端、⑤输入接口电路和输出接口电路、⑥I/O扩展接口。

3.1.2电磁阀的选择

由于电磁阀是进出入液体的流通管道，所以必须考虑搅拌液体的种类、化学性质、浓度密度等方面进行选择相应的电磁阀，然后经过种种方面比较与选择，最后该系统的电磁阀决定采用“VF4-25”型。

其中的英文字母“V”代表电磁阀，而英文字母“F”代表的是电磁阀门的耐侵蚀性，阿拉伯数字“4”产片编号，阿拉伯数字“25”所表示的是电磁阀口径的（mm）宽度。

“VF4-25”型电磁阀的主要几个技术参数是：

（1）材质原料：聚四氟乙烯，英文为PTFE。

加入的介质：硫酸H

2SO

4

、盐酸HCL、有机溶剂如乙醇和苯乙烯、化学试剂；

（2）介质所需要的温度小于等于150摄氏度、环境温度在-20℃到+60℃之间；

（3）使用过程的电压要求：220伏 50赫兹/24伏60赫兹；

（4）工作功率：2.5千瓦特；

（5）操作方式：常闭，接通电源开始工作，关闭电源停止工作，响应速度快，频率高。

3.1.3纸浆的液位传感器选择

现在我们先介绍纸浆液位传感器，在系统设计中采用的是光电式纸浆液位传感器。导管内装有测量元件，它可以将所测量的液面信号转换成正比于纸浆液位变化的电阻信号，并转换成标准信号输出。设计中，在搅拌容器中安装纸浆液位传感器，监测水位情况，并且跟设定上限水位和下限水位做比较，使得相应的线圈动作，发出信号。首先要求纸浆液位传感器精准性，可靠性强，其次应选择抗液体腐蚀能力以及抗老化能力好。

最后，本系统决定采用“LSF-2.5”纸浆液位传感器。英文字母“L”代表光电，英文字母“S”代表传感器，英文字母“F”代表防侵蚀性，阿拉伯数字“2.5”代表能够承受的最大工作压力。

相关的主要技术参数见下文：

(1)工作压力最高可以达到2.5Mpa；

(2)工作过程的最高温限度是125摄氏度；

(3)触点的使用寿命是100万次；

(4)触点的工作功率是70瓦；

(5)开关电压是24伏；

切换电流是0.5安。

该型号运用了光线的反射和折射，当液体容器没有液体时，光线经过球面传递会传感器；溶液光电探头的时候，光只能通过棱镜表面折射，这时候输出量也会发生不同的改变，继电器的工作也随着输出量的变化而变化。

该设计还采用压力传感器，压力传感器是一种转换压力变量，它可以将测量工具所以传递的信息标准化规范化，而且能够将传递出来的信息给连续函数关系

施加工作运行压力。压力传感器大部分是使用在产品生产的压力参数的测量测算及控制上。在系统中检测搅拌容器中的液压，用来与变频器结合控制电机，尽量使压力保持稳定。

3.1.4变频器的选择

变频器是利用功率半导体器件的通断功能来实现工频功率转换到另一个频率功率控制装置，可以实现交流异步电动机软启动和电机转速的频率控制，提高操作精度，改变功率因数，过电流/过电压/过载保护等功能。变频器使用的时候，根据液体的液压大小，都可以对电机的转速进行调节。使用变频器调整转速后，因为内部有电容滤波，这样不仅可以减小无功的损耗，而且还增加了电机的有功功率。

基于变频器的各种优点，在实际的工业生产中加入变频器对于工厂来说是非常有利的。在本系统的设计中加入变频器就是要根据液体的压力来调节电机运转。

3.1.5搅拌电动机的选择

三相异步电动机的选择，主要包括工作功率、种类形式和工作电压等。

（1）功率的选择

根据搅拌频率和强度，选择合理的电动机是运行安全性和经济性重要的保证。一般电机的功率是根据所需的电动机的输出功率大小来比较选择的。

连续运行电动机功率的选择：在一长期时间下电动机连续工作运行时所要消耗的功率。对于那些连续运行的电动机，负载是恒定负载的话，要计算机械功率的产生多大，然后再选择额定功率的电机应略大于或等于产生机械功率，从而保证经济安全。

（当负荷变化时，计算过程就会变得复杂多样，这时候往往是根据机械的负荷变化规律求值计算，然后选择电机）。

（2）种类和型式的选择

从交流、直流、速度、起动性能、机械性能、等方面进行了选型。

（3）电压的选择

根据使用现场的相关数据进行选择。一般的Y 系列笼型电机的额定电压只有380V 的等级；而大功率的异步电机则采用的是3/6000V 的等级。

3.2搅拌机系统硬件结构

通过对以上元件的了解，设计整个系统的总体结构，如图3-1所示。本系统设计主要是以PLC 为控制中心，然后通过压力输出信号来控制变频器，从而控制电机。从纸浆液位传感器、压力传感器采集来的状态放置在相应的存储器中，因为PLC 只能识别开关量，所以从相应的存储器中读取的状态会先转换成为PLC 可以识别的信息，然后进行判断，再输出相应的信号，比如转速、功率和报警。在纸浆液位传感器检测完后，有纸浆液位信息输出，在压力检测完成之后，有相应的输出信号，通过相同的通信协议传递给变频器。

图3-1水循环系统的硬件结构连接图

3.3搅拌机控制系统的主电路设计

主电路主要由控制电机组成，任务是通过控制电路的作用来完成目标，主电路的支架或下降直接关系到整个系统的功能是否齐全，所需的功率充足，响应灵液位传感器 压力传感器 变频器 搅拌电机 S7-200 CPU 226

敏等。

主电路由工业380伏三相交流电源线组成，如图3-2所示。

图3-2搅拌机控制系统的主电路图

3.3.1搅拌机控制系统的检测电路

控制系统中，检测控制电路是对系统所要求的环境参数的保障，并且对其出现的状况，提示相应的信号。控制电路的作用是由PLC来实现的，所以，检测系统的好坏，直接相关控制系统的可靠度和准确度。

本设计的检测电路主要是通过传感器来检测容器中的水位，并输送液压。容器中的水位检测，设定有上限位、中限位和下限位，当高于中限位就会输出警示进而发出报警，当高于上限位时也会同样工作。系统正常运行时，就会向容器中注水，当水量发生变化时，变频器根据对压力的设定值和压力传感器反馈值之差，经过PID算法对电机的转速进行控制。对于水位，水压的数值的监控，以便工作

人员更好的进行监测。

3.3.2搅拌机控制系统的控制部分

搅拌机系统的控制中心就是PLC，对于一个PLC的控制电路，正确的端口分配和接线连接直接关系着控制程序是否可以按照预先设定的步骤进行，且连接的误差和连接的分布使得无法识别的设备，甚者导致致命的应用错误，造成不必要的损失。在选择PLC类型的时候首先要确定输入输出信号数量，功能等。

按照上述的描述，选择西门子公司S7-200系列CPU226的PLC，一共有5个数字量输入，7个数字量的输出，还可带有7块扩展模块，考虑系统的可扩展性和维护方便，可以选择模块化的可编程控制器。外部接线图如下图3-3所示。

图3-3 PLC外部接线图

3.4本章小结

本章主要是对搅拌机硬件的设计选择，包括搅拌机控制系统的硬件选型、电磁阀的选型、纸浆的液位传感器选择、变频器的选择、搅拌电动机的选择、搅拌系统的硬件结构、搅拌控制系统的主电路设计、搅拌控制系统的检测电路、搅拌控制系统的控制部分。其中PLC 的选型为西门子S7-200，电磁阀采用VF-25型电磁阀，搅拌电动机的选择为三相异步电动机。

4搅拌机控制系统的软件设计

搅拌机控制系统的关键在于数字控制器的设计，在原有的系统硬件设计上，实现对系统的信号的快速输入输出，其中控制算法大部分是应用单片机的编程。本次毕业论文主要是经过对PIC16F716进行设计研发，编制 PID程序、速度效果断开、检测中断，来成功实现对搅拌机的速度有效控制。在系统设计过程中，利用模糊控制器，获取到3个PID参数表格，系统运行过程中，则根据传递信息过来的速度误差查询这3个表格，动态获取参数的增量。并且和前一次的参数相加就是新的 PID参数。这个系统是要求能够快速实时调节，对响应速度有极高标准限制，着需要对系统进行程序优化深化给劲实现。为了实现系统稳定安全的运行，还需要增加监测功能和报警功能，这需要报警电路完成。本次设计应用结构化的程序设计思想，有独立性高、接口简单等优势。

4.1搅拌机控制系统的工作流程

通过之前对于搅拌机控制系统的分析研究，我们设计出该系统的工艺流程，如下图4-1所示，从系统的开始，运行方式以及水位、水温的加热，能够清晰的看出整个系统的运行情况，能够更加明确控制目的。

图4-1 工业水循环工艺流程图

4.2PLC的I/O分配

通过对工业水循环系统运行过程及控制检测要求的全面分析，采用S7-200系列CPU226型号的PLC对输入输出信号进行I/O分配如下图4-2所示。

表4-2系统I/O分配

序号设备/信号类型设备名称信号地址