1、兰州理工大学毕业设计 (论文 ) LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 毕业设计 (论文 ) 题 目 基于 PLC 和变频器的物料搅拌系统设计 学生姓名 陈建龙 学 号 09230220 专业班级 电气工程及其自动化（ 2）班 指导教师 杨巧玲 学 院 电信工程 学院 答辩日期 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) I 摘要 随着近代工业技术的发展，物料混合技术技术也得到了迅速的发展，它广泛应用与化学工艺与生产中，但在应用中，传统的物料搅拌工艺也存在严重的问题和产能的制约。 PLC 是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，也可以说它是一种用程序来改变控制功能的计算机。随
2、着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程序控制器 PLC 已在工业控制中得到广泛应用，而且所占比重在迅速的上升。 PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块 和编程装置组成。它应用于工业混合搅拌设备，使得搅拌过程实现了自动化控制、并且提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机械顺利、有序、准确的工作创造了有力的保障。本文介绍的物料搅拌系统 以 PLC 作为控制核心，结合变频器等完成物料搅拌的自动控制系统 ，能够较好的满足搅拌系统的要求。 关键词： 可编程控制器 PLC；变频器；电动调节阀；物料搅拌系统； PID 控制；电动调节阀 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) II Abstract
3、With the development of modern industrial technology, material mixing technology has been rapid development, it is widely used and the chemical technology and production, but in the application, the traditional material mixing process also exists serious problems and capacity constraints。 Computer t
4、echnology as the core of PLC in the general automatic control equipment, it is a kind of program to change control function of the computer. As microprocessors, computer and communication technology, the rapid development of PLC programmable controller has widely applied in industrial control, and t
5、he proportion of the rapid rise in. PLC mainly consists of CPU module, input and output module and programming module device. It is applied in industry, mixing equipment mixing process realized automation control, and improved the stability, agitate equipment work for the mixing machine smoothly, or
6、derly, accurate working creates powerful guarantee. In this paper, the material mixing system with PLC as control core, combined with frequency converter, etc material stirring of the automatic control system. Key words: PLC programmable controller； frequency converter； material mixing system； PID c
7、ontrol; Electric control valve 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) III 目 录 第一章 绪论 IV 1.1 引言 1 1.2 传统的物料混合设备的控制存在的问题 1 1.3 物料设备的发展趋势用 PLC 来代替传统物料混合设备控制 2 1.4 引入 PLC 来实现其物料混合设备的控制功能 3 第二章 总体方案设计 4 2.1 总体方案论证 4 2.2 系统方案的设计思想 6 2.3、系统设计 6 第三章 硬件设计 10 3.1 硬件系统构成原理 10 3.2 硬件系统器件选型 11 3.3、硬件系统设计 22 3.4、系统安全性，可靠性、实用性设计 31 第四章
8、 程序设计 39 4.1 PLC 编程语言 39 4.2 设计程序的流程图 40 4.3 程序梯形图 41 4.4 程序设计语句 49 4.5 人机界面设计 52 第五章 系统调试 55 5.1 系统模拟调试 55 5.2 系统联机调试 57 第六章 总结 58 6.1、本设计的功能和优点 58 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) IV 6.2、 本次设计的心得体会 58 结论 60 致 谢 61 参考文献 62 外文文献 63 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 第 1 页 第一章 绪论 搅拌作为工艺过程的基础操作单元，广泛应用于石油、化工、医药、食品、油漆、涂料等许多行业。但是，由于这些行业中
9、所用到的材料，多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质 , 以致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。基于 PLC可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计和建造工作量小、维护方便、容易改造的特点，设计以 PLC作为控制核心，结合变频器 等完成物料搅拌的自动控制系统。 1.1 引言 作为一种面向工业生产应用型技术， PLC与 CAD/CAM、 NC技术并成为现代工业的三大支柱技术。 PLC专为在工业现场设计，采用可编程的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时 /计数和算术运算等操作指令，
10、并通过数字或模拟的 I/O接口控制各种类型的机械或生产过程。 PLC是微处理器技术与传统的继电接触技术相结合的产物，他克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗低、通用性和灵活性比较差等缺点，充分利用了微处理器的优点；本次设计采用 PLC也是充分考虑了 PLC的优越性，以及他在工业控制环境中的优异表现。 1.2 传统的物料混合设备的控制存在的问题 鉴于搅拌设备的广泛应用，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
11、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 ,至今仍然需要通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兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 第 2 页 约为 10 100 亿美元。 因此，从更微观更本质的角度 ,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 ,不仅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
12、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，搅拌器的功能不仅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。 1.3 物料设备的发展趋势用 PLC 来代替传统物料混合设备控制 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，尤其是各种各样的高分子溶液以及混
13、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 与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以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 8 40m3扩大到 60 100m3，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，
14、多用三叶后掠式搅拌器。三叶后掠式搅拌器是目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 5 10 次，能促使釜内反应均匀一致。 搅拌也可以在管路中进行，采用在管路中安装装置的办法对气 -液系和液 -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。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 第 3 页 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
15、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。 1.4 引入 PLC 来实现其物料混合设备的控制功能 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 S7-200 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延时，从而满足其控制要求。 根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。这样就可以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。这样就可以实现 PLC 对混合搅拌控制程序的设计。 兰州理工
16、大学毕业设计 (论文 ) 第 4 页 第三章 总体方案设计 2.1 总体方案论证 就目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，但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 单片机作为
17、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。但是，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、工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，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
18、路板上引出，不如接线端子可靠。 4、可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，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件配置和设计外部接线图，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，通过修改程序适应工艺条件的变化。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 第 5 页 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，可以取代中间继电器、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 也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在 PL
19、C 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 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，是目前工业自动化的首选控制装置。故选择 PLC 来实施本次设计。 PLC 的基本功能： (1) 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 (2) 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制
20、，世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各 种机械、机床、机器人、电梯等场合。 (3) 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 (4) 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过 程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 (5) 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，
