搅拌机基于PLC的设计

绪论1.1课题的目的、意义及现状  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、有毒有腐蚀性的介质 ，以致现场工作环境十分恶劣，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，对现场操作人员的要求也不高。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，改善工作环境的效果。用PLC对液体混合进行控制，系统的硬件结构简单、服务功能增强、系统的可靠性大大提高，且节省了成本，使液体混合系统的性价比提高。应用PLC作为主控制器设计液体混合控制系统，完成两种液体的混合和搅拌工艺。通毕业设计，使我们的综合素质和动手能力有所提高，能够真正做到自己发现问题、分析问题和解决问题。通过本毕业设计使我们掌握PLC的软、硬件结构、工作原理、指令系统和梯形图编程的基本方法，以及开发PLC控制生产过程的基本方法。使我们能初步对生产过程或设备的PLC控制系统进行开发、设计并了解PLC与PC之间的网络化通信控制，为毕业后从事工业生产过程自动化打下良好的基础。本课题应解决的主要问题是如何使PLC在液体搅拌器中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对液体搅拌器进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况，正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，与计算机技术同步发展，向着通用化、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国内的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器与计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度。此液体混合PLC控制系统，其目的就是以PLC为核心，配合智能仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，完成系统功能控制，状态显示，信息检测和报警硬件组建所需要的PLC和传感器等元件的选现对液体混合的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。1.2液体搅拌系统的简介目前，我国的液体搅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，浪费也大，而且搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时噪声污染也很严重。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。所以，对搅拌机控制系统应该进行改进，使它可以灵活的根据液体的不同而进行混料的浓度可调，从而达到节能环保，降低成本的目的。液体搅拌系统由原料罐，混料罐，出料罐组成。它先将两种原料送混料罐，然后在混料罐内混合，最后，送出料罐出料。两种原料液体进料时达到设定的液面时停止进料，且搅拌器搅拌时间可根据浓度的不同而自行设定。为了实现液体搅拌系统的控制需要，系统使用PLC为控制核心。系统通过液位变送器采集现场液位高度并将其转换成4～20mA的电流信号送PLC，PLC根据现场状况及外部输入指令控制搅拌系统，并显示操作指示及发出报警。系统的控制框图如图1-1所示。​�报警指示PLCA/D转换搅拌系统液位变送器控制4-20mA​图1-1系统控制框图根据系统的工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 整个液体搅拌控制系统过程可分成多个阶段：基本液位控制过程、模拟量信号采集、报警指示。(1)基本液位控制过程：按控制要求，实现进料及出料时进料罐和出料罐的基本液位控制。(2)模拟量信号采集：通过液位变送器及A/D转换器完成现场液位的采集过程。(3)报警指示：当超过所设定的液位时，报警输出。1.3液体搅拌机的组成1.3.1搅拌机机械部分的组成搅拌机机械部分主要由搅拌轴、机架、轴封、搅拌器、搅拌容器（筒体）、传动装置组成。本次设计的搅拌机为立式容器中心搅拌机，其结构形式如图1-2所示。此搅拌机将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式为齿轮传动，用普通电机直接联接。一般认为功率3.7kW一下为小型，5.5～22kW为中型。本次设计中所采用的电机功率为18.5kW，故为中型电机。本次设计主要进行的是搅拌机控制系统的设计，对搅拌机的机械部分直接进行简单的结构设计。图1-2搅拌机的结构形式1.3.2搅拌机控制系统的组成为实现液位的采样、自动控制，系统必须包括硬件部分和软件部分。硬件部分由可编程控制器、液位变送器、电磁阀、电机、泵、A/D转换器、RS-232电缆接口组成。软件部分由PLC编程软件组成。(1)系统硬件组成及功能：1）可编程控制器：系统下位机选用三菱型PLC，作为整个系统的控制核心，主要用于实现自动控制。2)电磁阀：选用DF2型二位二通（常闭）电磁阀，用来控制进料及出料时液体的流动。3)接触器：选用CJ10-20交流接触器，用于控制电机、泵。4)中间继电器：选用JZ14-44Z型中间继电器，主要起中继作用，与接触器配合使用。5)液位变送器：选用HP-31B液位变送器，并转换成4～20mA的电流输入，用于采集现场液位数据。6)A/D转换器：选用三菱四通道模拟量输入模块，用于将采集到的现场液位数据传送给PLC。7)RS-232电缆接口：用于连接PLC及上位机。(2)系统软件组成：PLC编程软件：由于系统采用三菱的PLC，故也是使用三菱PLC编程软件GXDeveloper，用于编写PLC控制程序。1.3.3PLC在液体搅拌系统中的应用在化工、机械等行业的生产过程中，液体搅拌是十分重要也是必不可少的重要环节，液体搅拌的关键是保证混料过程中原料的准确性和比例以及保证原料的充分混合。采用通用计算机控制，尽管可以达到控制精度，但成本高，对工作环境要求高，对现场操作人员要求也高。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，而且大大降低成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。以往常采用传统的继电器控制液体搅拌系统，使用硬件连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，为了克服上述缺点，目前采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为生产提供了更可靠的保障。本文在此介绍一种采用可编程控制器对液体搅拌系统进行控制的方法，其电路结构简单，投资少，可靠性好，自动化程度高。第2章搅拌机的结构设计2.1搅拌容器（筒体）的尺寸确定及结构选型2.1.1筒体及封头型式的选择搅拌机的料斗筒体用于盛装混合液，选择圆柱形筒体，简单实用；封头采用标准椭圆形封头，降低设计成本。2.1.2内筒体及封头的直径确定发酵罐类设备长径比取值范围是1.7～2.5，综合考虑罐体长径比对搅拌功率、传热以及物料特性的影响选取长径比，根据制作工艺要求，装料系数=0.6，罐体全容积，罐体公称容积（操作时盛装物料的容积）。1、初算筒体直径，由圆柱形体积公式得，而，则m圆整到公称直径系列，取。封头取与内筒体相同内经，封头直边高度。2、确定内筒体高度H（1)当，时，查《压力容器封头》GB-T25198-2010表C.1得封头的容积，则m，取m。（2)核算长径比与装料系数计算长径比，该值处于1.7～2.5之间，故合理。计算装料系数,该值接近所取值0.6，故也是合理的。（3)选取夹套直径夹套直径与内通体直径的关系如表2-1所示表2-1夹套直径与内通体直径的关系内筒径(mm)500～600700～18002000～3000夹套（mm)+50+100+200由表2-1，取。夹套封头也采用标准椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。2.2内筒体及夹套的壁厚计算此筒体采用内筒体和夹套筒体，使用夹套筒体的目的是加热或冷却内筒及其内部的介质，当然也可以作为内筒的密封绝热室。这样的搅拌机筒体在石油、天然气等方面得到广泛应用。夹套筒体的型式如图2-1所示。图2-1夹套筒体的型式2.2.1选择筒体材料，确定设计压力1、按照《钢制压力容器》（GB150-1998）规定【13-20】，决定选用（GB/T14976高合金不锈钢板）为内筒材料，该板材在下的许用应力由《过程设备设计》附表查取许用应力，常温屈服极限。2、计算夹套内压力由介质密度，液柱静压力和最高压力以及设计压力得液柱静压力大于5%P，所以计算压力。内筒体和底封头既受内压作用又受外压作用，按内压则取，按外压则取。2.2.2夹套筒体和夹套封头厚度计算夹套材料的选择由《钢制压力容器》（GB150-1998）【13-18页】规定，决定选用Q235-B热轧钢板，由《钢制压力容器》表4-1知其极限应力，150的需用应力=113由夹套筒体壁厚的计算公式（《过程设备设计》公式4-12）和夹套采用的双面焊接以及局部探伤检查，查《过程设备设计》表4-3得钢制压力容器的焊接接头系数,则mm。钢板或钢管厚度负偏差应按相应的规定选取。按《热轧钢板和钢带的尺寸、 外形、重量及允许差》的规定，钢板负偏差值为固定，其=0.8mm。对于不锈钢材料，当介质的腐蚀性极其微弱时，可取腐蚀裕量即腐蚀深度，对于碳钢则取腐蚀裕量即腐蚀深度[16]，故内筒体厚度附加量，此处取0.8mm。夹套厚度附加量，此处取2mm。根据钢板规格，取夹套筒体名义厚度=14mm。夹套封头计算壁厚为mm取厚度附加量，确定取夹套封头壁厚与夹套筒体壁厚相同。2.2.3内筒体壁厚计算1、按承受的内压力计算此焊缝系数同夹套一样，取，则内筒体计算壁厚为：。2、按承受外压计算设内筒体名义厚度，则有效厚度，内筒体外径，内筒体计算长度。所以长径比，，由《过程设备设计》图4-6查得周向应变系数，然后再根据设计温度150，由图4-9查得最大许用应力，此时许用外压为【17】所以不满足强度要求。再假设名义厚度，则有效厚度，内筒外径，内筒体计算长度，则，，由《过程设备设计》图4-6查得周向应变系数，然后再根据设计温度150，图4-9得最大许用应力，此时许用外压为故取内筒体壁可以满足强度要求。3、壁厚校核考虑到为使料斗加工制造的方便，取封头与夹套筒体相等厚度，即取封头名义厚度也取。按内压计算肯定是满足强度要求的，下面仅按封头受外压情况进行校核。封头有效厚度。由《过程设备设计》表4-5查得标准椭圆形封头的形状系数，则椭圆形封头的当量球壳内径，则计算系数A为查《过程设备设计》图4-9得最大许用应力，所以许用外压力：故封头壁厚取可以满足稳定性要求。4、水压试验校核（1）试验压力内筒试验压力取夹套试验压力取（2）内压试验校核内筒筒体应力夹套筒体应力而内筒体的0.9倍的极限应力，大于内筒筒体应力，故内筒筒体满足水压试验时的应力要求；夹套筒体的0.9倍的极限应力，大于夹套筒体应力，故夹套筒体满足水压试验时的应力要求。2.3搅拌器的选型2.3.1搅拌器的参数选择搅拌器的分类方法有很多，主要由以下几种。   1、按叶片的结构：分为平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。浆式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。   2、按搅拌器的用途：分为低黏流体用搅拌器、高黏流体用搅拌器。用于低黏流体的搅拌器有：推进式、浆式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框浆式、三叶后完式等。用于高黏流体的搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋浆式、螺带式等。   3、按流体流动形态：分为轴向流动搅拌器和径向流动搅拌器。有些搅拌器在运转时，流体即产生轴向流又产生径向流的称为混合流型搅拌器。推进式搅拌器是轴流型的代表，平直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表，而斜叶涡轮搅拌器是混合流型的代表。此次设计采用的是涡轮式平叶搅拌器。搅拌器桨径与罐内径之比叫桨径罐径比,这次设计选用的涡轮式叶轮的一般为0.25～0.5，涡轮式的叶轮为快速型，快速型搅拌器一般在高度H>1.3倍的罐内径长度D时要设置比较多层的搅拌器，而且相邻搅拌器间的距离不小于叶轮的直径d，其适应的最高黏度为左右。搅拌器在圆形罐中心直立安装时，涡轮式下层叶轮离罐底面的高度C一般为桨径的1～1.5倍。如果为了防止底部有沉降，也可将叶轮放置低些，比如离底高度取，而最上层叶轮高度离液面至少要有1.5d的深度【17,345-349】。涡轮式搅拌器的结构简图如图2-2所示。图2-2涡轮式搅拌器结构简图查HG-T3796.1～12-2005,选取搅拌器参数如下：b：键槽的宽度，取b=22mm:搅拌器桨叶的宽度,取B=110mm:轮毂内经,取d=80mm:搅拌器桨叶连接螺栓孔径，取M10轮毂外径，取=120mm:搅拌器紧定螺钉孔径，取M10：搅拌器直径，取=550mm：搅拌器圆盘的直径，取=370mm：搅拌器参考质量，G=14.9Kg：轮毂高度，取=120mm：圆盘到轮毂底部的高度，取=40mm：搅拌器叶片的长度，=137mm：搅拌器许用扭矩，取M=252mm：轮毂内经与键槽深度之和，取t=85.4mm：搅拌器桨叶的厚度，取=5mm：搅拌器圆盘的厚度，取=6mm2.3.2搅拌附件的选择搅拌附件一般包括挡板和导流筒。挡板一般是指长条形的竖向固定在搅拌罐壁上的板，主要是在湍流状态微粒消除槽中央的“圆柱状回转区”而增设的。挡板还可以提高桨叶的剪切性能，如有的悬浮聚合的搅拌装置，在设有挡板时可使颗粒细而均匀。此设计搅拌罐内径为1700mm，选择块竖式挡板，且沿搅拌罐壁周围均匀分布地直立安装。导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，涡轮式搅拌器有时也用导流筒。此次设计主要为两种液体的混合，黏度不高，且选用的搅拌器为涡轮式，所以不用导流筒。第3章可编程控制器（PLC）概述3.1可编程控制器（PLC）概述3.1.1PLC的产生与发展1、PLC的产生按照IEC(国际电工协会)国标标准定义，可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，又称PC或PLC，它是以微型计算机为基础,综合计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展的工业自动控制装置，这种装置用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。可编程序控制器问世于20世纪60年代末期。以往的顺序控制主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序的工作，若要改变控制的顺序就必需改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活。1969年美国数字设备公司（DEC）根据通用汽车公司向全球招标开发研制新型的工业控制装置取代继电器控制装置的招标技术要求，研制了第一台可编程控制器。当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产，CPU以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。一台可编程序控制器最多只能替代200～300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。2、PLC的发展概述1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种更好的控制器。1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出第一台可编程序控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，PLC由此诞生。进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等，可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算，闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、德国和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高性能方向发展，形成了多种系列化产品。这时面向 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。目前PLC朝以下几个方向发展：(1)大型网络化：网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。(2)多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。这些智能模块以处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。(3)高可靠性、好兼容性：由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。3、PLC的优点PLC产品在抗电磁干扰、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场的各种单元、部件连接，坚固耐用。在可靠性方面，PLC的平均无故障时间一般在5万小时以上，操作与维修十分方便，功能十分强大。目前，PLC已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并跃居现代工业控制三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM)。然而，技术的日新月异、突飞猛进是PLC迅速扩展市场的根本原因。具体表现在:PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、扩展容易、抗干扰能力强等特点。与继电一接触器系统相比，PLC控制系统具有以下特点:（1）可靠性高，抗干扰能力强。高的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。（2)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。可以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。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达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可以方便地实现继电器电路的功能。（4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5)体积小，重量轻，能耗低。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。PLC取代继电一接触系统己经成为大的趋势，且PLC控制较之微机控制更有价格优势，基于上述原因，控制系统选择用可编程控制器来组成以完成对自动摆饼机的控制。4、PLC的分类可编程控制器一般从点数、功能、结构形式和流派等方面进行分类。(1)根据点数和功能进行分类根据点数和功能可以分为小型、中型和大型PLC。小型PLC的输入/输出端子数量为256点以下；中型PLC的输入/输出端子数量为1024点以下；大型PLC的输入/输出端子数量为1024以上。小型PLC、中型PLC和大型PLC不光体现在输入输出端子数量上，更重要的是功能的差别。小型PLC主要用于完成逻辑运算、计时、计数、移位、步进控制等功能。中型PLC的功能，除完成小型PLC的功能外，还有模拟量控制、算术运算、数据传送和矩阵等功能。大型PLC，除完成中型PLC的功能外，还有更强的连网、监视、记录、打印、中断、智能、远程控制等功能。另外，小型、中型和大型PLC的分类不是绝对的，有些小型PLC的功能可以具备部分中型PLC的功能。(2)根据结构形式进行分类按照结构形式分，PLC有整体式和模块式两种。1）整体式PLC是一个整体，其所有部件均在一个盒内。它的优点是结构紧凑、体积较小，成本低，安装方便，缺点是输入输出点数是固定的，不一定能适应具体的控制现场的需要。整体PLC根据需要也可以进行扩展。2）模块式PLC是由多个模块组成的，通过内部总线连接在一起，用户可以根据需要组建自己的PLC系统。模块式PLC的优点是1/O模块及I/O点数可根据用户需要灵活组合，扩展能力强、使用方便、便于维修。缺点是体积较大、插件较多，影响工作的可靠性，并且价格较高。5、PLC的工作原理由于PLC具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适应与控制要求的编程语言，因此，PLC可以被视为是一种特殊的工业控制计算机。但由于有特殊的接口器件及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理与普通计算机相比也有一定的区别。另一方面它作为继电器控制电路的替代物，由于其核心是计算机芯片，因而与继电器控制逻辑的工作过程也有很大差别。普通计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当按下键盘或I/O动作后，计算机转入相应的子程序运行，无键按下或无I/O动作责则继续扫描；PLC则采用循环扫描的方式，整个扫描过程分为输入采样、内部处理、用户程序执行、输出刷新4阶段。PLC周而复始的循环执行这4个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。PLC每重复一次这4个阶段所用的时间称为一个扫描周期（或称循环周期、工作周期）。内部处理阶段是运行PLC内部系统的管理程序，该程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户程序运行时间相比要短的多。因此，为了理解上的方便，通常忽略内部处理阶段，而认为PLC的工作过程为3个阶段：输入采样阶段、用户执行阶段、输入刷新阶段。并近似的认为每重复一次这3个阶段所用的时间为一个扫描周期。PLC的工作过程图如图2-1所示。​输入信号输入端子输出端子用户程序输出映像区输出锁存输入映像区输出信号输入采样程序执行输出刷新​图2-1PLC的工作过程图(1)输入采样阶段PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号输入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在这个工作周期内，这个采样结果的内容不会变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被执行。(2)程序执行阶段PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右的扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、内部元件寄存器（内部寄存器、定时器、计数器等）和输出映像寄存器中获取所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中进行保存。但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。这就是说反映各输出元件状态的输出元件映像存储器中所储存的内容才固定下来。这里要注意，当执行控制程序时，如果程序要求某个输出继电器动作，此时这个动作要求并没有直接实时的传送到该继电器，而只是将输出映像存储器中代表该继电器的对应位置“1”，在所有程序段都执行完毕后，才将全部程序执行后产生的输出结果（输出映像存储器的内容）一次送到输出锁存器。PLC的这种工作方式同一般单纯用硬件组成的控制电路或由控制计算机组成的控制电路是不同的。(3)输出刷新阶段在执行完所有用户程序后PLC将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间即为一个扫描周期，用T表示。PLC在一个扫描周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。PLC的一个扫描周期一般为40～100ms。PLC的扫描工作是重复进行的，因此，其输出和输入存储器不断被刷新（I/O刷新）。一个扫描周期内输入刷新之前，若外部输入信号状态没有变化，则此次的输入刷新就没有变化，经运算处理后，相应的输出刷新和输出控制信号也没有变化，只是重新被刷新一次。若在一个扫描周期内，输入刷新之前，输入的外部输入信号状态发生了变化，则此次输入刷新就有了变化，经运算处理后，其输出刷新和输出的控制信号也可能有变化。不管输出控制信号有没有变化，一个扫描周期内对所有输出只刷新一次，即前一次和后一次的输出状态的变化，至少要经历一个扫描周期的时间。PLC工作的主要特点是输出信号集中批处理，执行过程集中批处理，输出控制也集中批处理。PLC的这种“串行工作方式”，可以避免继电器、接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题，还可以增强系统抗干扰能力。由于干扰一般是脉冲式的、短时的，只要PLC不是正好工作在输入刷新阶段，就不会受到干扰的影响，因此，瞬间干扰所引起的误动作就会大大减少，从而增强了系统的抗干扰能力，这是PLC可靠性高的原因之一。但是这种工作方式又导致输出对输入在时间上的滞后，对于要求快速响应的控制系统，这也是PLC的缺点之一。还需要指出一点，在PLC中常采用一种被称为“看门狗”（Watchdog）的监视定时器来监视PLC的实际工作周期是否超出预定的时间，以避免PLC在执行程序过程中进入死循环，或“跑飞”（PLC执行非预定的程序）而造成系统瘫痪。6、PLC的选择三菱系列PLC是日本三菱的产品，是在工业领域使用比较广泛的PLC品种之一，此次设计采用其中的型，其功能强大，有较高的性价比。3.2三菱可编程控制器的简述3.2.1三菱PLC的一般技术指标PLC的一般技术指标如表3-1所示。表3-1PLC的一般技术指标项目性能指标注释操作控制方式反复扫描程序有逻辑控制器LSI执行I/O刷新方式批处理方式（在END指令执行时成批刷新）有直接I/O指令及输入滤波器时间常数指令操作处理时间基本指令：0.08μS/步功能指令：1.52～几百μS/步编程语言梯形图、助记符语言可用SFC方式编程程序容量/存贮器类型2K步RAM（标准配置）使用附加寄存器盒可扩展到16K8K步RAM（标准配置）EEPROMEEPRO卡盒（选配）指令数基本逻辑指令20条，步进顺空指令2条，功能指令128条输入继电器DC输入24VDC，7mA,光电隔离X0～X177（8进制）I/O点数共256点输出继电器继电器250VAC，30VDC，2A(电阻负载）X0～X177(8进制)晶闸管242VAC，0.3A/点，0.8A/4点Y0～Y177(8进制)晶体管30VDC，0.5A/点，0.8A/4点输出继电器通用型非电池后备M0～M499（500点）范围可通过参数设置来改变锁存型电池后备M500～M3071（2572点）特殊型非电池后备M8000～M8255（256点）状态继电器初始化用使用初始状态S～0S9（10点）通用非电池后备S0～S499（500点）范围可通过参数设置来改变锁存电池后备S500S～899（400点）报警电池后备S900～S999（100点）定时器100ms0.1～3676.7sT0～T199(100点）10ms0.01～327.67sT200～T245（46点）1ms(积算）0.001～32.767s电池后备T246T～249(4点）100ms（积算）0.1～3276.7sT25～0T255（6点）计数器加计数器16bit，1～32767通用型C0～C99（100点）范围可通过参数设置来改变电池后备C100～C199（100点）加/减计数器32bit，-2147483648～2147483648通用型C200～C219（20点）范围可通过参数设置来改变电池后备C220～C234（15点）高速计数器32位加/减计数电池后备C235～C255（6点）（单相计数）寄存器通用寄存器16bit组合处理32bit通用型D0～D199（200点）范围可通过参数设置来改变16bit电池后备D200～D7999（7800点）特殊寄存器16bitD8000～D8255（256点）变址寄存器16bitV0～V7，Z0～Z7（16点)文件寄存器16bit(存于程序中）电池后备D1000～D2999，由参数设置嵌套标志主控线路用N0～N7（8点）指针JUMP/CALL128点P0～P127（128点）中断X0～X5为中断输入，计时器中断I0～I8（9点)常数十进制16bit：-32768～3276832bit：-2147483648～2147483647十六进制16bit：0000H～FFFFH32bit：00000000H～FFFFFFFFH3.2.2FX系列PLC的编程元件在PLC中，常利用其内部存储单元来模拟各种控制电器元件。我们把这些存储单元成为PLC的编程元件，也成PLC的软元件。其作用相当于高级语言的数据结构。使用逻辑指令和功能指令对PLC进行编程时，经常要使用到这些编程元件。系列PLC的编程元件有4种类型：（1）位元件。这是PLC最基本的编程元件，它们分别是：X--输入继电器；Y--输出继电器；M--辅助继电器；S--状态继电器等。（2）字元件。典型的字元件是数据寄存器D，在程序中用于数据存储和处理。一个数据寄存器可以存放16位二进制数（字），也可以存放32位二进制数（双字）。（3）位元件的组合。系列PLC用KnP的形式表示连续的位元件组，每组由4个连续的位元件，P为位元件的首地址，n为组数，32位操作数时n=1～8,16位操作数时n=1～4。例如，K2M0表示由M0～M7组成的两个位元件组，M0为数据的最低位（首位）。（4）位与字混合元件。例如，定时器和计数器的线圈和触点是位元件，其当前值寄存器盒设定值寄存器是字元件。3.2.3输入/输出继电器（X/Y）（1）输入继电器（X)输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号的元件。PLC通过光电耦合器，将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器区中。输入端可以外接控制开关、按钮、限位开关、传感器、常开触点或常闭触点，也可以接多个触点组成的串并联电路。在梯形图中，可以无限次使用输入继电器的常开触点和常闭触点。PLC在每次扫描周期开始时采样外部输入点的状态，采样结果以“1”或“0”写入输入映像寄存器，供PLC程序执行时调用。（2）输出继电器（Y)输出继电器是PLC向外部负载发送信号的元件。输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。输出继电器的通断状态（ON/OFF)由程序执行结果决定，在编程时可以反复使用输出继电器的触点。FX系列PLC输出采用批处理方式，在每次扫描周期的最后，CPU才以批处理方式刷新输出映像寄存器区的内容，并传送到输出端子，驱动外部负载。表3-2给出了系列PLC的输入/输出继电器元件编号。编号-16M-32M-48M-64M-80M-128M输入X0～X78点8点X0～X716点X0～X2724点X0～X3732点X0～X4740点X0～X7764点X0～X267184点184点输出Y0～Y78点Y0～Y1716点Y0～Y2724点Y0～Y3732点Y0～Y4740点Y0～Y7764点Y0～Y267184点表3-2系列PLC的输入/输出继电器元件编号需要注意的是，输入继电器和输出继电器的点数总和不得超过256。3.3.4辅助继电器（M）PLC中有许多辅助继电器，采用M与十进制数共同组成编号（只有输入输出继电器才用八进制数）。辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间继电器相似，在程序中用于逻辑变换和逻辑记忆。辅助继电器不能不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，是一种内部的状态标志。负载只能由输出继电器的外部触点驱动。辅助继电器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。系列PLC的辅助继电器分为通用辅助继电器，断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器3种。（1）通用辅助继电器通用辅助继电器的编号为M0～M499，共500点，在用户程序中可做中间继电器使用。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断电，输出继电器和辅助继电器则全部线圈均变为OFF。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。断电保持辅助继电器系列PLC有M500～M3071共2572个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继电器不同的是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。它之所以能在电源断电时保持其原有的状态，是因为电源中断时用PLC中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。其中M500～M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器。而M1024～M3071（共2048点）为断电保持专用辅助继电器，不可以用软件设定使其非断电保持辅助继电器。下面通过小车往复运动控制来说明断电保持辅助继电器的应用，如图所示。小车的正反向运动中，用M600、M601控制输出继电器驱动小车运动。X1、X0为限位输入信号。运行的过程是：X0=ON→M600=ON→Y0=ON→小车右行→电源中断→小车中途停止→上电（M600=ON→Y0=ON）再右行→X1=ON→M600=OFF，同时M601=ON→Y1=ON（左行）。可见由于M600和M601具有断电保持，所以在小车中途因停电停止后，一旦电源恢复，M600或M601仍记忆原来的状态，将由它们控制相应输出继电器，小车继续朝原方向运动。若不用断电保护辅助继电器当小车中途断电后，再次得电的小车也不能运动了。（3）特殊辅助继电器PLC内有大量的特殊辅助继电器，编号为M8000～M8255，共256点。它们都有各自的特殊功能。提供时钟脉冲和标志(如进位、借位标志），设定PLC的运行方式，或者用于步进顺控、禁止中断、计数器的加减、减计数设定等。其可分成触点型和线圈型两大类。触点型 其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点，用户程序中不出现它们的线圈。例如：M8000：运行监视继电器，在PLC运行中接通为ON,停止时中断为OFF；M8001与M8000相反逻辑；M8002：初始脉冲继电器（仅在运行开始时瞬间接通）；M8003与M8002相反逻辑；M8011、M8012、M8013和M8014分别是产生10ms、100ms、1s和1min时钟脉冲的特殊辅助继电器。M8012的使用（见下图）若Y000接一指示灯输出，则在该指示灯上将以100ms为周期进行闪烁，亮50ms,灭50ms.2）线圈型 由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。例如：M8033：若使其线圈得电，则PLC进入STOP状态后，所有输出映象存储器和数据寄存器内容保持不变。M8034：若使其线圈得电，则PLC的输出全部被禁止。M8039：若使其线圈得电，则PLC按D8039中指定的扫描时间工作。3.2.5状态继电器（S）状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），它与STL指令（步进顺空指令）一起使用。系列PLC的状态继电器的元件编号为S0～S999，共1000点，分为通用状态继电器、断电保持状态继电器和报警状态寄电器3种类型。不对状态使用步进顺控指令时，也可以把它们作为通用的辅助继电器（M)来使用。1、通用状态继电器通用状态继电器的元件编号为S0～S499，共500点。通用状态继电器没有断电保持功能，其中的S0～S9供初始状态使用，S10～S19供返回原点使用。2、断电保持状态继电器断电保持状态继电器的元件编号为S500～S899，共400点。具有断电保持功能。3、报警状态寄电器报警用状态寄电器的元件编号为S900～S999，共100点。和功能指令ANS、ANR配合使用时，状态继电器S900～S999可以用作外部故障诊断的输出，成为信号报警器。3.2.6数据继电器（D）数据寄存器是一种字元件，用符号D表示。其在PLC程序中用作数据保存和处理。FX系列PLC中，每一个数据寄存器都是16位（最高位为符号位）的，数据范围为-32768～+32767，但也可以将两个相邻的数据寄存器组合起来存放32位数据（最高位为符号位）的，数据范围为-2147483648～+2147483647，以扩展数据范围。（1）通用数据寄存器通用数据寄存器编号为D0～D199，共200点。将数据写入通用数据寄存器后，其值将保持不变，直到下一次被改写。PLC从RUN状态进入STOP状态时，所有的通用数据寄存器的值被改写为0.但如果特殊辅助继电器M8033为ON，PLC从RUN状态进入STOP状态时，通用数据寄存器的值保持不变。（2）断电保持数据寄存器断电保持数据寄存器编号为D200～D511，共312点。断电保持数据寄存器具有断电保持功能，PLC从RUN状态进入STOP状态时，断电保持寄存器的值保持不变。但通过参数设定，可将其变为通用数据寄存器。（3）断电保持专用数据寄存器断电保持专用数据寄存器编号为D512～D7999，共7488点。其特点是不能通过参数设定改变其断电保持的特性，如果改变其断电保持的特性，可以在程序的起始步采用初始化脉冲（M8002）和复位指令清除其内容。（3）文件数据寄存器文件寄存器编号为D1000～D7999，共7000点。文件寄存器是断电保持专业数据寄存器的一部分，通过参数设定，将该部分数据寄存器分为500点为一组的文件寄存器，其实质上是一类专用数据寄存器，用于存储大量数据。（5）特殊数据寄存器特殊数据寄存器是具有特殊用途的数据寄存器，元件编号为D8000～D8255，共256点，但其中个别元件号系统保留，无法使用。其作用是用来控制和监视PLC内部的各种工作方式和元件，如电池电压、扫描时间、正在动作状态的元件编号等。例如，可以从D8005中读取PLC中锂电池的电压值。PLC上电时，这些数据寄存器被写入默认值。（6）变址数据寄存器变址数据寄存器用来改变编程元件的元件号、操作数、修改常数等，其主要作用是操作数地址的修改。有16个变址寄存器V0～V7和Z0～Z7。在进行16位数据操作时，V0～V7和Z0～Z7单独使用，可组成16个16位变址寄存器。在32位操作时将V与Z合并使用，其中Z为低16位，V为高16位，可组成8个32位变址寄存器。变址寄存器可以用来改变编程元件的元件号。例如，当V=11时，数据寄存器的元件号D5V相当于D16（11+5=16）。通过修改变址寄存器的值，可以改变实际的操作数。变址寄存器看用来修改常数。例如，当Z=23时，K35Z相当于常数58（23+35=58）。3.2.7定时器（T）定时器相当于通电延时型的时间继电器，在PLC程序中起着时间控制作用。型PLC内部提供了256个定时器，元件编号为T0～T255。其中，通用定时器246个，积算型定时器10个。每个定时器都有一个设定值寄存器（字元件）、一个当前值寄存器（字元件）和无限个触点（位元件），对于每一个定时器，这三个量使用同一名称，根据在梯形图中的位置不同，可以确定它所代表的含义。定时器可以用常数K作为设定值，另外也可将数据寄存器（D）的内容作为设定值，设定在K0～K32767之间，根据定时器脉冲的不同，可实现1ms、10ms、100ms三种不同的定时精度和定时时间，定时时间=时钟脉冲X设定值。定时器的分类定时器的分类如表所示。通用定时器积算型定时器T0～T199(共200点）100ms时钟脉冲T246～T249（共4点）1ms时钟脉冲T200～T245(共46点）10ms时钟脉冲T250～T255（共6点）100ms时钟脉冲（2）定时器的误差由于定时器实质上是对时钟脉冲进行计数的计数器，所以，根据定时器触点和计时时刻（定时器线圈被驱动的时刻）的位置关系，以及计时时刻与时钟脉冲之间的位置关系，可以得到定时器的误差。最大正误差=2T0,式中T0为扫描周期。最大负误差=α，式中α为1ms，10ms，100ms时，定时器分别为0.001s、0.01s、0.1s。3.2.8计数器（C）计数器用于对软元件的接点的闭合次数进行计数，可分为内部信号计数器和外部信号计数器（高速计数器）。（1)内部信号计数器内部信号计数器是在执行扫描操作时对内部元件（如X、Y、M、S、T和C）的信号进行计数的元件。因此，其接通时间（ON）和断开时间（OFF）应比PLC的扫描周期长。内部信号计数器的编号，如表所示。通用型断电保持型16位加计数器（共200点）设定值K1～K32767C0～C99（共100点）C100～C199（共100点）32位加/减计数器（共35点）设定值：K-2147483648～+2147483647C200～C219(共20点）由（M8200～M8219）指定加减控制方向C220～C234（共15点）由（M8220～M8234）指定加减控制方向而16位加计数器和32位加/减计数器的特点如表所示。16位加计数器32位加/减计数器计数方式加计数加减计数设定值范围K1～K32767K-2147483648～+2147483647当前值的变化达到设定值时不变化达到设定值时继续变化计数器触点达到设定值时触点动作加计数器，当计数器当前值大于等于设定值时，其对应触点动作；减计数器时，当计数器当前值小于设定值时，其对应触点复位复位对计数器执行RST指令时，计数器当前值清0，触点复位（2）高速计数器C235～C255（共21点）都是高速计数器，这些高速计数器共享同一个PLC上的6个高速计数器输入端（X0～X5）。如果输入已被某个计数器占用，它就不能再用于另一个高速计数器（或其他用途），也就是说，由于只有6个高速计数的输入，因此最多同时用6个高速计数器。另外，还可以用作比较和直接输出等高速应用功能。高速计速器的选择并不是任意的，它取决于所需计数器的类型及高速输入的端子，计数器的类型如下：C235～C2401相无启动/复位端子C241～C2451相带启动/复位端子C246～C2502相双向C251～C2552相A-B相型上列所有的计数器均为32bit增/减计数器。3.2.9指针（P/I）指针（P/I)包括分支和子程序用的指针P和中断用的指针I。分支和子程序用的指针P的作用是为了指明跳转的目标，用P0～P127作为标号，和CJ、CALL、FEND等功能指令配合使用。中断用的指针I常和IRET、EI、DI等功能指令配合使用，进行中断处理。除此之外，系列PLC还具有常数。常数K用来表示十进制常数，16位常数的范围为-32768～+32767,32位常数的范围为-2147483648～+2147483648。常数H用来表示十六进制常数，十六进制包括0～9和A～F这16个数字，16位常数的范围为0～FFFF，32位常数的范围为0～FFFFFFF。3.3系列PLC的模块性能简介系列PLC的主单元上只带有通用I/O接点，某些较为复杂的控制功能是无法直接完成的，为了增强PLC的功能，扩大PLC的应用范围，大部分PLC的制造商都开发了种类繁多的特殊功能模块，有了这些模块，使PLC的控制能力得到了进一步的增强。3.3.1模拟量输入输出模块（1）模拟量输入模块和有两个12位模拟量输入通道，输入量程为DC0～10V、05V和DC4～20mA,转换速度为2.5ms/ch。有4个12位模拟量输入通道，输入量程为DC-10V～+10V和DC4～20mA,转换速度为15ms/ch。模拟量输入通道的模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。Pt100热电阻用模拟量输入模块供铂电阻Pt100测温使用，三线制接法，4个12位输入通道，模块内部存在温度变送器，对非线性进行修正，转换速度15ms/ch，模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。（3）热电偶用模拟量输入模块有4个12位通道，与K型和J型热电偶配合使用。K型和J型热电偶的输出数字量分为-1000～+12000和-1000～+6000，转换速度240ms/ch，模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。（4）模拟量输出模块有两个12位模拟量输出通道，输出量程为DC0～10V、0～5V和DC4～20mA,转换速度240ms/ch，模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。（5）模拟量输出模块有4个12位模拟量输出通道，输出量程为DC0～10V、0～5V和DC4～20mA,转换速度为4通道2.1ms,，模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。3.3.2高速计数模块有4个12位模拟量输出通道，输出量程为DC-10～+10V、0～5V和DC4～20mA,转换速度为4通道2.1ms,，模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。3.3.3联网通信模块（1）CC-LINK网络通信模块CC-Link的最高传输速率为10Mbit/s，最长距离1.2Km，模块的模拟电路和数字电路之间有光电隔离，占用8个I/O点。安装了模块的PLC在CC-Link网络中可以作为主站，可以连接7个远程I/O站，网络中也可以符合CC-Link通道标准的产品，如传感器、变频器等。（2）Profibus-DP网络通信模块模块可以将型PLC作为从站连接到Profibus-DP网络中，主站最多可以发送或接收20个字的数据。使用TO/FROM指令与型PLC进行通信，占用8个I/O点，最高传输速率为12Mbit/s,最长距离1.2Km。第4章控制系统的设计4.1工业搅拌机的系统组成工业搅拌机的系统组成如图4-1所示。​�Ｍ３～Ｍ３～Ｍ3～成分Ａ成分ＢＫＭ２ＫＭ３ＫＭ４Ｍ１Ｍ３Ｍ２进料阀出料阀进料阀出料阀Ｙ１排料阀Ｓ５２　液体高位Ｓ５０液体低位Ｓ５１　液体空Ｓ１０Ｓ１１Ｓ１１Ｓ２０​图4-1搅拌机的系统组成图4.2控制系统的设计要求1、系统对两种液体成分​�Ｍ３～Ｍ３～Ｍ3～成分Ａ成分ＢＫＭ２ＫＭ３ＫＭ４Ｍ１Ｍ３Ｍ２进料阀出料阀进料阀出料阀Ｙ１排料阀Ｓ５２　液体高位Ｓ５０　液体低位Ｓ５１　液体空Ｓ１０Ｓ１１Ｓ１１Ｓ２０​电动机减速器进料口1封头筒体夹套搅拌器叶片出料口进料口2搅拌轴续表见下页扩展时M8012Y000END