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工业液体混合 控制

郑州轻工业学院

自动化综合实践

设计说明书

题目工业液体混合控制系统设计学生姓名张聪聪

专业班级自动化11-02 学号 541101010250 院(系)电气信息工程学院

指导教师李金城

完成时间 2014年5月10日

可行性报告

一、目的意义

为了提高产品质量,缩短生产周期,适应产品迅速更新换代的要求,产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。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, 而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。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。另外, 生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点, 这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以为了帮助相关行业, 特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制, 从而达到液体混合的目的,液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。借助实验室设备熟悉工业生产中PAC的应用,了解不同公司的可编程控制器的型号和原理,熟悉其编程方式,而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中,适合大中型饮料生产厂家,尤其见于化学化工业中,便于学以致用。

多种液体混合搅拌用于灌装各种各样的瓶装饮料, 适用于大中型饮料生产厂家。早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。它具有效率高、功能强、加工质量高等特点,是当今世界的前沿课题,但还存在一些问题,例如: 罐装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。

该液体混合系统采用基于PAC的控制系统来取代原来由单片机、

继电器等构成的控制系统,采用模块化结构,具有良好的可移植性和可维护性。对提高企业生产和管理自动水平很大的帮助,同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量,减少了企业产品质量的波动,因此具有广阔的市场前景。液体混合自动配料系统就此应运社会工业生产的需要而诞生了。

如何使PAC在饮料灌装中实现控制功能,在相关的研究文献报道中用PAC对灌装机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。

二、依据

PAC在问世以来,经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一,世界总销售额不断上升,生产厂家不断涌现,品种不断翻新,产量产值大幅度上升而价格则不断下降。这些设备呈现出新的发展趋向。

1、多功能

同一台设备,可以进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等的冷热灌装,均可进行塑料瓶和玻璃瓶的灌装。

2、高速度高产量

碳酸饮料灌装机的灌装速度最高可达2000罐/分,德国HK公司、SEN公司、KRONES公司其灌装机的灌装阀可达165头、144头、178头。非碳酸饮料灌装机的灌装阀可达50—100头,灌装速度最高达1500罐/分。

3、技术含量高可靠性高

全线的自控水平高和全线效率高,在线检测装置和计量装置配套完备,能自动检测各项参数,计量精确,集机、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。

4、编程语言多样化

在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外,为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

容积量杯式计量方式更换灌装规格时间长,难清洗,使用很不方便;蠕动泵制造精度低,容易变形磨损,其分装精度和稳定性难于保证,不适合大批量生产。金属/陶瓷活塞计量泵,采用不锈钢/陶瓷材料,计量调整和拆洗都不是太方便。时间压力法是更为先进的灌装计量方式,是在恒压储液罐中,被分装液体的计量是通过时间和单位时间的流量来确定的。计量精度由可编程控制器自动控制,可以保证液体流经通道及阀体时无死角、无残留、无固体磨损、清洗消毒不拆卸任何零件、可在线清洗等。时间压力法是最好的一种计量方式,国外正在积极开发该类型的灌装机。

设计说明

一、硬件电路设计

1总体结构

从图1中可知设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌并控制温度,如图1所示。此装置需要控制的元件有:其中L1、L2、L3为液面传感器,液面淹没该点时为ON。Y1、Y2、Y3、Y4为电磁阀,M为搅拌电机,T为温度传感器,H为加热器。另外还有控制电磁阀和电动机的1个交流接触器KM。所有这些元件的控制都属于数字量控制,可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

工业液体混合 控制

图1液体混合灌装机

(1)初始状态

容器是空的,各个阀门Yl、Y2、Y3、Y4均为OFF,液位传感器L1、L2、L3均为OFF,电动机M为OFF,加热器H为OFF。(2)启动操作

按下启动按扭,开始下列操作: 1) Y1=Y2=ON,液体A和B同时人容器。当液面达到L2时,L2=ON,使Y1=Y2=OFF,Y3=ON,即关闭Y1和Y2阀门,打开液体C的阀门Y3。2) 液面达到L1,Y3=OFF,M=ON,即关闭阀门Y3,搅拌机M启动,开始搅拌。

3) 经10s钟搅匀后,M=OFF,停止搅动,H=ON,加热器开始加热。

4) 当混合液温度达到某一指定值时,T=ON,H=OFF,停止加热,使电磁阀Y4=ON,开始放出混合液体。

5) 液面低于L3时,L3从ON到OFF,再经过5s,容器放空,使Y4=OFF,开始下一周期。

(3)停止操作按下停止键,无论处于什么状态均停止。

2液位传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器其中“L”表示光电的,“S”表示传感器,“F”表示防腐蚀的,2.5为最大工作压力。

LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理,当没有液体时,光被前端的棱镜面或球面反射回来;有液体覆盖光电探头球面时,光被折射出去,这使得输出发生变化,相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF 光电液位开关具有较高的适应环境的能力,在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。

相关元件主要技术参数及原理如下:

(1)工作压力可达2.5Mpa

(2)工作温度上限为125°C

(3)触点寿命为100万次

(4)触点容量为70w

(5)开关电压为24V DC

(6)切换电流为0.5A

3温度传感器的选择

选用KTY81-210A型温度传感器其中“T”表示温度

KTY系列温度传感器采用进口Philips硅电阻元件精心制作而成,具有精度高,稳定性好,可靠性强,产品寿命长等优点, 该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制,太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控,汽车油温测量、发动机冷却系统、工业控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。

相关元件主要技术参数及原理如下:

(1)测量温度范围为-50℃~150℃

(2)温度系数TC 为0.79%/K

(3)精度等级为0.5%

(4)公称压力为0.6MPa

4搅拌电机的选择选用

EJ15-3型电动机其中“E”表示电动机,“J”表示交流的,15为设计序号,3为最大工作电流

相关元件主要技术参数及原理如下:

EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动

机。

(1)额定电压为220V,额定频率为50Hz,功率为2.5K,采用三角形接法。

(2)电动机运行地点的海拔不超过1000。工作温度-15~40°C /湿度≤90%。

(3)EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。

5电磁阀的选择

1)入罐液体选用VF4-25型电磁阀其中“V”表示电磁阀,“F”

表示防腐蚀,4表示设计序号,25表示口径(mm)宽度。相关元件主要技术参数及原理如下:1)材质:聚四氟乙烯。使用介质:硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体。

2)介质温度≤150℃/环境温度-20~60°C。

3)使用电压:AC:220 V50Hz/60Hz DC:24V。

4)功率:AC:2.5KW。

5)操作方式:常闭:通电打开、断电关闭,动作响应迅速,高频率。2)出罐液体选用A VF-40型电磁阀其中“A”表示可调节流量,“V”表示电磁阀,“F”表示防腐蚀,40为口径(mm)

相关元件主要技术参数及原理如下:

1)其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量,达到定时排空的效果。

2)其阀体材料为:聚四氟乙烯,有比较强的抗腐蚀能力。

3)使用电压:AC:220 V50Hz/60Hz DC:24V。

4)功率:AC:5KW。

6 接触器

选用CJ20-10/CJ20-16型接触器其中“C”表示接触器,“J”表示交流,20为设计编号,10/16为主触头额定电流

相关元件主要技术参数及原理如下:

(1)操作频率为1200/h

(2)机电寿命为1000万次

(3)主触头额定电流为10/16A

(4)额定电压为380/220(A)

(5)功率为2.5KW

7 热继电器的选择

选用JR16B-60/3D型热继电器其中“J”表示继电器,“D”带断相保护

相关元件主要技术参数及原理如下:

(1)额定电流为20A

(2)热元件额定电流为32/45(A)

8 PAC的选择

在本控制系统中,所需的开关量输入为6点,开关量输出为7点,考虑到系统的可扩展性和维修的方便性,选择模块式PAC。由于本系统的控制是顺序控制,选用美国GE 的PAC作控制单元来控制整个系统。之所以选择这种PAC,主要考虑该PAC有以下特点:

(1)丰富的指令系统。在该PAC中,即使是小型机,也具近200条指令。除能实现一般的逻辑控制外,还可进行运动控制、复杂数据处理,甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。而且各类PAC产品的指令系统都具有向上兼容性,便于应用程序的移植。

(2)快速的CPU处理速度、大程序容量。

(3)大的网络通信功能。可直接连接调制解调器,可方便地与其他PAC或上位机连成通信网络,通过上位计算机对生产现场的PAC

进行实时监控。在生产规模较大,所控制的机床达到两台以上时,可采用1:n上位链接通信方式,用一台计算机管理多台床,构成一个二级分布式集一散控制系统。

(4)编程及监控功能强大、维护简单、价格适中。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)颁布的PAC的定义为:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下的应用而设计。它采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的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备,都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

PAC的一般结构如图3所示,由图可见主要有6个部分组成,包括CPU(中央处理器)、存储器、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。

1)中央处理单元(CPU)

与通用计算机中的CPU一样。PAC中的CPU也是整个系统的核心部件,主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成,此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU在很大程度上决定了PAC的整体性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。

2)存储器存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PAC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。

(3)I/O模块

输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PAC的对外功能主要是通过各I/O接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是PAC与现场I/O装置或设备之间的连接部件,起着PAC与外部设备之间传递信息的作用。通常I/O模块上还有状态显示和I/O

接线端子排,以便于连接和监视。

(4)电源模块

输入、输出接口电路是PAC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为PAC能够接收和处理的信号,将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。

工业液体混合 控制

图3 PLC的结构图

9 PAC输人、输出口分配

输入/输出地址分配如表1

表1 液体混合装置输入/输出地址分配

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工业液体混合 控制

10液体混合装置输人/输出接线

(1)两种液体的进人

当PAC接通电源后,按下启动按钮SB0后,触点X0接通,由于有微分指令DF,使该路只接通一扫描周期,通过保持指令KP使

Y1、Y2输出继电器线圈得电并保持,分别与之相接的Y1、Y2

电磁阀带电接通,流进两种不同成分的液体。

(2)第三种液体的进人当液体达到L2液位传感器的位置时,X2

输人继电器接通使Y1、Y2关闭,同时地址为16的X2接通,利用KP指令使输出继电器Y3接通并保持,与之相连的Y3电磁阀得电通,第3种液体流进液罐。

(3)搅拌机工作当液位到达L1液位传感器的位置时,该传感器检测到该信息,使Xl输人继电器线圈得电,在梯形图中它的X1常开触点接通,通过KP指令复位端,使输出继电器Y3关闭,与之相连的砚电磁阀关闭,同时接通地址为32的X1常开触点,使代表搅拌机Y5的输出继电器接通。

4)加热器工作

搅拌机通过Y5的输出信号得电并开始搅拌,并用TIMY0定时器时定时时间为10s。10s到后,地址为45的定时器常开触点T0接通,使Y6输出继电器得电,与之相连的加热器H这时接通,开始加热液体,同时关Y5使搅拌机M停止。

(5)混合液体开始排出

当液体温度达到预定温度时,温度传感器T检测到该信息,同时梯形图中地址为47的X4接通使Y6失电,从而使加热器H,同时接通地址为51的X4常开触点,使X4接通,与之相连的Y4电磁阀打开,排出搅拌均匀后的混合液体。

(6)混合液体排完当液位低于L3液位传感器的位置时,L3液位传感器由通到断,使X3也由通到断,这样相当于一个下降沿,驱使DF产生一个扫描周期的脉冲,通过KP指令置位端使辅助继电器R0接通,接通后使定时器TMY1定时,大约5s时间,液体排完。(7)重复液体混合过程重复液体混合过程是通过并联在梯形图址为2位置上的定时器TMY1常开触点实现的。同时T1常开触点也接通,通过保持保持指令KP使R0复位,定时器关闭。

工业液体混合 控制

图4

二软件电路设计

1 程序框图

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图5 2梯形图

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工程图纸

工业液体混合 控制

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