双氧水灌装计量系统自动化装置设计论文正文资料

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言所谓双氧水，是指过氧化氢，英文名是 Hydrogen Peroxide，双氧水是无色无味的液体。双氧水产品主要应用于棉纺、造纸等行业的漂白用途。双氧水包装：工业过氧化氢使用聚乙烯吹塑桶或铝制槽车包装。聚乙烯吹塑桶包装每件净重量25Kg，铝制槽车包装每件净重最大为60 吨。双氧水贮存和运输： 工业过氧化氢在贮存和运输中，应防止日照和受热，不能与易燃品或还原剂混存。如出现容器破裂或渗漏，应用大量清水冲洗，贮存于通风处。由于市场需求不断扩大，近十年来我国的工业双氧水消费量增加近2倍，产能、产量及消费量均跃居世界第一，产能超过一直雄踞全球首位的美国近1倍。但是现在的液体物料包装生产线大多采用单机操作，生产能力较低。根据化工工业对液体物料加工业的发展预测，液体物料加工规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、直观、便于调试为特点以采用集散控制、全线自动化为方向发展。本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术设计双氧水自动包装线的控制系统，通过软硬件功能的组态实现双氧水自动灌装线的实时检测和控制，预计对于实际的生产有很大作用。1双氧水灌装计量系统自动化装置设计1 双氧水灌装计量系统自动化装置设计综合概述1.1 液体灌装计量的现状1.1.1 国内液体灌装计量设备我国的液体灌装计量设备的生产厂家在70 年代初到 90 年代末，只有几家其生产能力处于一种引进国外设备并加以仿制的阶段。 到 90 年代国内液体物料包装设备的生产厂家又多了几十个，但制造水平、设备性能与国外先进水平相比差距较大。近几年我国从欧美引进多条定量包装的灌装线，到近期加工设备的成套与配套生产企业接近几十家。然而这些生产企业主要还是靠引进国外的生产线并在国内加以仿制消化吸收欧美等国先进科技开发国内的包装设备，引进的生产线线需消耗大量的资金不说，还存在许多弊端。输入设备的部分元件属于专用元件万一发生故障而国内没有相应的元件替代，以至于重金引进的先进设备成为库房的一堆废物。现在的液体灌装计量生产线大多采用单机操作，生产能力较低。根据化工工业对液体物料加工业的发展预测，液体物料加工规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗，操作方便、直观，便于调试为特点以采用集散控制、全线自动化为方向发展。1.1.2 国外液体灌装计量设备的控制和管理情况国外的液体灌装计量设备发展较为完善，机电一体化管理与控制相结合是当前双氧水灌装生产发展的最重要的一个趋势。欧美的公司都实现液体物料包装生产线的全面计算机控制与管理。当前液体灌装计量计算机化的发展方向是一个采集管理与处理，发送各类数据的综合系统。它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和计算机协调中心等高尖端技术应用于整个双氧水包装领域。国外液体物料的计算机控制正走向成熟和完善阶段，而我国基础上还处于机械化和自动化时期。计算机的应用只限制于部分工艺和设备，因此在这方面还有许多工作有待于包装工作者去探索与研究。现介绍几种目前国内液体灌装计量的方法：1)采用质量称重法质量称重法是采用电子秤为称重工具，在包装的管路上设置开关阀门，根2青岛科技大学本科毕业设计（论文）据液体进入容器的设定质量，由电子秤称重，设定值到时由电子秤输出控制信号切断灌装管线的阀门。该方法较原始，计量精度低，产品溢出对电子秤台面及设备有腐蚀，可靠性低。2)采用容积式流量计与控制仪配合法该方案采用容积式流量计作为液体流体管路中的传感器，通过流量控制仪接收容积数量，在每次灌装数量到时，由控制仪发出控制信号，切断流体管路阀门。该方案档次低，计量精度差，灌装任务变更不易实现，对多路灌装无法集中测控与处理。1.2 集散控制系统DCS 组成及特点集散控制系统 DCS 是以微处理器为基础的集中分散控制系统， 它是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统基础上演变而来的 .集散控制系统的产品纷繁，但从结构上分析，集散控制系统都由三大基本部分组成，他们是分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信系统部分。分散过程控制装置部分由现场站组成包括多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器以及数据采集装置等；其功能是：（1）将各种现场发生的过程量；流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等进行数字化并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的，能一一对应的，并按实际运行情况实时改变或更新的现场过程量的实时映象； （2）接受由上位机下发的信息以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定； （3）实现局部自动控制回路的计算及闭环控制、顺序控制等，它相当于现场控制级和过程控制装置级实现与过程的连接集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打印机、拷贝机等组成，相当于车间操作管理级和全厂优化和调度级实现人机接口，在每级之间以及每级内的计算机或微处理器之间则由通信系统进行数据通信。3双氧水灌装计量系统自动化装置设计操作人员、管理人员集中操作和管理数据通信分散过程控制装置工业生产过程图 1-1 集散控制系统的三大组成部分Fig.1-1 Three major components of DCS集散控制系统的特点是： （ 1）使用多台计算机共同完成所有过程量的输入输出，每台计算机只处理一部分实时数据而每台计算机失效只会影响到自己所处理的那一些数据，不至于造成整个系统失去实时数据； （2）不同的计算机处理不同的功能，每台计算机单一化处理使软件结构简单，软件的可靠性高； （3）利用计算机网络来解决系统的扩充与升级的问题； （ 4）网络中的每台计算机处于平等地位，在运行中相互之间不存在依赖关系。随着半导体技术、显示技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制技术也得到了飞速的发展，已经成为工业生产过程自动控制的主流，产品的应用范围已不仅仅是工业控制领域的各个行业，而是向制造过程自动化和过程自动化的综合管理方向发展，集散控制系统的发展，可靠性的提高，冗余的完善，处理能力的提高、存储能力的加强、网络体系的发展和健全、人机界面更加友好等等，这一切为先进控制系统提供了硬件和软件平台基础。如今，世界各国的企业为了在激烈的全球市场竞争中求得生存和发展，单靠常规方式生产是不够的，一些企业正在利用先进的控制和管理技术，最大限度地提高生产量，缩短生产周期，利用集散控制系统来完善自己的自动生产线控制系统。4青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.3 PLC 的现状与特点PLC 是可编程序逻辑控制器的简称，其是以微处理器为基础综合了计算机和自动化技术而开发的新一代工业控制装置。按照国际电工协会，国际标准定义是可编程序控制器是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统， 这种系统用可编程序存储面向数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 吸取 DCS 的优点，在算法上增加了模拟量运算、PID 运算、累积加法运算和电机算法运算，同时也增加了各种模拟量模块及相应的补偿、滤波、校正、报警等功能。产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场各种单元部件连接，坚固耐用，可靠性方面的平均无故障时间可达万小时以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大，因此 PLC 广泛的应用于许多工业领域。当然技术的日新月异、突飞猛进是迅速扩展市场的根本原因。我国应用 PLC 还处于初级阶段，而且局限于钢铁、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待。我国的PLC 市场由国外占领，中大型控制系统几乎是国外产品以欧美公司为主。我国的液体物料包装设备在许多方面采用了 PLC 并取得了非常好的效果。1.4 本课题的提出及意义近几年来，我国双氧水产业得到了迅速的发展，出现了年产几十万吨的大型双氧水生产企业。大型双氧水企业对双氧水灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求，而经过为期几个月的调研及其深入的了解，正如章节所述，我国的双氧水包装机械还存在自动化程度低、速度慢、 系统运行不稳定等缺陷，随着集散控制系统的日益完善，在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制书籍改进自动灌装生产线的控制系统，弥补其不足成为可能。本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术设计双氧水自动包装线的控制系统，通过软硬件功能的组态实现双氧水自动灌装线的实时检测和控制，预计对于实际的生产有很大作用，表现在：减少事故：通过监控系统、历史报警窗口和历史趋势曲线，可以对生产线5双氧水灌装计量系统自动化装置设计中各设备的运行情况进行周密监视，发现异常立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠性。提高经济效益：实施双氧水灌装过程监控后，可以实现大型灌装生产线的全自动化，提高生产效率。改善工作环境：实施监控后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个灌装生产线的运行情况，从以往人工操作，实时观察中解脱出来。提高管理水平：由于监控系统对整个灌装运行情况进行了历史记录，管理人员可以随时调出数据进行分析，以采取措施改善管理。6青岛科技大学本科毕业设计（论文）2 双氧水灌装计量系统的工艺及技术要求2.1 灌装计量的定义人们在生产和生活中离不开定量计量 .在产品包装中，定量计量是包装的主要工序之一。产品定量包装的静含量用质量单位表示时， 称其为质量定量包装；另外还有容积定量包装和数量包装。质量定量包装最直接和准确的方式是通过称量来实现，但液体物料的质量通常使用流量传感器来计算流过传感器的流体总量即为液体物料的质量。流量传感器在出厂使通常会给出流量系数（ ）表示流过传感器 1L 流体所发出的电脉冲数（脉冲数 /L ）。此时只要作倒数运算便可得到脉冲当量 1P。再考虑双氧水的密度 ，将其换算成以质量为单位的脉冲当量，此时得到的是理论值。然后根据流量计将测出的流量脉冲信号送至仪表，仪表累计计算出液体物料的质量。2.2 双氧水灌装计量系统工艺及技术要求双氧水产量按年产 5.7 万吨计算，每天为 158 吨，并按每天两班 16 小时计，每小时为 10 吨（约为 10 立方米）。每桶定量包装重量为 25Kg50g，平均每分钟需装 6.67 桶。原包装工段有两只高位贮存槽 V404A 、B，其中 V404A 为浓品， V404B 位稀品，如图 2-1 所示。设备为圆形，尺寸为 16600mm 1600mm(3.2 立方米 )，高位槽里地面高度为 7.9 米，出口管离地面为 8.2 米，有 2 根 DN65 的管线从高位槽引出。从两根主管分五根管安装口径 DN25 流量计来满足生产现场八个桶装和两条车载 灌装线的要求， 每根分管分两路加装气动截止阀。 工艺要求量计精度高、性能可靠，并适合包装现场工况。带电磁阀的气动阀应动作可靠、寿命长。7双氧水灌装计量系统自动化装置设计图 2-1定量包装高位槽管线连接图Fig.2-1 Packaging high slot connection of pipelines2.3 双氧水灌装计量系统的几种控制方案2.3.1 采用质量称重法质量称重法是采用电子称为称重工具，在包装的管路上设置开关阀门，根据液体进入容器的设定质量，由电子秤称重，设定值到时由电子秤输出控制信号切断灌装管线的阀门。此动态称重技术属于力学量的动态测试范畴，其主要目的是将动态变化的力学量实时地转变为电信号并显示出来。动态定量称重过程中含有时变、非线性以及随机干扰等因素。当加快称重速度时，物料冲击和空中飞料等干扰因素将影响称重精度；为提高称重精度，有时不得不降低称重速度。同时实现称重和较高称重速度的动态定量称重技术是计量领域的难题之一。故根据双氧水定量包装的工艺要求和技术要求，该方法较原始，计量精度低，产品溢出对电子秤台面及设备有腐蚀，可靠性低。2.3.2 采用容积式流量计与控制仪配合法8该方案采用容积式流量计作为液体流体管路中的传感器，通过流量控制仪接收容积数量，在每次灌装数量到时，由控制仪发出控制信号，切断流体管路阀门。采用 XSK-91C 型流量数字定值控制仪和流量计及电磁阀（或气动球阀）8青岛科技大学本科毕业设计（论文）组成一个控制系统可以实现对流量的定量包装。系统的组成如图2-2 所示。该方案档次低，计量精度差，灌装任务变更不易实现，对多路灌装无法集中测控与处理。高位槽或泵截止阀过滤器流量计XSK-91C电磁阀A电磁阀B图 2-2 系统流程Fig.2-2 System processes2.3.3 利用 PLC 系统设计法西门子 PLC 和电磁流量计及电控气动两位两段式切换球阀组成，通过高精度电磁流量计对双氧水灌装流量在线计量，由PLC 系统检测并控制两段式切换球阀完成对八条分管包装管路和两条车载灌装线的定量控制及灌装数据的综合处理。该方案可实现高精度、高效率的装车、装桶及工艺物料的定值加注。综合考虑几种方案设计方法，确定利用PLC 来设计的控制系统可以满足用户的要求。9双氧水灌装计量系统自动化装置设计3 双氧水灌装计量系统的硬件选型3.1 流量计3.1.1 流量的概念在工业生产过程和人们的日常生活中要接触到许多的流体，包括液体、气体、粉末或固体颗粒等等。在许多场合都要测量流过流体的总量或瞬时流量。流量是指流体在单位时间内流过管道或明渠中某截面的体积或质量，前者称体积流量或者称质量流量。测量流量所用的仪表，我们常称为流量计，而计量总量的仪表则称为计量表。随着流量检测技术的发展，大部分流量计可以选择家装累积流量功能的装置，因此多数流量计和计量表都同时具有测量流量和累计计算总量的功能。因此，习惯上又把流量计和流量表通称为流量计。 103.1.2 流量计的分类按所要求的计量结果形式不同，流量计还是有总量流量计和瞬时流量计之分。总量流量计有：1.容积式流量计 这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据容量称量的次数来决定流过的总量。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式流量计和扩板式流量计等2.速度流量计 在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数结构，计数器即显示读数。这类流量表结构简单， 但精度低，一般在 2左右，大多数的水表即采用此结构。测量瞬时流量的流量计种类繁多，一般根据其原理来分类：(1)压差式流量计：流体在流过管道内某一收缩装置时，由于截面变窄而使静压发生变化，因此在这一装置前后就要产生压差。这个压差的大小与流量有关，测出压差大小即可得到顺势流量，这是节流式的差压流量计(2)流体阻力流量计：转子流量计在垂直锥形管道里放一个自由运动的浮子，浮子受到流体的作用力而悬浮在锥形的测量管中。当流量增大时，浮子受到的作用力加大，结果使它浮到流通面积较大的位置重新达到平衡，所以可根据浮10青岛科技大学本科毕业设计（论文）子的位置确定能够流量的大小。(3)靶式流量计：测速式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、热量流量计和标志法测速流量计。流体振动式流量计 利用流体在管道中流动时产生的流体振动和流量之间的关系来测量流量，这类流量仪表均以频率输出，便于数字测量。卡门涡街流量计、旋进漩涡式流量计、射流振荡式流量计和科里奥利流量计3.1.3 部分流量计的功能特点1）差压流量计差压流量计是工业上使用很多的流量计之一，因为它具有一系列的优点如测量方法简单，没有可动零件，工作可靠，适应性强，可不经实流而保证一定的测量精度等等。 差压式流量计是发展比较早研究比较成熟及比较完善的仪表。差压式管道用流量计。差压式流量计原理是利用节流件前后的压差与平均流速或流量的关系，由压差测量值计算出流量值，因此必须掌握压差与流量的关系，这一关系可以从流体的连续性方程和伯努利方程导出。当一流体流过如图3-1 所示的带有节流的管道时，根据流体的连续性方程，有：A1v1A2 v2Q(3-1)A1V1A2V2图 3-1 节流管道流体流动图Fig.3-1 Expenditure pipeline fluid flow chart由于管道截面积 A1A2 ，则 V1V2 ，即窄管内流体的动能增大。又根据流体的能量守恒定律：流体流线上各点的动能、位能和压力能总和保持不变。用伯努利方程表示为：gZ11 v12p1gZ21 v22 p2（3-2）2211双氧水灌装计量系统自动化装置设计式中， Z1、Z2 分别表示管道截面中心处的高度坐标。假定管道为水平放置，Z1Z2（3-3）则1 v12p11 v22 p2（3-4）22由于 v1v2 可知 p1p2 可写成：2 pqva（3-5）2）转子流量计转子流量计是一种利用改变流通面积的方法来测量流量的流量计。这种流量计结构比较简单，在一上粗下细的锥形管中，垂直地放置一阻力体浮子。当流体自下而上流经锥形管时，由于受到流体的冲击，浮子便要向上运动。随着浮子的上升，浮子与锥形管的环形流通面积增大，流速减低，直到浮子在流体中的重量与流体作用在浮子上的力相平衡，浮子停留在某一高度，维持平衡。流量发生变化时，浮子将移动到新的位置，继续保持平衡。将锥形管的高度以流量值刻度时，则从浮子最高边缘处的位置便可以知道流量的大小。转子流量计的特性：（1）转子的形状对流量系数的影响。转子流量计的形状常见的有三种： I 型大都使用在气体、小流量且流量系数比较小的场合； II 型大都使用在液体、大流量且流量系数比较大的场合，对于大流量的流量计为使其稳定在中心，往往带有导杆； III 型使用得较少，它得特点是粘度变化对流量指示影响比较小。（2）密度对流量值得影响。 在转子流量计得流量方程中包括有流体得密度参数，所以仪表得刻度特性与被测流体得工况有密切的关系。当仪表直接为流量计刻度时，必须表明介质的名称、密度、粘度、温度和压力等。3）靶式流量计靶式流量计在目前生产中应用很广，它具有结构简单，安装维护方便，不易堵塞等特点。它除了可以测一般的气体和液体以外，尤其可以测量低雷诺数的流体（如大粘度， 小流量等），以及含有固体颗粒的浆液 （泥浆、纸浆、砂浆、矿浆等）。当放在管道中的靶用耐腐蚀材料制造时，仪表还可以各种腐蚀性介质。12青岛科技大学本科毕业设计（论文）4) 电磁流量计电磁流量计时根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。这种流量计结构简单，测量管道内没有可动的部分，也没有阻滞介质流动的部件，不易发生堵塞，可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。被测介质在测量管内，由于没有阻滞部件，所以没有压力损失。电磁流量计测量范围很宽，可达1：100，而且可以测量容易地改变量程。此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度。但由于电磁流量计只能测量导电液体，因此对于气体、蒸汽以及含大量气泡的液体，或者电导率很低不能测量。由于在测量管内衬一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理如图3-2 ：图 3-2 电磁流量计的原理图Fig.3-2 The principle of electromagnetic flowmeter当导电流体在磁场中运动，切割磁力线，在和磁场方向、流体运动方向都垂直的方向上，产生一感应电压，并由两个电极检出。这就是流量信号，即：U kBVD10 12（3-6）式中： U 为电磁流量计中因流体流动而感应出的电量信号，单位为V ；k为系数； B 为磁感应强度，单位为 T；D 为管道内径，即两电极的距离。将流量公式：QD 2V（3-7）4代入上式可得：13双氧水灌装计量系统自动化装置设计U=4kB Q 10 3（ 3-8）D令 4kBK ，则U KQ（3-9）D因此，测出电压 U，即可确定流量。电磁流量传感器与电磁流量转换器配套组成电磁流量计，电磁流量转换器用于测量导电液体的体积流量，能将来自传感器的低电平毫伏信号转换成与流量成正比的标准信号输出，供远距离显示，记录、调节控制和流量计算。电磁流量计不受介质温度、压力、密度、粘性和导电率等变化的影响，抗干扰能力，零点稳定，能耗少，阻尼时间可连续调节，传感器与转换器之间的连接距离可延长，具有较多优点，在流量测量中得到了广泛的应用。5. 超声波流量计超声波流量计的原理如图 3-3 所示：图 3-3 超声波流量计的原理图Fig.3-3 The principle of Ultrasonic flowmeter将流体流动时与静止时超声比在流体传播的情形进行比较，流速不同会使超声波的传播速度发生变化， 在测量管道中， 装两个超声波发射换能器F1 和 F2以及两个接受换能器 J1 和 J2，F1J1 和 F2J2 与管道轴线夹角为 ，管径为 D，流体由左向右流动，速度为 ，此时由 F1 到 J1 的超声波传播速度为：c1 c vcos（ 3-10）14青岛科技大学本科毕业设计（论文）由 F2 到 J2 的超声波传播速度为c2c v sin（）3-11式中 C 为被测介质静止时，超声波的传播速度。消去C，即得：c1c2（ 3-12）v2 cos在 一定时，流速仅取决于两个超声波传播的速度差，而与静止时的流速无关。如测出这个速度差就可求出管道介质的相应的流量。测量速度差的方法有以下几种：时差法、相差法、频差法和多普勒法。时差法在工业上测量还比较困难；相差法测量连续振荡超声波在顺流和逆流时传播时接受信号之间的相位差；频差法是通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差去测量流速；多普勒法主要用于比较混浊的液体。超声波流量计可以实现非接触测量，测量管道内无插入零件，没有流体附加阻力这类流量计不受介质粘度、导电性及腐蚀性影响。另外不论那种方案，均为线性特性，并便于实现数字化及流量的计算。超声波流量计的主要缺点是精度不太高，温度对声速影响较大，故一般不适于温度波动大、介质物理性质变化大的流体测量，其次也不适于小流量，小管径的流量的精确测量，因为相对误差将增加。3.1.4 流量计的选取电磁流量计理想情况为10 米（出厂校验高度），工艺基本符合要求。我们选择日本产 AE100MG 组合型电磁流量计 （DN25），其工作范围 0.5-20 m3 / h 可调，其最大特点是通过设定一个脉冲系数就可以输出代表如何流量单位所表示的脉冲量。实际情况可以通过计算， 使每个脉冲数表示50g，即保证了测量精度，又保证了可编程控制器能够准确无误地接收到脉冲信号（频率过快可能造成脉冲的丢失）。为保证包装精度，应保证V404A 、V404B 两罐的液位相对稳定（5%范围内）。经过分析工艺流程图，高位槽若通过溢流管进入大储存罐，液位要求即可满足。输送管线可按原设计要求配管 （两条分管为DN65，每条放料管为 DN25）。3.2 气动截止阀的选取15双氧水灌装计量系统自动化装置设计为了减少气动截止阀由于反应滞后所造成的泄漏量，我们选用了 LQ641F 气动两端式截止阀 .。 LQ641F 型气动两段式球阀系用了两段式开闭，并且根据管道使用条件，阀的开闭时间和开度大小可调。因此在实际工作过程中，能起到减少管道水击和保证流体定量发送精度的作用。可广泛用在石油、化工、给排水和商业贸易等行业的管道输送系统及系统中的过程自动化控制工程中。其工作原理如图 3-4 所示。气动两段式球阀由球阀部件、驱动器组件和气动控制部件等组成。图 3-4 LQ641F 气动两段式球阀原理图Fig.3-4 LQ641F Two-stage pneumatic valve schematic根据流量控制仪表发出的一段开信号，首先电磁阀V2 开启，压缩空气（ 0.4 0. 7MPa）使大活塞 6 移动到螺母 8 碰到气缸盖 7 的凸起部位为止，这样大活塞 6 推动小活塞 5 和连杆 4、连杆 3 组成的连杆机构使阀杆 2 沿反时针旋转，使球阀完成一段开启 （为全开的 0%30%）。接着流量控制仪发出全开信号，16青岛科技大学本科毕业设计（论文）使电磁阀 V1 也开启，压缩空气推动小活塞5 移动，通过连杆机构带动阀杆2 继续沿反时针方向旋转，使球阀全开。根据流量控制仪发出的一段闭信号，首先电磁阀V1 关闭，压缩空气使小活塞 5 反向移动，通过连杆机构带动阀杆2 沿顺时针方向旋转，直至小活塞5 移动碰到大活塞 6 为止，这时球阀完成一段关闭（为全关的70%100%），接着当流量控制仪发出二段闭的信号， 电磁阀 V2 关闭，大活塞 6 和小活塞 5 同时移动，通过连杆机构带动阀杆2 继续沿顺时针方向旋转，直至大活塞6 碰到气缸盖 7为止，使球阀全关闭。根据管道使用条件不同，可调整一段开闭阀的位置。只要调整限位螺母8就可确定大活塞 6 的行程。3.3 可编程控制器的选取3.3.1 可编程控制器PLC 简介近年来， PLC 把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体，在开关量处理的基础上新增了模拟量处理和运动控制等功能，已不再局限于逻辑控制，它能完成以下几种功能：（1）顺序逻辑控制；（2）闭环过程控制；（3）数据处理；（4）联网通讯；（5）监控。 4PLC是面向用户专为在工业环境下应用而设计的专用计算机， 它具有以下几个显著特点：（1）可靠性高，看干扰能力强；（2）编程简单、直观；（3）控制能力强；（4）易于安转，便于维护。1当然， PLC 也并非十全十美，其缺点是价格还比较高。一般来说，比继电器控制高，比一般单板机系统也高。另外，其工作速度较计算机慢，输入对输出的响应有滞后现象。 83.3.2 PLC 控制系统的设计内容及设计步骤17双氧水灌装计量系统自动化装置设计PLC 控制系统的设计分为硬件选型及PLC 软件编制两方面。PLC 控制系统设计的一般步骤，根据控制系统的规模、控制要求的繁简、控制程序步序的多少，视情况步骤有的可以省略。 PLC 控制系统设计流程框图如图 3-5 所示。18青岛科技大学本科毕业设计（论文）开始分析控制要求确定用户I/O设备PLC硬件系统配置分配I/O点绘制流程图设计安装控制柜设计梯形图修改程序程序输入PLC现场施工连线软件测试测试正常整体测试满足要求编制技术文件交付使用图 3-5 PLC 控制系统设计流程图Fig.3-5 PLC Control system design flow diagram19双氧水灌装计量系统自动化装置设计3.3.3 可编程控制器的选取工业可编程控制器（ PLC），作为一种替代传统的接触式继电器控制的专用危机，现已成为工业控制领域最重要的装置之一。它具有体积小，扫描速度快、高干扰和高性能等特点。 SIMATIC S7-3 00 可编程控制器，有以下特点：(1) 模块化微型 PLC 系统，满足中、小规模的性能要求；(2) 各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务；(3) 简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；(4) 方便用户和简易的无风扇设计；(5) 当控制任务增加时，可自由扩展。 9基于上述优点， 我们选择 4 套 SIMATIC S7- 300 分别控制 4 根分管的放料：表 3-1 控制系统的硬件构成Tab.3-1 The control system hardware序号材料名称规格型号数量单位产地1中央控制柜喷塑1台定做2现场操作盒不锈钢5个定做3导轨6ES7 390-1AE80-0AA01只西门子4MMC 128K6ES7 953-8LG11-0AA01片西门子5电源模块 (5A)6ES7 307-1EA00-0AA01只西门子6CPU6ES7 315-2AG10-0AB01只西门子78 通道计数模块6ES7 350-2AH00-0AE01只西门子8数字输入输出模块6ES7 323-1BL00-0AA01只西门子9前连接器6ES7 392-1AM00-0AA02西门子10开关电源24V 10A1台11按钮10只20青岛科技大学本科毕业设计（论文）12辅助材料导线、端子、断路器等1批3.4 灌装计量系统的控制方案综合灌装计量系统工艺及技术要求，现将方案情况介绍如下：根据包装工段设计要求，选用五台电磁流量计分别测量 5 根分管的双氧水流量，由电磁流量计出口并接两根放料管。五台电磁流量计分别与五台可编程序控制器对应配接，由可编程控制器控制相应气动截止阀的动作，实现双氧水的定联包装，其主要功能包括：对两个放料管实行分时控制，顺序为：甲管放料，乙管停止甲桶满甲管停止，乙管停止延时延时 甲管停止，乙管停止 乙桶满 甲管停止，乙管放料显示每桶包装期间当前的重量（单位： Kg）；显示本套系统投入运行后截止目前为止已包装的桶数（单位：桶） ；显示清零后截止目前已包装的桶数（单位：桶） ；通过按键设定两放料管切换的延时时间（单位：秒） ；设定相应两放料管预定包装的桶数（单位：桶） ；每桶包装结束后，控制器向主 PLC 发送信号。以上项参数都可永久保存。控制系统在现场安装有操作器， 上面带有启动 / 停止、清零两个按键及一个预定桶数已满指示灯，其主要作用为：启动 / 停止定量包装控制系统；当包装数到达预定桶数时，指示灯亮，此时按键清零键可清除对应可编程控制器中的第项，这时用户可重新设置上述第项，否则预定包装数不变。21双氧水灌装计量系统自动化装置设计4 双氧水灌装计量系统软件设计4.1 西门子 STEP 7软件4.1.1 西门子可编程控制器简介作为全球自动化领域技术、标准与市场的领导者，有着150 余年历史的西门子公司，以其一贯的朴实、稳健的作风和博大精深的创新文化，致力于以最先进的自动化技术与产品，向用户提供具有前瞻性的和最优可靠的解决方案，以实现用户最大限度的可持续发展和长期的利益保障。SIMATICS7300/ 400 系列可编程控制器是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。 该系列 PLC 继承了 S5 系列稳定、可靠和故障率低的精髓，将先进控制思想、现代通讯技术和 IT 技术的最新发展集于一身，在 CPU 运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制的功能集成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面取得了业界公认的成就。紧凑型、模块化的 S7- 300 适用于极其快速的过程处理或对数据处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统，是目前在国内应用范围最为广泛，市场占有率最高的产品之一。因此，相比于其他生产厂家生产的 PLC，西门子公司生产的 S7系列 PLC无论是从价格上，还是性能上都有着无与伦比的优势：（1）品牌优势，价格优势，市场占有率高优势；（2）网络优势，解决一般的通信方便、可行；（3）德国人的严谨性、 SAMATIC 指令集、多语言环境。 2所以，基于西门子 PLC的以上优势，本着经济实用的原则，针对表面溶铜测控系统，我们现采用西门子公司的 S7-300 PLC作为下位机来实现对表面溶铜处理系统的控制。4.1.2 STEP 7概述不断创新的 PLC 编程组态工具 STEP 7 采用 SIMATIC软件的集成统一架构，为实现 PLC 编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一个功能强大、风格一贯的软件平台。22青岛科技大学本科毕业设计（论文）STEP 7 提供了一个自动化项目所有阶段所需的功能 -包括搭建、运转、测试和维修，从而支持了整个工程的工作流程。1)STEP 7 的特点SIMATIC S7 300 软件与硬件同样出色， S7 300 的软件 STEP7 与硬件一样简洁、方便、易用。这种编程软件基于标准工具 STEP 7 软件实现 SIMATIC 工业软件功能，并能应用所有新的 S7 硬件的优势，例如：（1）遵循 IEC 1131 3已开发成功的块图和梯形图编程语言， 符合上述标准。 它是用于流程控制，过程控制或需要高级语言编程的编程工具。语句表编程语言与标准稍有不同，以保证与 STEP 5 的兼容。（2）相同用户接口的统一STEP 7有中央数据存储器和与其相匹配的工具。只在一个用户接口上将数据输入一次，从配置和编程到启动和文件编制，就可为每个任务使用相同的结果。（3）原有程序和新程序可一起使用。转换程序可将 STEP 5 或 TISOFT 写的原有程序立即转换到STEP 7 。（4）内存丰富的软件工具箱。62) 项目结构程序的组成：在 S7 系列 PLC 中，用户程序是由模块组成的，构成用户程序的块包括：（1）组织块 OB：是操作系统和用户程序之间的界面。操作系统只调用组织块，其他程序块需要用户程序中指令调用，操作系统才会加以处理（扫描）。其中最主要的组织块是 OB1，这是操作系统自动的作循环扫描的唯一的组织模块；其他组织块均需操作系统在特定条件下调用，用户不可以用简单的指令调用组织块。（2）功能 FC 和功能块 FB： 是用户程序中的主要逻辑操作块。组织块负责安排 FC 和 FB 的调用条件和调用顺序。（3）系统功能块 SFB 和系统功能 SFC。（4）数据块 DB：用于记录数据，在数据块中只有数据没有程序。323双氧水灌装计量系统自动化装置设计图 4-1 STEP 7 项目结构Fig.4-1 STEP 7 Project structure4.1.3 STEP 7标准软件包1) 组成STEP 7 是用于 SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC 工业软件的组成部分。 STEP 7 标准软件包包含以下几个部分：标准软件包符号编辑SIMATIC 管理器网络组态（ NETPRO ）硬件组态编程语言硬件诊断LAD FBD STL图 4-2 标准软件包组成Fig.4-2 Standard package comprising符号编辑器：使用 Symbol Editor （符号编辑器），可以管理所有的共享符号。具有以下功能：（1）为过程信号（输入 / 输出）、位存储和块设定符号名和注释；24青岛科技大学本科毕业设计（论文）（2）分类功能。诊断硬件：该能可以提供可编程控制器的状态概况，并显示有关故障的详细信息。信息的范围视各个模板而定：（1）显示关于模板的一般信息（例如，定货号、版本、名称）以及模板状态（例如，故障）；（2）显示中央 I/O和分布式从站的模板信息（例如，通道故障）；（3）显示来自诊断缓存区的报文。对于 CPU，还可显示以下附加信息：（1）用户程序处理过程中的故障原因；（2）显示循环时间（最长的、最短的和最近一次的）；（3）MPI 的通讯可能性及负载；（4）显示性能数据（可能的输入 / 输出、位存储、计数器、定时器和块的数量）。 4编程语言：用于 S7- 300 和S7-400 的编程语言梯形逻辑图 （ Ladder Logic ）、语句表（ Statement List）和功能块图（ Function Block Diagram）都集成在一个标准软件包中。（1）梯形逻辑图（ LAD ）是 STEP 7 编程语言的图形表达方式，它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似。（2）语句表（ STL）是 STEP 7 编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU执行这类程序时则按每一条指令一步一步地执行。（3）功能块图（ FBD ）是 STEP 7 编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。 7硬件组态，可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值，具有以下功能：（1）可以从电子目录中选择一个机架，并在机架中将选中的模板，安排在所需要的槽上；（2）组态分布式 I/O 与组态中央 I/O 一致，也支持以通道为单位的 I/O ；（3）在给 CPU赋值参数的过程中，可以通过菜单的指导设置属性，比如，启动特性和循环扫描时间监控，支持多处理方式。输入的数据保存在系统数据块中。（4）在向模板作参数赋值过程中， 所有可以设置的参数都是用对话框来设置的。没有任何设置使用 DIP开关。参数赋值向模板的传送是在 CPU启动过程中自动完成的。这意味着，例如，模板可以相互交换而无需赋值新的参数。25双氧水灌装计量系统自动化装置设计NetPro（网络组态）：通过 MPI，可以实现使用 NetPro 时间驱动的循环数据传送：（1）选择通讯的站；（2）在表中输入数据源和数据目标：自动生成要下载的所有块（ SDB），并且自动完整地下载到所有的 CPU中。2) 标准软件包的功能标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段，并且包含以下功能：（1）建立和管理项目；（2）对硬件和通讯作组态和参数赋值；（3）管理符号；（4）创建程序，例如为 S7可编程控制器创建程序；（5）下载程序到可编程控制器；（6）测试自动化系统；（7）诊断设备故障。 54.2 双氧水定量包装控制系统的软件设计4.2.1 编制 PLC 的输入输出分配表表 4-1 I/O 分配表Tab.4-1 I/O Allocation Table编号地址说明功能数字输出1Q0.0气动截止阀 V2控制双氧水的输入2Q0.1气动截止阀 V1控制双氧水的输入数字输入1I0.0按钮启动，上升沿有效2I0.1按钮停止，上升沿有效4.2.2 高速计数模块的计数个数的计算根据电磁流量计在出厂时给出的流量系数 （）， =20 表示流过电磁流量计 1L 流体所发出的电脉冲数（脉冲数 /L ）。此时只要作到倒数运算便可得到脉冲当量： P=1/ =50.07710 3 L/ 脉冲，再考虑双氧水的密度， =1. 1kg/L