液体自动混合监控系统设计设计.docx

1、液体自动混合监控系统设计设计广东岭南职业技术学院毕业设计（论文） 液体自动混合监控系统设计 学生姓名 梁燕恒 指导教师 谢冠成 专 业 机电一体化 班 级 12机电3班 二级学院 现代制造学院 2014年 11 月液体自动混合监控系统设计摘 要液体自动混合监控系统是基于PLC和组态王来实现自动化监控。PLC简称可编程序控制器，是近年来发展极为迅速，应用极为广泛的一种工业控制设备。它是一种专为工业实现自动化生产而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出完成确定的逻辑顺序、定时、记数、运算和一些确定的功能来控制各种类型的机械或设备生产过程。由

2、于PLC的性能优越，兼顾多种辅助软件。例如：组态王软件，组态王是一个模拟加工现场的一个软件，有最为逼真画面监控。而PLC具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等优点,形成以微电脑为核心的电子控制设备。可编程序控制器技术在世界上己广泛应用，很多工业利用PLC来控制设备。而液体自动混合监控系统是基于PLC和组态王来实现自动化监控。本论文首先介绍PLC的发展及应用，以及它的基本功能和特点。然后鉴于PLC的原理及其优越性，基于PLC控制和组态王监控的液体自动混合，该工程设计可进行单周期或连续工作，正常工作时，至少完成一个周期，该程序具有一定的防止误动作能力。本论文从硬

3、件设计，软件设计，组态王监控设计等方面进行分析，对西门子PLC S7-200系列的应用有一定的指导意义。关键词：可编程控制器，液体混合装置，传感器，画面监控 目录前言随着科技的发展，PLC的开发与应用把工业推向自动化和智能化。具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，还有强大的抗干扰能力使它在工业方面取代了微型计算机，方便的软件编程使他代替了继电器的繁杂连线，灵活、方便，效率高。本设计主要是对两种液体自动混合系统基于PLC控制的设计，在设计中对控制对象：三个传感器监视容器液位，设三电磁阀控制液体A、B输入与混合液体输出液位，设搅拌电机M。搅拌机是一种将两种或多种以上材料搅

4、拌混合的系统，对搅拌机的控制，关系到产品的质量。工艺流程是：按下起动按钮，开始下列操作，打开液体B入口，液体B流入容器；当液面到达液体B液位时，关闭液体B入口；打开液体A入口，液体A流入容器；当液面到达液体A液位时，关闭液体A入口；混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），打开混合液体出口，释放混合液体；当混合液体下降到报警液位时，提示报警信息（监控系统提示“20S后容器将放空！”，PLC控制系统提示红色指示灯），同时继续释放混合液体直到放空。至此，完成一个操作周期；若未按停止按钮，则自动进入下一循环周期；按下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，停止操作，使系统停止于初始状态。 本设计采用的PL

5、C是德国西门子S7系列S7-200的PLC作为液体自动混合系统控制中心，从控制系统的硬件组成，软件选用到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等），以及组态王监控画面设计，旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明 第1章 绪言随着科技的发展和时代的进步，各种工业自动化产业的不断升级，对于工人的素质要求也不断提高。其中生产第一线有着各种各样的自动化加工系统，其中液体混合加工，是其中最为常见的一种。最初工艺加工，把多种原料在合适条件下进行混合加工，其监控或操作由工人进行的，后来多用继电器系统，对顺序或逻辑的操作过程进行半自动化的操作。但是现在随着时代的发展，

6、plc这种新型的控制工具进入了人们的视野，它体积比一般继电器要小、轻,并能代替了以往传统的控制方式，并且与组态王监控系统结合来实现新监控方式，因此大受青睐。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之一,但由于该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

7、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。可编程控制器（ P L C ）是采用微机技术的通用工业自动化装置，能与多种软件结合使用。集散型控制和监控系统改变着工厂自动控制的面貌，对传统产业的技术改造和发展自动化工业具有重大的实际意义。但P L C发展很快，国外P L C产品更新换代更是如此。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器位核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。1.2国内外相关领域的研究现状可编程序控制器(PLC)从起源到现在，因为由于其编程简单、

8、使用方便、维护容易、可靠性高、价格适中等优点，使其迅猛的发展，在冶金、机械、化工、纺织、石油、轻工、建筑、运输等领域得到了广泛的应用。可编程序控制器技术以与CAD/CAM技术、机器人技术并列为现代工业生产自动化的重要技术之一，乃至整个工厂的生产自动化，PLC均担当着重要的角色。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之一,但由于该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。液体自动混合监控系统是基于PLC和组态王

9、来实现自动化监控广泛的应用。综合起来看，由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，液体自动混合监控系统的发展方向有两个：1、PLC朝着简易、小型、价格低廉方向发展。近年来，单片机的出现，促进了PLC向紧凑型发展、体积减小、价格降低、可靠性不断提高。这种PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和规模比较小的自动性控制，如日本立石公司的C60PC20H C20PC40P C40H等。2、组态王软件应朝操作简单、功能齐全、画面逼真和画面二维、三维多元化方向发展。1.3研究意义在国内的许多炼油、化工、制药，尤其是中小企业，其控制系统还是使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制操作。人工控制由于劳动量

10、大、成本高、生产的产品不够精确、安全隐患大、增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的生产设备和试验设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统的控制要求已达不到系统要求。随着大规模、超大规模集成电路的发展以及计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动、模拟控制方向发展。在生产过程和其他产业领域中，可编程序控制技术的应用十分广泛,在自动控制的设备中, 可编程序控制比传统的控制方法使用得更为普遍。随着科学技术日新月异的发展,特别是大规模集成电路的问世和微型处理机技术的应用,使可编程序控制技术进入了一个崭新的阶段，因此为了了解和学习这些

11、重要技术已是必不可少。1.4研究内容本论文研究的是两种液体的混合，具体设计内容和控制要求如下设计内容：1）利用PLC实现现场控制，要求对两种液体A和B，在容器内按照1:2的比例进行混合搅拌，装置结构如图所示。图1-1混合液体控制装置结构图2）利用组态王组态远程监控系统，通过监控画面远程显示实时动态数据，要求系统控制既可以通过按钮进行现场控制，又可以通过监控画面进行远程控制。控制要求：1）初始状态：各阀门关闭，容器内无液体，搅拌器不工作。 2）起动操作：按下起动按钮，开始下列操作：打开液体B入口，液体B流入容器；当液面到达液体B液位时，关闭液体B入口；打开液体A入口，液体A流入容器；当液面到达液

12、体A液位时，关闭液体A入口；混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），打开混合液体出口，释放混合液体；当混合液体下降到报警液位时，提示报警信息（监控系统提示“20S后容器将放空！”，PLC控制系统提示红色指示灯），同时继续释放混合液体直到放空。至此，完成一个操作周期；若未按停止按钮，则自动进入下一循环周期。3）停止操作：按下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，停止操作，使系统停止于初始状态。 第2章 液体混合控制的硬件设计2.1液体混合装置结构及控制要求下图为混合液体控制装置示意图，Y2为B液体液位传感器，Y3为加入A液体后混合液体液位传感器，Y1为剩余100时液面液位传感器，液体A、B进料与混

13、合液体出料由电磁阀F1、F2、F3控制,搅拌电动机由F4电磁阀控制，报警由电磁阀F5控制，M为搅匀电动机。图2-1混合液体控制装置示意图2.2 硬件选用2.2.1选择接触器1 选用CJX21810，220V型接触器，如图2-2所示： 图2-2 CJX21810，220V型交流接触器其中“C”表示接触器，“J”表示交流，2为设计编号2 用途CJX2系列交流接触器(以下简称接触器)适用于交流50Hz 或 60Hz，压至660V，额定绝缘电压至660V；电流1895A（380V、AC-3使用类别）的电力线路中供远距离接通或分断电路之用，可频繁地起动及控制交流电动机。适用于控制交流电动机的起动、停止及

14、反转。3 工作条件 海拔高度不超过2000米；周围环境温度：-5+40；空气相对湿度：在40时不超过50%，低温时允许有较大的相对湿度；大气条件：没有会引起爆炸危险的介质，也没有会腐蚀金属和破坏绝缘的气体和导电尘埃 。安装位置：安装面与垂直面的倾斜度不超过5；在无显著摇动和冲击的地方；在没有雨雪侵袭的地方；控制电压允许变动范围：85%110%US。2.2.2选择搅拌电机三相异步电动机应用非常广泛，因而正确的选择电动机显得极为重要。三相异步电动机的选择包括它的功率、电压和转速等。1 功率选择 合理选择电动机的功率是运行安全的可靠保证。所选电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。 1). 连续运

15、行电动机功率的选择 原则：对于连续运行的电动机，若负载是恒定负载，先算出生产机械的功率，所选电动机的额 定功率稍大于或等于生产机械功率（即若负载是变化的，计算比较复杂，通常根据生产机械负载的变化规律求出等效的恒定负载，然后选择电动机）。 2). 短时运行电动机功率的选择 原则：通常是根据过载系数来选择短时运行电动机的功率。 （原因由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，过载可以愈大。但电动机的过载是受限制的）。电动机的额定功率是生产机械所要求功率的1/。2 电压和转速的选择 电压等级选择原则：要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列笼型电动机的额定电压用380V

16、；Y90S-4转速为1500r/min。 转速选择原则：根据生产机械的要求而选定。图2-3 电动机型号为Y90S-4/1.1KWY系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准。采用B级绝缘、外壳防护等级为IP44，冷却方式IC418. 2.2.3选择断路器图2-4 施耐德EA9RN2C6330C断路器适用范围：交流50Hz额定工作电压至380V额定电流至63A额定短路分断能力不超过6000A的配电线路中作为过载和短路保护之用，亦可作为线路不频繁通断操作与转换之用，断路器符合GB10963.1标准。2.2.4

17、选择液位传感器选用LSF-2.5型液位传感器（图2-5） 图 2-5 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1

18、25；3. 触点寿命为100万次；4. 触点容易为70W；5. 开关电压为24VDC；6. 切换电流为0.5A。2.2.5选择电磁阀1 电磁阀的选用VF4-25型如图2-6所示：图2-6 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： l) 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-20一60； 3). 使用电压：AC:220V50HZ/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

19、响应迅速，高频率。2.3 S7-200的CPU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5点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。由于输入输出数比较少，所以我们的PLC控制器选用西门子的S7-200，CPU为224的模块就足够了。1下图为S7-200PLC的结构分布示意图：图2-7 S7-200PLC的结构分布示意图S7-200的工作环境要求为： 0C55C，水平安装 0C45C，垂直安装 相对湿度95%，不结露 西门子还提供S7-200的宽温度范围产品（SIPLUSS7-200）： 工作温度范围：-25C+70C 相对湿度：55C时98%，70C时45% 其

20、他参数与普通S7-200产品相同2 S7200 PLC运行示意图图2-8 S7-200PLC的运行示意图3 S7200 PLC结构 S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC， 在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序。，下图为PLC控制液体混合的示意图。图2-9 PLC控制液体混合的示意图4 下图为S7-200的扫描工作过程图2-10 S7-200的扫描工作过程 如图S7-200的扫描工作过程知，PLC可自动检测I/O口是否出错，CPU可强制为STOP，但是本设计，出错后报警，报警灯要闪烁

21、，所以不能强制为STOP，只能用程序控制停止程序。第3章 液体混合装置的控制的软件设计3.1控制要求及分析：1.初始状态各阀门关闭，容器内无液体，搅拌器不工作。2.起动操作按下启动按钮后，装置开始按下列规律运行：1)打开液体B入口，液体B流入容器；当液面到达液体B液位时，关闭液体B入口；打开液体A入口，液体A流入容器；当液面到达液体A液位时，关闭液体A入口；对1）的分析，由于B液体电磁阀动作两次，分别表示注入B液体和停止B液体的注入，所以为了便于分析，用停止注入B液体作为注入A液体的顺序开关。而用初始状态结束作为注入A液体的顺序开关。2)混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），打开混合液体出口，

22、释放混合液体；对2）的分析：由于初始状态也有混合液体电磁阀的动作，所以用搅拌结束作为第二次混合液体电磁阀的动作的顺序开关。3)当混合液体下降到报警液位时，提示报警信息（监控系统提示“20S后容器将放空！”，PLC控制系统提示红色指示灯），同时继续释放混合液体直到放空。至此，完成一个操作周期；对3）的分析：假设是在液面降到100时，提示报警信息（监控系统提示“20S后容器将放空！提示红色指示灯亮，20S之后，混合液体停止排放。3报警当系统发生故障时，报警灯闪烁，停止混合系统运行。对报警的分析：停止混合系统运行可视为，停止所有操作。下图为两种液体混合装置的流程图：图 3-1 液体混合程序流程图3.

23、2两种液体混合装置的输入/输出分配在确定了控制对象的控制任务和选择好PLC的机型后，即可安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址编号。分配I/O地址时要注意以下问题：1、设备I/O地址尽量连续；2、相邻设备I/O地址尽量连续；3、输入/输出I/O地址分开；4、每一框架I/O地址不要全部占满，要留有一定的余量，便于系统扩展和工艺流程的改，但不宜保留太多，否则会增加系统成本；5、充分考虑控制柜与控制柜之间、框架与框架之间、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。因此系统输入输出分配如下：表3-1 输入分配表输入地址对应元件对应外部设备I0.0SB1启动按钮I0.

24、1SB2停止按钮M0.0SL0B液体注入液位到达状态M0.1SL1A液体注入液位到达状态M0.2SL2搅拌完成状态M0.3SL3混合液体排出至100状态表3-2 输出分配表输出地址对应元件对应外部设备Q0.0F1B液体进料电磁阀Q0.1F2A液体进料电磁阀Q0.2F3混合液体出料电磁阀Q0.3F4搅拌电磁阀Q0.4F5报警电磁阀表3-3 定时器分配表定时器定时时间作用T3720S注入B液时间T3810S注入A液时间T3910S搅拌时间T4010S放液至Y1T4120S报警指示灯时间3.3两种液体混合装置的输入/输出接线图图3-2 两种液体混合装置的输入/输出接线图3.4两种液体混合装置的梯形图

25、图3-3 两种液体混合装置的梯形图其工作过程分析：1. 起动操作I0.0为启动按钮F1为B液体进料电磁阀T37为注入B液时间，定时20S则按下启动按钮，开始注入B液，20S后，关闭B液体进料电磁阀F2为A液体电磁阀 SL0为B液体注入液位到达状态T38为注入A液时间，定时10S则B液体注入液位到达完成后，A液体电磁阀打开，注入A液体，到设定液位关闭A液体电磁阀，停止注入A液体。 SL0为A液体注入液位到达状态F4为搅拌电磁阀T39为搅拌定时器，定时10S 则注入A液体，到设定液位关闭A液体电磁阀，停止注入A液体，搅拌电磁阀打开，开始搅拌混合液体。10S之后，停止搅拌。F3为混合液体排出阀 T4

26、0为混合液体排出至100时的时间，定时10S3 报警F5为报警电磁阀T41为报警提示显示时间定时器，定时20msI0.1为停止输入当混合液排出到100时，报警电磁阀打开，显示提示“20S将排完”按下停止，将停止一切运作。第4章 液体混合装置的控制的组态王监控设计4.1组态王选择组态王6.53（64点）版号6.5.3.31版权 北京亚控科技发展有限公司4.2组态画面监视设计1 主画面设计图 4-1 两种液体混合设计组态王主画面 如上图所示，可显示反应罐B注入的B液体的体积，与反应罐A注入的A液体的体积，以及反应罐混合液体体积。而报警画面可自动跳出。2 画面数据设置如下图图 4-2画面数据设置如上

27、图，A液位，B液位及反应液位都为I/O实数，只读，并且设置了报警的数值最大值，具体见下图。图 4-3 A原料罐液位数据设置图 4-4 B原料罐液位数据设置图 4-5 反应罐液位数据设置数据设置好之后，可关联画面，关联的是模拟值输出，如下图图4-6 图中模拟值输出设置图3 报警画面的设置如下图图4-7 报警画面设置图画面显示可通过主画面的命令语言显示，如下图，有报警，显示报警画面，报警确认后，重新显示主画面。图4-8 主画面与报警画面转换的设置图报警是由报警数据实现的，如下图，本站点原料罐液位1.Hilimit=290 ，优先级为10本站点原料罐液位2.Hilimit=290 ，优先级为5本站点

28、反应罐液位1.Hilimit=390 ，优先级为1根据实际情况，只需设计最高至报警，而报警优先级反应（及混合液体）优先级最高，A原料罐液位优先级最低。图 4-9 A液位 B液位 反应（反应罐液位）报警设置历史报警设置如下图图4-10 历史报警设置图第5章 系统常见故障分析及维护 5.1 系统常见故障分析及维护系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC内部故障和现场生产控制设备的外部故障两大部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/0模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口、现场控制检测设备如继电器、接触器、阀门、电动机等。发生故障比例分布图如下：图

29、5-1 系统故障比例分布图5.2 PLC故障分析及处理5.2.1 PLC的I/O端口故障分析及处理PLC最大故障的薄弱环节在I/0端口，在PLC主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块是体现PLC性能的关健部份，它也是PLC损坏的突出环节。为了减少I/O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。5.2.2 PLC主机系统内部故障分析及处理目前PLC的主存储器大多采用可读写ROM，其使用寿命除了主要与制作水平相关外，还与底板的供电、CPU模块制作水平有关。PLC的中央处理器大多都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。PLC主机系统容易发生

30、故障的部位一般在电源系统，电源在连续工作，电流和电压的波动冲击是不可避免的。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会使局部印刷板、底板、接插件接口等处的总线损坏，随着空气温度变化和湿度变化的影响下，总线的塑料老化是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候应考虑到空气、尘埃、紫外线、磁场等因素对设备的破坏。关于PLC主机系统的内部故障的预防及处理主要是提高控制人员的管理水平，加装降温设施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。5.2.3 现场控制设备故障分析及处理在整个过程控制系统中最容易发生故障地的地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面。1故障点是在继电器、接触器。电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品自本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易产生火花或氧化，然后发热变形直至不能使用。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。2.故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动