液体混合装置的控制系统设计.docx

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液体混合装置的控制系统设计

机电工程学院

课程设计说明书

设计题目：

液体混合装置的控制系统设计

学生姓名：

学号：

专业班级：

机制F09

指导教师：

2012年12月14日

内容摘要

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。

本文所介绍的多种液体混合的PLC控制程序可进行单周期或连续工作，具有断电记忆功能，复电后可以继续运行。

另外，PLC还有通信联网功能，再通过组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。

关键词：

PLC；液位传感器；定时

目　录

前　言

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。

但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至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PLC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，尤其见于化学工业中，便于学以致用。

计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。

1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。

这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。

该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），简称PLC（有的称为PC）,并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外技术人员和工商业界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

采用基于PLC的控制系统来取代园林单片机、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有很大的帮助，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，因此具有广阔是市场前景。

用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于两种液体混合装置的设计的控制，对学习与实用是很好的结合。

第1章液体自动混合系统方案设计

1.1方案设计原则

整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。

设计原则主要包括：

工作条件：

工程对电气控制线路提供的具体资料，系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用，减小设备成本。

在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。

控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。

对于本课题来说，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。

对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。

从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量。

系统的可靠性要高。

人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。

要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2系统的整体设计要求

在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：

1.混合过程：

开始排放混合液体阀打开放完液体后自动关闭，A液体阀YV1打开，注入A液体。

当液面上升到SL2时，关闭A液体阀YV1，同时注入B液体阀YV2打开，注入B液体。

当液面上升到SL3时，关闭B液体阀，并开始定时搅拌，搅拌1分钟后停止。

2.停止过程：

停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到SL1时，开始计时到2秒后关闭排气阀YV3。

一个循环结束。

3.本设计使用液位H、I、L3个传感器、控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。

1.3控制系统的设计

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。

1.3.1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。

1.3.2单片机控制

单片机作为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。

1.3.3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，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。

1.3.4可编程序控制器控制

可编程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制和设计外部接线图，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。

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PLC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。

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，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，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

根据本控制系统的控制要求应该选择可编程序控制器控制。

第2章液体自动混合系统的硬件设计

2.1硬件选型

2.1.1PLC机型选择

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述。

1．结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。

2．功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

3．机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。

由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。

若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。

物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

4．是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。

离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

5．PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：

温度：

工作温度0～55℃，最高为60℃

储存温度：

-40℃～＋85℃

湿度：

相对湿度5%～95%（无凝结霜）

振动和冲击：

满足国际电工委员会标准

电源：

交流220V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz

瞬间停电保持l0ms

环境：

周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

2.1.2PLC容量选择

PLC容量包括两个方面：

一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。

PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。

根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。

对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。

通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。

计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。

各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。

I/O点数也应留有适当裕量。

由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。

根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。

2.1.3I/O模块的选择

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。

它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。

同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。

外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。

PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。

为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。

根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。

1．确定I/O点数

I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。

对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。

2．开关量I/O

标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。

典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。

3．选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：

一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。

一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。

如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。

二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。

一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。

4．选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：

一是输出方式选择。

输出模块有三种输出方式：

继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。

其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。

但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交／直流负载。

当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。

晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。

感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。

二是输出电流的选择。

模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。

对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。

三是允许同时接通的输出点数。

在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。

2.1.4电源模块的选择

电源模块的选择一般只需考虑输出电流。

电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。

以下步骤为选择电源的一般规则：

1．确定电源的输入电压；

2．将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；

3．I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：

1）框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；

2）当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。

4．如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；

1）列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；

2）将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤。

5．在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。

6．根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。

具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。

PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然使用场合也有所不同。

因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技术经济指标意义重大。

因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑：

1）合理的结构形式

2）安装方式的选择

3）相当的功能要求

4）系统可靠性的要求

综上所述，根据控制系统要求选择S7-200系列PLC，S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC，本机自带RS−485通信接口，内置电源和I/O接口，它的结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统的理想控制设备。

2.2PLCI/O点分配

2.2.1控制系统I/0数量

通过分析控制任务，共需要6个数字量输入和4个数字量输出，CPU型号可以选择S7-200PLC的CPU222（本机上有8个数字量输入和6个数字量输出）。

SL1（L）、SL2（I）、SL3（H）为3个液位传感器，液体淹没时接通。

进液阀QO.1、QO.2分别控制A液体和B液体进液，出液阀Q0.4控制混合液体出液。

该系统所使用的输入输出设备的I/O分配如表2-1所示。

表2-1输入和输出设备I/O分配表

控制信号

信号名称

元件名称

元件符号

地址编码

输入信号

启动信号

常开按钮

SB1

I0.0

停止信号

常开按钮

SB2

I0.1

液位传感信号L

液位传感器

SL1

I0.2

液位传感信号I

液位传感器

SL2

I0.3

液位传感信号H

液位传感器

SL3

I0.4

初始化信号

转换开关

QS

I0.5

输出信号

电动机M控制信号

线圈

KM

Q0.0

电磁阀YV1控制信号

电磁阀

YV1

Q0.1

电磁阀YV2控制信号

电磁阀

YV2

Q0.2

电磁阀YV3控制信号

电磁阀

YV3

Q0.4

2.2.2PLC的I/O接线图

根据表2-1及I/O分配表画出图2-1I/O接线图如下：

图2-1I/O接线图

2.3主电路的设计

根据以上所选的器件可画出其硬件电气原理图如图2-2所示。

其中本次设计中的混合液体搅拌由电动机M驱动。

该电路带有短路保护、过载保护、失压零压保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能，过载保护由FR热继电器来实现其保护功能，失压零压保护功能由接触器来实现其保护功能。

图2-2主电路

第3章液体自动混合系统的软件设计

3.1程序设计的一般方法

3.1.2经验设计法

经验设计法也叫凑试法。

在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。

这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。

经验设计法的具体步骤如下：

1．确定输入/输出电器；

2．确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；

3．做出系统动作工程流程图；

4．选择PLC指令并编写程序；

5．编写其它控制要求的程序；

将各个环节编写的程序联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。

3.1.2逻辑设计法

工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。

而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：

断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。

该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。

在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。

3.1.3顺序设计法

对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。

顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。

在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。

功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。

综上所述，本控制系统采用顺序设计法设计。

3.2PLC控制的相关流程图

3.2.1控制流程图

液体混合动作的循环过程为：

开阀门YV1−关阀门YV1−开阀门YV2−关阀门YV2−搅拌−定时−放液体−定时−关阀门YV3−开始下一个循环。

系统的控制流程图，如图3-1所示。

图3-1控制流程图

3.3可编程控制器梯形图

标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点

1.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线，左边画输入、右边画输出。

2.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

3.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。

4.内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

5.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当作条件使用。

梯形图的编制采用STEP7−Micro/WIN32软件，STEP7−Micro/WIN32软件是西门子S7−200PLC的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态，该软件具有Windows应用软件的通用界面,易学易用。

梯形图分析：

1.初始状态当装置投入运行时，转动转换开关QS（即I0.5得电），进液阀QO.1、QO.2关闭，出液阀QO.4打将容器中的残存液体放空后关闭。

2.控制过程如下：

（1）启动电源，按下启动按钮SB1，中间继电器M0.0接通，使Q0.1接通，即A液体阀门打开，流入A液体，液体B阀门关闭，当液体达到传感器SL2的高度，SL2发出信号，切断YV1接通YV2。

（2）YV2接通，即Q0.2接通，流进液体B，当液位高度达到SL3，SL3发出信号，关断YV2，接通Q0.0，使得电动机M得电。

（3）M得电接通，搅拌液体，使之混合，搅拌1分钟后，切断电动机M，同时接通YV3即排放阀接通。

（4）当液面下降到SL1处时再过2秒，放液阀门YV3关闭，开始下一个循环周期。

（5）当按停止按钮SB2，系统停止工作。

第4章系统调试

根据所设计搅拌控制系统的梯形图，选用STEP7−Micro/WIN32软件进行调试。

本次设计的梯形图运行状态监控调试图如下：

当装置投入运行时，转动转换开关QS（即I0.5得电），进液阀QO.1、QO.2关闭，出液阀QO.4打将容器中的残存液体放空后关闭。

按下启动按钮SB1（即I0.0得电）,M0.0得电自锁