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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PLCS7-200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PLC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，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（PLC）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PLC发展很快，国外PLC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、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C60P\C20H\C20P\C40P\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：
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；
②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；
③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；
④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；
⑤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2-2CJX21810，220V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18～95A（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λ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/λ。
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；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-4/1.1KW
Y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选择液位传感器
选用LSF-2.5型液位传感器（图2-5）
图2-5LSF-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125℃；
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2-6VF4-25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/60HZDC:
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。
2.3S7-200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2-7S7-200PLC的结构分布示意图
S7-200的工作环境要求为：
0°C－55°C，水平安装
0°C－45°C，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（SIPLUS S7-200）：
工作温度范围：
-25°C－+70°C
相对湿度：
55°C时98%，70°C时45%
其他参数与普通S7-200产品相同
2S7－200PLC运行示意图
图2-8S7-200PLC的运行示意图
3S7－200PLC结构
S7-200CPU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2-9PLC控制液体混合的示意图
4下图为S7-200的扫描工作过程
图2-10S7-200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，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，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
3.2两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
I0.0
SB1
启动按钮
I0.1
SB2
停止按钮
M0.0
SL0
B液体注入液位到达状态
M0.1
SL1
A液体注入液位到达状态
M0.2
SL2
搅拌完成状态
M0.3
SL3
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
Q0.0
F1
B液体进料电磁阀
Q0.1
F2
A液体进料电磁阀
Q0.2
F3
混合液体出料电磁阀
Q0.3
F4
搅拌电磁阀
Q0.4
F5
报警电磁阀
表3-3定时器分配表
定时器
定时时间
作用
T37
20S
注入B液时间
T38
10S
注入A液时间
T39
10S
搅拌时间
T40
10S
放液至Y1
T41
20S
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
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
T40为混合液体排出至100时的时间，定时10S
3报警
F5为报警电磁阀
T41为报警提示显示时间定时器，定时20ms
I0.1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4-3A原料罐液位数据设置
图4-4B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\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4-9A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5-1系统故障比例分布图
5.2PLC故障分析及处理
5.2.1PLC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。
5.2.2PLC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
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