基于组态王的PLC自动搅拌机毕业设计.doc
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基于组态王的PLC自动搅拌机毕业设计
柳州职业技术学院
毕业设计（论文）
题目:
基于组态王的PLC物料搅拌机的设计
姓名覃海岸
学号20100205071
专业电气自动化技术
年级2010级
指导教师蓝伟铭
完成时间2012-11-15
柳州职业技术学院毕业设计（论文）
任务书
机电工程系（部）电气自动化技术专业4班学生覃海岸学号20100205071
一、毕业设计（论文）题目：
基于组态王的PLC物料搅拌机的设计
二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期2012年7月10日起至201211月15日止
三、毕业设计（论文）进行地点：
柳州职业技术学院
四、任务书的内容：
目的：
毕业设计是实现高职高专工科学生培养目标的重要的实践性、综合性教学环节。
它是对学生所学知识的综合训练，也是对知识转化为能力的实际测试；对进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力；对培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力；全面提高毕业生的素质，使之能较快地适应工程实践的需要起着极其重要的作用。
任务：
（1）设计一个自动搅拌系统。
并做组态监控
（2）设计电气控制系统主电路和控制电路，具有适合实际操作的控制和显示平台，绘制完整的电路图。
（3）系统由小型PLC控制和组态王监控，使物料能够自动搅拌，编写完整的PLC控制程序，做好功能设置说明。
（4）要有必要的短路、过载、连锁保护。
（5）撰写设计论文，装订成册。
工作日程安排：
第3周（2012.9.24-9.30）：
下达毕业设计任务书，分组明确设计课题，收集参考资料。
第4周（2012.10.1-10.7）：
编制设计方案。
第5周（2012.10.8-10.14）：
方案设计。
第6周（2012.10.15-10.21）：
实施设计任务。
第7周（2012.10.22-10.28）：
整理并撰写毕业设计说明书,完成初稿工作。
第8周（2012.10.29-11.4）：
修改设计说明书，完成定稿工作。
第9周（2012.11.5-11.11）：
交毕业设计,经过审查后准备答辩。
第10周（2012.11.19-11.15）：
毕业设计（论文）审阅评分并进行答辩。
设计（论文）要求：
1、根据所选的课题，要求学生独立完成设计工作，训练学生运用所学专业知识解决工程实际问题的能力。
2、要求学生在通读教材、理解和掌握所学基础知识和基本方法的基础上,查阅相关参考书,吃透每一个知识点,结合内容进行实例分析。
3、要求学生对基本概念要做到深刻理解,对基本原理要弄清弄懂,对基本方法要熟练掌握,通过工程知识和工程技能的综合训练,以达到提高分析问题、解决问题的能力。
4、通过毕业设计，提高学生科研和实际技能水平，提高识图、制图、查阅技术手册，正确运算、文字表达能力和组织管理的能力。
5、培养学生独立工作的能力，进一步巩固和扩展专业知识，提高自学能力和工作适应能力。
6、培养学生严谨求实，理论联系实际的工作作风和严肃认真的科学态度。
学生开始执行任务书日期：
2012年7月10日指导教师签名：
年月日
学生送交毕业设计（论文）日期：
2012年11月15日教研室主任签名：
年月日
学生签名：
年月日
目录
第1章绪论 7
1.1毕业设计的背景及意义 9
1.2毕业设计的内容及目标 11
第2章硬件设计 13
2.1液位传感器的选择 14
2.2搅拌电机的选择 14
2.3电磁阀的选择 15
2.4接触器的选择 16
2.5热继电器的选择 16
2.6PLC的配置及控制系统I/O地址分配 17
2.6.1PLC控制系统设计的一般步骤 18
2.6.2PLC输入输出点的分配 19
2.7电气控制系统原理图 20
第3章软件设计 21
3.1程序框图 21
3.2根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图 23
第4章组态监控系统设计 31
4.1构造数据库 32
4.2建立动画连接 33
4.3组态监控 35
结论 36
谢辞 37
参考文献 38
毕业设计（论文）成绩评定表 39
摘要：
以一种自动搅拌机为例，将某种物料放入反应罐，在电动机搅拌后要达到控制要求才能将物料输出容器，并形成循环状态。
自动搅拌机的设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现自动搅拌功能。
设计以自动搅拌机控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程，旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。
设计采用西门子公司的S7系列PLC200去实现设计要求。
为了安全本设计又用到组态王，按照一定的方法利用组态王形成动态的显示画面，便于观察和故障检修。
关键词：
自动搅拌机，自动控制，PLC，组态
引 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，自动搅拌必不可少的工序，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是易燃易爆、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。
所有为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现自动搅拌控制，从而达到自动的目的，自动搅拌控制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，而自动搅拌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。
本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：
1．使自动搅拌机能够实现安全、高效的工作。
2．运行的各种技术要求。
3．具体内容包括自动搅拌控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。
第1章绪论
1.1毕业设计项目的介绍
可编程控制器（PLC）从上世纪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。
现状PLC已经发展成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功能，是名副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。
整个设计过程是按思想工艺流程设计，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、适用、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。
1.1.1毕业设计的意义
对于本课题来说，如果自动搅拌机部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现状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。
要实现整个自动搅拌系统的设计，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状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毕业设计的内容及目标
1.2.1课题研究的内容
1．理解PLC的编程方法，熟悉并使用PLC完成其他的设计，建立系统逻辑的知识体系。
2．硬件的研究。
用以前所学知识全面系统的对硬件进行设计并设有保护器件。
3．软件的研究。
用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能。
4．以可编程控制器为核心，熟悉并利用组态王软件对其所应用的程序进行模拟动态画面显示。
1.2.2课题研究的目标
1．希望通过这次毕业设计，能够让自己对PLC有更深刻的更系统的了解。
2．综合自己的专业知识，让自己对学过的知识加深印象，进行一次全面性的复习。
3．锻炼动手和动脑的能力，让自己的思维更加的慎密。
4．通过设计要让自己多学一些和本设计有关的知识，以及多种软件的应用和操作。
第2章硬件设计
2.1液位传感器的选择
选用LSF-2.5型液位压力变送器器。
图2-1ZPM3400型压力变送器
ZPM3400经济型压力变送器是硅压传感器与数字补偿修正技术结合的高性能压力变送器，它选用高稳定性和可靠性的压阻式压力传感器及专用IC电路，经过整机温度补偿与性能测试，广泛适用于工业控制、过程检测、化工水文、地质等行业流体压力的检测和控制。
相关元件主要技术参数及原理如下：
测量范围：
0～0.1…6MPa
过载：
1.5倍满量程压力
压力类型：
表压或绝压或密封表压型
压力接口：
M20x1.5外螺纹端面密封
精确度：
优于0.5%FS
长期稳定性：
<0.3%FS/年
工作温度：
-20℃～80℃
贮存温度：
-40℃～120℃
供电电源：
9～32VDC
输出信号：
4～20mADC
传输方式：
二线
负载电阻：
≤（U-8）/0.02Ω
外壳防护：
IP65
作用：
将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号。
压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。
用压力变送器来控制阀门的开和关，当压力变送器收到信号时，会把这个信号转送出去，从而控制阀门的开和关。
2.2搅拌电机的选择
图2-2EJ15-3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2.5KW，采用三角形接法；
2．电动机运行地点的海拔不超过1000m。
工作温度-15~40℃/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。
2.3电磁阀的选择
1．入罐液体选用VF4-25型电磁阀。
图2-3VF4-25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。
（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℃；
（3）使用电压：
AC：
220V50Hz/60HzDC:
24V；
（4）功率：
AC：
2.5KW；
2．出罐液体选用AVF-40型电磁阀。
图2-3-1AVF-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：
220V50Hz/60HZDC：
24V；
（4）功率：
AC：
5KW。
2.4开关电源的选择
图2-4
2.5搅拌叶片的选择
图2-5
搅拌桨叶型号A1A2A3A4A5中心内径Φ12Φ16Φ16Φ20Φ22叶片直径4″6″8″10″12″2.6接触器的选择
选用CJ20-10/CJ20-16型接触器。
图2-6CJ20-10/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10/16（A）；
4．额定电压为380/220（A）；
5．功率为2.5KW。
2.7热继电器的选择
选用JR16B-60/3D型热继电器。
图2-7JR16B-60/3D型热继电器
其中“J”表示继电器，“D”表示带断相保护。
相关元件主要技术参数及原理如下：
1．额定电流为20（A）；
2．热元件额定电流为32/45（A）。
2.8PLC的配置及控制系统I/O地址分配
图2-8控制系统设计的一般步骤
2.9PLC输入输出点的分配
这是一个单体控制的小系统，没有特殊的控制要求，开关量输入点有4个（起动、停止和SL1、SL2、），开关量输出点有3个（YV1、YV2、与M），输入输出点数共为7个。
粗估内存容量约为70个地址单元（7×10=70）即可。
据此，可以选用一般中小型控制器（S7-200CPU221～CPU224），在此选用S7-200的CPU224。
根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数、名称、代码及地址编号
输入设备
输入点编号
输出设备
输出点编号
启动按钮
I0.0
电磁阀YV1
Q0.0
SL1液位传感器
I0.2
电磁阀YV2
Q0.1
SL2液位传感器
I0.3
搅拌机M
Q0.3
停止按钮
I0.1
1．液体混合装置输入/输出接线
该控制系统核心部分是以CPU224为主，CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。
PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。
I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。
PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口，标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。
PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用[2]。
输入/输出接线图
图2-9输入/输出接线
2-9-1压力变送器接线图
2．主电路图
根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图
图2-9-2
第3章软件设计
本设计是利用西门子S-200系列的PLC来进行课题的研究和讨论的。
西门子S7-200是西门子公司小型可编程序控制器。
它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加方便简单，几乎可以完成任何功能的任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承和发挥了它在大型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比高，所以在大规模不大的领域是较为理想的控制设备。
各种PLC都是采用循环扫描的方式进行工作的。
西门子S7-200PLC的工作过程：
PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。
一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段。
各阶段完成的任务如下：
1．公共处理
2．程序执行
3．扫描周期计算处理
4．I/O刷新：
在此阶段，进行I/O刷新
5．外设端口服务
3.1程序框图
PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图3-1表示。
由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输入扫描，循环执行。
程序框图
图3-1程序框图
3.2根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等部件，以完成相应的控制任务。
控制梯形图如下：
第4章组态监控系统设计
4.1构造数据库
在工程浏览器中左边的目录树中选择“数据词典”项，右侧的内容显示区会显示当前工程中所定义的变量。
双击“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框:
图4-1定义变量
构造数据库具体步骤如下：
继续上面的工程。
选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。
此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作，详细变量操作请参见组态王6.51使用手册正式版“变量定义和管理”。
这一章在“变量名”处输入变量名，如：
搅拌机；在“变量类型”处选择变量类型如：
I/O离散，在“连接设备”中选择先前定义好的IO设备：
液体混合；在“寄存器”中定义为：
Q0.1；在“数据类型”中定义为：
Bit类型；其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。
同样其他连接I/O变量也可以用这样的方式获得，下表是我已经定义好的数据库。
4.2建立动画连接
工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，那么它们如何才能反映工业现场的状况呢？
这就需要通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。
数据库变量的变化又如何导致画面的动画效果呢？
通过“动画连接”——所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
这样，工业现场的数据，比如温度、液面高度等，当它们发生变化时，通过I/O接口，将引起实时数据库中变量的变化，如果设计者曾经定义了一个画面图素——比如指针——与这个变量相关，我们将会看到指针在同步偏转。
建立动画连接的具体步骤如下：
继续上面的工程。
双击图形某—对象，可弹出“动画连接”对话框，用鼠标单击“填充”按钮，弹出对话框。
单击“确定”，再单击“确定”返回组态王6.5开发系统。
为了让图形动起来，我们必须对该图形变量进行相应的语言编辑，在编辑之前我们先了解一下我们可能用到的命令语言，命令语言程序的语法与一般C程序的语法没有大的区别，每一程序语句的末尾应该用分号“；”结束，在使用if…else…、while（）等语句时，其程序要用花括号“{}”括起来。
编程语言如需下：
if（\\本站点\电机==1）
{\\本站点\T0=\\本站点\T0+1;
if（\\本站点\T0>=3）{\\本站点\T0=0;}
\\本站点\T1=\\本站点\T1+1;
if（\\本站点\T1>=6）{\\本站点\T1=0;}
\\本站点\T2=\\本站点\T2+1;
if（\\本站点\T2>=9）{\\本站点\T2=0;}
}
if（\\本站点\B阀门==1）
{{\\本站点\A阀门=0;}
\\本站点\流动1=\\本站点\流动1+5;
if（\\本站点\流动1>20）
\\本站点\流动1=0;
\\本站点\反应器=\\本站点\反应器+5;}
if（\\本站点\A阀门==1）
{{\\本站点\B阀门=0;}
{\\本站点\反应器=\\本站点\反应器-5;}
if（\\本站点\反应器==10）
{\\本站点\B阀门=0;}
\\本站点\A阀门=1;
if（\\本站点\A阀门==1）
{\\本站点\流动2=\\本站点\流动2+5;}
if（\\本站点\流动2>20）
{\\本站点\流动2=0;}}
if（\\本站点\反应器==100）
{\\本站点\B阀门=0;}
if（\\本站点\反应器==0）
{\\本站点\流动2=0;}
4.3组态监控
从总体结构上看一般都是由系统开发环境（或称组态环境）与系统运行环境两大部分组成。
系统开发环境是自动化工程设计者为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境，通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。
系统运行环境是将目标应用程序装入计算机内存并投入实时运行时使用的,是直接针对现场操作使用的。
图1
图2
结论
实践证明，本设计所采用西门子S7-200型可编程控制器的硬件配置和程序设计是完全可行的，在实际控制中，由于PLC产品自身具有可靠性高、灵活性强、对工作环境无要求和抗干扰性能好等诸多优点，使之完全可以将操作人员从恶劣的现场环境中解放出来，因此深受用户欢迎。
采用PLC控制液体混合装置，能容易的随时修改可编程控制器程序，以改变液体混合装置的工作时间和工作状态，满足不同液体混合的需要。
该系统控制采用随机逻辑控制，即在以顺序逻辑控制实现液体混合的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及传感器的相应状态适时的控制液体的流入流出的。
程序中还应用了定时器、内部继电器、复位与置位指令来实现液体的自动注入及搅拌和流出。
本文在设计中遇到的困难有就是模拟量的处理和数据的采集，经过老师的指导，知道很好的运用了模拟量的处理方法，对我来说这是一个很大的收获。
在以后遇到的事情要自己先想想什么处理，实在不懂就请别人帮助，在从中学习方法。
在基于PLC多种液体混合控制系统研究中，采用可编程控制器和组态王相结合的方法，本设计已通过模拟仿真检验，可用较少的资金投入，达到很高的控制精度。
由于人力，时间和实验条件限制，本课题所做的研究比较肤浅，所做的工作还比较简单，有待进一步的完善和提高。
致谢词
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