两种液体混合装置PLC控制系统设计.docx
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两种液体混合装置PLC控制系统设计
摘要
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能价格比。
本系统使用S7-200PLC实现了对液体混合装置的自动控制要求。
同时控制系统利用仿真设备不仅能满足两种液体混合的功能，而且可以扩展其功能满足多种液体混合系统的功能。
提出了一种基于PLC的多种液体混合控制系统设计思路,提高了液体混合生产线的自动化程度和生产效率。
文中详细介绍了系统的硬件设计、软件设计。
其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、输入/输出的分配表及外部接线；软件设计包括系统控制的梯形图、指令表及工作过程。
在本装置设计中，液面传感器和电阀门以及搅动电机采用相应的钮子开关和发光二极管来模拟，另外还借助外围元件来完成本装置。
整个程序采用结构化的设计方法,具有调试方便,维护简单,移植性好的优点.
关键词：
PLC；液体混合装置；程序
1液体混合装置控制系统设计任务
1.1课程设计的目的
在工艺加工最初，把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。
实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合远远不能满足当前自动化的需要。
可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。
充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点：
1）系统自动工作；
2）控制的单周期运行方式；
3）由传感器送入设定的参数实现自动控制；
4）启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。
本系统采用PLC是基于以下两个原因：
1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现。
根据多种液体自动混合系统的要求与特点，我们采用的PLC具有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。
1.2设计内容及要实现的目标
利用西门子PLC的S7-200系列设计两种液体混合装置控制系统。
在实验之前将容器中的液体放空，按动启动按钮SB1后，电磁阀A通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到中限位时，液位传感器I0.0接通，此时电磁阀A断电关闭，而电磁阀B通电打开，液体B流入容器。
当液位达到上限位时，液位传感器I0.1接通，这时电磁阀B断电关闭，同时启动电动机M搅拌。
60分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀C通电打开，放出混合液去下道工序。
当液位高度下降到下限位后，再延时5s电磁阀C断电关闭，并同时开始新的周期。
图1.1两种液体混合装置
2系统总体方案设计
根据设计要求，本系统为两种液体自动混合，需要对各种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。
各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌，则需要电机控制。
对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。
具体控制方法根据题目要求，按下启动按钮时，A种液体进入容器，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入。
搅拌机进行搅拌，一分钟后搅拌均匀，停止搅拌，放出液体。
液体放出达到一定值时停止放出。
液体的进入和放出，需要电磁阀的控制，液面的深度需要传感器的控制。
2.1系统硬件配置及组成原理
在炼油、化工、制药、饮料等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。
我准备设计一个可以将两种食用液体自动混合成饮料的控制装置，两种饮料分别命名为液体A和液体B。
基本的设计硬件如下表所示：
表2.1设计硬件选择
名称
型号
数量
微型计算机
专用计算机
1台
PLC主机单元
西门子S7-200系列
1台
两种液体自动混合单元
配套
1台
通信电缆
配套
若干
图
液体混合控制装置控制的模拟实验面板图如图2.1所示，此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门的打开与关闭以及搅匀电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。
图2.1液体混合控制装置控制的模拟实验面板图
2.2系统接线图设计
表2.2 输入/输出接线列表
面板
SB1
SB2
H
I
L
Y1
Y2
Y3
KM
PLC
I0.3
I0.4
I0.1
I0.0
I0.2
Q0.3
Q0.0
Q0.1
Q0.2
3控制系统设计
3.1估算
首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。
在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。
此时液体控制电磁阀Y1=Y2=Y3=OFF状态；传感器L1=L2=L3=OFF状态；电动机M为关闭状态。
在启动操作中，当装置和液体的都准备好之后，按下启动按钮,开始下列操作:
1）Y1=ON,液体A流入容器;当液面到达L2时,Y1=OFF,Y2=ON;
2）液体B流入,液面达到L1时,Y2=OFF,M=ON,电动机开始进行液体的充分混合搅拌;
3）当混合液体搅拌均匀后（设时间为60s）,M=OFF,Y3=ON,开始放出混合液体;
4）当液体下降到L3时,L3从ON变为OFF,把时间控制为再过5s后容器放空,关闭Y3,Y3=OFF完成一个操作周期;
5）在只要没有按停止按钮的状态下,则自动进入下一个循环操作周期。
在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在当前混合操作周期结束后,才停止操作。
从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始系统的循环。
3.2硬件电路设计
3.2.1液位传感器的选择
选用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系列液位开关可提供非常准确、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°C
（3）触点寿命为100万次
（4）触点容量为70w
（5）开关电压为24VDC
（6）切换电流为0.5A
3.2.2搅拌电机的选择
选用EJ15-3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°C/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。
其硬件接线如图3.1。
图图3.1硬件接线
3.2.3电磁阀的选择
（1）入罐液体选用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：
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°C。
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，动作响应迅速，高频率。
（2）出罐液体选用AVF-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/60Hz DC：
24V。
4）功率：
AC：
5KW。
3.2.4接触器
选用CJ20-10/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
3.3选型
PLC的型号、规格繁多，根据前面3.1的I/O估算，再查阅《西门子PLC编程手册》中的相关表格，确定PLC选型。
根据以上分析，对PLC来说，需要提供5个输入点和4个输出点。
除了以上的输入输出点意外，PLC与计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。
考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。
因此，要按估计数再增加15%―20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。
综上所述，I/O估算为：
输入点点数为8，输出点点数为7。
综上所述，点数在30以内，为方便扩展，选择S7-200系列CPU224型。
3.4分配表设计
在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做的就是将I/O通道分配给PLC的指定I/O端子,具体如表3.1所示。
表3.1I/O分配表
分类
元件
端子号
作用
输
入
SB1
I0.3
起动按钮
SB2
I0.4
停止按钮
L1
I0.1
液面高位传感器
L2
I0.0
液面中位传感器
L3
I0.2
液面低位传感器
输
出
M
Q0.2
搅拌电动机
Y1
Q0.0
液体A流入电磁阀
Y2
Q0.1
液体B流入电磁阀
Y3
Q0.3
放出混合液体电磁阀
3.5外部接线图设计
图3.2PLC外部接线图
图3.3装置操作面板
如图3.2所示，PLC外部接线图左边一排为输入，其中I0.3，I0.1，I0.3，I0.2，I0.4分别与SB1，SB2，L1，L2，L3相连;右边一排为输出，其中Q0.2，Q0.0，Q0.1，Q0.3分别与Y1，Y2，Y3，KM相连。
如图3.3所示起停按钮P1，P2分别与主机的I0.3，I0.4相连，液面传感器P3，P4，P5分别与主机的输入点I0.1，I0.3，I0.2相接，液体A阀门，液体B阀门，混合液体阀门和搅拌机P6，P7，P8，P9分别与主机的输出点Q0.0，Q0.1，Q0.3，Q0.2相连。
3.6控制程序流程图设计
图3.4控制程序流程图
3.7控制程序设计
根据系统的要求及I/O通道分配,写出继电器梯形图，如图3.5所示。
具体设计思路如下：
1）起始操作：
在按启动按钮I0.3之后，使Q0.0得电，打开电磁阀A，从而使液体A流入容器。
2）当液位上升到中限位时：
当液面上升到中限位时,I0.0由OFF变为ON,使Q0.0断电，关闭电磁阀A。
同时使Q0.1得电，打开电磁阀B，从而使液体B流入容器。
3）当液位上升到上限位时：
当液面上升到上限位时,I0.1由OFF状态变为ON状态,使Q0.1断电，关闭电磁阀B。
同时使Q0.2得电，启动搅拌机M。
此时启动定时器T37，60s后T37动作，使Q0.2失电。
4）搅拌均匀后放出混合液体：
在Q0.2的下降沿通过后沿微分指令DIFD使Q0.3置位,打开电磁阀C，开始放出混合液体。
5）当液位下降到下限位时：
当液位下降到下限位时,启动定时器T38,5s后使Q0.3失电，关闭电磁阀C,此时液体已放空。
6）自动循环工作：
在没有按停止按钮I0.4的情况下,系统将在T38的记时时间到了时,使Q0.0置位,自动进入下一操作周期。
从而实现混合液体PLC自动控制的循环工作。
7）停止操作：
当按下停止按钮时,停止按钮I0.4为ON状态,不能使电磁阀A、B、C断开,系统执行完本周期的操作后,将自动停留在初始状态。
使用S7-200西门子简易编程器编入梯形图，如下所示。
图3.5梯形图
3.8创新设计内容
此次设计过程中，我有一些自己的想法。
1）搅拌桶内的液位传感器的可靠性不强，可以试着改为灵敏性强、可靠性高的检测仪器。
避免因为输入液体时，飞溅的液体触碰到液位传感器而导致发出错误信号。
2）在电路中提供一个备用电源，这样做的目的就是保证掉电之后也能使系统完成该周期的工作，从而保证系统在完成当前周期的操作时，停止在初始状态，使容器为空。
以便在恢复电源后能顺利的从第一步开始进行循环。
这样就避免了在混合某些化学物质，比如具有腐蚀性的物质时。
因为掉电，长时间储存在容器中，从而造成对装置的腐蚀或损坏；也避免了引起环境污染的可能。
同时取代了掉电保持这样一个麻烦和考虑不周的过程。
4系统调试及结果分析
4.1系统调试
运用调试程序进行系统静调。
模拟两种液体混合装置的操作过程，对控制程序作一些改动，使之变成可连续运行的调试程序。
具体作法如下：
设PLC进入运行方式后：
经过一定的准备时间，模拟按下启动按钮，Q0.0的指示灯亮；
一段时间后，液面上升到L2位置，Q0.0的指示灯灭，Q0.1的指示灯亮；
一段时间后，液面上升到L1位置，Q0.1的指示灯灭，Q0.2的指示灯亮；
一段时间后，Q0.2的指示灯灭，Q0.3的指示灯亮；
一段时间后，液面低于L3位置，Q0.1的指示灯灭，Q0.0的指示灯亮，当前操作周期结束，自动进入下一个操作周期。
在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，所有运行立即结束。
调试结束。
4.2结果分析
基于以上设计与调试，两种液体混合装置的系统设计基本结束。
测试结果满足课题给定要求。
总结
这次课程设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次这次对“液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病，通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。
电气控制与可编程控制器是一门极其重要的课程，他综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。
在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，PLC技术越来越受人们广泛应用，前景可观，因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次设计中，我们遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处：
1，不太会利用查翻资料。
遇到困难，首先不先查看资料，过多依赖同学和老师的帮助，相对不独立。
2，学习认真程度不够，学习热情不高，基础相对薄弱，掌握知识太少。
3，设计时对时间合理安排上欠妥。
但正是这次设计，让我认识到自己的不足，为以后以后的工作学习找到了方向和前进的动力。
通过这次PLC课程设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的撑握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料或者是请教同学，一次一次的调试程序，最后达到设计要求。
使得我对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
最后通过本次课程设计，使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地位；通过本次课程设计，使我更深刻的理解了PLC的编程思想，也能更好的将所学知识应用到实践中动。
因此学好这门课程对以后的发展有举足轻重的地位。
致谢
短暂的一星期的设计就这么结束了，虽说时间很短暂但学的到的东西很多。
在此感谢***老师的谆谆教导和孜孜不倦的辅导，老师广博的学识、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风深深影响了我，使我终身受益。
同时，在行文过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。
最后，我向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！
参考文献
【1】戚长政《自动机与生产线》科学出版社2004
【2】蔡杏山《零起步轻松学西门子S7-200PLC技术》人民邮电出版社2010
【3】马桂香《电气控制与PLC应用》化学工业出版社2006
【4】何友华《可编程序控制器及常用控制电器》冶金工业出版社2008
【5】肖清《西门子PLC课程设计指导书》化学工业出版社2009
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