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溶液混合装置控制系统设计
内容摘要
液体混合装置在工业生产中扮演着重要的角色，保障液体混合装置安全、可靠的运转，并提高该系统的自动化水平是本次设计的首要目标。
随着PLC技术的日趋完善以及PLC在实际工程自动化控制领域中所表现出来的高可靠性、高稳定性等优点逐渐显现，其在自动化控制领域的应用也越来越广泛。
将PLC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，为搅拌机械可靠、安全、有序的工作提供了强有力的保障。
本文所介绍的两种液体混合装置的PLC控制程序可进行连续自动循环工作，在设计的过程中充分进行了设备运行的可靠性分析，并辅助以高分辨率的光电液位传感器严格控制所注入的两种液体的比列，严格保证混合溶液的质量，为后续工序的进行奠定良好的基础。
同时，PLC所具有的高稳定性和高可靠性可确保该装置长期连续运行，减少了线路检修和维护的时间，大大提高了生产效率。
关键词：
可编程序控制器PLC；液体混合装置；自动化控制
第1章引言1
1.1液体混合装置在工业生产中的应用1
1.2液体混合装置的PLC自动化控制1
第2章总体方案设计3
2.1总体方案论证3
2.2系统硬件配置及组成原理4
2.3系统可靠性设计5
第3章PLC控制系统设计6
3.1控制要求分析6
3.2主电路的设计7
3.3确定I/O数量，选择PLC类型8
3.3.1I/O数量的确定8
3.3.2PLC类型的选择8
3.4I/O点的分配与编号9
3.5控制流程图9
第1章引言
1.1液体混合装置在工业生产中的应用
溶液混合装置在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。
化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。
溶液混合装置的作用不外乎：
①使物料混合均匀。
②使气体在液相中很好地分散。
③使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮。
④使不相溶的另一液相均匀的悬浮或充分乳化。
⑤强化相间的传质（如吸收等）。
⑥强化传热。
对于均匀相反应，主要是①、⑥两点。
混合的快慢，均匀程度和传热情况好坏，都会影响反应结果。
至于非均相系统，则还影响相界面的大小和相间的传质速度，情况就更复杂，所以搅拌情况的改变，常很敏感地影响到产品的质量和数量。
生产的这种例子几乎俯拾皆是。
在溶液聚合和本体聚合的液相聚合反应装置中，搅拌的主要作用是：
促进釜内物料流动，使反应器内物料均匀分布，增大传质和传热系数。
在聚合反应过程中，往往随着转化率的增加，聚合液的粘度也增加。
如果搅拌情况不好，就会造成传热系数下降或局部过热，物料和催化剂分散不均匀，影响聚合产品的质量，也容易导致聚合物粘壁，使聚合反应操作不能很好地进行下去。
在互不相溶的液体之间或液体和固体相互作用时，搅拌在加速反应的进行方面起着非常重要的作用。
因为增加一物相混入另一物相的速度，接触面就会增大，物质就以较大速度相互作用。
在某些情况下，搅拌是在反应过程中创造良好条件的一个重要因素。
例如，使传热作用加强，减少局部过热，以及避免加热过程中物质焦化等。
如高压聚乙烯生产中，由于搅拌器的作用，使反应器内有一定的停留时间，更重要的是使催化剂在器内分布均匀，以防止局部猛烈的聚合作用造成爆炸。
因此溶液混合装置在工业生产中起着非常重要的作用。
溶液混合装置使用历史悠久，应用范围广，但对搅拌操作的科学研究还很不够。
但对搅拌操作看来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。
对于搅拌器型式的选择，从工艺的观点以及力学观点来说，迄今都是研究不够的。
1.2液体混合装置的PLC自动化控制
随着生产自动化水平的不断提高，人们对机械设备的可靠性、可操作性和宜人性提出了更高的要求。
自1969年美国数字公司研制的第一台可编程控制器（PLC）在通用汽车自动化生产线上投入使用以来，PLC在工业自动化控制领域表现出来的突出优点使其迅速在市场上得到了推广和应用。
近年来，随着电子技术和微电子技术的高速发展，PLC的性能价格比更是得到大幅度提高，这也为PLC的普及奠定了良好的基础。
本设计要求用PLC控制溶液混合装置的自动化运行，按下起动按钮后，电磁阀YV1通电打开，开始向容器里注入液体A，当液面到达液位传感器L时，传感器L状态变为ON、A液体继续注入，直到液面到达I时，液位传感器I状态变为ON，使电磁阀YV1断电，同时电磁阀YV2通电打开，即关闭阀门YV1，停止注入A液体，同时打开电磁阀YV2，开始注入B液体，当液面到达液位H时，关闭电磁阀YV2，停止注入B液体,同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌1min后，液体均匀，电动机停止搅拌，打开电磁阀YV3，放出混合液体。
当液面低于液位传感器L时，再过2S，待容器中的混合液体全部放空后，关闭电磁阀YV3，同时自动开始新的循环周期。
本设计优先考虑选用PLC控制取代传统的继电器—接触器控制，辅助以高分辨率的光电液位传感器实时监控容器内液位的高度，同时选用具有高通流能力的电磁阀作为溶液的注入与流出的开关。
在系统正常运行的过程中采取一系列的可靠性设计，为溶液按比例充分混合提供保障。
第2章总体方案设计
2.1总体方案论证
本设计要求完成两种溶液混合装置的自动控制，目前在自动化控制领域常用的控制方式主要有：
继电器-接触器控制系统、可编程序控制器控制、总线式工业控制机控制、分布式计算机控制系统、单片机控制。
对于两种溶液混合装置的自动控制系统初步选定采用继电器-接触器控制和可编程序控制器控制。
可编程序控制器与继电器-接触器控制系统的区别：
继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。
可编程序控制器的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和术语，仅个别之处有些不同，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也相同。
但是可编程序控制器与继电器-接触器控制系统又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。
1、控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，并利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电器等组合成控制逻辑，接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点有限，每个继电器只有4-8对触点，因此其灵活性和可扩展性都很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要想改变控制逻辑，只需改变程序即可，因此PLC常称为“软接线”，其灵活性和扩展性都很好。
2、工作方式
电源接通时，继电器控制线路中的各继电器同时都处于受制状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因某种条件限制不能吸合，因此它属于并行工作方式。
而在PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的先后顺序计算得出的，因此它属于串行工作方式。
3、可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，且触点在开闭时会受到电弧的损害，并且有机械磨损，寿命短，因此其可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，其体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
4、控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作时间一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，属于无触点控制，速度极快，一般一条指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。
5、定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，容易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
而PLC使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可以根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。
6、设计和施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，其弊端越突出。
而PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器-接触器控制系统优异，特别是其可靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。
并且近年来随着电子技术的飞速发展，PLC的成本在不断下降。
综合考虑以上各种因素，对两种溶液的混合装置的自动化控制选用PLC控制系统。
2.2系统硬件配置及组成原理
图2-1为系统组成框图。
本溶液混合装置控制系统主要硬件为S7—200系列PLC。
PLC采用循环扫描的工作方式，对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符号后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
图2-1系统组成框图
该系统的工作过程为：
当按下启动按钮后，各控制信号的状态在PLC的输入采样阶段被存入PLC内部的I区，然后PLC逐条执行程序，在输出刷新阶段将I区的状态输出到Q区，Q区的状态控制各继电器线圈，进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。
2.3系统可靠性设计
PLC本身具有体积小、寿命长、可靠性高等优点。
此外，PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
在本设计中，除了充分利用PLC自身的高可靠性外，在控制程序编制方面也充分考虑提高系统的可靠性，并提出了以下可靠性要求：
（1）在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，必须完成一个完整的循环才能停车。
（2）在溶液混合装置工作的过程中，再次按下启动按钮该装置不会再次启动，必须按下停止按钮后，才能再次启动。
（3）若PLC在工作过程中突然断电，各被控对象不会自行动作。
1第3章PLC控制系统设计
3.1控制要求分析
该溶液混合装置的结构简图如图3-1所示，该装置有三个液位传感器：
L为低液位传感器，I为中液位传感器，H为高液位传感器。
当液位到达某传感器的位置时，该传感器就会发出ON信号，若低于传感器位置时，传感器就变为OFF状态。
图3-1溶液混合装置结构图
该系统有三个电磁阀：
YV1为注入A液体电磁阀，YV2为注入B液体电磁阀，YV3为混合液体输出电磁阀，当电磁阀为ON状态时，阀门打开；为OFF状态时，阀门就关闭，通过阀门的开和闭来实现液体的流入和流出。
M为搅拌电动机，当继电器线圈KM得电时，搅拌电动机运行；当继电器线圈KM失电时，搅拌电动机停止工作。
该系统的初始状态为：
起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，液位传感器L、液位传感器I、液位传感器H均为OFF状态，搅拌电动机M也处于OFF状态。
操作工艺：
搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门YV1打开，开始向容器里注入液体A，当液面到达传感器L时，传感器L状态变为ON、A液体继续注入，直到液面到达I时，传感器I状态变为ON，使电磁阀YV1断电，同时电磁阀YV2通电打开，即关闭阀门YV1，停止注入A液体，同时打开阀门YV2，开始注入B液体，当液面到达液位H时，关闭电磁阀YV2，停止注入B液体,同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌1min后，液体均匀，电动机停止搅拌，打开电磁阀YV3，放出混合液体。
当液面低于液位传感器L时，再过2S，待容器中的混合液体全部放空后，关闭电磁阀YV3，同时自动开始新的循环周期。
若在工作中按下停止按钮。
搅拌器不会立即停止工作，只有当混合搅拌操作结束后才能停止工作，即停在初始状态。
3.2主电路的设计
图3-2为该液体混合装置的主电路，根据设计要求该液体混合装置的主电路需要实现让搅拌电动机安全可靠的工作。
在主电路中各元器件的功能为：
选用组合开关作为电源的引入开关，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护，用热继电器作为过载保护。
图3-2主电路图
3.3确定I/O数量，选择PLC类型
3.3.1I/O数量的确定
在该控制系统中，输入信号有：
启动按钮输入信号、停止按钮输入信号、初始排空信号、液位传感器L输入信号、液位传感器I输入信号、液位传感器H输入信号；输出信号有：
注入A液体信号、注入B液体信号、混合溶液释放信号、电动机驱动信号。
所以，该控制系统共有6个输入信号，4个输出信号。
3.3.2PLC类型的选择
可编程控制器用于对外部设备进行控制时，外部信号的输入、PLC运算结果的输出都要通过PLC输入/输出端子来进行接线，输入/输出端子的数目之和被称为PLC的输入/输出点数，简称I/O点数。
由I/O点数的多少可将PLC分成小型PLC、中型PLC和大型PLC。
小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。
它可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制，可代替继电器-接触器控制系统在单机或小规模生产过程中使用。
中型PLC的I/O点数在256—1024之间，其功能比较丰富，兼有开关量和模拟量控制功能，适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程的控制。
大型PLC的I/O点数在1024点以上，用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。
PLC按结构形式可分为整体式和模块式两种。
整体式PLC将CPU、存储器、I/O部件等组成部分集于一体安装在印制电路板上，并连同电源一起装在一个机壳内，形成一个整体，通常称其为主机或基本单元。
整体式PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低等优点。
一般小型或超小型PLC多采用这种结构。
模块式PLC把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入输出模块、电源模块等。
各模块做成插件式并组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。
模块式PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。
一般大中型PLC都采用这种结构。
根据输入输出点的数量以及对该溶液混合装置控制系统的要求，并为以后扩展改造方便，该系统适宜于选择小型、整体式PLC，主机选择西门子S7—200系列CPU2228DI/6DO
3.4I/O点的分配与编号
I/O信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
只有分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜及PLC的外围来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计。
表3—1所示为该控制系统的I/O分配表
表3-1I/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
L液位检测信号
光电检测开关
SQ1
I0.1
I液位检测信号
光电检测开关
SQ2
I0.2
H液位检测信号
光电检测开关
SQ3
I0.3
停止信号
常开按钮
SB2
I0.4
初始排空信号
常开按钮
SB3
I0.5
输
出
信
号
电动机驱动信号
线圈KM
KM
Q0.0
注入A液体信号
电磁阀YV1
YV1
Q0.1
注入B液体信号
电磁阀YV2
YV2
Q0.2
释放混合液信号
电磁阀YV3
YV3
Q0.3
3.5控制流程图
控制流程图可以让设计人员清楚、明了的认清该系统的工作过程。
该溶液混合装置的工作流程如图3-3所示，此溶液混合装置属于典型的顺序控制。
图3-3控制流程图
3.6元器件明细表
元器件明细表列出了电气系统所用的电器元件的种类、名称、文字符号和数目，方便施工人员进行元器件的采购。
表3-2为元器件明细表，表中列出了该溶液混合装置所用到的元器件的详细信息。
表3-2元器件明细表
名称
文字符号
数量
常开按钮
SB
3
组合开关
QS
1
光电液位传感器
SQ
3
电磁阀
YV
3
交流接触器
KM
1
热继电器
FR
1
熔断器
FU
4
3.7I/O接线图
I/O接线图是进行施工接线的主要技术文件，图3-4所示为该溶液混合装置控制系统的I/O接线图。
图3-4I/O接线图
3.8控制程序梯形图
梯形图是用的最多的图形编程语言，梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。
触点代表逻辑输入条件。
CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。
在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。
线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。
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。
以下为用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制系统的程序梯形图。
3.9控制程序语句表
语句表是用一个或几个字符来表示某种操作功能的编程语言，类似于计算机中的指令助记符编程语言。
语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。
将该控制系统的梯形图转化为语句表如下所示：
BEGIN
Network1
//运行监视，防止PLC突然断电又突然上电后各被控对象自行动作
LDSM0.0
ED
RM1.0,1
Network2
//初始排空容器中的残留液体
LDI0.5
ANQ0.0
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.3
SM1.1,1
Network3
//启动
LDI0.0
ANM0.4
EU
=M0.0
SM1.0,1
Network4
//停止
LDI0.4
EU
RM0.4,1
Network5
//电磁阀YV1通电打开，开始注入液体A
LDM0.4
AT38
OM0.0
SQ0.1,1
SM0.4,1
Network6
//到达液位L
LDI0.1
ED
=M0.1
Network7
//到达液位I
LDI0.2
AM1.0
EU
=M0.2
Network8
//电磁阀YV1断电关闭，液体A停止注入；电磁阀YV2通电打开，开始注入B液体
LDM0.2
RQ0.1,1
SQ0.2,1
Network9
//到达液位H
LDI0.3
AM1.0
EU
=M0.3
Network10
//电磁阀YV2断电关闭，搅拌电动机开始工作
LDM0.3
RQ0.2,1
SQ0.0,1
Network11
//开始计时1分钟
LDQ0.0
LPS
ED
=M0.5
LPP
TONT37,+600
Network12
//1分钟搅拌时间到后，电动机停止搅拌
LDT37
RQ0.0,1
Network13
//电磁阀YV3通电打开，开始释放混合液体
LDM0.5
OM1.1
SQ0.3,1
Network14
//开始排空计时2分钟
LDM1.1
TONT39,+1200
Network15
//排空计时时间到关闭电磁阀YV3
LDT39
RQ0.3,1
RM1.1,1
Network16
//下降到液位L
LDM0.1
SM0.6,1
Network17
//延时2秒
LDM0.6
TONT38,+20
Network18
//延时2秒时间到关闭电磁阀YV3，同时自动进入新的循环
LDT38
RQ0.3,1
RM0.6,1
END
3.10程序调试
1、按下启动按钮SB1，如图3-5所示，I0.0为1，输出Q0.1线圈得电，电磁阀YV1通电打开，开始注入A液体。
图3-5注入A液体程序调试图
2、到达最低液位L时，如图3-6所示，I0.1为1，继续注入A液体。
图3-6到达液位L时继续注入A液体程序调试图
3、到达中液位I时，如图3-7所示，I0.2为1，电磁阀YV1断电关闭，输出Q0.2线圈得电，电磁阀YV2通电打开，开始注入B液体。
图3-7注入B液体程序调试图
4、到达高液位H时，如图3-8所示，I0.3为1，电磁阀YV2断电关闭，输出Q0.0线圈得电，电动机M开始工作，开始搅拌液体。
图3-8电动机M搅拌混合液体程序调试图
5、1分钟搅拌时间到，如图3-9所示，Q0.0被复位为0，电动机M停止工作，同时Q0.3线圈得电，电磁阀YV3通电打开，开始释放混合液体。
图3-9释放混合液体程序调试图
6、按下停止按钮SB2，如图3-10所示，待整个搅拌过程完成后，该溶液混合装置才停止工作。
图3-10停止程序的调试图
7、在每次正式开始工作前，可先按初始排空按钮SB3，如图3-11所示，Q0.3线圈得电使电磁阀YV3通电打开，排空可能残余的液体。
图3-11初始排空残余液体程序调试图
结论
本液体混合装置的PLC控制系统可以实现课题所规定的控制要求：
按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。
当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。
当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。
1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。
当液位高度下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。
该控制系统的突出优点是在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，该装置不会立即停止工作，必须待完成一个完整的循环后才能停车。
这样的设计可以保证容器中两种液体严格按照确定的比例进行混合，为下道工序提供高质量的混合溶液。
虽然在PLC的选型及应用程序的编制方面已充分考虑了系统工作的可靠性，以确保系统可以长期稳定高效率地工作。
但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。
设计总结
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。
每一次都非常珍惜大学期间为数不多的课程设计，这是将理论应用于实践的最好平台。
这次的机电传动与控制课程设计是毕业设计前的最后一次课程设计，通过这次课程设计为即将到来的毕业设计进行一次练兵，积累了经验，所以这次课程设计具有的意义更重大。
通过这次实践，我对机电传动与控制这门课程有了更深层次的理解。
为了高质量的完成这次课程设计，我认真的复习了课本中的电动机结构、类型与工作原理以及继电器—接触器控制和PLC控制这些内容。
掌握了一些常用的继电器—接触器控制电路，更深层次的了解了PLC的循环扫描工作方式：
输入采样、程序执行、输出刷新。
PLC在现代自动化控制领域中所占的
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