基于PLC多种液体自动化混合控制系统设计.docx
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基于PLC多种液体自动化混合控制系统设计
吉林化工学院毕业设计说明书
基于PLC多种液体自动化混合控制系统设计
TheDesignofVarietyLiquidMixingControlSystemBasedonPLC
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
摘要
本设计以三种液体的混合控制为例设计基于PLC的混合液体控制系统，其要求是将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到一定的温度才能将混合的液体输出容器。
液体混合系统的控制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，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。
设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（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），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s7-300PLC实现液体混合控制系统，上位机采用Wincc组态软件为开发平台，设计液体混合控制系统的组态环境，操作者就可以直接监控PLC的运行情况，并且可以在Wincc中适时改变系统的参数指标，从而大大的提高了工作效率。
关键词：
液体混合；西门子S7-300；PLC；WINCC
Abstract
MixingliquidcontrolsystembasedonPLCisdesigned,whichtakesthreekindsofliquidmixingcontrolforexample.Itneedtomixthreekindsofliquidaccordedtocertainproportion,andoutputtheliquidwhenitachieveacertaintemperatureafterthemotorstir.Thenitformcirculationstate
Designliquidmixcontrolsystemneedthatitsactcontinuousandalldevices’relevanceeachother.Fordifferentstateandcontrolcorrespondingoutputsothatachieveacontrolcyclefromjointhefirstliquidcompletemixingliquid.Thedesignmainlyintroduceandexplainthemakingprocess,whichbasedonliquidmixingcontrolsystem,includinghardwarecomponentandsoftwarechoose（designscheme,flow,request,ladder-diagram,externalconnection）.Thisdesignuseds7-300PLC,whichisproducedSiemens',andPCusedWinccconfigurationsoftware,thendesignconfigurationenvironmentofliquidmixingcontrolsystem.OperatorscandirectlysuperviseandcontrolconditionofPLC,andtheycanchangesystem’parametersintheWinccsothatimprovethesystemefficiency.
Keywords：
Liquidmixture；SiemensS7-300；ProgramableLogicController ；WindowsControlCenter
第1章绪论
1.1题目来源
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。
但由于这些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。
1.2课题研究的背景、目的和意义
本课题是针对多组分原料自动混合系统，一方面由于液体进料与控制过程比较复杂、使进料参数变化较大，造成液体混合精度控制难，难以用测量控制器进行测定；另一方面由于循环控制过程出现故障不能随时停机。
针对这两个难题，研究将电机控制技术、PLC控制、应用于多组分原料自动混合系统，从而提高多组分原料自动混合系统的稳定性、可靠性、精确性，以及多种液体混合循环控制时，可以自动或手动调节系统的启停。
在大力提倡节约能源的今天，研究这种高性能、经济型的多组分原料自动混合系统，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重要的现实意义。
1.3国内外市场情况预测与工艺技术概况
1.3.1国内外市场情况预测
目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。
国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、Modicon、A-B、Omron、三菱、Ge的产品。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说PLC在我国尚未形成制造产业化。
在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。
专家估计，2000年PLC的国内市场销量为15（20万套（其中进口占90%左右），约25（35亿元人民币，年增长率约为12%）。
预计到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右，约35（45亿元人民币）。
1.3.2国内外应用领域概况
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:
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；模拟量控制：
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
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；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。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
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；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。
第2章液体混合控制方案
2.1PLC工艺流程概况
液体自动混合系统的初始状态：
在初始状态，容器为，电磁阀Y1，Y2，Y3，Y4和搅拌机M以及加热元件R均为OFF，液面传感器L1，L2，L3和温度检测T均为OFF。
如图见2-1所示。
图2-1多种液体混合示意图
液体混合操作过程：
1、按动启动按钮，电磁阀Y1闭合（Y1为ON），开始注入液体A。
2、当液面高度达到L3时（L3为ON）→关闭电磁阀Y1（Y1为OFF），液体A停止注入，同时，开启电磁阀Y2（Y2为ON）注入液体B。
3、当液面升至L2时（L2为ON）→关闭电磁阀Y2（Y2为OFF），液体B停止注入，同时，开启电磁阀Y3（Y3为ON），注入液体C。
4、当液面升至L1时（L1为ON）→关闭电磁阀Y3（Y3为OFF），液体C停止注入，然后开启搅拌电动机M，搅拌三分钟→停止搅拌。
5、加热（启动电炉R）→当温度（检测器T动作）300度时→停止加热（R为OFF），并放出混合液体（Y4为ON）。
6、至液体高度降为L3后，再经30秒延时，液体可以全部放完→停止放出（Y4为OFF）。
液体混合过程结束。
按动停止按钮，液体混合操作停止。
根据上述液体混合操作，设计其简要流程图见图2-2所示。
图2-2多种液体混合流程图
2.2PLC的I/O点表
点表的设计不仅需要依据项目的要求。
同时，点表的设计直接的影响以后的PLC编程，此次设计只涉及一个温度模拟量。
如表2-1所示。
元件
物理地址
类型
电源
作用
传感器L1
I0.0
DI
24V
检测液位L1
传感器L2
I0.1
DI
24V
检测液位L2
传感器L3
I0.2
DI
24V
检测液位L3
开始按钮
I0.3
DI
24V
STRAT
停止按钮
I0.4
DI
24V
STOP
电磁阀Y1
Q0.0
DO
24V
控制液体A流量
电磁阀Y2
Q0.1
DO
24V
控制液体B流量
电磁阀Y3
Q0.2
DO
24V
控制液体C流量
电磁阀Y4
Q0.3
DO
24V
控制混合液流量
电机
Q0.4
DO
24V
搅拌
加热器
Q0.5
DO
24V
加热
表2-1多种液体自动混合控制系统的I/O点表
2.3硬件选型
1、电源：
6ES7307——1BA00——0AA01；负载电源电压：
120/230VAC；板卡电源电压：
24VAC。
2、CPU：
6ES7315——2AG10——0AB0；128KB工作存储器0.1ms/1000条指令，MPI+DP连接（DP主站或DP从站）多排最多可组态32个模块用于直接数据交换的发送和接收功能，恒定总线循环时间路由S7通讯（可在的FB/FC固化程V2.0）。
3、DI卡：
6ES7321——1BH01——0AA0；数字输入模块DI1624V，分成16组。
4、DO卡：
6ES7322——1BH01——0AA0；数字输入模块DO1624V/0.5A分成8组。
5、带一体化温度变送器的双金属温度计：
特点：
现场显示温度，直观方便；具有自动切断电源和报警功能；安全可靠，使用寿命长；多种结构形式，可满足不同要求；设定点误差：
电接点温度计，其设定点误差应不超过基本误差限的1.5倍。
6、温度变送器：
输出信号：
4~20mA（如果需要其它输出信号请在订货时注明）；基本误差：
0.5%FS；接线方式：
二线制、三线制、四线制；工作电压：
24VDC；输出负载：
0-500欧姆（特殊定货需注明）。
7、磁翻板液位指示器：
特点：
防爆结构，可用于高温、高压环境色块，采用流线型弧面设计，指示更加灵敏七对继电器控制输出接点，自由设定各参数、自校正、自诊断报警输出；压力：
10Mpa以内可定制；输出信号：
4-20mA，限位开关，hart协议等可选配。
8、HL-F磁翻板液位变送器：
分辨率：
5mm；测量精度：
0.2%；输出电流：
4-20mA负载阻抗＜500Ω；报警输出接点：
1-7个。
9、OSA86系列通用电磁阀：
特点：
太空理念、飞碟活塞、三维密封、严防泄流、导向装置、避免故障、多种功能、通用性强。
控制方式：
常闭式、常开式。
标准电压：
AC220V、DC24V。
电气连接：
接线盒式（普通型）、电缆引线式（防爆型）。
防护等级：
德国标准DIN43650A（IP65）。
其他功能：
E防爆型（防爆等级D2CT5）；S手动功能；X信号反馈；T定时开关。
10、防爆电加热器：
防爆等级：
de2CT1-4；防护等级：
IP54；功率：
120kW；工作温度：
418℃；工作压力：
2.5Mpa；电压：
380V。
2.4调节阀
调节阀是最终控制元件的最广泛使用的型式。
其他的最终控制元件包括计量泵、调节挡板和百叶窗式挡板（一种蝶阀的变型）、可变斜度的风扇叶片、电流调节装置以及不同于阀门的电动机定位装置。
常见的控制回路包括三个主要部分，第一部分是敏感元件，它通常是一个变送器。
它是一个能够用来测量被调工艺参数的装置，这类参数如压力、液位或温度。
变送器的输出被送到调节仪表——调节器，它确定并测量给定值或期望值与工艺参数的实际值之间的偏差，一个接一个地把校正信号送出给最终控制元件——调节阀。
阀门改变了流体的流量，使工艺参数达到了期望值。
在气动调节系统中，调节器输出的气动信号可以直接驱动弹簧一薄膜式执行机构或者活塞式执行机构，使阀门动作。
在这种情况下，确定阀位所需的能量是由压缩空气提供的，压缩空气应当在室外的设备中加以干燥，以防止冻结，并应净化和过滤。
当一个气动调节阀和电动调节器配套使用时，可采用电一气阀门定位器或电一气转换器。
压缩空气的供气系统可以和用于全气动的调节系统一样来考虑。
2.5变送器
变送器的作用是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。
一般分为：
温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。
除有传感的功能之外还有放大整形的功能，输出为标准的控制信号。
如：
4－20mA。
二线制传输方式中，供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号，目前大多数变送器均为二线制变送器；四线制方式中，供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。
两线制电流变送器的输出为4～20mA，通过250Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。
系统的输入模块采用压频转换器件LM231将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件TL117进行模拟量与数字量的隔离。
同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。
如图2-3所示。
图2-3变送器模块
2.6SIMATICS7-300软件
SIMATICS7系列可编程控制器是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。
SIMATICS7PLC继承的强大通讯功能，是其得以成功的另一个重要方面。
如今，PROFIBUS有超过1200余家会员单位，全球的总安装结点已经突破1000万，是全球公认的工业现场总线标准的领跑者；新一代工业以太网标准PROFInet的提出，为以太网在工业领域更大范围的应用提供了技术保障。
凭借继承统一的通讯，SIMATICS7PLC在实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中坚作用。
不断创新的PLC编程组态工具STEP7采用SIMATIC软件的集成统一架构，为实现PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一个功能强大、风格一贯的软件平台。
2.6.1SIMATICS7-300的用途
STEP7是用于SMATIC300/400站，创建可编程逻辑控制程序的标准软件。
针对不同的工程技术人员，可以使用语句表、体梯形图、功能块等语言。
使用STEP7可以完成一些比较大或比较复杂的应用。
例如：
可以用高级语言或图形设计语言进行程序设计。
可以和SMATIC附加的软件包兼容。
SETP7软件界面友好。
操作方便。
硬件组态软件编程简单清晰明了。
是复杂的编程工作变的简单。
指令丰富符合IEC国际标准。
具有自动检测语法错误功能。
帮助功能强大版本向下完全兼容。
可以把SETP7软件编写的程序很方便的转化成STEP7的程序。
其逻辑关系保持不变。
在STEP7中一些非标准的指令和功能块。
也可以自动用新的指令和功能快代替。
2.6.2SIMATICS7-300的特点
1、模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；
2、大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务；
3、由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；
4、方便用户和简易的无风扇设计；
5、当控制任务增加时，可自由扩展；
6、由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲。
2.6.3STEP7项目中的模块
在STEP7软件中，结构化的用户程序是以“块”的形式实现的。
块是一些独立的程序或者数据单元，在STEP7中主要有以下几种类型的块：
组织块——OB（OrganizationBlock）
功能——FC（Function）
功能块——FB（FunctionBlock）
系统功能——SFC（SystemFunction）
系统功能块——SFB（SystemFunctionBlock）
背景数据块——背景DB（InstanceDataBlock）
共享数据块——共享DB（ShareDataBlock）
打开[示例项目]，可以看到这些块都存储在S7程序的Blocks目录下，如图2-4所示。
图2-4STEP7项目中的块
OB、FC、FB、SFC和SFB中包含由S7指令构成的程序代码，因此成为程序块或者逻辑块。
背景DB和共享DB中不包含STEP7的指令，它们用于存放用户数据，称为数据块。
上述各类的主体有两个部分组成：
变量声明部分和程序部分（对程序块而言）或者数据部分（对数据块而言）。
在图2-5中双击OB1的图标
，可以在LAD/STL/FBD编辑器（简称“程序编辑器”）中打开它。
打开后的界面如图2-5所示。
图2-5LAD/STL/FBD程序编辑器界面
变量参数声明窗口和代码窗口中可以分别看到OB1的主体中的内容——变量和程序代码。
各模块的具体功能如下：
1、组织块（OB）。
在CPU中，用户程序由启动程序、主程序和各种中断响应程序等不同的程序模块构成，这些模块在STEP7中的实现形式就是OB。
OB是直接被操作系统调用的用户程序块，OB与不同的CPU类型是相关的，某一型号的CPU支持哪些OB是确定的。
例如，OB35和OB40可在CPU315-2DP中使用，而OB36和OB41则不行。
因此，用户只能编写目标CPU支持的OB。
OB1是对应于循环执行的主程序的程序块，它是STEP7程序的主干。
其他大多数OB则对应于不同的中断处理程序（另外还有启动程序和背景程序等非中断类的OB）。
与每一个OB紧密相连的是它对应的类型和优先级。
OB的类型指出了它的功能，例如延时中断、硬件中断等；OB的优先级则用于表明一个OB是否可以被另外一个OB中断，优先级较低的OB总是可以被优先级较高的OB中断。
在S7系列CPU中，背景循环OB90的优先级最低，其次就是OB1，它的优先级是1，因此OB1通常总是可以被其他OB中断。
对于S7-300的CPU，各个OB的优先级都是固定的，用户无法更改。
2、功能（FC）和功能块（FB）。
FC和FB都是由用户自己编写的程序模块，可以被其他程序块（OB、FC和FB）调用。
与其他编程语言中的“函数”相似，FC/FB也带有参数，以名称的方式给出的参数称作形式参数（形参），在调用时给形式参数赋的具体值就是实际参数（实参），例如：
将实参“I0.1”赋给形参“START”。
FC与FB的根本区别在于，FC不具备的存储区，而FB拥有自己的存储区——背景DB，在调用任何一个FB时，都必须指定一个背景DB。
这一区别使得FC和FB在以下几个方面有所不同。
参数、变量的类型。
分别打开[示例项目]中的[FC1]和[FB1]，在变量声明区中，可以看到参数和变量类型。
FC和FB都具有输入（IN）、输出（OUT）、输入/输出（IN_OUT）三种参数类型。
IN类型的参数用于块调用时的数据输入；OUT类型的参数用于输出结果；IN_OUT类型的参数则级可以作为数据的输入，又可以作为数据和输出。
FC和FB都具有临时（TEMP）变量。
临时变量存储在系统的本地数据堆栈（LocalDateStack）中，当FC或者FB调用完毕后，这些变量空间就会释放，因此临时变量仅在FC或者FB调用期间有效。
FB有静态（STAT）变量类型，而FC没有。
与临时变量不同，静态变量存储在FB的背景DB中，当FB调用完毕后，静态变量的数据仍然有效。
FC还有一个返回值变量（RET_VAL）用以返回调用的结果。
使用OUT或者IN_OUT类型的参数可以输出多个变量，因此比RET_VAL具有更大的灵活性。
参数的赋值。
由于FC没有数据区，因此在调用FC的时候必须给形参附实参；FB的情况则比较复杂。
对于FB的大多数类型的参数，可以赋实参，也可以不赋。
如果不给FB的形参赋值，则自动读取当前的背景DB中的参数值。
但对FB的某些特殊数据类型的参数也要求必须给形参赋实参。
3、系统功能（SFC）和系统功能块（SFB）。
SFC和SFB是预先编写好的可供用户程序调用的FC和FB，它们已经固化在S7的CPU中，因此称为“系统功能”和“系统功能块”。
通常SFC和SFB提供一些系统级的功能调用，例如通讯功能等。
需要注意的是，虽然SFB已经固化在CPU中，但是CPU中并不包含背景DB，因此SFB和FB一样，在调用之前需要由用户生成相关的背景DB。
与OB一样，SFC和SFB也是与具体的CPU相关的，通过查阅相关CPU的技术手册可以找到该CPU支持的SFC和SFB的详细信息。
4、背景DB和共享DB。
DB分为背景DB和共享DB两种类型。
如前所述，背景DB是和FB相关联的，也必须指明一个与之对应的背景DB。
需要说明的是，背景DB与共享DB没有本质的区别，它们的数据都可以被任何一个OB、FC或FB读写。
两者之间的主要区别在于使用的目的：
背景DB的用途或者目的是为某一个FB提供数据，因此其数据格式必须与该FB的变量声明一致；共享DB的主要目的是为用户程序提供一个可保存的数据区，它的数据结构并依赖于特定的程序块。
打开[示例项目]，在S7程序的[块]目录下单击
按钮，查看块的详细信息，如图2-6所示。
图2-6在STEP7中查看背景DB和
升级会员 