基于PLC多种液体混合控制系统.docx

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基于PLC多种液体混合控制系统

摘要

在上世纪60年代末PLC的出现，便以其独特的优点得到迅速地发展和普及，并在冶金、机械、纺织、轻工、化工等众多行业中取代了传统的继电器控制。

掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和相关工科学生的基本要求。

将PLC用于多种液体混合控制系统，对于学习和在工业上的应用，尤其是在化工工业上的应用显得非常的重要。

设计以三种液体混合控制系统为例，根据设计要求对其硬件系统组成、软件系统设计和整个系统的整合调试等有关设计及制作过程做简单的介绍和说明，以阐述PLC在多种液体混合控制系统中应用。

同时，设计采用西门子（SIEMENS）公司的S7-200系列机型进行了控制系统的PLC程序设计，并且利用组态王软件对系统自动运行、运行画面同步显示成功地进行了画面组态。

关键词：

多种液体，混合装置，自动控制，组态

PLC-BASEDAVARIETYOFLIQUIDMIXED

CONTROLSYSTEMDESIGN

ABSTRACT

Inthe60'sattheendofthelastcenturytheemergenceofPLC,theadvantagesofitsuniquerapiddevelopmentandpopularizationof,andinmetallurgy,machinery,textile,lightindustry,chemicalindustryandmanyotherindustriestoreplacethetraditionalElectricalrelaycontrol.PLCmastertheworkingprinciple,withthedesign,commissioningandmaintenanceofPLCcontrolsystems,hasbecomeamodernindustrialelectricaltechniciansandengineeringstudentsthebasicrequirements.WillbeusedPLConavarietyofliquidmixedcontrolsystem,forthestudyandapplicationinindustry,especiallyinthechemicalindustryitisveryimportantapplications.

Thedesigntakethreekindofliquidsmixedcontrolsystemasanexample,designrequirementsinaccordancewithitshardwaresystems,softwaresystemdesignanddebugtheentiresystem,suchastheintegrationofthedesignandproductionprocessofdoingabriefintroductionanddescription.ToexpositthatPLCappliesinavarietyofliquidmixedcontrolsystem.Atthesametime,thedesignoftheuseofSiemensS7-200seriesmodelsforthePLCcontrolsystemprogramming,andusethesoftwareonthesystemKingviewrunautomatically,runthescreensimultaneouslyshowthesuccessfulconductoftheconfigurationscreen.

KEYWORDS:

Avarietyofliquid,Mixeddevices,Automaticcontrol,Configuration

第一章概述

1.1课题内容

1.1.1选题的目的

借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，进一步了解所学可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式。

而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，尤其见于化学化工业中，便于学有所用。

1.1.2课题设计的意义

用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需用到它，如机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于多种液体混合物装置的控制，对学习与实用是很好的结合。

1.1.3课题设计方案

采用S7-200系列机型进行程序设计，利用组态王软件对自动装料运行进行画面组态。

1.2PLC的简介

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

随着个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

1.2.1PLC的特点

可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛运用，主要是由于它具有以下特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强。

用软件实现大量的开关逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良造成的故障；输入采用采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应于各种恶劣的工业环境，远远超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。

2.编程简单，易于掌握。

PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。

3.功能完善，灵活方便。

随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。

既可单机使用、也可联网运行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。

而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统功能。

4.体积小、质量轻、功耗低。

于采用了单片机等集成芯片，其体积小、质量轻、结构紧凑、功耗低。

1.2.2西门子S7-200PLC

西门子S7-200PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在独立运行中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。

它的使用范围可以覆盖从代替继电器的简单控制到更复杂的自动控制。

其应用领域包括各种机床、纺织机械、应刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等。

S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。

S7-200型PLC属于微型PLC，其结构紧凑，价格低廉，具有极高的性能/价格比，适用于小型控制系统。

它采用超级电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量（12点模拟量输入/4点模拟量输出）。

S7-200最多有4个中断控制的输入，输入响应时间小于0.2ms，每条二进制指令的处理时间仅为0.8μs，S7-200还有日期时间中断功能。

S7-200可以提供两个独立的4kHz的脉冲输出，通过驱动单元可以实现步进电机的位置控制。

它有两个高速计数器，最高计数频率可高达20kHz。

第二章系统硬件设计

2.1系统控制要求

如图2-1所示为三种液体混合的装置结构示意图。

SL1、SL2、SL3、SL4为液面传感器，液面淹没时接通，三种液体（液体A、液体B、液体C）的流入和混合液体D流出分别由电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4控制，M为搅匀电动机。

图2-1三种液体混合的装置结构示意图

要求如下：

1.初始状态：

当装置投入运行时，容器内为放空状态。

2.起动操作：

按下启动按钮SB1，装置开始按规定工作，液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SL2时，关闭液体A阀门，打开B阀门。

当液面到达SL3时，关闭液体B阀门，打开C阀门。

当液面到达SL4时，关闭液体C阀门，

搅拌电动机开始转动。

搅拌电动机工作1min后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，经过20s后，容器放空，混合液体阀门YV4关闭，接着开始下一个循环操作。

3.停止操作：

按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余工作后，系统停止在初始状态。

2.2硬件设计

2.2.1PLC机型的选择

1.PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或者生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循一下基本原则：

（1）PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应住处的是还应重点考虑该公司产品的技术支持和售后服务的情况，一般应选择在国内，特别是在所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或者较有实力的代理机构的产品，同时应尽量选择主流机型。

（2）最大限度地满足被控制对象的控制要求。

设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（3）在满足实际控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用及维修方便，并降低系统的复杂性和开发成本。

（4）保证控制系统的安全、稳定、可靠。

正确的进行程序调试，充分考虑环境条件，选择可靠性高的PLC，定期对PLC进行维护和检查。

（5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应尽量留有裕量。

当然，对于不同的用户，要求的侧重点会有所不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品质量和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。

2.PLC机型的确定

S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，根据所学S7系列可编程控制器及现有实验设备，设计将选用CPU22X型PLC。

CPU22X系列PLC的特点：

CPU22X主机的输入点位DC24V双向光藕输入电路，输出有继电器盒DC（MOS型）两种类型（CPU21X系列输入点位DC24V单向光藕输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。

并且，具有30kHz高速计数器，20kHz高速脉冲输出，RS-485通信/编程口，PPI、MPI通信协议和自由口通信能力。

CPU222及以上CPU还具有PID控制和扩展能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。

CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种不同型号的CPU基本单元供用户选用。

CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，6KB程序和数据存储空间。

CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟I/O点，6KB程序和数据存储空间。

CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB程序和数据存储空间。

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB程序和数据存储空间。

根据以上各型号CPU的比较以及现有的实验设备，设计将选用S7-200CPU226型号PLC进行PLC控制系统设计。

2.2.2混合装置的基本组成

1.液体混合罐：

为液体混合装置的主体，提供三种液体进行混合所需空间。

2.输液管道：

四条带有电磁阀的输液管道与混合罐连接，在不同时间内将需要混合的三种液体输入罐内以及输出混合后的液体。

3.液面传感器：

作为不同液体输入量进行控制的主要器件，根据需要对液面传感器做相应的调整可满足输入不同比例的液体进行混合。

4.电动机：

通过传动轴连接罐内搅拌叶片为搅匀混合液体提供动力。

2.2.3液体混合装置运行流程分析

结合本章的2.1.4控制要求对液体混合装置及其控制系统的运行流程做以下简要分析，以助于对系统的主电路设计及PLC程序设计。

在系统进入运行状态后，先输入的是液体A，即液体A阀门先打开，当容器内液面到达传感器SL1时SL1接通，但不引起系统内其它控制或被控装置的动作。

当液面到达传感器SL2时，此时系统要完成的工作是关闭液体A阀门，同时打开液体B阀门将液体B输入容器。

类似，当液面到达传感器SL3时系统要控制关闭液体B阀门同时打开液体C阀门。

当液面到达传感器SL4时则说明液体的输入工作完成，系统需要控制关闭液体C阀门，启动搅拌电动机，同时还要启动定时器以控制搅拌电动机的工作时间。

电动机停止工作后需要打开混合液体D阀门将混合液体输出，容器内液面下降会依次使液面传感器SL4、SL3、SL2由接通变为断开，但不引起系统内其它控制或被控装置的动作。

在液面降到传感器SL1时，SL1也由接通变为断开，此时SL1才引起系统的动作，即启动定时器，在定时时间内完成液体放空并关闭D阀门。

在混合液体放空，D阀门关闭前，若系统未接到停止指令，则系统将进入下一个循环工作；若系统在混合液体放空，D阀门关闭前的任意时刻接到停止指令，则系统需要在完成当前循环剩余的工作后才停止在初始状态，不再自动进入下一循环。

2.2.4液体混合装置电气原理图

1.电气原理图

根据三种液体混合装置的基本结构和控制要求，并结合PLC的控制画出三种液体混合控制系统的电气原理图。

如图2-2所示为三种液体混合控制系统电气原理图。

图2-2三种液体混合控制系统电气原理图

2.电气元件说明

（1）QS：

低压隔离器，主要用于电气线路中隔离电源，也可作为不频繁地接通和分断空载电路或小电流电路之用。

（2）QF：

低压断路器，用于不频繁接通、分断线路正常工作电流，在电路中流过故障电流时（短路、过载）能自动将故障电路或用电设备从电网切除。

低压断路器是用于交流电压1200V、直流电压1500V及以下电压范围的断路器，是低压配电系统中的主要配电电器元件。

低压断路器主要用于保护交、直流低压电网内用电设备和线路，使之免受过电流、断路、欠电压等不正常情况的危害，同时也可用于不频繁起动的电动机操作或转换电路。

（3）FR：

热继电器，是一种保护电器，专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机因故障导致过热而损坏。

（4）FU：

低压熔断器，串联于电路中，当过载或短路（主要用于短路）电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路。

（5）KM：

外部辅助接触器，用于辅助PLC对外部设备的控制工作。

增加辅助接触器，另考虑到实际生产中便于实现单台PLC同时控制多台混合装置。

（6）M：

搅拌电动机。

（7）YV：

电磁阀线圈。

2.2.5PLCI/O点分配及外部硬件接线图

1.I/O点分配

在绘制PLC外部接线图之前，我们需要对要用到的I/O点进行地址分配，以明确PLC芯片I/O接口以及有助于后面要进行的PLC程序设计。

根据三种液体混合控制系统的控制要求，我们可以得出控制系统的PLC控制输入量：

启动按钮SB1、停止按钮SB2、液面传感器SL1、液面传感器SL2、液面传感器SL3、液面传感器SL4；控制输出量：

电动机M、电磁阀YV1、电磁阀YV2、电磁阀YV3、电磁阀YV4。

并对它们进行I/O点分配，如表2-1所示为控制系统I/O点分配表。

表2-1控制系统I/O点分配表

输入

输出

启动按钮SB1

I0.1

电动机M

Q0.0

停止按钮SB2

I0.2

电磁阀YV1

Q0.1

液面传感器SL1

I0.3

电磁阀YV2

Q0.2

液面传感器SL2

I0.4

电磁阀YV3

Q0.3

液面传感器SL3

I0.5

电磁阀YV4

Q0.4

液面传感器SL4

I0.6

2.PLC外部硬件接线图

设计采用西门子（SIEMENS）S7-200CPU226型号PLC进行PLC控制系统设计，根据CPU226型号PLC的外部结构及三种液体混合控制系统的控制要求画出PLC的外部硬件接线图。

如图2-4所示为PLC外部硬件接线图。

图2-3PLC外部硬件接线图

第三章系统软件程序设计

3.1PLC的编程要求和编程方法

3.1.1编程要求

1.所编的程序要合乎所使用的PLC的有关规定

主要是对指令要准确地理解，正确的使用。

各种机型PLC的指令系统多有类似之处，但还有些差异。

对于有PLC使用经验的人，当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时，一定要对新型号PLC的指令重新理解一遍，否则容易出错。

2.要使所编的程序尽可能简洁

程序要简练。

编写的程序应尽可能简练，减少程序的语句，一般可以减少程序扫描时间、提高PLC对输入信号的相应速度。

当然，如果过多地使用那些执行时间较长的指令，有时虽然程序的语句较少，但是其执行时间也不一定短。

同时简短的程序可以节省内存，简化调试。

要使所编的程序简短，就要注意编程方法，并且存在一个编程技巧的问题。

用好指令，用巧指令，还要能优化结构。

要实现某种功能，一般而言，在达到的目的同时，用功能强的指令要比功能单一的指令程序步数可能会少些。

3.程序的可读性要好

这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。

另外，为了有利于交流，也要求程序有一定的可读性。

4.要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求

所编程序的指令条数要少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。

PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需时间，而且还包括运行系统程序（如I/O处理、自监测）所需的时间。

5.所编程序的可靠性好、能够循环运行

好的应用程序，可以保证系统在正常和非正常（短时掉电再复电、某些被控量超标、某个环节有故障等）工作条件下都能安全可靠地运行。

也要保证在出现非法操作（如按动或误触动了不该动作的按钮）的情况下不至于出现控制失误。

PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。

运行从初始化后的状态开始，待控制对象完成了工作循环，则又返回初始化状态。

尤其在应用跳转、调用、主控等带有条件转移的应用程序时，要保证控制对象在新的工作周期中按照预期的路线完成转移切换，保证整个程序循环运行，避免陷入死循环。

3.1.2编程方法

常用的PLC编程方法有经验法、解析法、图解法。

1.经验法

运用已掌握的成功设计经验，结合实际情况，选择与实际情况类似的自己的或别人的成功例子，并进行修改，增删部分功能或运用其中部分程序，直至满足新设计任务要求。

2.解析法

可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果画成梯形图或直接写出程序。

解析法比较严实，可以运用一定得标准使程序优化，可避免编程的盲目性，是较为有效地方法。

3.图解法

图解法是靠画图进行设计。

常用的方法有梯形图法、波形图法及流程法。

梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，只要用梯形图语句编写程序，就要用到梯形图法。

波形图法适合于时序控制电路，将对应信号的波形画出后，再依时间逻辑关系去组合成逻辑式，或直接利用梯形图的连锁实现顺序控制，复杂的时序动作图形化，既方便电路设计，又使得编出的程序不易出错。

工程技术人员常借助于从波形图到梯形图的设计方法。

流程法是用框图表示PLC程序执行过程及输入条件与输出关系，在步进控制情况下，用它设计也是非常方便的。

3.2STEP7-Micro/WIN32编程软件介绍

3.2.1STEP7-Micro/WIN32编程软件

STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

3.2.2STEP7-Micro/WIN32编程软件的主要功能

1.基本功能

STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。

（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。

在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。

（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。

（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。

经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。

（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。

（5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

2.主界面各部分功能

STEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面一般可以分成以下几个区：

标题栏、菜单条（包含8个主菜单项）、工具条（快捷按钮）、引导条（快捷操作窗口）、指令树（快捷操作窗口）、输出窗口、状态条和用户窗口（可同时或分别打开5个用户窗口）。

除菜单条外，用户可以根据需要决定其他窗口的取舍和样式。

（1）菜单条：

在菜单条中共有8个主菜单选项，各主菜单项的功能如下。

a.文件（File）菜单项可完成如新建、打开、关闭、保存文件、导入和导出、上载和下载程序、文件的页面设置、打印预览和打印设置等操作。

b.编辑（Edit）菜单项提供编辑程序用的各种工具，如选择、剪切、复制、粘贴程序块或数据块的操作，以及查找、替换、插入、删除和快速光标定位等功能。

c.视图（View）菜单项可以设置编程软件的开发环境，如打开和关闭其他辅助窗口（如引导窗口、指令树窗口、工具条按钮区），执行引导条窗口的所有操作项目，选择不同语言的编程器（LAD、STL或FBD），设置3种程序编辑器的风格（如字体、指令盒的大小等）。

d.可编程控制器（PLC）菜单项用于实现与PLC联机时的操作，如改变PLC的工作方式、在线编译、清除程序和数据、查看PLC的信息、以及PLC的类型选择和通信设置等。

e.调试（Debug）菜单项用于联机调试。

f.工具（Tools）菜单项可以调用复杂指令（如PID指令、NETR/NETW指令和HSC指令），安装文本显示器TD200，改变用户界面风格（如设置按钮及按钮样式、添加菜单项），用“选项”子菜单可以设置三种程序编辑器的风格（如语言模式、颜色等）。

g.窗口（Windows）菜单项的功能是打开一个或多个窗口，并进行窗口间