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搅拌机的电器与plc控制
摘要
电器系统是常用的控制系统具有成本低、可靠性高的特点，运用的时间也比较长，它主要是通过各种元件来控制设备。
PLC是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，也可以说它是一种用程序来改变控制功能的计算机，PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。
本文通过电器和PLC控制在固体粉末混合机上的运用，说明他们各自的特点。
关键词：
普通电器控制,电器控制流程，PLC控制，PLC控制流程
1电气控制
1.1物料混合机的设计要求
鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，物料混合特别是流体混合技术在上世纪后几十年代得到了迅猛发展,在工业中运用广泛。
题目要求用电器系统和PLC控制制设备，其机构的简图及其工作原理如下。
图1.1机构原理图
1.2系统分析
初始状态：
起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器不通电搅拌电动机M=OFF。
该系统有三个压力传感器：
低压力传感器（在最上面），中压力传感器（在中间），高压力传感器（在最下面）。
当固体粉末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。
该系统有三个电磁阀：
YA1为粉末A输入电磁阀，YA2为粉末B输入电磁阀，X3为混合粉末输出电磁阀，当电磁阀为ON状态时，阀门打开，为OFF时阀门就关闭，阀门的开和闭来实现粉末的放入和放出。
M为搅拌电动机，当M=ON时，搅拌电动机运行；当M=OFF时，搅拌电动机停止。
操作工艺：
搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门YA1打开，开始向仓里放固体粉末A，当固体粉末到达高传感器时，A固体粉末继续注入，直到固体粉末到达中压力时，使YA1=OFF，Y2=ON，即关闭阀门YA1，停止送A粉末，打开阀门YA2，开始输入固体粉末B，当到达固体粉末低压力传感器时，关闭YA2，同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌60S后，粉末均匀，停止搅拌，即M=OFF，打开阀门YA4，放混合固体粉末。
当固体低于最下面传感器时，再过15S，容器中的混合固体全部放空，关闭阀门YA4，自动开始下一个操作循环。
若在工作中按下停止按钮。
搅拌器会立即停止工作，不按时继续下一个循环。
1.3工作流程图
图1.2工作流程图
1.4电气控制元件选择
硬件选择：
延时继电器、液体传感器、电控阀门
表1.1硬件分配表
硬件名
个数
型号
备注
电动机
1
Y1325
压力传感器
3
HM20
熔断器380V
3
RL1
熔断器220V
2
RS0
手动开关
1
延时继电器
2
Fuji富士时间继电器MS4SF-CEIT
电动阀门
3
非标准件
电线
若干
按钮开关
2
热继电器
3
JR-28-25
1.5其电路简图如下
图1.3电路图
1.6对应的的接线对应表
对应的的接线对应表
表1.2元件选择表
符号
名称
SA1
传感器1
SA2
传感器2
SA3
传感器3
YAI
阀门1
YA2
阀门2
YA4
阀门4
M
电动机
1.7控制分析
按SB1开机，K1线圈得电，K1闭合，YA1通电放粉末A。
到达低位时，SA3闭合，KM8触头断开，粉末继续放。
到达中位位时，SA2闭合，KM6常开触头闭合，常闭触头断开，阀门YA1关闭，阀门YA2打开放粉末B。
到高位达时，K5常开触头闭合，常闭触头断开。
Y2关闭，延时继电器启动，电机启动开始混合，过60s，KT60常开触头闭合常闭触头断开，电机关闭，阀门YA4开，放混合粉末。
放到到达时SA3断开，K7得电延时继电器启动，15s后阀门YA4闭合。
按SB2混合机停止工作。
2PLC控制
2.1机械系统的分析
本设计设计为两种固体粉末或颗粒混合搅拌控制，其元件、要求如下：
初始状态：
起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器不通电搅拌电动机M=OFF。
该系统有三个压力传感器：
低压力传感器（在最上面），中压力传感器（在中间），高压力传感器（在最下面）。
当固体粉末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。
该系统有三个电磁阀：
YA1为粉末A输入电磁阀，YA2为粉末B输入电磁阀，YA3为混合粉末输出电磁阀，当电磁阀为ON状态时，阀门打开，为OFF时阀门就关闭，阀门的开和闭来实现粉末的放入和放出。
M为搅拌电动机，当M=ON时，搅拌电动机运行；当M=OFF时，搅拌电动机停止。
操作工艺：
搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门YA1打开，开始向仓里放固体粉末A，当固体粉末到达高传感器时，A固体粉末继续注入，直到固体粉末到达中压力时，使YA1=OFF，YA2=ON，即关闭阀门Y1，停止送A粉末，打开阀门YA2，开始输入固体粉末B，当固体粉末到达低压力传感器时，关闭YA2，同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌60S后，粉末均匀，停止搅拌，即M=OFF，打开阀门YA4，放混合固体粉末。
当固体低于最下面传感器时，再过15S，容器中的混合固体全部放空，关闭阀门Y4，自动开始下一个操作循环。
若在工作中按下停止按钮。
搅拌器会立即停止工作，不按时继续下一个循环。
图2.1机构原理图
2.2PLC简介和I/O口点数分析
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。
具体应考虑的因素如下所述。
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。
（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机。
（3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。
但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。
一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。
一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。
由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。
若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。
物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC
（4）是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。
当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。
PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。
离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程
（5）PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。
尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0～55℃，最高为60℃
储存温度-40℃～＋85℃
湿度相对湿度5%～95%（无凝结霜）
振动和冲击满足国际电工委员会标准
电源交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为45～55Hz
瞬间停电保持l0ms
环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体
对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。
PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。
PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。
对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。
通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。
计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。
各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。
I/O点数也应留有适当裕量。
由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。
根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。
I/O模块的选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。
同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。
外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。
为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。
（1）确定I/O点数
I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。
对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。
（2）开关量I/O
标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。
典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。
（3）选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：
一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。
一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。
如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。
二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。
一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。
（4）选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：
一是输出方式选择。
输出模块有三种输出方式：
继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。
其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。
但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交／直流负载。
当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。
晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。
感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。
二是输出电流的选择。
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。
对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。
三是允许同时接通的输出点数。
在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。
电源模块的选择
电源模块的选择一般只需考虑输出电流。
电源模块的额定输出电流必须大于处理器模
块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。
以下步骤为选择电源的一般规则：
（1）确定电源的输入电压；
（2）将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电
流值；
（3）I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：
①框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；
②当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。
（4）如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；
①列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；
②将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤
。
（5）在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。
（6）根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。
需要，还要力争最佳的性价比。
具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。
PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然使用场合也有所不同。
因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技术经济指标意义重大。
因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑：
（1）合理的结构形式
（2）安装方式的选择
（3）相当的功能要求
（4）系统可靠性的要求
表2.1I/O分配表
Y1表示电磁阀YA1，Y2表示电磁阀YA，Y4表示电磁阀YA，Y3表示电机
2.3设备型号选择
1西门子S7-200PLC
2PS307电源（2A）（6ES7307-1BA00-0AA0）1块
3CPU315-2DP（6ES7315-2AG10-0AB0）1块
4数字量输入模块SM321DI16*24VDC（6ES7321-1BH02-0AA0）2块
5数字量输出模块SM322DO8*RELAC230V（6ES7322-1HF01-0AA0）2块
6仿真模块1块
7机架1块
8计算机1台
9SX-805-7多种固体粉末自动混合控制模板1块
2.4外部接线图
图2.2I/O口分配图
2.5设计程序的流程图
图2.3程序流程图
2.6程序梯形图
图2.4程序梯形图
2.7程序设计
LDNI0.4
LDI0.3
OM0.0
ALD
=M0.0
Network2
LDM0.0
ANI0.0
ANQ0.3
Network3
LDM0.0
AI0.0
ANI0.0
ANQ0.3
=Q0.1
Network4
LDM0.0
AI0.1
LPS
ANQ0.3
=Q0.2
LPP
TonT37，600
Network5
LDM0.0
OQ0.3
AT37
ANT38
=Q0.3
Network6
LDM0.0
AM0.1
TONT38，150
Network7
LDM0.0
AI0.0
=I0.0
Network8
LDM0.0
AI0.0
=I0.0
Network9
LDM0.0
ANI0.2
=M0.1
Network10
LDM0.0
AI0.2
=I0.2
Network11
END
该系统工作方式设有周周期、单步、手动、连续和回原点五种工作方式。
（1）在单周期工作方式下，按下启动按钮后，搅拌设备从初始步M0.0开始，按规定步骤完成一个周期工作后返回并停留在初始状态。
（2）在连续工作方式下，在初始状态下按下启动按钮，设备从初始步开始运行，工作一个周期后又开始新一轮搅拌，反复连续的工作，但按下启动按钮系统并不会马上停止运行。
只有在完成当前周期的工作后系统才会返回并停留在初始状态。
（3）在单周期工作运行方式下，从初始步开始，按下启动按钮，系统将会转换到下一步的工作状态，完成该步的任务后系统就会自动停止在该步；再按一下启动按钮，又往前走一步。
2.8系统调试
系统模拟调试，在编程软件和仿真软件对控制程序调试
根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用PLC的S7_200的仿真软件进行仿真。
具体步骤如下：
（1）仿真软件运行
（2）导入梯形图
（3）点击运行
（4）进行调试
观察仿真软件上的灯是否按照程序要求依次点亮，延时是否准确。
是就说明程序正确，不是就说明程序还存在问题。
本设计仿真结果如下：
按I0.3系统启动，开始放A粉末
图2.5系统启动仿真图
I0.3松开时系统自锁
图2.6系统自锁图
按I0.2即粉末达到传感器3处，继续倒A粉末
图2.7放料仿真图1
按下I0.0后，到传触感器2处，Y1（Q0.1）要关，Y2（Q0.2）要开
图2.7放料仿真图2
按下I0.1过Y1、Y2关开始搅拌，电机（Q0.2）启动
图2.8搅拌仿真图
电机搅拌60后，开始放混合粉末
图2.9系统卸料仿真图1
断开I0.0、I0.1粉末继续倒（Q0.3通电）
图2.10系统卸料仿真图2
到了低位传感器（I0.3）时，过15s系统进入下一个循环
图2.11系统循环仿真图
按I0.4关机
图2.12系统断电仿真图
（1）编好梯形图后必须先编译，看是否有误。
（2）将梯形图导出后访可下载。
参考文献
[1]《PLC应用技术》弭洪涛北京:
中国电力出版社，2004.
[2]《PLC编程及应用》廖常初北京:
机械工业出版社，2002.9.
[3]《机床电气自动控制》陈远龄、黎亚元、傅国强主编、
[4]《机电一体化系统设计》侯力主、黄成祥、向国齐编
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