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液体自动混合控制
存档资料成绩：
华东交通大学理工学院
PLC课程结课论文设计
所属课程名称可编程序控制器
题目 液体自动混合控制
分院
专业班级
学 号
学生姓名
指导教师
2014年12月18日
目 录
第1章液体自动混合系统方案设计1
第2章液体自动混合系统的硬件设计4
第3章液体自动混合系统的软件设计11
第4章设计总结14
第5章参考文献15
第1章液体自动混合系统方案设计
1.1方案设计原则
整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。
设计原则主要包括：
工作条件：
工程对电气控制线路提供的具体资料，系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用，减小设备成本。
在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。
控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。
对于本课题来说，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。
对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。
从企业的改造要求可以看出在新控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量。
系统的可靠性要高。
人机交互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。
要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。
1.2系统的整体设计要求
在该混合液体装置中，需要完成三种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：
1.混合过程：
开始排放混合液体阀打开放完液体后自动关闭，A液体阀YV1打开，注入A液体。
当液面上升到SL2时，关闭A液体阀YV1，同时注入B液体阀YV2打开，注入B液体。
当液面上升到SL3时，关闭B液体阀，并开始定时搅拌，搅拌1分钟后停止。
2.停止过程：
停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到SL1时，开始计时到2秒后关闭排气阀YV3。
一个循环结束。
3.本设计使用液位H、I、L3个传感器、控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。
1.3控制系统的设计
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：
继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
1.3.1继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的。
继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。
系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
1.3.2单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。
要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。
1.3.3工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。
但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。
且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
1.3.4可编程序控制器控制
可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。
随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。
由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。
故选择PLC来实施本次设计。
1．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。
2．运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
3．闭环过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
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。
4．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。
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。
5．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。
根据本控制系统的控制要求应该选择可编程序控制器控制。
第2章液体自动混合系统的硬件设计
2.1硬件选型
2.1.1PLC机型选择
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系列机或欧姆龙公司的COM1。
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220V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz
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
2.2PLCI/O点分配
2.2.1控制系统I/0数量
通过分析控制任务，共需要6个数字量输入和4个数字量输出，CPU型号可以选择S7-200PLC的CPU222（本机上有8个数字量输入和6个数字量输出）。
SL1（L）、SL2（I）、SL3（H）为3个液位传感器，液体淹没时接通。
进液阀QO.1、QO.2分别控制A液体和B液体进液，出液阀Q0.4控制混合液体出液。
该系统所使用的输入输出设备的I/O分配如表2-1所示。
表2-1输入和输出设备I/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
停止信号
常开按钮
SB2
I0.1
液位传感信号L
液位传感器
SL1
I0.2
液位传感信号I
液位传感器
SL2
I0.3
液位传感信号H
液位传感器
SL3
I0.4
初始化信号
转换开关
QS
I0.5
输出信号
电动机M控制信号
线圈
KM
Q0.0
电磁阀YV1控制信号
电磁阀
YV1
Q0.1
电磁阀YV2控制信号
电磁阀
YV2
Q0.2
电磁阀YV3控制信号
电磁阀
YV3
Q0.4
2.2.2PLC的I/O接线图
根据表2-1及I/O分配表画出图2-1I/O接线图如下：
图2-1I/O接线图
2.3主电路的设计
根据以上所选的器件可画出其硬件电气原理图如图2-2所示。
其中本次设计中的混合液体搅拌由电动机M驱动。
该电路带有短路保护、过载保护、失压零压保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能，过载保护由FR热继电器来实现其保护功能，失压零压保护功能由接触器来实现其保护功能。
图2-2主电路
第3章液体自动混合系统的软件设计
3.1程序设计的一般方法
3.1.2经验设计法
经验设计法也叫凑试法。
在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。
这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。
经验设计法的具体步骤如下：
1．确定输入/输出电器；
2．确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；
3．做出系统动作工程流程图；
4．选择PLC指令并编写程序；
5．编写其它控制要求的程序；
将各个环节编写的程序联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。
3.1.2逻辑设计法
工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。
而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：
断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。
该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。
在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。
3.1.3顺序设计法
对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。
顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。
在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。
功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。
综上所述，本控制系统采用顺序设计法设计。
3.2PLC控制的相关流程图
3.2.1控制流程图
液体混合动作的循环过程为：
开阀门YV1关阀门YV1开阀门YV2关阀门YV2搅拌定时放液体定时关阀门YV3开始下一个循环。
系统的控制流程图，如图3-1所示。
图3-1控制流程图
3.3可编程控制器梯形图
标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点
1.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线，左边画输入、右边画输出。
2.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
3.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
4.内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
5.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当作条件使用。
梯形图的编制采用STEP7Micro/WIN32软件，STEP7Micro/WIN32软件是西门子S7200PLC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，该软件具有Windows应用软件的通用界面,易学易用。
程序梯形图
梯形图分析：
1.初始状态当装置投入运行时，转动转换开关QS（即I0.5得电），进液阀QO.1、QO.2关闭，出液阀QO.4打将容器中的残存液体放空后关闭。
2.控制过程如下：
（1）启动电源，按下启动按钮SB1，中间继电器M0.0接通，使Q0.1接通，即A液体阀门打开，流入A液体，液体B阀门关闭，当液体达到传感器SL2的高度，SL2发出信号，切断YV1接通YV2。
（2）YV2接通，即Q0.2接通，流进液体B，当液位高度达到SL3，SL3发出信号，关断YV2，接通Q0.0，使得电动机M得电。
（3）M得电接通，搅拌液体，使之混合，搅拌1分钟后，切断电动机M，同时接通YV3即排放阀接通。
（4）当液面下降到SL1处时再过2秒，放液阀门YV3关闭，开始下一个循环周期。
（5）当按停止按钮SB2，系统停止工作。
第4章设计总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关PLC应用方面的知识，在设计过程中尤其是自己动手编制程序时，遇到了很多困难，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我掌握的知识不再是纸上谈兵，而是学以致用。
同时，这次课程设计让我感受到了我对所学习的内容是多么的不熟练，在设计过程中总是需要翻书，还总是会出现问题，同时这些问题也提醒了我那些地方没学好，加深了对这部分知识的印象。
课程设计不仅仅是一门专业课，使我学到很多专业知识以及提升了专业技能上，同时又是一门提升自我综合能力的课程，给了我莫大的发展空间，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高；更重要的是，在课程设计中，我们学会了很多学习的方法，而这些都将为日后做准备，会使我们终身都受益匪浅。
面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，才能在最大程度上发掘自己。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。
第5章参考文献
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