基于PLC的物料混合装置的设计.docx
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基于PLC的物料混合装置的设计
基于PLC的物料混合控制系统的研究
学院电子信息工程学院
专业电气工程及其自动化
摘要
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。
随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程序控制器PLC已在工业控制中得到广泛应用，而且所占比重在迅速的上升。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。
它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，为搅拌机械顺利、有序、准确的工作创造了有力的保障。
本文所介绍的多种液体混合的PLC控制程序可进行单周期或连续工作，具有断电记忆功能，复电后可以继续运行。
另外，PLC还有通信联网功能，再通过WINCC组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。
关键词：
可编程序控制器PLC；液位传感器；定时器；
目录
第一章引言1
第二章总体方案设计3
第三章硬件设计5
3.1硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC5
3.1.1PLC机型选择5
3.1.2PLC容量选择7
3.1.3I/O模块的选择7
3.1.4电源模块的选择9
3.1.5设备型号选择10
3.2外部接线图10
3.3系统安全设计，可靠性、实用性强11
第四章程序设计13
4.1设计程序的流程图13
4.2I/O分配表14
4.3控制程序设计，最大限度的满足被控对象的控制要求15
4.3.2程序设计17
第五章人机界面设计20
5.1设计思想，使计算机在人机界面上适应人的思维特性和行动特性20
5.2画面组态，包括对变量、画面、动画、报警、用户管理、数据记录、趋势图、配方、报表、运行脚本和以太网通信的组态21
第六章系统调试22
6.1系统模拟调试，在编程软件和仿真软件对控制程序调试22
6.2系统联机调试，WINCC画面中对整个系统进行运行和调试24
第七章总结24
7.1本设计的整体内容和要求24
7.2本设计的功能和优点24
7.3本次设计的心得体会25
结论26
致谢27
参考文献28
第一章引言
1.1传统的物料混合设备的控制存在的问题
鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，流体混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。
长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析
和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。
这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。
据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。
因此，从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。
1.2引入PLC来实现其物料混合设备的控制功能
本设计基于采用可编程序控制器（PLC）的设计方案，实现对液体混合搅拌的控制。
以PLCS7-200为主要控制器。
根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等，设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从而满足其控制要求。
根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。
这样就可以先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图，然后在根据顺序功能图画梯形图，最后再用仿真软件对其进行调试仿真。
这样就可以实现PLC对混合搅拌控制程序的设计。
第二章总体方案设计
2.1总体方案论证，系统是将计算机技术、PLC、网络技术和工业自动化技术紧密结合起来，采用分布式的数据采集，集中式的数据处理。
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）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。
（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。
（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。
（4）可编程序控制器控制
可编程序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茧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。
2.2系统方案的设计思想，控制系统简单、经济、使用和维护方便。
物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要求。
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
（6）硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强
第三章硬件设计
3.1硬件选型，根据PLC的输入、出点数，控制功能选择适用型号的PLC
3.1.1PLC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200V，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
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。
3.1.2PLC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。
3.1.3I/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。
3.1.4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
3.1.5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多种液体自动混合控制模板1块
3.2外部接线图
图1-1
3.3系统安全设计，可靠性、实用性强
本设计设计为两种液体混合搅拌控制，其元件、要求如下：
该系统有三个液面传感器：
L1为高液面传感器，L2为中液面传感器，L3为低液面传感器。
当液面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：
Y1为液体A输入电磁阀，Y2为液体B输入电磁阀，X3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时阀门就关闭，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M=ON时，搅拌电动机运行；当M=OFF时，搅拌电动机停止。
初始状态：
起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器L1=L2=L3=OFF，搅拌电动机M=OFF。
操作工艺：
搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门Y1打开，开始向仓里放液体A，当液面到达传感器L3时，L3=ON、A液体继续注入，直到液面到达L2时，L2=ON，使Y1=OFF，Y2=ON，即关闭阀门Y1，停止送A液体，打开阀门Y2，开始输入液体B，当液面到达液体L1时，关闭Y2，同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌60S后，液体均匀，停止搅拌，即M=OFF，打开阀门Y4，放混合液体。
当液面低于传感器L3时，再过15S，容器中的混合液体全部放空，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。
第四章程序设计
4.1设计程序的流程图
图1-3
4.2I/O分配表
表1-1I/O分配
Symbol
Addres
Datatype
Symbol
Addres
Dytatype
启动
I0.3
BOOL
放混合液体
M0.4
BOOL
L1
I0.1
BOOL
放液体延时
M0.5
BOOL
L2
I0.0
BOOL
循环控制
M1.0
BOOL
L3
I0.2
BOOL
Y1
Q0.0
BOOL
停止
I0.4
BOOL
Y2
Q0.1
BOOL
初始状态
M0.0
BOOL
M
Q0.2
BOOL
放A液体
M0.1
BOOL
Y4
Q0.3
BOOL
放B液体
M0.2
BOOL
搅拌延时
T37
TIMER
混合搅拌
M0.3
BOOL
放液体延时
T38
TIMER
4.3控制程序设计，最大限度的满足被控对象的控制要求
4.3.1程序梯形图
第五章人机界面设计
5.1设计思想，使计算机在人机界面上适应人的思维特性和行动特性
图1-4
5.2画面组态，包括对变量、画面、动画、报警、用户管理、数据记录、趋势图、配方、报表、运行脚本和以太网通信的组态
图1-5
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。
第六章系统调试
6.1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）首先把仿真软件的CPU更改为CPU226（点CONFIGURACION—TIPODECPU，然后点Accepter）
（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。
6.2系统联机调试，WINCC画面中对整个系统进行运行和调试
（1）编好梯形图后必须先编译，看是否有误。
（2）打开仿真软件后必须得将CPU更改为CPU226形式。
（3）将梯形图导出后访可下载。
（4）下载后利用WINCC画面对系统进行运行和调试。
第七章总结
7.1本设计的整体内容和要求
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
（1）整体式PLC整体式PLC又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体式结构。
它的CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可以选用全输入型或全输出型的数字量I/O扩展单元来改变输入/输出点的比例。
整体式PLC还配备许多准用的特殊功能模块，例如模拟量输入/输出模块、热点阻模块和通信模块等，使PLC的工能得到扩展。
（2）模块式PLC大、中型PLC及复杂和要求较高的系统一般采用模块式结构。
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。
7.2本设计的功能和优点
可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。
PLC对物料混合的控制，并
升级会员 