大学本科电子专业毕业设计液体混合可编控制设计.docx

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大学本科电子专业毕业设计液体混合可编控制设计

摘要

可编程序控制器简称PLC，是近年来一种发展极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。

它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出完成确定的逻辑顺序、定时、记数、运算和一些确定的功能来控制各种类型的机械或生产过程。

由于PLC的性能优越，兼具计算机的功能完备，灵活性强，通用性好和继电接触器控制简单易懂，维修方便等优点，形成以微电脑为核心的电子控制设备。

可编程序控制器技术在世界上己广泛应用，成为自动化系统中的基本电控装置PLC在现代工业生产和实际生活中有着广泛的应用，由于可编程控制器（PLC）具有编程梯形图语言易学易懂、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，现在的工业自动化生产控制多采用可编程控制器来实现。

本论文首先介绍PLC的产生和发展及应用，以及它的基本功能和特点。

然后鉴于PLC的原理及其优越性，应用PLC控制液体的自动混合，该程序可进行单周期或连续工作，正常工作时，至少完成一个周期，该程序具有一定的防止误动作能力。

本论文从硬件设计，软件设计，组态王监控设计等方面进行分析，对西门子S7-200的应用有一定的指导意义。

关键词：

可编程控制器 ；液体混合装置；传感器

ABSTRACT

ProgrammablelogiccontrolleriscalledPLCforshort.Itdevelopsfastly,andhasawideuseasindustricialcontrollingdevice.Itisaelectronicsystemwhichoporatesdigitally,anditisdesignedforindustrialenviromentapplication.Thememoryitadoptsisprogrammable,anditstoresuserinstruction.Throughthedigitaloranologinput/output,PLCcanwokbysetlogicsequence,cantime,cancount,canoperate,andcancompleteotherelsefunctions.Soitcancontrolallkindsofmechanicalprocejuresandproductionprocejures.

Becauseofitshighperformance,mutiplefunctionslikeacomputer,highflexibility,goodcommonality,simpleandpellucidrelay-contactorcontrolling,easymantainaceandotherelsemerits,peoplebegintotakemicrocomputeasthecorecontrolletocontroltheelectronicequipment.PLCwaswidelyusedallaroundtheworld..Owingtoitseasy-to-learnandeasy-to-undersdandladderdiagramprogrammablelanguge,flexibleandconvenientcontrollingmethods,goodcapacityofresistingdisturbance,reliableoperaionandsoonfeatures,PLCisextensivelyusedinindustricialautomaticproduction.

Thispassagefirstlyintroducestheproduction,thedevelopmentofProgrammableLogicController（CalledPLCforshort）,anditsbasicfunctionandcharacteristics.Accordingtoitsmainprincipleandexcellentquality,wecanusePLCtocontrolthemixingoftwokinds ofliquid.Thiscontrollingprosesscanmakeasingle circle orcirclein succession,Atworktime,itcanfinishonecircleat least.Thisprocedurealso hastheabilityofpreventingbadmoving.Thispassageintroducesthedesignofhardware,thedesignofsoftwareandthedesignofsupervisorycontrolusingthekingofconfiguration.ThiswillbehelpfulforthestudyingofthesimensS7-200.

KEYWORDS:

PLC；Liquidmixingdevice；Sensors

目　录

0．绪论

随着科技的发展，PLC的开发与应用把各国的工业推向自动化、智能化。

强大的抗干扰能力使它在工业方面取代了微型计算机，方便的软件编程使他代替了继电器的繁杂连线，灵活、方便，效率高。

本次设计主要是对两种液体混合搅拌机PLC控制系统的设计，在设计中针对控制对象：

三个传感器监视容器液位，设三电磁阀控制液体A、B输入与混合液体输出液位，设搅拌电机M。

搅拌机是一种将两种或多种以上材料搅拌混合的系统，对搅拌机的控制，关系到产品的质量。

工艺流程是：

启动后开阀放出混合液体，10S后关阀，放入液体A至X2液位，关A，放液体B至X3液位，关B，启动搅拌电机M，搅20S后停，开阀放出混合液体，至X1液位后，打开排气阀，延时5S放后关两阀。

运行出错是报警，并停止运行。

本设计采用德国西门子S7系列S7-200PLC以液体混料控制系统为中心，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），以及组态王监控设计，旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。

1．液体混合的现状与发展

随着经济的发展和社会的进步，各种工业自动化的不断升级，对于工人的素质要求也逐渐提高。

其中在生产的第一线有着各种各样的自动加工系统，其中液体混合加工，是其中最为常见的一种。

在工艺加工最初，把多种原料在合适的时间和条件下进行顺序加工，以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，到后来多用继电器系统，对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作。

但是现在随着时代的发展，plc这种新型的控制工具进入了人们的视野，它体积比一般继电器要小、轻,并能代替了以往传统的控制方式，并且还具有如加工程序改变方便、使用电源在安全电压以下等优点，由此大受青睐。

可编程控制器（PLC）是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。

PLC正改变着工厂自动控制的面貌，对传统产业的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。

但PLC发展很快，国外PLC产品更新换代更是如此。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器位核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机HITECH。

1.2研究意义

在国内的许多化工厂，水泥厂，钢厂，尤其是国有老厂，其控制系统还在使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制。

人工控制由于人员过多效益过低，生产的产品不够精确，安全隐患大增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的试验设备和生产设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。

而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统控制已达不到系统要求。

随着大规模及超大规模集成电路的发展以及计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动（数字）控制方向发展。

在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是十分广泛的,在自动控制的设备中,可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得更普遍。

随着科学技术日新月异的发展,特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭新的阶段，因此,了解和学习这些重要技术已是必不可少。

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。

目前我国仍有许多生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。

从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。

而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料不必绘制成图。

设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。

编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。

开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。

总之，现代的工业自动化生产线中,多数产家都采用PLC作为自动化生产线的控制。

在未来的工业生产中，PLC仍然能够引导自动化行业的发展，随着电子技术的飞速发展，PLC将在各个领域更加适应不同客户的要求。

1.3研究内容

本论文研究的是两种液体的混合，具体控制要求如下

1.3.1 初始状态

装置投入运行时，液体A、B阀门均为关闭状态，混合液阀门打开10s后关闭。

1.3.2  起动操作

按下启动按钮后，装置开始按下列规律运行：

1.液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达X2水位时，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

2.当液面到达高水位X3时，关闭B阀门，搅匀电动机开始搅匀。

3.搅匀电动机工作20S后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

4.当液面下降到50时，再过5s后，混合液排气阀门关闭，一个周期结束。

1.3.3报警

当系统发生故障时，报警灯闪烁，停止混合系统运行。

具体控制示意图如图1所示：

图1两种液体混合控制示意图

2.液体混合装置的控制的硬件设计

2.1液体混合装置结构及控制要求

如图2-1所示为混合液体控制装置示意图，X2为A液体高度传感器，X3为加入B液体后混合液体高度传感器，X1为剩余50时液面高度传感器，液体A、B与混合液阀由电磁阀Y1、Y2、Y3控制，排气电磁阀由Y5控制，搅拌电动机由Y4电磁阀控制，报警由电磁阀Y6控制，M为搅匀电动机。

图2-1混合液体控制装置示意图

2.2硬件选用

2.2.1选择接触器

.选用CJX1-9，220V型接触器，如图2-2所示：

图2-2CJX1-9，220V型交流接触器

其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流

2.2.2用途

CJX1系列交流接触器（以下简称接触器）适用于交流50Hz或60Hz，压至660V，额定绝缘电压至660V；电流9～475A（380V、AC-3使用类别）的电力线路中供远距离接通或分断电路之用，可频繁地起动及控制交流电动机。

适用于控制交流电动机的起动、停止及反转。

2.2.3工作条件

海拔高度不超过2000米；

周围环境温度：

-25～+40℃；

空气相对湿度：

在40℃时不超过50%，低温时允许有较大的相对湿度；

大气条件：

没有会引起爆炸危险的介质，也没有会腐蚀金属和破坏绝缘的气体和导电尘埃。

安装位置：

安装面与垂直面的倾斜度不超过±5°；

在无显著摇动和冲击的地方；

在没有雨雪侵袭的地方；

控制电压允许变动范围：

85%～110%US。

2.2.4.结构特征

总体结构：

接触器为E字形铁芯，双断点触头的直动式运动结构。

z触器动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑，可防止外界杂物及灰尘落入接触器活动部位。

接线端有罩盖，人手不会直接接触带电部位，可确保使用安全。

接触器外形尺寸小巧，安装面积小。

安装方式可用螺钉坚固，9~38A也可扣装在35毫米宽的标准安装导轨上，装卸迅速、方便。

触头系统：

主触头、辅助触头均为桥式双断点结构，触头材料由导电性能优越的银合金制成，具有使用寿命长及良好的接触可靠性，灭弧室成封闭型，并由阻燃性材料阻挡电弧向外喷溅，保证人身及邻近电器的安全。

磁系统：

9～38A接触器的磁系统是通用的，电磁铁工作可靠、损耗小、具有很高的机械强度，线圈的接线端装有电压规格的标志牌，标志牌按电压等级著有特定的颜色，清晰醒目，接线方便，可避免因接错电压规格而导致线圈烧毁。

2.2.5选择搅拌电机

合理选择电动机的功率是运行安全和经济保证。

电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。

本次设计选用电动机型号如图2-3所示

2.2.6连续运行电动机功率与短时电动机功率

原则：

对于连续运行的电动机，若负载是恒定负载，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率稍大于或等于生产机械功率（即若负载是变化的，计算比较复杂，通常根据生产机械负载的变化规律求出等效的恒定负载，然后选择电动机）。

原则：

通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。

（原因由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。

工作时间愈短，过载可以愈大。

但电动机的过载是受限制的）。

电动机的额定功率是生产机械所要求功率的1/λ。

种类选择原则：

主要从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑。

结构型式选择原则：

根据生产机械的周围环境条件来确定。

电动机常用的结构型式有：

开启式、防护式、封闭式、防爆式。

电压等级选择原则：

要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。

Y系列笼型电动机的额定电压只有380V一个等级；大功率异步电动机才采用3000V、6000V的电压等级。

转速选择原则：

根据生产机械的要求而选定。

本次设计选用电动机型号如图2-3所示

图2-3电动机型号为Y90S-6/0.75KW

Y系列三相异步电动机是一般用途低压三相鼠笼型异步电动机基本系列。

该系列可以满足国内外一般用途的需要，机座范围80-315，是全国统一设计的系列产品。

Y系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。

安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准。

采用B级绝缘、外壳防护等级为IP44，冷却方式IC418.

2.2.7选择小型三极断路器

选用DZ47-63系列三级断路器如图2-4所示

图2-4DZ47-63系列小型断路器

适用范围：

交流50Hz

额定工作电压至380V

额定电流至63A

额定短路分断能力不超过6000A的配电线路中

作为过载和短路保护之用，亦可作为线路不频繁通断操作与转换之用，断路器符合GB10963.1标准。

2.2.8选择液位传感器

选用LSF-2.5型液位传感器（图2-5）

图2-5LSF-2.5型液位传感器

其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，”F“表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。

LSF系列液位开关可提非常准确、可靠的液位检测，其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。

应用此原理可制成单点或多点液位开关。

LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。

相关元件主要技术参数及原理如下：

（1）工作压力可达2.5Mpa；

（2）工作温度上限为125℃；

（3）触点寿命为100万次；

（4）触点容易为70W；

（5）开关电压为24VDC；

（6）切换电流为0.5A。

2.2.9选择电磁阀

入罐液体的选用VF4-25型电磁阀，如图2-6所示：

图2-6VF4-25型电磁阀

其中“v”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（mm）宽度。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1.材质：

聚四氟乙烯。

使用介质：

硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸性的液体；

2.介质温度≤150℃／环境温度-20一60℃；

3.使用电压：

AC:

220V50HZ/60HZDC:

24V；

4.功率：

AC:

2.5KW；

5.操作方式：

常闭：

通电打开，断电关闭，动作响应迅速，高频率。

2.2.6出罐液体的选用

本次设计电磁阀采用-AVF-40型电磁阀如图2-7所示：

出罐液体的选用AVF-40型电磁阀，如图2-8所示：

图2-7-AVF-40型电磁阀

其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径（mm）

相关元件主要技术参数及原理如下：

1.其最大特点就是能通过设备上的按健设置来控制流量，达到定时排空的效果；

2.其阀体材料为：

ABS，有比较强的抗腐蚀能力；

3.使用电压：

AC:

220V50HZ/60HZDC:

24V；

4.功率：

AC:

5KW。

2.2.7选择泄压阀

由控制系统中的要求，泄压阀选用XXX有限公司生产的YQ98002型过滤活塞式安全泄压阀，其主要特点如下：

1、设定压力准确，能长期稳定，一旦超压能迅速泄压。

2、弹性软密封，确保可靠，滴水不陋。

3、Y形宽体腔筏，流阻小、抗汽蚀性强，无噪音。

4、活塞传动，平稳可靠。

5、可任何角度安装。

图2-8YQ98002型过滤活塞式安全泄压阀

2.3S7-200的CPU的选择

2.3.1编程器的选择 

西门子STEP7-Micro/WIN32编程软件是西门子公司专为SIMATIC系列S7-200可编程控制器研制开发的编程软件，它可以使用个人计算机作为图形编程器，用于在线（联机）或者（脱机）开发用户程序，并可在线实时监控用户程序的执行状态，是西门子S7-200用户不可缺少的开发工具。

具有简单，易学，高效，节省编程时间，能够解决复杂的自动化任务；它

  具有强大的拓展功能，现在汉化程序后，可在汉化的界面下进行操作，使用起来更加方便。

S7-200PLC结构如下图：

图2-9S7－200PLC结构

2.3.2S7-200系列PLC概述

西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。

S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，22版与21版相比，硬件、软件都有改进。

22版向下兼容21版的功能。

22版与21的主要区别是：

21版CPU的自由口通讯速率300、600被22版的57600、115200所取代，22版不再支持300和600波特率 ，22版不再有智能模块位置的限制 

其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。

   1.集成的24V电源

   可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU221和CPU222具有180mA输出。

CPU224输出280mA，CPU226、CPU226XM输出400mA可用作负载电源。

 2.高速脉冲输出

   具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务

   3.通信口

   CPU221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。

CPU226、CPU226XM具有2个RS-485通信口。

支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。

   4.模拟电位器

   CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。

模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。

如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。

  5.中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。

 6.EEPROM存储器模块

   可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。

   7.电池模块

   用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。

选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。

电池模块插在存储器模块的卡槽中。

8.不同的设备类型

   CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

3.液体混合装置的控制的软件设计

3.1控制要求及分析：

3.1.1  初始状态

装置投入运行时，液体A、B阀门均为关闭状态，混合液阀门打开10s后关闭。

3.1.2  起动操作

按下启动按钮后，装置开始按下列规律运行：

1.液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达X2水位时，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

由于A液体电磁阀动作两次，分别表示注入A液体和停止A液体的注入，所以为了便于分析，不用停止注入A液体作为注入B液体的顺序开关。

而用初始状态结束作为注入B液体的顺序开关。

2.当液面到达高水位X3时，关闭B阀门，搅匀电动机开始搅匀。

3.搅匀电动机工作20S后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

由于初始状态也有混合液体电磁阀的动作，所以用搅拌结束作为第二次混合液体电磁阀的动作的顺序开关。

4. 当液面下降到50时，再过5s后，混合液排气阀门关闭，一个周期结束。

对于排气电磁阀，假设是在液面降到50时，排气阀打开，5S之后，混合液体停止排放，排气阀关闭。

3.1.3报警

当系统发生故障时，报警灯闪烁，停止混合系统运行。

对报警的分析：

停止混合系统运行可视为，停止液体A和液体B的注入。

混合液体排放和排气阀的动作不运行液体混合。

两种液体混合装置的流程图如图3-1所示：

图3-1液体混合程序流程图

3.2两种液体混合装置的输入/输出分配

在确定了控制对象的控制任务和选择好PLC的机型后，即可安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址编号。

分配I/O地址时要注意以下问题：

1.设备I/O地址尽可能连续；

2.相邻设备I/O地址尽可能连续；

3.输入/输出I/O地址分开；

4.每一框架I/O地址不要全部占满，要留有一定的余量，便于系统扩展和工艺流程的改，但不宜保留太多，否则会增加系统成本；

5.充分考虑控制柜与控制柜之间、框架与框架之间、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。

因此系统输入输出分配如下：

表3-1输入分配表

输入地址

对应元件

对应外部设备

I0.0

SB1

启动按钮

M0.0

SL0

初始状态

M0.1

SL