基于PLC的搅拌器控制系统设计.docx
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基于PLC的搅拌器控制系统设计
基于PLC的搅拌器控制系统设计
摘要
随着PLC等许多处理器的发展，自动控制模式的电动机的数量越来越多。
传统的控制方式因技术手段落后、生产效率低等弊端已不能适应企业生产的需要。
本文主要介绍采用西门子PLC实现对液体搅拌系统进行自动控制。
基于PLC构成的用于两种液体自动混合、自动搅拌和自动放料系统的控制目标、硬件组成、软件设计及系统功能，能模拟显示液体搅拌系统的全部工作过程。
系统硬件主要由S7-300可编程控制器、电磁阀、泵以及液位变送器等组成，编程软件采用采用西门子编程软件STEP7。
系统通过液位变送器将采集到的现场液位高度传送给西门子PLC，并由PLC对现场数据逻辑处理后，发出相应的控制指令，完成系统的自动控制。
最后，系统使用RS-232接口与上位机相连实现PLC与计算机的通讯。
系统不仅自动化程度高，灵活性强,还具有在线修改功能，可满足不同的生产工艺要求。
关键字：
PLC，液体搅拌系统，液位变送器，电磁阀
DESIGNOFINDUSTRIALMIXINGPROCESSCONTROLSYSTEMBASEDONPLC
ABSTRACT
WiththedevelopmentofPLC,therearemoreandmoreautomaticcontrolelectromotor.Thetraditionalwayofcontrollingcannotmeettheneedsofenterpriseproductionforitsinlowefficiencyandlowproductivity.ThispaperintroducestherationalapplicationofSIEMENSPLCintheautomaticcontrolsystemofliquidmixer.PLC-basedliquidcompositionforthetwoauto-mixing,automaticmixingandautomaticdischargesystem,controlobjectives,hardwarecomponents,softwaredesignandsystemcapabilitiesofliquidmixingsystemsimulationshowthatalltheworkprocess.
TheSystemhardwareismainlyformedbytheS7-300programmablelogiccontroller,electromagneticvalve,pumpandliquidlocationsensor,programmingsoftwareusingSiemensSTEP7.TheSystemthroughtheliquidlocationsensorcollectedlevelinformationtoSiemensPLCandthenthePLCdealwithon-sitedata,andsendingcorrespondingcontrolcommandtocompletethesystemofautomaticcontrol.AtlastsystemisrealizedthecommunicationbetweenPLCandtheuppercomputerbyusingtheconnectionofRS-232.Thissystemnotonlyhashighautomationlevelandgreatmobilitybutalsocanaltertheparameteronline,itcanuseinkindsofliquidlocationcontrolsystems.
Keywords:
PLC，liquidmixingsystem，liquidlocationsensor，electromagneticvalve
1.绪论
1.1液体搅拌系统的简介
目前，我国的液体搅拌系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法耗能大，浪费大，搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时对噪声污染也很严重。
随着计算机技术的飞速发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。
所以，对搅拌系统应该进行改进，使它可以灵活的根据液体的不同而进行混料的浓度可调，从而达到节能环保目的。
液体搅拌系统由原料罐，混料罐，出料罐组成。
它先将两种原料送混料罐，然后在混料罐内混合，最后，送出料罐出料。
两种原料液体进料时达到设定的液面时停止进料，且搅拌器搅拌时间可根据浓度的不同而自行设定。
设计要求在混料罐内混合两种液体，首先确定混料罐内无残留液体，即让放料阀打开10s，然后注入A液体，当A液面上升到L位时关断A液；B液开始注入,B液面上升到H位时关断B液，进液动作停止；搅拌电机M开始搅拌，搅拌均匀后（时间设定为20s）停止；出料阀打开，两个出料泵按照顺序进行工作，实现出料，当出料动作结束后整个系统停止工作。
根据上述构想，决定采用可编程控制器（PLC）、电磁阀、泵、电机以及液位变送器进行设计。
为了实现液体搅拌系统的控制需要，系统使用PLC为控制核心。
系统通过液位变送器采集现场液位高度并将其转换成4～20mA的电流信号送PLC，PLC根据现场状况及外部输入指令控制搅拌系统，并显示操作指示及发出报警。
系统的控制框图如图1-1所示。
图1-1系统控制框图
根据系统的工艺流程整个液体搅拌控制系统过程可分成多个阶段：
基本液位控制过程、模拟量信号采集、报警指示。
（1）基本液位控制过程：
按控制要求，实现进料及出料时进料罐和出料罐的基本液位控制。
（2）模拟量信号采集：
通过液位变送器及A/D转换器完成现场液位的采集过程。
（3）报警指示：
当超过所设定的液位时，报警输出。
1.2液体搅拌系统组成
为实现液位的采样、自动控制，系统必须包括硬件部分和软件部分。
硬件部分由可编程控制器、液位变送器、电磁阀、电机、泵、A/D转换器、RS-232电缆接口组成。
软件部分由PLC编程软件组成。
（1）系统硬件组成及功能：
可编程控制器：
系统下位机选用西门子S7-300型PLC，作为整个系统的控制核心，主要用于实现自动控制。
电磁阀：
选用DF2型二位二通（常闭）电磁阀，用来控制进料及出料时液体的流动。
接触器：
选用CJ10-20交流接触器，用于控制电机、泵。
中间继电器：
选用JZ14-44Z型中间继电器，主要起中继作用，与接触器配合使用。
液位变送器：
选用HP-31B液位变送器，并转换成4～20mA的电流输入S7-300,用于采集现场液位数据。
A/D转换器：
选用西门子四通道模拟量输入模块S7-300，用于将采集到的现场液位数据传送给PLC。
RS-232电缆接口：
用于连接PLC及上位机。
（2）系统软件组成：
PLC编程软件：
由于系统采用西门子的PLC，故也是使用西门子PLC编程软件STEP7，用于编写PLC控制程序。
1.3PLC在液体搅拌系统中的应用
在化工、机械等行业的生产过程中，液体搅拌是十分重要也是必不可少的重要环节，液体搅拌的关键是保证混料过程中原料的准确性和比例以及保证原料的充分混合。
采用通用计算机控制，尽管可以达到控制精度，但成本高，对工作环境要求高，对现场操作人员要求也高。
采用PLC实现液体搅拌控制，不但可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且大大降低成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。
以往常采用传统的继电器控制液体搅拌系统，使用硬件连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，为了克服上述缺点，目前采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为生产提供了更可靠的保障。
本文在此介绍一种采用可编程控制器对液体搅拌系统进行控制的方法，其电路结构简单，投资少，可靠性好，自动化程度高。
2.可编程控制器
2.1可编程控制器的发展
可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC。
）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向[1]。
可编程序控制器问世于20世纪60年代，当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产，CPU以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。
一台可编程序控制器最多只能替代200～300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。
进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。
可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等，可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。
软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM。
70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。
可编程序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程I/O能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。
80年代后期到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。
使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。
由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂远程I/O，从而组成分布式控制系统（DCS）已无困难。
梯形图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，SFC（顺序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。
2.1.1PLC技术发展概况
以往的顺序控制主要由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序的工作，若要改变控制的顺序就必需改变控制器的硬件接线，使用起来不灵活。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种更好的控制器。
1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出第一台可编程序控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，PLC由此诞生。
70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算，闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。
在这个时期，日本、德国和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。
70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高性能方向发展，形成了多种系列化产品。
这时面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。
在功能上PLC已可以代替某些模拟控制装置和小型机的DDC系统。
进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。
这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。
尽管PLC功能越来越强，但它仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。
PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。
无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。
目前PLC朝以下几个方向发展：
（1）大型网络化：
网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。
（2）多功能：
为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入等。
这些智能模块以处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。
（3）高可靠性、好兼容性：
由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中。
2.1.2可编程控制器在我国的发展
我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。
大致可划分为下述三个阶段：
（1）可编程序控制器的初级认识阶段（70年代后期到80年代初期）
国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于70年代后期到80年代初期的成套设备引进中。
正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。
（2）可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80年代初期到90年代初期）
80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。
许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。
随着应用能力的提高和市场需求的扩大，一些部门和单位本着技贸结合、消化移植的方针，一方面进行二次开发和应用研究，一方面也在引进可编程序控制器的生产线，建立生产可编程序控制器的合资企业，积极开发自己的产品。
（3）可编程序控制器的广泛发展阶段（90年代初期到现在）
进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：
政府重视：
1991年成立了可编程序控制器行业协会。
可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。
1993年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。
应用更加广泛。
这一阶段可编程序控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，已成为企业提高装备技术水平的重要标志。
2.2PLC的分类
可编程控制器一般从点数、功能、结构形式和流派等方面进行分类[2]。
（1）根据点数和功能进行分类
根据点数和功能可以分为小型、中型和大型PLC。
小型PLC的输入/输出端子数量为256点以下；中型PLC的输入/输出端子数量为1024点以下；大型PLC的输入/输出端子数量为1024以上。
小型PLC、中型PLC和大型PLC不光体现在输入输出端子数量上，更重要的是功能的差别。
小型PLC主要用于完成逻辑运算、计时、计数、移位、步进控制等功能。
中型PLC的功能，除完成小型PLC的功能外，还有模拟量控制、算术运算、数据传送和矩阵等功能。
大型PLC，除完成中型PLC的功能外，还有更强的连网、监视、记录、打印、中断、智能、远程控制等功能。
另外，小型、中型和大型PLC的分类不是绝对的，有些小型PLC的功能可以具备部分中型PLC的功能。
（2）根据结构形式进行分类
按照结构形式分，PLC有整体式和模块式两种。
①整体式PLC是一个整体，其所有部件均在一个盒内。
它的优点是结构紧凑、体积较小，成本低，安装方便，缺点是输入输出点数是固定的，不一定能适应具体的控制现场的需要。
整体PLC根据需要也可以进行扩展。
②模块式PLC是由多个模块组成的，通过内部总线连接在一起，用户可以根据需要组建自己的PLC系统。
模块式PLC的优点是1/O模块及I/O点数可根据用户需要灵活组合，扩展能力强、使用方便、便于维修。
缺点是体积较大、插件较多，影响工作的可靠性，并且价格较高。
（3）PLC的流派分类
世界上PLC的生产厂家约200多家，生产的产品大概有400多种。
按地域分为4个流派：
①美国产品，性价比适中，使用比较方便；
②欧洲产品，性价比适中，易用性一般，扩展性强；
③日本产品，性价比高，使用方便，扩展性一般；
④中国产品，性价比特别高，使用比较方便，扩展性一般。
2.3PLC的工作原理
由于PLC具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适应与控制要求的编程语言，因此，PLC可以被视为是一种特殊的工业控制计算机[3]。
但由于有特殊的接口器件及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理与普通计算机相比也有一定的区别。
另一方面它作为继电器控制电路的替代物，由于其核心是计算机芯片，因而与继电器控制逻辑的工作过程也有很大差别。
普通计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。
当按下键盘或I/O动作后，计算机转入相应的子程序运行，无键按下或无I/O动作责则继续扫描；PLC则采用循环扫描的方式，整个扫描过程分为输入采样、内部处理、用户程序执行、输出刷新4阶段。
PLC周而复始的循环执行这4个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。
PLC每重复一次这4个阶段所用的时间称为一个扫描周期（或称循环周期、工作周期）。
内部处理阶段是运行PLC内部系统的管理程序，该程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户程序运行时间相比要短的多。
因此，为了理解上的方便，通常忽略内部处理阶段，而认为PLC的工作过程为3个阶段：
输入采样阶段、用户执行阶段、输入刷新阶段。
并近似的认为每重复一次这3个阶段所用的时间为一个扫描周期。
PLC的工作过程图如图2-1所示。
（1）输入采样阶段
PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号输入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。
在这个工作周期内，这个采样结果的内容不会变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被执行。
图2-1PLC的工作过程图
（2）程序执行阶段
PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右的扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、内部元件寄存器（内部寄存器、定时器、计数器等）和输出映像寄存器中获取所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中进行保存。
但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。
这就是说反映各输出元件状态的输出元件映像存储器中所储存的内容才固定下来。
这里要注意，当执行控制程序时，如果程序要求某个输出继电器动作，此时这个动作要求并没有直接实时的传送到该继电器，而只是将输出映像存储器中代表该继电器的对应位置“1”，在所有程序段都执行完毕后，才将全部程序执行后产生的输出结果（输出映像存储器的内容）一次送到输出锁存器。
PLC的这种工作方式同一般单纯用硬件组成的控制电路或由控制计算机组成的控制电路是不同的。
（3）输出刷新阶段
在执行完所有用户程序后PLC将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。
PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间即为一个扫描周期，用T表示。
PLC在一个扫描周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。
PLC的一个扫描周期一般为40~100ms。
PLC的扫描工作是重复进行的，因此，其输出和输入存储器不断被刷新（I/O刷新）。
一个扫描周期内输入刷新之前，若外部输入信号状态没有变化，则此次的输入刷新就没有变化，经运算处理后，相应的输出刷新和输出控制信号也没有变化，只是重新被刷新一次。
若在一个扫描周期内，输入刷新之前，输入的外部输入信号状态发生了变化，则此次输入刷新就有了变化，经运算处理后，其输出刷新和输出的控制信号也可能有变化。
不管输出控制信号有没有变化，一个扫描周期内对所有输出只刷新一次，即前一次和后一次的输出状态的变化，至少要经历一个扫描周期的时间。
PLC工作的主要特点是输出信号集中批处理，执行过程集中批处理，输出控制也集中批处理。
PLC的这种“串行工作方式”，可以避免继电器、接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题，还可以增强系统抗干扰能力。
由于干扰一般是脉冲式的、短时的，只要PLC不是正好工作在输入刷新阶段，就不会受到干扰的影响，因此，瞬间干扰所引起的误动作就会大大减少，从而增强了系统的抗干扰能力，这是PLC可靠性高的原因之一。
但是这种工作方式又导致输出对输入在时间上的滞后，对于要求快速响应的控制系统，这也是PLC的缺点之一。
还需要指出一点，在PLC中常采用一种被称为“看门狗”（Watchdog）的监视定时器来监视PLC的实际工作周期是否超出预定的时间，以避免PLC在执行程序过程中进入死循环，或“跑飞”（PLC执行非预定的程序）而造成系统瘫痪。
2.4可编程控制器实现控制的要点
入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点[1]。
入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。
PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。
系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。
PLC的I/O电路，都是专门设计的。
输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。
而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。
输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。
输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。
I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个输入或输出电路。
PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。
但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。
输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。
每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。
输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。
输出锁存器与输出点也是一一对应的，这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。
它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。
把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。
PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。
这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。
这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。
由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。
输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。
一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。
靠运行系统程序，输出继电器的状态
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