液体混合装置控制系统设计说明书.docx

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液体混合装置控制系统设计说明书

摘要

本毕业设计主要是为了实现更加方便、可视化的对液体等液态物料混合装置的自动化控制。

通过简单的PC端自主开发软件，对监控对象进行调试、运行等操作，可以让操作人员远离现场，达到安全性和可靠性的提高。

PC端采用VB开发的软件作为上位机来进行对装置的控制，通过串口通信进行与PLC的上传和下载数据，以完成远程的操控。

PLC内部执行预设的程序，也可以通过改变VB的空间源代码来调整程序。

在调试模式下可以分别对装置的各个部分进行启动与停止的调试。

在该混合液体装置中，需要由上位机通过VB程序完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，主要控制要求如下：

当按下启动按钮SB1时，使系统处于运行状态，同时执行复位过程操作；复位操作完成后，即可执行自动混料操作；按下停止按钮SB2，等待本次混合液体操作处理完毕后，停止混料操作，且停止系统运行。

复位过程操作为：

液体A、B阀门关闭，混合液体卸料阀门打开，使液面下降至低液位传感器处，当传感器检测到信号达2秒，即表示将混合液体装置的液体放空，此时需将混合液体卸料阀门关闭，复位过程完成。

关键词：

液体混合PLCVB与PLC通信

Abstract

Thegraduationprojectismainlytoachieveamoreconvenientvisualizationoftheliquidmixtureofliquidmaterialssuchasautomaticcontroldevices.ThroughasimplePC-developedsoftware,themonitoringobjectfordebugging,runningandotheroperations,allowingoperatorstostayawayfromthescene,toimprovesecurityandreliability.PCclientsoftwaredevelopedusingVBasahostcomputerforcontrolofthedevice,communicationswiththePLCthroughtheserialporttouploadanddownloaddatatocompletetheremotecontrol.PLCinternalimplementationofthedefaultprogram,youcanalsochangetheVBsourcecodetoadjustthespaceprogram.Respectively,indebugmodetothevariouspartsofthedevicestartandstopdebugging.

Inthemixedliquiddevices,needtocompletethetwoliquidsfeed,mixing,dischargingthefunctions,themaincontrolrequirementsareasfollows:

pressthestartbuttonSB1filewhenthesystemisrunning,whiletheimplementationoftheresetprocessoperation;resetUponcompletion,youcanperformautomaticmixingoperation;pressthestopbuttonSB2,waitingfortreatmentofthisliquidmixtureaftertheoperation,stopthemixingoperation,andstopthesystemoperation.Resetoperation:

liquidA,Bvalveisclosed,mixedliquiddischargevalveisopen,downtothepageatthelowlevelsensor,whenthesensordetectsthesignalfor2seconds,itmeansthatthemixedliquidofliquidpreventionandcontroldevice,Thenthemixedliquiddischargevalvetobeclosed,theresetprocessiscomplete.

Keys：

LiquidmixingPLCVB and PLC communication

第一章绪论

第一节技术背景和设计依据

多种液体自动混合系统由于采用了一系列可靠的设计方案，保证系统具有很高的可靠性与实用性。

目前在我国此套系统尚处于发展阶段，在设计中有许多不足之处，有些地方的设计思想也还不成熟。

但随着微可编程逻辑控制系统的日益发展和中国市场对减员高效理念的日渐深入，我相信此套系统会被越来越多的公司所重视，有着良好的使用价值和广阔的市场前景。

在过去，硬件通常是多种液体自动混合领域的主要因素，设计简单实用是本系统的最大的优点所在，根据现代质量保证技术，用现代设备制造的，以简单的限位开关、继电器等常用而且性价比较高的期间为基件的多种液体自动混合系统，已经获得了过去超过了理论上得出的可靠性。

因此，多种液体自动混合系统的设计师一项很复杂的工程，必须在系统设计、结构设计、软件编制、整机装配和调试阶段各个环节统筹安排，严格把关才能保证系统具有很高的可到性。

相信这套系统在不不久的将来会有很良好的发展前景，被我们更加合理的应用于我们的生产工作之中，为我们带来经济效益。

第二节PLC的简介

可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，在现代工业控制中占有重要地位。

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。

它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。

一．PLC的功能：

1、数据采集与输出。

2、控制功能。

　包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

3、数据处理功能。

包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

4、输入/输出接口调理功能。

　具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

5、通信、联网功能。

　现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成"集中管理、分散控制"的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

6、支持人机界面功能。

提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

二．PLC的主要特点：

1、可靠性高。

PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10~20万h，且均有完善的自诊断功能。

2、结构形式多样，模块化组合灵活。

有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。

最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。

3、功能强大。

4、编程方便。

控制具有极大灵活性。

5、适应工业环境。

适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。

6、安装、维修简单　　

7、与DCS相比，价格低。

8、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。

三．PLC的联网与通信：

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。

PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成"集中管理、分散控制"的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。

目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子Profibus、A-BControlNet及DeviceNet、莫迪康Modbus等等。

但其构成的"集中管理、分散控制"分布式控制方式是十分类似的。

如ROCKWELL（A-B）推出了"全方位自动化"的理念，推荐三层网络结构，即1）设备层（DeviceNet为代表）；2）控制层（ControlNet为代表）；3）管理层（EtheNet）。

四．PLC的发展：

1、与DCS的差别。

集散系统DCS从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能，满足快速大量数据处理要求。

硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

PLC在自身发展同时，也在吸收DCS系统的优点。

PLC在过程控制的发展将是与现场总线技术结合，发展向下拓展功能，开放总线。

2、市场占有率1987年世界PLC的销售额为25亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。

进入90年代以来，世界PLC的年平均销售额在55亿美元以上，其中我国约占1%。

当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。

五．PLC在工程应用中应注意的一些实际问题

1.PLC的安装

选择PLC时，如果选择S7-200PLC，则需要使用匹配的扁平电缆将各个扩展模块与CPU连接起来，然后利用模块上的安装空降模块固定在控制柜背板上，也可以利用模块上的DIN卡子把模块固定在一个标准的DIN轨道上。

安装时，需要注意以下两个问题。

（1）尽可能将S7-200模块与生产高频噪声的设备分隔开，以防止高频噪声对模块的干扰。

（2）尽可能将S7-200模块与产生高热量的设备分开安装，且模块的周围应留有一定的空间，以便于S7-200模块以自然对流的方式正常散热。

2.电源的使用

PLC一般使用市电（220V，50Hz），存在电网冲击、频率波动等干扰，可能对PLC控制系统带来毁灭性的破坏。

因此，为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，一般采用隔离变压器，以隔离供电电源的各种干扰信号，从而提高控制系统的抗干扰性能。

另外，在一些实时控制系统中，系统的突然断电会造成严重的后果，此时可以对供电电源使用UPS不间断电源。

这样，当市电突然断电后，自动切换到UPS电源供电，并且按照工艺要求进行一定的处理，使整个控制系统及生产设别均处于安全状态。

一般的，PLC的CPU内部还提供了一个24V的直流传感器电源，24V直流传感器电源可作为CPU本机和数字量输入扩展模块和模拟量扩展模块的供电电源使用，如果不能满足要求，则必须增加外部的24V直流电源，但外部电源不能与CPU内部的传感器电源并联使用，以防止两个电源点位的不平衡造成对电源的破坏，但为了加强抗干扰能力，这两个电源的公共端应连接在一起。

有的PLC的CPU内部还提供了5V直流电源，如S7-200的CPU，它提供的5V直流电源供扩展模块使用，如果扩展模块对5V直流电源的需求超出CPU模块的5V直流电源的容量，则必须减少扩展模块的数量。

3.系统的接地

在PLC控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要方法，在设计与实施中，如果把接地与评比正确结合起来，可以解决大部分的干扰问题。

接地有两个目的，一时消除各电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压；二是避免磁场与电位差的影响。

正确的接地是一个重要而复杂的问题。

理想的情况是一个系统的所有接地点与大地之间的阻抗为零，但这是很难做到的。

在一般的接地过程中要求如下：

1.接地电阻应小于4Ω；2，具有足够的机械强度；3，具有耐腐蚀及防腐处理；4，PLC控制系统单独接地。

在PLC控制系统中常见的地线有：

1，数字地，也叫逻辑地，是各种开关量信号的零电位；2，模拟地，是各种模拟信号的零电位；3，信号地，通常为传感的地；4，交流地，交流供电电源的地线，这种地线是产生噪声的地；5，直流地，直流供电电源的地；6，屏蔽地，为防止静电感应和磁场感应而设置的地。

不同的地线，处理方法也不同。

PLC控制系统一般采用一点接地，而且交流地与信号地分开，对于模拟信号采用浮地技术。

4.电缆设计与铺设

一般来说，工业现场的环境都比较恶劣。

例如现场的各种动力线会通过电磁耦合产生干扰；电焊机、火焰切割机和电动机会产生高频火花电流产生干扰；告诉电子开关的接通和关断将产生高次谐波，从而形成高频干扰；大功率机械设备的启停、负载的变化将引起电网电压的波动，产生低频干扰，这些以干扰都会通过与现场设别两联的电缆引入可编程控制器组成的系统中，影响系统的安全可靠工作，所以合理的设计、选择和铺设电缆在可编程控制器系统中十分重要。

对PLC组成的系统而言，电缆包括供电系统的动力电缆及各种开关量，模拟量，高速脉冲、远程通信等信号电缆。

一般情况下，对系统供电系统的动力电缆、距离比较近的开关量信号使用的电缆五特殊要求；对模拟量信号、高速脉冲信号一级开关量比较远时，为防止干扰信号，保证系统的控制精度，通常选用双层屏蔽电缆；对通信用的电缆一般采用厂家提供的专用电缆，也可采用带屏蔽的双绞线电缆。

传输线之间的相互干扰使数字控制系统中较难解决的问题。

这些干扰主要来自传输导线间分布电容、电感引起的电磁耦合。

防止这种干扰的有效方法，使信号线原理动力线或电网；将动力线、控制线和信号线严格分开，分别布线。

无论是在PLC控制柜中的界限，还是在控制柜与现场设别之间的界限，都必须注意防止动力线、控制线和信号线之间的干扰。

第三节设计任务及要求

1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献

2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）

3、硬件和软件设计（其中包括理论分析、设计计算、试验及数据处理、设别及元件选择等）

4、撰写设计说明书，绘制图纸

5、指定内容的外文资料翻译

6、毕业设计的主要内容

（1）设计液体混合装置的硬件系统，画出系统硬件原理图

（2）设计液体混合装置的软件系统，编制控制系统程序

7、设计实现的主要功能

（1）采用VB6.0编程语言来编写上位机程序

（2）用S7-200可编程控制器作为其硬件设备

液体混合装置控制模拟图中YV1、YV2、YV3、YKM分别接主机的输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3起、停按钮SB1、SB2分别接主机的输入点I0.0、I0.1;液面传感器SL1、SL2、SL3分别接主机的输入点I0.2、I0.3、I0.4。

液面传感器利用扭子开关来模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门的打开与关闭以及搅动电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。

由实验面板可知：

本装置为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅动电机，控制要求如下：

初始状态：

装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭。

启动操作：

按下启动按钮SB1,装置就开始按下列约定的规律操作：

液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅动电机开始搅动。

搅动电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

停止操作：

按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。

启动操作：

按下按钮SB1,I0.0的动合触点闭合，M10.0产生启动脉冲，M10.0的动合触点闭合，使Q0.0保持接通，液体A电磁阀YV1打开，液体A流入容器。

当液面上升到SL3时，虽然I0.4动合触点接通，但没有引起输出动作。

当液面上升到SL2位置时，SL2接通，I0.3的动合触点接通，M10.3产生脉冲，M10.3的动合触点接通一个扫描周期，复位指令R使Q0.0线圈断开，YV1电磁阀关闭，液体A停止流入；与此同时，M10.3的动合触点接通一个扫描周期，保持操作指令S使Q0.1线圈接通，液体B电磁阀YV2打开，液体B流入。

当液面上升到SL1时，SL1接通，M10.2动合触点闭合，Q0.3线圈接通，搅匀电机工作，开始搅动。

搅动电机工作时，Q0.3的动合触点，启动定时器T37,过了6秒，T37动合触点闭合，Q0.3线圈断开，电机停止搅动。

当搅匀电机由接通变为断开时，使M11.2产生一个扫描周期的脉冲，M11.2的动合触点闭合，Q0.2线圈接通，混合液电磁阀YV3打开，开始放混合液。

液面下降到SL3,液面传感器SL3由接通变为断开，使M11.0动合触点接通一个扫描周期，M20.1线圈接通，T1开始工作，2秒后混合液流完，T1动合触点闭合，Q0.2线圈断开，电磁阀YV3关闭。

同时T1的动合触点闭合，Q0.0线圈接通，YV1打开，液体A流入，开始下一循环。

停止操作：

按下停止按钮SB2,I0.1的动合触点接通，M10.1产生停止脉冲，使M20.0线圈复位断开，M20.0动合触点断开，在当前的混合操作处理完毕后，使Q0.0不能再接通，即停止操作。

第二章硬件设计

第一节主电路设计

一.S7-200系列PLC

S7-200系列PLC是西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统，不仅能够实现传统的继电逻辑控制、计数和计时控制，还能实现复杂的数学运算、处理模拟量信号，并可支持多种协议和形式与其他智能设备进行数据通信。

S7-200系列PLC的硬件系统的配置方式采用整体式加积木式结构，分为基本单元和扩展单元，即主机中包含一定数量的的I/O输入输出点，同时还可以扩展各种功能模块。

出了基本单元和扩展单元外，控制一同还包括编程器、存储卡、写入器、文本显示器及编程工具等。

基本单元称为CPU模块、主机或本机。

它包含CPU、基本输入输出点和电源等，是PLC的主要部分，可以作为一个完整的控制器使用。

S7-200CPU模块的早期型号为CPU21X系列，新一代产品为CPU22X系列。

每个系列具有多种昂CPU型号，例如CPU22X系列CPU有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，称为基本单元，根据本设计的点数需求，我们选择CPU224作为主单元。

当主机上所集成的I/O点数不够时，可以通过连接扩展单元来增加I/O点数。

这里写扩展单元有数字量I/O扩展模块、模拟量I/O扩展模块，另外还有连接专门传感器的工作单元或专用的功能模块，入热电偶功能模块、定位控制模块及主用的通信模块等。

一台电机和三个电磁阀配合和作用：

电磁阀YV1，电磁阀YV2，电磁阀YV3控制A、B、混合液体的流入与流出。

电机控制搅拌液体。

完成两种液体混合控制

元器件明细表

名称

型号

数量

备注

按钮开关

KH-2204

2个

液位传感器

LSF-2.5

3个

搅拌电动机

Y90S-6/0.75KW

1个

电磁阀（入液罐）

VF4-25

2个

电磁阀（出液罐）

AVF-40

1个

接触器

CJX2-9/200V

3个

二．液位传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器

LSF-2.5

型号说明：

L：

表示光电的

S：

表示传感器

F：

表示防腐蚀的

2.5：

最大工作压力

LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。

其原理是一句光的反射和折射原理，当没有液体时，光被前段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。

应用此原理可制成点点或多点液位开关。

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。

液位传感器相关元件主要技术参数及原理如下：

工作压力可达2.5Mpa

工作温度上限为125℃

触电寿命为100万次

触电容量为70W

开关电压为24VDC

切换电流为0.5A

三．搅拌电机的选择

三项异步电动机运用非常广泛，因而正确的选择电动机显得极为重要。

三相异步电动机的选择包括他的功率、种类、方式、电压和转速等。

功率的选择：

合适选择电动机的功率是运行安全和经济的可靠保证。

所选电动机的功率是由生产机械所需的。

功率的确定是由连续运行电动机功率的选择和短时运行电动机功率的选择。

而电动机的额定功率是生产机械锁要功率的1/Y。

种类和型号的选择：

种类选择的原理主要是从交流或直流、机械特性、调速与起

动性能、维护及价格等发面来考虑。

其结构的选择则是根据生产机械的周围环境条件来确定。

电动机结构构型则有开启式、防护式、封闭式、防爆式。

电压和转速的选择：

电压等级选择是根据电动机的类型、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。

转速选择原则是根据生产机械的要求而选定。

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，机序范围80-315，是全国统一设计的产品。

Y系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪音小寿命长、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.

Y90S-6/0.75KW

四．电磁阀的选择

入口液体选用VF4-25型电磁阀

VF4-25

型号