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PLC双缸混合装置模拟控制论文
摘要2
1前言3
1.1双缸混合装置选题背景3
1.2可编程序逻辑控制器（PLC）3
1.2.1可编程序逻辑控制器（PLC）的产生4
1.2.2可编程控制器的特点5
1.2.3PLC的构成7
1.2.4PLC的工作原理9
1.2.5扫描技术10
1.2.6PLC的发展现状10
1.2.7PLC的发展趋势及前景11
1.3本次设计内容及要求12
1.3.1设计内容12
1.3.2设计要求13
1.4课题研究目的意义14
1、5本章小结15
2元件的选择及其PLC端口分配16
2.1元件选择16
2.1.1测速传感器16
2.1.2液位传感器的选择16
2.1.3搅拌电机的选择16
2.1.4电磁阀的选择17
2.1.5接触器的选择17
2.1.6热继电器的选择17
2.1.7PLC的选择18
2.1.8元器件统计19
2.2PLC输入、输出口分配20
2.3本章小结21
3PLC及其电机控制方式22
3.1单按钮启停22
3.2运行方式简介22
3.3高速计数器简介23
3.4延时系统简介26
3.5电机的启动27
3.5.1电机启动的电气原理27
3.5.2电机Y-△启动的控制28
3.6本章小结29
4控制系统的设计30
4.1PLC接线及控制流程30
4.1.1PLC接线30
4.1.2系统控制流程31
4、2运行调试转换及启动停止转换32
5总结37
6致谢38
参考文献39
摘要
随着现代工业技术的快速发展，液体混合的应用更加广泛。
对于液体混合控制技术的研究有着广泛的经济价值。
因此对于混合系统的控制问题变的越来越重要。
PLC的出现将各国的工业推向自动化、智能化的方向。
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通过两个缸体进行混合搅拌的PLC控制系统的设计，将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后达到均匀状态，最后将混合的液体输出并形成循环状态。
液体混合系统的控制设计要考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。
针对以上内容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、梯形图设计等），都做了较详细的说明。
关键词：
PLC、双液混合、梯形图
1前言
随着社会的进步技术的发展，在工业上液体的混合控制应用越来越多，针对具体的控制对象出现的很多控制方式和方法。
同时20世纪70年代末至80年代初，随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
当前用于工业控制的计算机可分为几类，如基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）、可编程控制器（PLC）等。
可编程控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
本文的设计就是基于西门子S7-200系列PLC的。
1.1双缸混合装置选题背景
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。
在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。
但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。
另外，生产要求该系统要具有配料精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。
所以为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体自动混合的目的,液体自动混合配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。
1.2可编程序逻辑控制器（PLC）
PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制系统是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。
它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。
由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。
可编程控制器（PLC），是集自动控制技术、计算机技术、和通讯技术为一体的高科技产品。
具有可靠性高，功能齐全，使用灵活方便等优点。
1.2.1可编程序逻辑控制器（PLC）的产生
PLC产生在20世纪60年代末。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
当时汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，汽车的每一次改型都是直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制安装就需要经常的重新设计和安装，既费时，费工又费料。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出如下10项招标指标：
1）编程简单，可在现场修改程序。
2）维修方便，采用规模化结构。
3）可靠性高于继电器控制装置。
4）体积小于继电器控制装置。
5）可将数据直接送入计算机。
6）成本可与继电器装置竞争。
7）可直接用115V交流输入（美国市电为115V）.
8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等。
9）控制装置扩展时很方便。
10）用户程序存储器容量至少为4KB。
1969年末，美国数字设备公司DEC研制出了世界上第一台PLC美国通用汽车公司自动装配线上试用，并获得了成功。
这种新型的智能化工业控制装置很快在美国其他工业控制领域推广应用，至1971年，以成功的将PLC用于食品，饮料，冶金，造纸等行业。
PLC的出现受到了世界各国工业控制界的高度重视。
1971年日本从美国引进这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年西欧国家也研制出了它们的第一台PLC。
我国的PLC研制始于1974年，于1977年开始工业应用。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到20世纪70年代中期以后，PLC已广泛的发展为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用中，大规模甚至超大规模集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑判断能力，还同时具有数据处理，PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会1987年颁布的可编程控制器标准草案中对PLC做了如下的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程控制器的存储器，用来在其内部储存程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按照易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.2.2可编程控制器的特点
随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，PLC还有许多独特的优点。
它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠性、通用性、灵活性、使用方便等问题。
主要特点如下:
（1）可靠性高。
可靠性高是PLC最突出的优点之一。
PLC具有较高的可靠性是因为它采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成。
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。
例如西门子公司生产的S7-200系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
（2）在设计制造过程中，抗干扰能力强，采用一系列硬件和软件抗干扰措施。
如:
硬件方面采用隔离、滤波、精选元器件等。
在微处理器与1/0电路之间采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响，同时可以防止外部高压进入CPU单元。
（3）应用灵活。
由于PLC己实现了产品的系统化、标准的积木式硬件结构和单元化的软件设计，使得它不仅可以适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且可以适应各种工艺流程变更较多的场合。
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中的大量中间继电器、时间继电器、计数器及其它专用功能的器件，使控制系统的设计、安装、接线工作量大大减少。
（4）功能强，通用性好。
有丰富的Ｉ／Ｏ接口模块。
PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数，顺序控制等功能，而且还具有A/D,D/A转换、数值运算、数据处理和通讯联网等功能；既可以对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制；既可以对单台设备进行控制，也可以对一条生产线或全部生产工艺过程进行控制。
PLC具有通信联网功能，可以实现不同PLC之间联网，并可以与计算机构成分布式控制系统。
（5）编程简单。
大多数PLC采用梯形图编程方式。
梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多相似之处，与常用的计算机语一言相比更容易被操作者接受并掌握。
操作者通过阅读PLC操作手册，可以很快熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序，这也是PLC获得迅速普及和推广的重要原因之一。
（6）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。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（7）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。
（8）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。
（9）体积小，重量轻，能耗低。
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.2.3PLC的构成
PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
a、CPU的构成及功能
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
b、I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
c、内存
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
d、电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
e、底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
f、PLC系统的其它设备
1）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
2）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
3）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
7、PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
1.2.4PLC的工作原理
PLC的结构图
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
1.2.5扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
1.2.6PLC的发展现状
1978—1983年,PLC进入成熟阶段。
这个时期,微型计算机行业已出现了16位CPU,MCS251系列单片机也由Intel公司推出,使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展,PLC的生产量在国际上每年以30%的递增量迅速增长。
在结构上,PLC除了采用微处理器及EPROM,EEPROM,CMCSRAM等LSI电路外,还向多微处理器发展,使PLC的功能和处理速度大大提高;PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等,初步形成了分布式可编程控制器的网络系统,具有通讯功能和远程I/O处理能力,编程语言较规范和标准化。
此外自诊断功能及容错技术发展迅速,使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。
1984年后,PLC的规模更大,存储器的容量又提高了1个数量级（最高可达896K）,有的PLC已采用了32位微处理器,多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统,在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。
编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外,还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。
在人机接口方面,采用了现实信息等更多直观的CRT,完全代替了原来的仪表盘,使用户的编程和操作更加方便灵活。
PLC的I/O模件一方面发展自带微处理器的智能I/O模件,另一方面也注意增大I/O点数,以适应控制范围的增大和在系统中使用A/D,D/A通讯及其他特殊功能模件的需要。
同时,各PLC生产厂家还注意提高I/O的密集度,生产高密度的I/O模件,以节省空间,降低系统的成本。
据统计,在世界范围内,PLC平均5年更新换代1次。
1.2.7PLC的发展趋势及前景
随着时代的进步PLC的发展也呈现出了不同的特点：
1）技术发展迅速,产品更新换代快
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展,PLC的结构和功能不断改进,生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品,平均3～5a更新换代1次。
PLC的发展有2个重要趋势:
①向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展,以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求,实现机电一体化;②向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。
例如:
美国GE公司推出的Genettwo工厂全自动化网络系统,不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能,还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能,而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。
该系统配置了GE/BASIC语言,向上能与上位计算机进行数据通讯,向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人,还可通过下级PLC去控制执行机构。
在操作台上如果配备该公司的FactoryMaster数据采集和分析系统,Viewaster彩色图像系统,则管理、控制整个工厂十分方便。
2）开发各种智能模块,增强过程控制功能
智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。
它们的CPU与PLC的主CPU并行工作,占用主机CPU的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度。
智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等,高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。
智能I/O的应用,使过程控制功能增强。
某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能,使调试时间减少,控制精度提高。
3）与个人计算机相结合
目前,个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人/机接口终端,其发展是使PLC具备计算机的功能。
大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器,将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。
这样,PLC个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透,使控制系统的性能价格比不断提高。
4）通讯联网功能不断增强
PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间,PLC与计算机之间交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。
5）发展新的编程语言,增加容错功能
改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/机对话技术,除梯形图、流程图、专用语言指令外,还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。
如:
双机热备、自动切换I/O、双机表决（当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时,自动断开该输出）、I/O三重决（对I/O状态进行软硬件表决,取2台相同的）等,以满足极高可靠性要求[2]。
6）不断规范化、标准化
PLC厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时,日益向制造自动化协议（MAP）靠拢,并使PLC的基本部件
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