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1、基于西门子PLC液体药品成分混合的控制设计摘 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WINC

2、C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；Based on PLC control system of mixing effciengTutor: zhang qiang2008 electric automation level No: 200812633 Name: Li xinAbstractComputer technology as the core of PLC in the general automatic control equipment, it is a kind of program to change contro

3、l function of the computer. As microprocessors, computer and communication technology, the rapid development of PLC programmable controller has widely applied in industrial control, and the proportion of the rapid rise in. PLC mainly consists of CPU module, input and output module and programming mo

4、dule device. It is applied in industry, mixing equipment mixing process realized automation control, and improved the stability, agitate equipment work for the mixing machine smoothly, orderly, accurate working creates powerful guarantee. This paper introduces various liquid mixture of PLC control p

5、rocedures can be a single cycle or continuous working memory function, can continue running after, wired back. In addition, PLC and communications, networking WINCC configuration, but through direct to site monitoring and management, and more convenient.Key words: PLC programmable controller, Level

6、sensor, The timer,第一章引 言1.1PLC的创始和发展过程为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中,多种液体混合是必不可少的工序, 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混合精确、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混合的自动控制, 从而达到液体混合的目的，液体

7、混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学化工业中，便于学以致用。 PLC的中国现状 我国工业企业的自动化程度普遍偏低，PLC产品的应用空间还很大。例如机械行业，80%以上的设备仍使用传统的继电器和接触器控制。可以说，PLC在我国工业中的应用潜力还远没有得到充分发挥，大部分小型企业尚未完全应用自动化系统和产品。在未来愈见激烈的市场竞争中，这部分企业势必需要应用自动化系统以提升自身实力，这将是PLC市场壮大的一块良好培

8、养基。 中国加入WTO后，越来越多跨国企业把制造基地转移至中国。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选，制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，从而为PLC的应用提供广阔的市场应用前景。 2007-2012年中国PLC市场规模及预测(单位：亿元)资料来源：中国自动化网PLC市场研究报告我国开始研制PLC产品是上世纪70年代中期。90年代，由于PLC应用不断深入，国内又掀起研制PLC的高潮，虽然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。 为尽快提升我国PLC的技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资或外商独资企业在

9、国内开始批量生产PLC。西门子公司率先在大连建立PLC生产企业；欧姆龙公司在上海生产的PLC远销海内外。 目前，中国PLC市场的95以上被国外品牌占领。值得欣慰的是，国内已有具有较强实力的公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定响应。北京和利时系统工程股份有限公司就是一个典范。 PLC的行业应用 冶金作为大型PLC最大的应用行业，占据了大约1/4的市场。冶金行业各控制环节要求精度高，控制点数多，故而是大中型PLC应用的主要行业。就中国而言，我们的冶金行业的现状是非常落后、装备技术水平低，相信随着下游市场要求的提高和竞争的加剧，将带来大量的技术改造项目和高端生产线的投资。中国已有600

10、0多家冶金企业，有大量在用的PLC产品和众多升级换代及备品备件市场。汽车业是最有潜力的PLC行业之一，主要需对各生产线的工位进行控制，PLC的应用数量多，但控制点数并不高，多在300个I/O左右，以中型PLC为主。 电力行业本身的自动化水平很高，对PLC的应用规模基数很大，是大中型PLC应用的又一大行业。PLC系统在电力施工机械中得到广泛应用，并有良好的市场和空间。在化工行业，PLC市场保持着稳定增长。未来化工行业在合成材料和有机化工领域投资应该会增大，这些领域项目对于自动化产品的需求量比较大。同时，由于对化工行业环保要求的提高，化工厂需要对周边的水处理和循环系统进行改造，会对自动化产品产生一

11、些新增要求。 PLC的未来发展 许多年前就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。但PLC的销售仍以十分稳定的增长率逐年上升。目前的PLC已经与十年前大不相同，十年后的PLC与如今的PLC也势必不同；但有两个方面是不变的：其一，PLC会提供稳定的控制响应；其二，高度的可靠性。可以预见的PLC发展趋势如下： 一是向高速度、大容量方向发展。为提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 二是向超大型、超小型两个方向发展

12、。当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。 三是PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力。 PLC厂商不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。四是增强外部故障的检测与处理能力。根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障

13、中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前两项共20%故障属于PLC的内部故障；其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂商都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，以期进一步提高系统的可靠性。 五是编程语言多样化。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，陆续出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。 我们一同简略回顾PLC一路走来的历程，分析在中国所处的现

14、状，展望未来可能发展的趋势。我们同所有开发生产PLC、受益于PLC的人们一样，乐于见到PLC在未来的年月里，有更稳健的发展，更广阔的空间。尤其希望看到中国的PLC自主开发能力的提升，和应用市场的拓展。PLC（可编程控制器）在现代的自动化行业中应用广泛，为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢

15、复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗

16、干扰能力。硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故

17、障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。软件措施：有极强的自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超

18、过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。 2 .通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变

19、PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册

20、或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。 5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想

21、控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控

22、制器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便地使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC（有的称为PC），并在GM公司的汽车自动装配线上试验获得了成功。PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展

23、。采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性。对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景。用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需用到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC用于多种液体混合灌装设置的控制，对学习与实用是很好的结合。1.2西门子PLC S7 200

24、作为全球自动化领域技术、标准与时常的领导者，有着150余年历史的西门子公司，以其一贯的朴实、稳健的作风和博大精深的创新文化，致力于以最先进的自动化技术与产品，向用户提供具有前瞻性的和最优可靠的解决方案，以现实用户最大限度的可持续发展和长期的利益保障。全集成自动化技术TIA（Totally Intergrated Automation）是西门子自动化系统技术与产品的核心思想和主导理念。TIA集高度的集成统一性和前所未有的开放性于一身，标准化的网络体系结构、统一的编程组态环境和高度一致的数据集成，使TIA为企业实现了横向和纵向的信息集成：领先的通讯标准、基于组件的自动化技术（CBA）与IT集成，使

25、TIA对全球自动化市场的产品和服务范围真正开放。 SIMATIC S200系列可编程控制器是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。该系列PLC继承了西门子上一代PLC SIMATIC S5系统稳定、可靠和故障率低的精髓，将先进的控制思想、现代通讯技术和IT技术的最新发展集于一身，在CPU运算速度、程序执行效率故障自诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制的功能集成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面取得了业界公认的成绩。不断创新的PLC编程组态工具STEP7采用SIMATIC软件的集成统一架构，为实现PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一

26、个功能强大、风格一贯的软件平台，符合IEC611313的多种高级编程语言的补充，使PLC在实现复杂工艺编程、多重回路调节、甚至模糊控制（Fuzzy Control）和神经元控制（Neuron Control）等智能控制算法时具有类似高级编程语言的特点和优势。此外，SIMATIC S7200PLC集成强大通讯功能，是其得以成功的另一个重要方面。如今PROFIBUS有超过1200余家会员单位，全球的总安装节点已经突破1000万，是全球公认的工业现场总线标准的领跑者；新一代工业以太网标准PROFLNET的提出，为以太网在工业领域更大范围的应用提供了技术保障，凭借集成统一的通讯，SIMATIC S72

27、00在现实车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中坚作用。几年以前，当控制界在围绕PLC、DCS和基于PC的解决方案，争论何者将成为控制系统主流时，当人们在为如何突破“自动化孤岛”而积极思考、探索和忧虑时，携全集成自动化的利念，西门子提出通过不断丰富和发展PLC的控制功能和总线通讯技术，实现了横跨工厂自动化和过程自动化两大自动化领域的统一的控制策略。如今SIMATIC S7200 PLC在全球自动化各个领域的广泛应用和成功经验，充分证明了PLC解决方案的强大生命力和多种不同控制系统在技术、历年突飞猛进的过程中殊途同归的必然趋势。CPU 224 CN本机集成14 输入/1

28、0 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。四种CPU 具有 集成的24V 负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，CPU222 CN 具有180mA 输出， CPU 224 CN，CPU 224XP CN，CPU 22

29、6 CN 分别输出280，400mA。可用作负载电源。 不同的设备类型CPU 221 和CPU 222226 CN 各有2 种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 本机数字量输入/输出点CPU 221 具有6 个输入点和4 个输出点，CPU 222 CN 具有8 个输入点和6 个输出点，CPU 224CN 具有14 个输入点和10 个输出点，CPU 224XP CN 具有14个输入点和10 个输出点，CPU226 CN 具有24 个输入点和16 个输出点。 本机模拟量输入/输出点CPU 224XP CN 具有2 个输入点，1 个输出点。 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

30、。 高速计数器CPU 221 和CPU 222 CN4 个高速计数器（30kHz），可编程并具有复位输入，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B 相增量编码器CPU 224 CN/224XP CN/226 CN6 个高速计数器，具有CPU221/CPU 222 CN 相同的功能。 CPU 222 CN/224 CN/224XP CN/226 CN可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 模拟电位器CPU 221/CPU 222 CN 1 个CPU224 CN/224XP CN/226 CN2 个CPU

31、 221 和CPU 222 CN /224 CN/224XP CN/226 CN 还具有 脉冲输出2 路高频率脉冲输出，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时钟例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 EEPROM 存储器模块（选件）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。 电池模块：用于长时间数据后备。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贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200 天（10 年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。1.4传统的液体混合设备的控制存在的问题鉴于搅拌设备的广泛应

32、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10100亿美元。 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