液体混合装置plc控制

1、内容摘要液体混合装置在工业生产中扮演着重要的角色，保障液体混合装置安全、可靠的运转，并提高该系统的自动化水平是本次设计的首要目标。随着PLC技术的日趋完善以及PLC在实际工程自动化控制领域中所表现出来的高可靠性、高稳定性等优点逐渐显现，其在自动化控制领域的应用也越来越广泛。将PLC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，为搅拌机械可靠、安全、有序的工作提供了强有力的保障。本文所介绍的两种液体混合装置的PLC控制程序可进行连续自动循环工作，在设计的过程中充分进行了设备运行的可靠性分析，并辅助以高分辨率的光电液位传感器严格控制所注入的两种液体的比例，严

2、格保证混合溶液的质量，为后续工序的进行奠定良好的基础。同时，PLC所具有的高稳定性和高可靠性可确保该装置长期连续运行，减少了线路检修和维护的时间，大大提高了生产效率。关键词：可编程序控制器PLC；液体混合装置；自动化控制目 录第1章 前 言11.1设计内容11.2 控制要求1第2章 总体方案设计32.1 总体方案论证32.2 系统硬件配置42.3系统可靠性设计6第3章 PLC控制系统设计73.1 主电路的设计73.2 确定I/O数量，选择PLC类型73.2.1 I/O数量的确定73.2.2 PLC类型的选择73.3 I/O点的分配与编号83.4控制流程图83.5元器件明细表103.6 I/O接

3、线图103.7 控制程序梯形图113.8 控制程序语句表133.9 程序调试15结 论19设计总结20谢 辞21参考文献2223第1章 前言1.1设计内容利用西门子PLC的S7-200系列设计两种液体混合装置控制系统。在实验之前将容器中的液体放空，按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到L后，再延时2s

4、电磁阀YV3断电关闭，并同时开始新的周期。需要完成的内容有：编写输入输出对照表,包括信号名称、外部元件号、内部继电器号；绘制PLC外部接线图；绘制功能流程图；编写、调试梯形图或语序表。1.2控制要求该溶液混合装置的结构简图如图3-1所示，该装置有三个液位传感器：L为低液位传感器，I为中液位传感器，H为高液位传感器。当液位到达某传感器的位置时，该传感器就会发出ON信号，若低于传感器位置时，传感器就变为OFF状态。图1-1 溶液混合装置结构图该系统有三个电磁阀：YV1为注入A液体电磁阀，YV2为注入B液体电磁阀，YV3为混合液体输出电磁阀，当电磁阀为ON状态时，阀门打开；为OFF状态时，阀门就关闭

5、，通过阀门的开和闭来实现液体的流入和流出。M为搅拌电动机，当继电器线圈KM得电时，搅拌电动机运行；当继电器线圈KM失电时，搅拌电动机停止工作。该系统的初始状态为：起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，液位传感器L、液位传感器I、液位传感器H均为OFF状态，搅拌电动机M也处于OFF状态。操作工艺：搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门YV1打开，开始向容器里注入液体A，当液面到达传感器L时，传感器L状态变为ON、A液体继续注入，直到液面到达I时，传感器I状态变为ON，使电磁阀YV1断电，同时电磁阀YV2通电打开，即关闭阀门YV1，停止注入A液体，同时打开阀门YV2，开始注入B液体，当液面到达液

6、位H时，关闭电磁阀YV2，停止注入B液体,同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌1min后，液体均匀，电动机停止搅拌，打开电磁阀YV3，放出混合液体。当液面低于液位传感器L时，再过2S，待容器中的混合液体全部放空后，关闭电磁阀YV3，同时自动开始新的循环周期。若在工作中按下停止按钮。搅拌器不会立即停止工作，只有当混合搅拌操作结束后才能停止工作，即停在初始状态。第2章 总体方案设计2.1 总体方案论证本设计要求完成两种溶液混合装置的自动控制，目前在自动化控制领域常用的控制方式主要有：继电器-接触器控制系统、可编程序控制器控制、总线式工业控制机控制、分布式计算机控制系统、单片机控制。对于两种溶液混合装

7、置的自动控制系统初步选定采用继电器-接触器控制和可编程序控制器控制。可编程序控制器与继电器-接触器控制系统的区别：继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。可编程序控制器的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和术语，仅个别之处有些不同，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也相同。但是可编程序控制器与继电器-接触器控制系统又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。1控制逻辑继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，并利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电

8、器等组合成控制逻辑，接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点有限，每个继电器只有4-8对触点，因此其灵活性和可扩展性都很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要想改变控制逻辑，只需改变程序即可，因此PLC常称为“软接线”，其灵活性和扩展性都很好。2工作方式电源接通时，继电器控制线路中的各继电器同时都处于受制状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因某种条件限制不能吸合，因此它属于并行工作方式。而在PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的先后顺序计算得出的，

9、因此它属于串行工作方式。3可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，且触点在开闭时会受到电弧的损害，并且有机械磨损，寿命短，因此其可靠性和可维护性差。而PLC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，其体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。4控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作时间一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，属于无触点控制，速度极快

10、，一般一条指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。5定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，容易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。而PLC使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可以根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。6设计和施工使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，其弊端越突出。而PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制

11、逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器-接触器控制系统优异，特别是其可靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。并且近年来随着电子技术的飞速发展，PLC的成本在不断下降。综合考虑以上各种因素，对两种溶液的混合装置的自动化控制选用PLC控制系统。2.2 系统硬件配置本溶液混合装置控制系统主要硬件为S7200系列PLC。PLC采用循环扫描的工作方式，对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符号后又返

12、回第一条指令，如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。该系统的工作过程为：当按下启动按钮后，各控制信号的状态在PLC的输入采样阶段被存入PLC内部的I区，然后PLC逐条执行程序，在输出刷新阶段将I区的状态输出到Q区，Q区的状态控制各继电器线圈，进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。如图2-1为该硬件配置示意图。本次课程设计的内容设计能将两种液体自动混合成的控制装置，两种液体分别命名为液体A和液体B。基本的硬件组成如表2-1。表2-1 设计硬件选择名称型号数量微型计算机专用计算机1台PLC主机单元西门子S7-200系列1台两种液体自动

13、混合单元配套1台通信电缆配套若干液体混合控制装置控制的模拟实验面板图如图2-1所示，此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，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匀电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。如图2-2为搅拌机的立体及2-3液体混合控制装置。启动按钮输入接口输出接口YV1电磁阀停止按钮PLC控制器YV2电磁阀L液位传感器YV3电磁阀I液位传感器电动机MH液位传感器图2-1 系统组成框图图2-2搅拌机的立体示意图 图2-3 液体混合控制装置2.3系统可靠性设计PLC本身具有体积小、寿命长、可靠性高等优点。此外，PLC还配有自检和监督功能

14、，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。在本设计中，除了充分利用PLC自身的高可靠性外，在控制程序编制方面也充分考虑提高系统的可靠性，并提出了以下可靠性要求：（1）在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，必须完成一个完整的循环才能停车。（2）在溶液混合装置工作的过程中，再次按下启动按钮该装置不会再次启动，必须按下停止按钮后，才能再次启动。（3）若PLC在工作过程中突然断电，各被控对象不会自行动作。第3章 PLC控制系统设计3.1 搅拌电动主电路的设计图3-1为该液体混合装置的搅拌电动机的主电路，根据设计要求该液体混合装置的主

15、电路需要实现让搅拌电动机安全可靠的工作。在主电路中各元器件的功能为：选用组合开关作为电源的引入开关，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护，用热继电器作为过载保护。图3-1 搅拌电动机主电路图3.2 确定I/O数量，选择PLC类型3.2.1 I/O数量的确定在该控制系统中，输入信号有：启动按钮输入信号、停止按钮输入信号、液位传感器L输入信号、液位传感器I输入信号、液位传感器H输入信号；输出信号有：注入A液体信号、注入B液体信号、混合溶液释放信号、电动机驱动信号。所以，该控制系统共有5个输入信号，4个输出信号。3.2.2 PLC类型的选择由I/O点数的多少可将PLC分成小型PLC、中

16、型PLC和大型PLC。PLC按结构形式可分为整体式和模块式两种。整体式PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低等优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。各模块做成插件式并组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。模块式PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。一般大中型PLC都采用这种结构。根据输入输出点的数量以及对该溶液混合装置控制系统的要求，并为以后扩展改造方便，该系统适宜于选择小型、整体式PLC，主机选择西门子S7200系列CPU222 8DI/6DO。3.3 I/O点地址的分配I/O信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。只有分配I/O点地址以后才可以

17、进行编程；对控制柜及PLC的外围来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图，所以只有准确、合理的进行I/O地址的分配与编号，才方便进行后续的设计图，表3-1所示为该控制系统的I/O分配表。表3-1 I/O分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启动信号常开按钮SB1I0.0停止信号常开按钮SB2I0.1L液位检测信号光电检测开关SQ1I0.2I液位检测信号光电检测开关SQ2I0.3H液位检测信号光电检测开关SQ3I0.4输出信号电动机驱动信号线圈KMKMQ0.0注入A液体信号电磁阀YV1YV1Q0.1注入B液体信号电磁阀YV2YV2Q0.2释放混合液信号电磁阀YV3YV

18、3Q0.33.4 控制流程图控制流程图可以让设计人员清楚、明了的认清该系统的工作过程。该溶液混合装置的工作流程如图3-2所示，此溶液混合装置属于典型的顺序控制。是否到达液位H电磁阀YV1关闭， 电磁阀YV2通电打开，注入B液体是否到达液位I电磁阀YV1通电打开，注入A液体启动液位降到L电动机M停转，打开电磁阀YV3释放混合液体1min定时时间到关闭电磁阀YV2，电动机M开始搅拌是否到达液位H电磁阀YV1关闭， 电磁阀YV2通电打开，注入B液体是否到达液位I电磁阀YV1通电打开，注入A液体启动延时2S，关闭电磁阀YV3液位降到L?电动机M停转，打开电磁阀YV3释放混合液体1min定时时间到？关闭

19、电磁阀YV2，电动机M开始搅拌是否到达液位H？电磁阀YV1关闭， 电磁阀YV2通电打开，注入B液体是否到达液位I？电磁阀YV1通电打开，注入A液体启动否是否是否是否是图3-2 控制流程图3.5 元器件明细表元器件明细表列出了电气系统所用的电器元件的名称、文字符号和数目，方便施工人员进行元器件的采购。表3-2为元器件明细表包含了元器的详细信息。表3-2 元器件明细表名 称文字符号数量常开按钮SB2组合开关QS1光电液位传感器SQ3电磁阀YV3交流接触器KM1热继电器FR1熔断器FU43.6 I/O接线图I/O接线图是进行施工接线的主要技术文件，图3-3所示为该溶液混合装置控制系统的I/O接线图。

20、v图3-3 I/O接线图3.7 控制程序设计在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯

21、形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入条件。CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存储器的读操作）。在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。以下为用STEP7-Micro/WIN32软件编制

22、的该控制系统的程序梯形图。图3-4 梯形图梯形图分析：1.初始状态 当装置投入运行时，进液阀QO.1、QO.2关闭，出液阀QO.3 打开10秒将容器中的残存液体放空后关闭。2.启动操作 按下启动按钮SB1，液体装置开始按以下顺序工作：进液阀QO.1打开，A液体流入容器，液位上升。当液位上升到I处时，进液阀QO.1关闭，A液体停止流入，同时打开进液阀QO.2，B液体开始流入容器。当液位上升到H处，进液阀QO.2关闭，B液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。当搅拌电机定时搅拌1min后制动停止搅拌，同时QO.3打开，开始放液，液位开始下降。当液位不能下降到L处时，开始计时2秒后关闭放液阀QO.3，

23、自动开始下一个循环。3.停止操作 工作中，若按下停止按钮SB2，待整个循环进行到结束，即待灌内液体排完，切断YV3，不再接通YV1，停止YV1，停止工作。3.8 控制程序语句表 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能，具体指令的说明可查阅参考文献1。语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。将该控制系统的梯形图转化为语句表如下所示：Network 1 LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0Network 2 LD I0.0O Q0.1O T38AN Q0.2

24、AN Q0.0AN I0.1= Q0.1Network 3 LD I0.3O Q0.2AN Q0.0A M0.0AN Q0.4= Q0.2Network 4 LD I0.4O Q0.0AN Q0.3A M0.0= Q0.0Network 5 LD Q0.0TON T37,+600Network 6 LD T37O Q0.3AN T38A M0.0= Q0.3Network 7 LDN I0.2O M0.1AN T38A Q0.3A M0.0= M0.1Network 8 LD M0.1TON T38,+20END3.9 程序调试程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情

25、况使用了STEP 7-Micro/WIN模拟器进行了本程序的调试。西门子S7200的仿真软件Simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持TD200仿真界面和增减计数器等多种指令。调试方法如下 ： 1.将在Step 7 MicroWin中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；  2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”，然后选择CPU 222；3.点“程序”-“载入程序”； 4.选择Step 7 MicroWin的版本； 5.将先前导出的AWL文件打开；6.点“PLC”-

26、“运行”，开始调试程序；程序具体运行情况如下：1按下启动按钮SB1，I0.0为1，输出Q0.1线圈得电，电磁阀YV1通电打开，开始注入A液体，如图3-5程序调试图a所示。2到达最低液位L时，I0.1为1，继续注入A液体。3到达中液位I时，如图3-6程序调试图b所示，I0.2为1，电磁阀YV1断电关闭，输出Q0.2线圈得电，电磁阀YV2通电打开，开始注入B液体。4到达高液位H时，如图3-7程序调试图c所示，I0.3为1，电磁阀YV2断电关闭，输出Q0.0线圈得电，电动机M开始工作，开始搅拌液体。51分钟搅拌时间到，如图3-8程序调试图d所示，电动机M停止工作，同时Q0.3线圈得电，电磁阀YV3通

27、电打开，开始释放混合液体。6如图3-9程序调试图e所示,延时2秒后，待整个搅拌过程完成后，该溶液混合装置才停止工作。72秒后程序自动循环。图3-5 程序调试图a图3-6 程序调试图b图3-7 程序调试图c图3-8 程序调试图d图3-9 程序调试图e结 论本液体混合装置的PLC控制系统可以实现课题所规定的控制要求：按动启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV

28、3通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到L后，再延时2S使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的周期。该控制系统的突出优点是在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，该装置不会立即停止工作，必须待完成一个完整的循环后才能停车。这样的设计可以保证容器中两种液体严格按照确定的比例进行混合，为下道工序提供高质量的混合溶液。虽然在PLC的选型及应用程序的编制方面已充分考虑了系统工作的可靠性，以确保系统可以长期稳定高效率地工作。但在实际的设计过程中，由于缺乏实际工作的经验，可能没有完全预测到在实际生产过程中可能出现的突发情况，所以该系统的梯形图的编制还要根据实际的工况进行调整和完善。设计总结每

29、一次都非常珍惜大学期间为数不多的课程设计，这是将理论应用于实践的最好平台。这次的机电传动与控制课程设计是毕业设计前的最后一次课程设计，通过这次课程设计为即将到来的毕业设计进行一次练兵，积累了经验，所以这次课程设计具有的意义更重大。通过这次实践，我对机电传动与控制这门课程有了更深层次的理解。为了高质量的完成这次课程设计，我认真的复习了课本中的电动机结构、类型与工作原理以及继电器接触器控制和PLC控制这些内容。掌握了一些常用的继电器接触器控制电路，更深层次的了解了PLC的循环扫描工作方式：输入采样、程序执行、输出刷新。PLC在现代自动化控制领域中所占的比重越来越大，这次的设计过程与经验为自己以后独

30、立进行相似自动化控制工程提供了依据，也将帮助自己在以后的设计过程中少走弯路。我觉得没有什么是唾手可得的，只有经历辛勤的汗水，才能让知识绽放出美丽的花朵。王老师的指导当然也是一个不可忽视的方面，让我明白了自己的不足，并马上改正，也让我能更好的独自完成自己的设计。此次机电传动控制课程设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“课题十七 两种液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病。通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。机电传动控制是一门极其重要的课程，它综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，尤其是PLC技术越来越受人们广泛应用。因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次