基于FX2n及易控的混合液控制系统设计

1、西华大学课程设计说明书 目录1前言12混合液控制系统方案设计22.1混合液控制系统设计要求22.2混合液控制系统方案比较及论证22.2.1继电器与可编程控制器的方案比较论证22.2.2 PLC经验设计法和顺序控制法的方案比较论证42.3系统方案设计53混合液控制系统分析53.1混合液系统功能分析53.2混合液控制系统工艺流程图63.3混合液控制系统输入控制信息分析73.4混合液控制系统输出控制信息分析83.5 PLC输入输出表的设计83.6 PLC的选型94 控制系统硬件设计94.1混合液系统总图设计94.2 PLC外部接线图105控制系统软件设计115.1 控制流程图设计115.2程序的仿真

2、调试116监控系统软件设计126.1 易控组态软件介绍126.2上位机监控画面的组态设计146.3 实时数据库的变量设置156.4 动画的连接156.5 脚本程序的设计166.6 组态软件的仿真调试（说明正在没有与外部通道的连接情况下怎样进行调试，以次说明自己组态的正确性）176.7 组态软件与PLC的连接187系统的综合调试217.1 综合调试的平台说明217.2 综合调试的步骤217.3 整体的综合调试218总结和体会259致谢2610参考文献2711附录28291前言随着经济的发展和社会的进步，各种工业自动化的不断升级，对于工人的素质要求也逐渐提高。其中在生产的第一线有着各种各样的自动加

3、工系统，其中多种原材料混合在加工，是其中最为常见的一种。在工艺加工最初,把多种原料再合适的时间和条件下进行需要的加工以得到产品一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要。实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。 在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是十分广泛的,在自动控制的设备中, 可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得更普遍。随着科学技术日新月异的发展,特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭新的阶段，因此,了

4、解和学习这些重要技术对高校工程类专业的学生来说,已是必不可少。 2混合液控制系统方案设计2.1混合液控制系统设计要求A、B两种液体混合装置如图1.1所示，其中阀A、阀B、阀C为电磁阀，线圈通电时打开， S1、S2、S3为上、中、下液位传感器，被溶液淹没时为ON。（1）初始状态：各阀门全关闭，电机停止，混液罐空，各传感器OFF；（2）操作工艺流程：按下启动按钮SB 1后，打开A阀，液体A流入混液灌；当中限位传感器S2被淹没变ON时，阀A关闭，阀B打开；当上限位传感器S1被淹没变ON时，阀B关闭，电机M （2.2kw）开始运行，搅动液体，20S后停止搅动，阀C打开放出混合液体；当液面降至下限位传感

5、器S3变OFF时，开始定时，5S后容器已放空，关闭阀C。如已按下SB2，则就此停机；如未按下停止按钮SB2，则又打开A，开始下一次循环。图1-1 A、B液体混合装置图2.2混合液控制系统方案比较及论证2.2.1继电器与可编程控制器的方案比较论证在PLC的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言，通过PLC的指令系统将梯形图变成PLC能接受程序，由编程器键入到PLC用户存储区去。而梯形图与继电器控制原理图十分相似，主要原因是PLC梯形图的发明大致上沿用户继电器控制电路的元件符号，仅个别处有些不同。PLC与继电器控制的主要区别有以下几点：（1）组成器件不同继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器组成的

6、。而PLC是由许多“软继电器”组成的，这些“继电器”实际上是存储器中的触发器，可以置“0”或置“1”。（2）触点的数量不同硬继电器的触点数有限，一般只有4至8对；而“软继电器”可供编程的触点数有无限对，因为触发器状态可取用任意次。（3）控制方法不同继电器控制是通过元件之间的硬接线来实现的，因此其控制功能就固定在线路中了，因此功能专一，不灵活；而PLC控制是通过软件编程来解决的，只要程序改变，功能可跟着改变，控制很灵活。又因PLC是通过循环扫描工作的，不存在继电器控制线路中的联锁与互锁电路，控制设计大大简化了。（4）工作方式不同在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制约状态，该

7、合的合，该断的断。而在PLC的梯形图中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，从客观上看，每个“软继电器”受条件制约，接通时间是短暂的。也就是说继电器在控制的工作方式是并行的，而PLC的工作方式是串行的。继电器方案结构框图如图2-2所示。图2-2 电磁继电器方框及功能图可编程控制器PLC方案结构框图如图2-3所示。 图2-3 PLC 工作原理图综上所述，PLC比继电器更加简单、方便、占地面积小、易控制、具有很好的扩展性，所以本设计选用可编程控制器（PLC）来完成混合液控制装置。2.2.2 PLC经验设计法和顺序控制法的方案比较论证经验设计法设计梯形图，没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有

8、很大的试探性和随意性，对于不同的控制系统，没有一种通用的容易掌握的设计方法，在设计复杂系统的梯形图时，用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能，由于需要考虑的因素很多，它们往往又交织在一起，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。修改某一局部电路时，可能对系统的其他部分产生意想不到的影响，因此梯形图的修改也很麻烦，花了很长的时间还得不到一个满意的结果。用经验法设计出的梯形图往往很难阅读，给系统的维修和改进带来了很大的困难。所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。使用顺序控制设

9、计法首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。有的PLC编程软件为用户提供了顺序功能图（SFC）语言，在编程软件中生成顺序功能图后便完成了编程工作。由此可见，顺序控制设计法是一种先进的设计方法，和经验设计法比较起来更容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便，由于本设计程序不是很复杂，两种方法均可容易实现，但考虑程序更简单的可读性，本设计选择了顺序控制设计法。2.3系统方案设计本设计以两种液体的混合控制为例，其要求是将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。并自动开始新的周期，形成循环状态。液体混合系

10、统的控制设计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。设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计流程、设计要求、梯形图设计等）和监控系统,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。在设计论文中将详细介绍系统的硬件设计、软件设计、监控系统。其中硬件设计包液体混合装置的电路框图、电器元件、PLC控制、控制柜的布置设计；软件设计包括系统控制的流程图、梯形图、指令表及工作过程；监控系统设计包括易控和上位的设计。整个

11、程序采用结构化的设计方法,具有调试方便,维护简单,移植性好的优点。3混合液控制系统分析3.1混合液系统功能分析该系统为实现A、B两种液体混合装置，初始状态各阀门全部都是关闭，电机和传感器也关闭，且混合液罐为空。其中阀A、阀B、阀C为电磁阀，M为电机，线圈通电时打开， S1、S2、S3为上、中、下液位传感器，被溶液淹没时为ON。具体功能如下：(1)启动操作 按下启动按钮SB1,X0的常开触点闭合， A电磁阀Y0打开，液体A流入容器。（2）液面上升到S2 当液面上升到S2时，S2触点接通，其常闭触点X3打开，使Y0断电，Y0控制的电磁阀关闭，液体A停止流入；同时Y1常开触点接通

12、，使其控制输出的电磁阀接通，液体B电磁阀打开，液体B流入。（3）液面上升到S1 当液面上升到SL1时，SL1触点接通，即X2接通，Y1置位，其常闭打开，使输出端断开，Y1控制的电磁阀关闭，液体B停止注入，同时Y3和T0接通，搅拌电动机开始工作。（4）搅匀后放混合液 搅拌电机工作时，T0计时，20s后Y3断开，搅拌电机停止工作，并开始释放混合液体。（5）液面下降到S3 当液面传感器S3（X4）由接通变为断开时，Y2置位，其常开触点接通，T1开始工作，5s后混合液体放完，T1常开触点闭合，复位所用的内部继电器M0，使Y2断开，其控制的电磁阀Y2关闭，同时T1常开使X0

13、得电Y0接通，Y0打开，液体A流入，开始进入下一个循环。（6）停止操作 按下停止按钮SB2，X1接通，其常闭触点断开，切断循环信号。使X1不能再接通，即停止操作。 在操作结束后进行判断，当按下停止按钮后，PLC程序将返回到初始状态，如果想再次激活，需要提供PLC一个上电脉冲M8002，若是在PLC执行完一个工作过程后，期间没有按下停止按钮，那么PLC将返回到程序自动运行的下一循环点进行下一次的操作。 由于没有自动手动设计和报警部分故不做介绍。3.2混合液控制系统工艺流程图控制系统的工艺流程图如图3-1所示。图3-1工艺流程图3.3混合液控制系统输入控制信息分析该控制系统共有

14、X0X4五个输入信号，其中X0为启动开关信号；X1为停止开关信号；X2X4分别为高、中 、低位液面传感器接收控制开关，当它们被液体淹没是为0N。由于本设计未自带传感器检测部分，所以X2X4传感器接收控制开关需要手动执行，而具体操作如下：初始状态：五个开关均断开。工作状态：当X0启动控制后，A阀打开，A液开始流入容器，此时液面上升，当液面上升到S3时必须将X4至“1”。当液面上升至S2是，再将X3至“1”，启动B阀打开流入B液。当液面上升到S1时，将X2至“1”，启动电机M搅拌并定时20s，定时完后停止搅拌，C阀打开放出混合液。此时要注意，如不将X2X4依次至“0”，C阀（Y2）会一直工作，所以

15、要将其依次关闭，当将X4至“0”后会启动T1定时5s，定完时后C阀才关闭。此时如不按动停止按钮X1程序将循环进行下去。3.4混合液控制系统输出控制信息分析本系统设计共有四个输出，其中Y0Y2分别为A、B、C液体电池阀输出响应，Y3为搅拌电动机M。它们的响应是由传感器对液位的升降信息的检测接收通过X2X4来控制，其具体操作如下：初始状态：Y0Y3均为0FF。工作状态：当启动X0后，若无故障即刻启动Y0流入A液。当X3为0N时，Y0为OFF,Y1为ON,即关闭A阀，打开B阀流入B液。当X2为ON时，Y1为OFF,Y3为ON,T0计时，此时B阀停止放B液，电机M开始搅拌。计时20s后，Y3为OFF，

16、Y2为ON，此时电机停止搅拌，C阀开始放出混合液C。当液体下降到S3时，X4为OFF，T1为ON,计时5s后液体放空Y2为OFF即C阀关闭。3.5 PLC输入输出表的设计混合液控制系统的输入输出地址分配表如表3-1所示。表3-1 输入/输出地址分配表输入点输出点地址作用地址作用X0启动按钮SB1Y0液体A电磁阀Y0X1停止按钮SB2Y1液体B电磁阀Y1X2液面传感器SL1X3液面传感器SL2Y2混合液体电磁阀Y2X4液面传感器SL3Y3搅拌电动机接触器KM3.6 PLC的选型本设计选用三菱公司的FX2N-32MR的PLC，它是一种整体式结构的小型PLC，并且指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性

17、好，结构紧凑，便于扩展，性价比高。并且有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制，设计中使用的PLC所用的模块共有I/O总数32点，其中输入点16点，输出点16点。可带8个特殊扩展单元。用户程序存储器容量为16K字。内置高速计数器，具有PID控制器功能。不过由于条件所限，我们由PLC内部软仿真来完成整个模拟过程。PLC的编程有三种方法：经验法、顺序控制设计法。在本系统中，采用的是顺序控制设计法。所谓顺序控制设计法就是针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。这种设计方法很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。PLC的设计者们为顺序控制系

18、统的程序编制提供了大量通用和专用的编程元件，开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图，使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。4 控制系统硬件设计4.1混合液系统总图设计混合液系统控制主电路图如图4-1所示。图4-1 混合液控制系统主电路图4.2 PLC外部接线图PLC外部接线图如图4-2所示。图4-2 PLC外部接线图5控制系统软件设计5.1 控制流程图设计软件部分的程序状态转移图如图5-1所示图5-1 混合液控制系统状态转移图5.2程序的仿真调试软件调试的软仿真结果及过程如图5-2所示。图5-2 软件调试结果6监控系统软件设计我主要负责的这部分的设计工作，故会详细说明设计流程

19、。6.1 易控组态软件介绍易控是一套通用的监控和数据采集（SCADA）软件，亦称人机界面（HMI/MMI）软件，俗称组态软件。 易控以通信的方式和控制系统相连，能读写控制系统内部的信息，并以图形和动画等直观形象的方式呈现这些信息，以方便对控制流程的监视。也可以通过易控直接对控制系统发出指令、设置参数干预控制流程。易控能对控制系统的数据进行运算处理，将结果返回给控制系统，协助控制系统完成复杂的控制功能。易控还能对从控制系统得到的以及自己产生的数据进行存储、报表等等其它功能，从而延伸控制系统的能力和弥补控制系统的不足。比如易控可以作为中间桥梁，将控制系统和工厂的企业管理信息系统联结起来,将多个控制

20、系统联结起来，使它们之间能交换数据、共享资源，协调和管理曾经是各自孤立的控制系统。从而在更大范围内优化了控制结构，提高综合自动化效率。 易控可以应用于机械制造、化工、电力、冶金等任何涉及自动化控制的领域，它本身没有行业的限制，只要它和控制系统之间能进行数据交换即可。易控内置了对常见PLC、DCS、PC板卡、智能仪表等设备的通信支持。易控系统典型的使用情况如图6-1所示。图6-1 易控典型应用图例1易控可以下挂多个控制系统，同时和多个系统连接，并在它们之间转发数据，如图6-2所示。图6-2 易控典型应用图例2易控可以连接企业的管理信息系统，将实时系统中的数据上传，也可以连接其它应用程序，向它们提

21、供实时数据，如图6-3所示。图6-3 易控典型应用图例3易控提供了丰富的对控制系统的监视、控制和管理功能，但在用户的实际应用中，使用什么功能和达到什么效果都是由用户自己来决定的。易控系统带有一个功能强大的二次开发平台，用户通过使用该开发环境，来确定自己的最终监控功能和效果。6.2上位机监控画面的组态设计上位机监控界面如图6-4所示。图6-4 易控画面该设计有5个输入和4个输出，对应关系是。输入：“S1”、“S2”、“S3”、“启动”、“停止”。输出：“A阀”、“B阀”、“C阀”、“电机扇叶”。S1、S2、S3是限位传感器。 “退出”图元是我加进去的，不在设计范围内，可以点击直接退出运行画面，而

22、不需要按Alt+F4。另外三个文本框分别对限位传感器的状态进行说明，运行的时候可以看见当传感器接通文本显示“打开”，反之则为“关闭”。6.3 实时数据库的变量设置该设计需要的变量如图6-5所示。图6-5 程序所需变量示意图 I/O通信口FX编程口与程序变量建立关系，对应关系如图6-6所示。图6-6 数据库变量与PLC寄存器类型对应关系图 本设计大部分采用开关型变量。即变量只有两个状态True或False。6.4 动画的连接动画的连接以A阀来作为例子说明。首先选中A阀，右下角选择动画选项，然后进行配置，弹出以下对话框，如图6-7所示。图6-7 图元动画配置示意图对应选择“混合液控制系统.A阀”变

23、量，按图中关系设置好表达式与填充的关系，就完成了变量与图形动画的连接工作，当变量发生变化时，图元A阀按照如图关系显示颜色。 其他动画配置过程与该配置相似，可做参考。6.5 脚本程序的设计脚本程序是依据一定的格式编写的可执行文件，又称作宏或批处理文件。脚本通常可以由应用程序临时调用并执行，而且可以丰富监控软件的表现，如动画、声音等。我们可以添加脚本然后对响应的控件属性进行修改，或是对下位的变量在上位进行转换等。由于PLC程序中没有关于液位的相关程序，故在易控中的条件程序中写入以下程序：if(混合液控制系统.开关启动=1&&混合液控制系统.传感器2=0&&混合液控制

24、系统.传感器1=0)混合液控制系统.液体显示+;if(混合液控制系统.传感器2=1)混合液控制系统.液体显示=50;if(混合液控制系统.传感器2=1)混合液控制系统.液体显示+;if(混合液控制系统.传感器1=1)混合液控制系统.液体显示=100;if(混合液控制系统.电机扇叶=0)混合液控制系统.液体显示-;if(混合液控制系统.传感器3=1) 混合液控制系统.液体显示=10;该程序可以模拟液面的上升下降，但是由于本人水平有限，该程序与PLC运行程序不能完全对应，仅供参考。6.6 组态软件的仿真调试（说明正在没有与外部通道的连接情况下怎样进行调试，以次说明自己组态的正确性）通过脚本程序直接

25、控制相应的变量，使画面得到模拟效果。脚本程序如下：if(混合液控制系统.开关启动=1) 混合液控制系统.液体显示+; 混合液控制系统.A阀=1;if(混合液控制系统.液体显示>50)混合液控制系统.B阀=1;混合液控制系统.A阀=0;if(混合液控制系统.液体显示=100) 混合液控制系统.框显示=0; 混合液控制系统.框下降=1; 混合液控制系统.电机扇叶=1; if(混合液控制系统.计时<30) 混合液控制系统.计时+; else 混合液控制系统.电机扇叶=0; 混合液控制系统.液体下降+; 混合液控制系统.C阀=1; 混合液控制系统.A阀=0; 混合液控制系统.B阀=0; 通

26、过该程序就可以实现没有与外部通道的连接情况下进行上位机仿真演示。6.7 组态软件与PLC的连接该设计中我们使用MX软件来使组态软件与PLC的连接，下面做出详细说明。（1）首先进行I/O通道的属性配置，如图6-8所示。我们要求的是RS232（L）图6-8通道属性配置协议类型，波特率为9600，校验位为偶校验，数据位设置为7，停止位设置为2。（2）MX Component设置运行MELSOFT Application/MX Component/PLC Monitor Utility，再如图6-9所示进行设置。图6-9 MX Component设置完成状态（3）运行GX Simulator启动梯形图

27、逻辑测试功能，将编写的梯形图程序写入GX Simulator中，出现图6-10所示窗口，则GX Simulator成功运行。图6-10梯形图逻辑测试功能图（4）运行上位软件易控打开PLC基于FX2n与易控的混合液控制系统工程，编译运行后，若混合液控制系统工程顺利运行，则出现上位界面如图6-11所示。图6-11易控运行提示点击忽略就完成了PLC与组态软件的连接。7系统的综合调试7.1 综合调试的平台说明MX Component软件，该软件在调试过程中起到一个纽带作用，通过该软件实现易控组态软件与GX Simulator之间的通信。GX Simulator软件，该软件实现了PLC程序的控制。易控组

28、态软件，该软件体现了GX Simulator软件的PLC程序流程以及实现的具体功能，模拟现场系统的运行动画。7.2 综合调试的步骤（1）配置通信连接软件及MX Component软件，使其达到通信要求。（2）运行GX Simulator软件，将编写的梯形图程序写入GX Simulator中。（3）启动易控组态软件，并编译运行。（4）控制上位机界面按钮，通过操作观察动画运行，并判断是否达到设计需求。7.3 整体的综合调试 通过PLC的软仿真实现与上位界面的连接，首先打开三个软件GX Simulator软件、MX Component软件、易控组态软件。然后在GX Simulator中点击仿真运行，

29、MX Component软件保持畅通，运行易控上位程序。点击启动按钮得到如图7-1所示的结果。图7-1易控运行画面1依次点击S3、S2模拟传感器的开启，得到如图7-2所示的画面，此时A阀关闭，B阀开启。注意传感器此时是打开的，符合设计要求。图7-2易控运行画面2然后液体淹没至S1时开始搅拌，由于是动态的故不作图示，但是要注意此时S1、S2、S3都是打开的。定时20S后，搅拌停止，C阀打开开始放混合液，如图7-3所示。传感器从上到下依次关闭。图7-3易控运行画面3此时继续定时5S使液体由C阀放空，如果没有按下停止按钮则循环如图7-1的操作。此过程完整的说明了该系统在实际过程中的效果及流程。8总结

30、和体会通过两周的PLC课程设计，我学到了很多知识,该设计中我负责的是上位机监控部分，这个部分对我来说是很难的，上课阶段我们对上位机软件易控只有一些初步了解，刚拿到题目比较茫然，不知道怎么入手。后来我在该软件的官网上发现了在线课堂，于是我就从零学起，边看视频边动手操作，终于有了一些入门知识，然后通过不断的画图运行调试，最后才把这个设计完成了。该设计的提出是由于传统的搅拌系统需要人工监视，而且混合液的比例不好控制，我们设计的这个系统可以解决这些问题，通过限位传感器的位置可以决定混合液体的比例，然后PLC的程序可以控制系统的循环工作，不再需要人工的监视，可以节约人力资源。该设计完成了两种液体的混合，

31、打开启动开关放入A液体，淹没了限位传感器S2，放入B液体，淹没了限位传感器S1，进行搅拌20S，并且AB阀门关闭，然后打开C阀门放出混合液体，当经过限位传感器S3，定时5S，液体放完，如果没有按停止按钮，则继续循环以上操作。若按下停止按钮，则完成当前循环操作后才会停止。我负责的是上位机部分，所以我发现了有关易控的一些东西。按出ctrl键拖曳图元可以进行复制，并且复制得来的图元与前一图元的属性以及动画配置，变量连接关系完全一样，可以方便我们的画图。通过条件程序的编程可以控制PLC程序变量以外的变量控制，比如该设计中的液位变量和小车变量等等。 9致谢两周的PLC课程设计使我获益匪浅。这里我要先感谢

32、郑萍老师给我们这个机会，确实让我可以到知识，学到了很多书本上没有的东西，更提高了我的自我学习能力。感谢张师姐对我们的指导，我们找过张师姐几次，她帮我们分析问题，解答问题，还拷贝软件给我们，真的表示由衷的感谢。然后要感谢宋超同学，他是另外一组的也负责上位机部分，我们一起分析学习，相互帮助，不然一个人的力量是有限的，也做不到这么快。最后要感谢我们的组员邹鹏和刘家祥同学把他们负责的那部分完成好，才能和我这部分组成一个完整的设计。10参考文献1易控组态软件教程,20102周美兰等.PLC电气控制与组态软件.科学出版社,2005.53FX可编程控制器编程手册.日本三菱公司,20024GX DEVELOPER 使用手册.日本三菱公司,20025廖常初.FX系统PLC编程及应用.北京:机械工业出版社2005.04.016郑萍.现代电气控制技术,重庆大学出版社,2001.12.7钟肇新.可编程控制器原理及应用.广州:华南理工大学出版社,2004.58李刚.MCGS组态软件在液位控制系统中的应用J.可编程控制器与工厂自动化,2005,02:8590 9高丽萍,