基于西门子PLC液体药品成分混合的控制设计 毕业设计

1、黑龙江科技学院黑龙江科技学院 毕业设计 基于西门子基于西门子 PLCPLC 液体药品成分混合的控制设计液体药品成分混合的控制设计 系系 部部 电子信息工程电子信息工程 专专 业业 名名 称称 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 班班 级级 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 2 2 班班 姓姓 名名 高高 亮亮 学学 号号 指指 导导 教教 师师 魏魏 娜娜 2010 年 11 月 28 日 基于西门子基于西门子 PLCPLC 液体药品成分混合的控制设计液体药品成分混合的控制设计 指导老师： 威 娜 2007 电子信息科学与技术专业 学号 姓名 高亮 摘 要 PLC 是以计算机技术为核心的

2、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 WINCC 组态， 可直接对现场监控、更方便工作和管理

3、。 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 effcieng Tutor: zhang qiang 2008 electric automation level No: Name: Li xin Abstract Computer technology as the core of PLC in the general automatic control equipment, it is a kind of program to change control function of the comput

4、er. 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 module device. It is appli

5、ed 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 procedures can be a singl

6、e 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 sensor, The timer, 目录

7、目录 第一章 引言.1 第二章 总体方案设计.3 第三章第三章 硬件设计硬件设计.5 3.1 硬件选型，根据 PLC 的输入、出点数，控制功能选择适用型号的 PLC.5 3.1.1 PLC 机型选择.5 3.1.2 PLC 容量选择.7 3.1.3 I/O 模块的选择.7 3.1.4 电源模块的选择.9 3.1.5 设备型号选择.10 3.2 外部接线图.10 3.3 系统安全设计，可靠性、实用性强.11 第四章 程序设计.13 4.1 设计程序的流程图 .13 4.2 I/O 分配表.14 4.3 控制程序设计，最大限度的满足被控对象的控制要求.15 4.3.2 程序设计.17 第六章 系统

8、调试.22 6.1 系统模拟调试，在编程软件和仿真软件对控制程序调试.22 第七章 总结.24 7.1 本设计的整体内容和要求.24 7.2 本设计的功能和优点.24 7.3 本次设计的心得体会.25 结论.26 致 谢.27 参考文献.28 第一章引第一章引 言言 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

9、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。 PLCPLC 的中国现状的中国现状 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

10、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

11、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

12、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。 PLCPLC 的行业应用的行业应用 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 6000 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

13、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些新增要求。 PLCPLC 的未来发展的未来发展 许多年前就有人预言，PLC 将要被 PC-BASED 控制系统取代。但

14、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。 当前中小型 PLC 比较多，为了适应市场

15、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

16、料表明：在 PLC 控制系统的故障中，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

17、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： 1.1. 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，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，

18、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，

19、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

20、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

21、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

22、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 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

23、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

24、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

25、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

26、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。 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

27、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 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

28、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 TIA 对全球自动化市场的产品和服务范围真正开放。

29、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个功

30、能强大、风格一贯的软件平台， 符合 IEC 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，S

31、IMATIC S7200 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

32、同归的必然趋势。 CPU 224 CN 本机集成14 输入/10 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18

33、0mA 输出， CPU 224 CN，CPU 224XP CN，CPU 226 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

34、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。 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/

35、CPU 222 CN 1 个CPU224 CN/224XP CN/226 CN2 个CPU 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

36、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

37、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、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而 且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具 有现实的理论意义。 而对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重 要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时， 搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动程度 与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常地互

38、相撞 击和破裂，使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理 论的研究是极其重要的。 1.5 液体混合设备的发展趋势用 PLC 来代替传统液体混合设备 控制 近代化学工业中，流动的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高 粘度流体也常常遇到，尤其是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆 状流体等非牛顿型流体的应用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的 流动特性，所以对于非牛顿型液体的研究是当今的一个重要课题。对高粘度流 体，特别是非牛顿型流体的搅拌传热的研究，也是近年来的一个方向。聚合釜 的传热特性与其中所用的搅拌器的型式关系甚大。 随着科学技术的发展。设备有大型化发展

39、的趋势，也需求搅拌设备大型化。 如国外聚合釜的容积已由最初的 840m3扩大到 60100m3，最火的已达到 140m3。采用大型聚台釜可大大减少操作和检修人员，有利于自动化，减少投资， 提高生产率，稳定产品质量。随着容积的大型化，釜型逐渐由细长型向矮胖型 发展。而且采用底部搅拌的方式越来越多，多用三叶后掠式搅拌器。三叶后掠 式搅拌器是目前大型聚合釜采用的一种较好搅拌器。因它排出量大，釜内液相 循环充分，每分钟可达 510 次，能促使釜内反应均匀一致。 搅拌也可以在管路中进行，采用在管路中安装装置的办法对气-液系和液- 液系进行混合。例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合；在石油精制中，也 采用

40、使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。还 有在管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。 可见，科学技术的发展带动了搅拌应用面的扩大。搅拌技术的发展又使得 搅拌设备大型化。为了提高搅拌的全自动化和稳定性能，就需要一个功能更强、 性能更好的系统做支持。 在本设计中我将引入 PLC 来实现其搅拌控制功能。 1.6 引入 PLC 来实现其液体药品混合设备的控制功能 本设计基于采用可编程序控制器（PLC）的设计方案，实现对液体混合搅拌 的控制。以 PLC S7-200 为主要控制器。根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等， 设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从

41、而满 足其控制要求。 根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。这样就可 以先按照搅拌设备的先后运行顺序画出相应的顺序功能图，然后在根据顺序功 能图画梯形图，最后再用仿真软件对其进行调试仿真。这样就可以实现 PLC 对 混合搅拌控制程序的设计。 第二章 总体方案设计 2.1 方案设计 整个设计过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。 设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号 （GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工作条件；工程 对电气控制线路提供的具体资料。系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提 下，尽量做到经济

42、、合理、合用，减小设备成本。在方案的选择、元器件的选 型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到 微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。 对于本课题来说，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的 改造升级，新控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用 旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前 的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出在新控制系 统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交 互界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。 要实现整个液体混合控制系统的设计，

43、需要从怎样实现各电磁阀的开关以 及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎 样的方法来确定系统方案。 2.2 总体方案论证，系统是将计算机技术、PLC 、网络技术和 工业自动化技术紧密结合起来，采用分布式的数据采集，集中 式的数据处理。 就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单 片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。 （1）继电器控制系统 控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中 的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的 自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，

44、都会影响 整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不 太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性 差，响应速度慢。 （2）单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括 CPU、存储器、定时器 和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领 域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电 路，不能直接将它与外部 I/O 信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配 套的集成电路和 I/O 接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 （3）工业控制计算机控制 工控机采用总线结构，各厂

45、家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在 要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用 于开关量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接线一般都用于多芯扁平电缆和插 头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。 （4）可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作 硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用 梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序 适应工艺条件的变化。 可编程控制器(PLC)从上个世纪 70 年代发展起来的一种新型工业控制系统， 起初它主要是针对开关量进行

46、逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时 间继电器等构成开关量控制系统。随着 30 多年来微电子技术的不断发展，PLC 也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在 PLC 已经发展成为不但具有逻 辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯 功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。由 PLC 为主构成的控制系统具 有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制 装置。故选择 PLC 来实施本次设计。 (1) 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用

47、于多机群控及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流 水线等。 (2) 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要 PLC 厂家的产品 几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 (3) 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计 算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控 制等场合有非常广泛的应用。 (4) 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻

48、辑运算）、数据传送、 数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程 控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 (5) 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的 发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能， 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 2.3 系统方案的设计思想，控制系统简单、经济、使用和维护 方便。物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要 求

49、。 （1）可靠性高，抗干扰能力强 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。 （2）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。 （3）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

50、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。 （4）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。 （5）体积小，重量轻，能耗低 （6）硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强 第三章 硬件设计 3.1 硬件选型，根据 PLC 的输入、出点数，控制功能选择适用

51、型号的 PLC 3.1.1 PLC 机型选择 机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、 维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。 （1）结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式 结构的 PLC；否则，选用模块式结构的 PLC，物料混合控制系统的设计选用整体 式结构的 PLC 能够达到要求。 （2）功能强、弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的 PLC，西门子公司的 S7-200 系列机或欧姆龙公司的 COM1。 （3）机型统一 PLC 的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把 PLC

52、的 I/O 和 CPU 放 在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、 价格便宜。但由于整体式结构的 PLC 功能有限，只适用于控制要求比较简单的 系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵 活。一个大型企业选用 PLC 时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的 PLC， 其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有 利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算 机，可把各独立系统的多台 PLC 联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调 管理。物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的 PLC （4）是否在线编程 PLC 的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重 新修改程序，就能满足