三种液体自动混合的PLC控制.docx

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三种液体自动混合的PLC控制

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。

本人所设计的多种液体混合的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，通过组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。

关键字：

混合装置;PLC控制;组态

1问题的提出

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，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，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑确定系统方案。

1.1.2课题研究的意义

在工艺加工最初，把多种原料在合适的时间和条件下进行加工得到产品，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。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合装置远远不能满足当前自动化的需要。

可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术于一体的机电一体化装置。

通过本次设计使我得到了工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。

1.2课题研究的内容

1.设计液体混合控制系统的PLC外部连线图和软件程序。

2．硬件的研究。

用以前所学知识全面系统的对硬件进行设计并设有保护器件。

3.PLC程序编制与调试。

4．以可编程控制器为核心，熟悉并利用组态王软件对其所应用的程序进行模拟动态画面显示。

2硬件设计

2.1液体混合装置的结构及控制要求

图2-1中设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌。

此装置需要控制的元件有：

SL1,SL2,SL3,SL4为液面传感器，液面淹没该点时为ON，液体A、B、C、D阀门是电磁阀，M为搅拌机。

另外还有控制电磁阀和电动机的1个交流接触器KM。

所有这些元件的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

图2-1液体混合灌装机

要求如下：

1．初始状态：

当装置投入运行时，容器内为放空状态。

2．起始操作：

按下启动按钮SB1，装置开始按规定工作，液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SL2时，关闭液体A阀门，打开B阀门。

当液面到达SL3时，关闭液体B阀门，打开C阀门。

当液面到达SL4时，关闭液体C阀门，搅拌电动机开始转动。

搅拌电动机工作1min后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

当液面下降到SL1时，SL1有接通变为断开，在经过20s后，容器放空，混合液体阀门即液体D阀门的电磁阀YV4关闭，接着开始下一个循环操作。

3．停止操作：

按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余任务后，系统停止在初始状态。

2.2主电路图

主电路图

根据液体混合装置的结构及控制要求，可画出电路图如图2-4所示。

图2-4主电路图

2.2.1液体传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器。

其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。

LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。

其原理是依据光的反射折射原理，当没有液面时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。

应用此原理可制成单点或多点液位开关。

LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1）工作压力可达2.5Mpa；2）工作温度上限为125；3）触点寿命为100万次；4）触点容量为70W；5）开关电压为24VDC；6）切换电流为0.5A。

2.2.2搅拌电机的选择

选用EJ15-3型电动机。

相关元件主要技术参数及原理如下：

EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。

1）额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法；2）电动机运行地点的海拔不超过1000m。

工作温度-15~40℃/湿度≤90%。

2.2.3电磁阀的选择

1．入罐液体选用VF4-25型电磁阀。

其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（mm）宽度。

（1）材质：

聚四氟乙烯；使用介质：

硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体；

（2）介质温度≤150℃/环境温度-20~60℃；

（3）使用电压：

AC：

220V50Hz/60HzDC:

24V；

（4）功率：

AC：

2.5KW；

（5）操作方式：

常闭：

通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。

2．出罐液体选用AVF-40型电磁阀。

其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径（mm）

相关元件主要技术参数及原理如下：

（1）其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果；

（2）其阀体材料为：

聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力；

（3）使用电压：

AC：

220V50Hz/60HZDC：

24V；

（4）功率：

AC：

5KW。

2.2.4接触器的选择

选用CJ20-10/CJ20-16型接触器。

其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1．操作频率为1200/h

2．机电寿命为1000万次

3．主触头额定电流为10/16（A）

4．额定电压为380/220（A）

5．功率为2.5KW。

2.2.5热继电器的选择

选用JR16B-60/3D型热继电器。

其中“J”表示继电器，“D”表示带断相保护。

相关元件主要技术参数及原理如下：

1．额定电流为20（A）；

2．热元件额定电流为32/45（A）。

2.3可编程控制器

2.3.1I/O分配表

根据控制系统的要求，在本系统中所需要的开关量输入点为6点，开关量输出为5点。

控制系统应具备的输入/输出点数、名称、代码及地址编号如表2-2所示：

表2-2液体混合装置输入/输出地址分配

输入设备

输入点编号

输出设备

输出点编号

启动按钮

I0.0

电磁阀YV1

Q0.0

SL1液位传感器

I0.1

电磁阀YV2

Q0.1

SL2液位传感器

I0.2

电磁阀YV3

Q0.2

SL3液位传感器

I0.3

电磁阀YV4

Q0.4

SL4液位传感器

I0.4

搅拌机M

Q0.3

停止按钮

I0.5

2.3.2可编程控制器

该控制系统核心部分是以CPU226为主，CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。

PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入，这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。

I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。

PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口，标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。

PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用。

这是一个单体控制的小系统，没有特殊的控制要求，开关量输入点有6个（起动、停止和SL1、SL2、SL3、SL4），开关量输出点有5个（YV1、YV2、YV3、YV4与M），输入输出点数共为11个。

粗估内存容量约为110个地址单元（11×10=110）即可。

据此，可以选用一般中小型控制器（S7-200CPU221～CPU226），在此选用S7-200的CPU226。

2.3.3可编程控制器的外部接线图

根据输入输出设备及表2-2的液体混合装置输入输出地址的分配表，画出图2-3所示的可编程控制器的外部接线图。

图2-3可编程控制器的外部接线图

3软件设计

3.1程序框图

PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，PLC程序框图可见附录A。

3.2根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图

3.2.1控制梯形图见附录B所示

3.2.2梯形图执行原理分析

1．第一种液体的进入

当PLC接通电源后，按下启动按钮SB1后，触点I0.0接通，Q0.0得电并自锁，与之相连的电磁阀YV1接通并保持，液体A开始流入，当液体达到液面传感器SL1的位置时，SL1动作。

2．第二种液体的进入

当液体达到液位传感器SL2的位置时，SL2动作，I0.2接通使Q0.1得电并自锁，与之相连的电磁阀YV2接通并保持，液体B开始流入液罐，同时I0.2的动断辅助触点I0.2断开，液体A停止流入。

3．第三种液体的进入

当液体达到液位传感器SL3的位置时，SL3动作，I0.3接通使Q0.2得电并自锁，与之相连的电磁阀YV3接通并保持，液体C开始流入液罐，同时I0.3的动断辅助触点I0.3断开，液体B停止流入。

4．搅拌机工作

当液体达到液位传感器SL4时，SL4动作，I0.4接通使Q0.3得电并自锁，与之相连的电磁阀接通并保持，同时I0.4的动断辅助触点I0.4断开，液体C停止流入，搅拌机开始搅拌，同时时间继电器T37得电开始计时。

5．混合液体开始排出

1min后时间继电器T37计时时间到，其动合辅助触点T37闭合，Q0.4得电并自锁，与之相连的电磁阀YV4接通并保持，同时Q0.4的动断辅助触点Q0.4断开，断开Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3，液体开始排出。

6．混合液体排完

Q0.4得电的同时带动Q0.5得电，液体排出的同时SL4、SL3、SL2、SL1相继复位，当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，其动断辅助触点SL1复位闭合，时间继电器T38得电开始计时，20s后T38计时时间到，其动断辅助触点T38断开，Q0.4失电停止排放液体。

7．重复液体混合过程及停止

T38动合辅助触点闭合，Q0.0得电自锁，其动断辅助触点Q0.0断开，T38失电复位，开始循环，当需要停止时按下停止按钮SB2，I0.5接通，Q0.6得电并自锁，当T38得电时Q0.7得电，停止循环。

3.3语句表

根据梯形图写出语句表，语句表见附录C

4组态监控系统设计

4.1组态王软件简介

北京亚控科技发展有限公司开发的组态王6.5系列组态软件包括常用的组态王6.50至组态王6.53四个版本本设计将运用组态王6.53组态软件对三种液体混合控制系统进行画面组态。

以下是组态王6.53的简单介绍。

组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库KingHistorian的支持可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。

功能强大、性能稳定且易于使用，组态王6.53保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特点。

并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。

该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

组态王6.53的主要功能特性

1.可视化操作界面、真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库。

2.无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能。

3.画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印。

4.2组态王工程在设计中的应用

根据设计要求需要运用组态王软件对系统的自动运行进行画面组态因此本设计将运用组态王6.53对三种液体混合控制系统进行画面制作以及画面组态。

下面将简单介绍组态王6.53在本设计中的相关应用

1.建立工程文件

启动“组态王6.53”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，弹出如图4-1所示。

图4-1新建工程向导

单击“下一步”并根据弹出对话框完成新工程文件的建立。

2.进入工程文件

将创建的工程设为当前工程后，双击工程并进入组态王“工程浏览器”，如图4-2所示为组态王工程浏览器。

图4-2工程浏览器

3.创建组态画面

选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”（如图4-2所示），在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出对话框如图4-3所示。

图4-3新建画面

在图4-3所示的新画面中输入新画面名称，点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统，如图4-4所示。

图4-4开发系统

在开发系统中可根据需要进行画面设计及相关的画面编辑。

4.定义I/O设备

组态王6.5把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。

外部设备包括：

下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；外部设备还包括网络上的其他计算机。

只有在定义了外部设备之后，组态王6.5才能通过I/O变量和它们交换数据。

为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接。

该课题设计中使用西门子S7-200PLC和组态王6.5进行通信。

S7-200PLC可以通过PLC为组态王提供数据。

假设西门子S7-200PLC连接在计算机的COM1口。

定义I/O设备的具体步骤如下：

继续上面的工程。

选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。

在弹出图框中选择“西门子PLC”的“S7-200系列”的“PPI”项，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为外部设备取一个名称，输入新IO设备，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址，假设为2，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。

在弹出图框中设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。

设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“新IO设备”。

在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王6.5交换数据了。

具体如何进行IO设备的定义、管理等工作，请参见组态王6.5使用手册正式版“IO设备管理”一章。

5.构造数据库

数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所以这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。

在TouchVew运行时，它含有全部数据变量的当前值。

变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要制定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。

数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可以使用的数据变量的详细信息。

图4-5设备配置向导

构造数据库。

在工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧新建变量，弹出“变量属性”对话框如图4-6所示。

图4-6定义变量

6.创建动画连接

在开发系统中双击图形对象，可弹出“动画连接”对话框，可对图形对象进行动画设置，如图4-7所示。

图4-7动画连接对话框

7.画面命令语言

选择“编辑\页面属性”菜单命令或在开发系统画面单击右键选择“页面属性”，单击“命令语言…”按钮，弹出画面命令语言对话框。

针对本设计，在命令语言编辑框处输入的命令语言如下：

if（电磁阀YV1==1）{水流1=水流1+1;}

else

水流1=0;

if（电磁阀YV2==1）{水流2=水流2+1;}

else

水流2=0;

if（电磁阀YV3==1）{水流3=水流3+1;}

else

水流3=0;

if（电磁阀YV1==1||电磁阀YV2==1||电磁阀YV3==1）

液位=液位+1;

else

液位=液位;

if（电动机M==1）{搅拌叶片=搅拌叶片+1;}

if（搅拌叶片>3）{搅拌叶片=1;}

if（电磁阀YV4==1）

{液位=液位-1;

水流4=水流4+1;}

else

水流4=0;

如图4-8所示为本设计组态画面页面命令语言对话框。

图4-8画面命令语言

5软硬件调试

5.1连接设置

在完成PLC程序设计及组态画面创建后，要确保组态王软件能够与PLC芯片正常连接通信，还需要对相关参数进行设置。

在此，主要需要设置的是组态王串口设置，其设置对话框如图5-1所示。

图5-1组态王串口设置

打开PLC芯片模块电源，在组态王工程浏览器左侧大纲项选中“设备”并在工程浏览器右侧用鼠标右键点击已创建的PLC设备，在弹出的菜单中选择“测试”项，弹出“串口设备测试”对话框选择“设备测试”选项，如图5-1所示。

根据I/O分配表在对话框中“寄存器”输入I/O点，点击“添加\读取”，当采集列表中出现该I/O点的状态显示时说明该点连接成功；若无法连接则需重新设置PLC设备，再按此步骤从新添加连接，添加完毕后点击确定即可。

5.2运行调试

1.下载程序

用STEP7-Micro/WIN32编程软件打开三种液体混合控制系统的PLC设计程序，编译无误后，将程序下载到CPU226芯片模组中。

2.组态王与PLC连接

按照本章5.1节中的步骤设置好组态王串口设备，待各I/O点都正常连接后，在组态王工程浏览器右侧用鼠标右键点击设置好的PLC设备图标，选中“切换到View”选项，并打开创建好了的组态画面，进入运行系统准备进行运行调试。

3.运行调试

进入组态王运行系统后，将PLC芯片模组切换到“RUN”模式，根据三种液体混合控制系统控制要求，按照系统的运行流程逐步对系统进行模拟，确保系统所有功能及控制要求都符合要求。

如图5-2至图5-6为三种液体混合控制系统组态画面图。

图5-2三种液体混合控制系统组态画面图

图5-3三种液体混合控制系统组态画面图

图5-4三种液体混合控制系统组态画面图

图5-5三种液体混合控制系统组态画面图

图5-6三种液体混合控制系统组态画面图

4.调试注意事项

对于本设计，在调试时要验证系统所有功能及各阶段运行状态都能够符合设计要求，每次调试至少应完成系统的两个工作循环：

第一工作循环，主要验证系统启动运行后各控制设备与被控设备动作之间的连续性及关联性，同时验证系统在完成本次工作循环后能够自动进入下一循环以及组态画面在整个过程中的同步性；第二工作循环，主要验证在此工作循环完成之前按下停止按钮后，系统还能够按正常工作次序及要求完成本循环剩余工作后才停止运行，同时也验证组态画面的同步性。

5.3PLC程序的模拟调试

1．一般的PLC程序的模拟调试是把设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。

可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号。

对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步，被驱动的负载是否发生相应的变化[8]。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。

发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

2．对于本课题来说，将程序输入到PLC内后，利用PLC的强迫指令功能，可进行程序的调试和模拟运行。

只需观察PLC示灯的亮灭即可知道程序运行的是否正确。

（1）初始状态：

I0.0,I0.1,I0.2,I0.3,I0.4,均为OFF。

I0.5为ON.相对应的指示灯也不会亮。

（2）液面上升到SL2时。

强行合上I0.2，这时相对应的指示灯就会亮，表示有液体输出。

（3）液体上升到SL3时。

强行合上I0.3，这时灯2灭灯3亮，表示阀2关闭阀3打开，液体B停止流入液体C开始流入。

（4）液体上升到SL4时。

强行合上I0.4，这时灯3灭灯4亮，表示阀3关闭，电动机开始通电，即液体C停止注入，电动机开始搅拌。

（5）搅拌结束。

1分钟后，定时器发出命令，则灯4灭灯5亮，表示停止搅拌开始排放混合液体。

（6）液面下降。

让I0.0，I0.2，I0.3都复位即让他们为OFF状态。

表示液面下降以低于SL4,SL3,SL2。

（7）液面下降低于SL1。

强迫I0.1复位，表示液面已下降到SL1以下，此时T38开始计时。

20s后灯5灭灯2亮，液体A开始注入容器，开始下一周期操作。

（8）停止操作。

按下I0.5后还没有停止，但当上面一个循环结束后用T38的动合触点把线路接通，Q1.0开始有输出，其动断触点断开Q0.1的输出线路，灯2不能亮表示系统已停止与初始状态。

5.4组态通讯调试

组态王软件系统与最终工程人员使用的具体的PLC或现场部件无关。

对于不同的硬件设施，只需为组态王配置相应的通信驱动程序即可。

组态王驱动程序采用最新软件技术，使通讯程序和组态王构成一个完整的系统。

这种方式既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模[8]。

组态王支持的硬件设备包括：

可编程控制器（PLC）、智能模块、板卡、智能仪表，变频器等等。

工程人员可以把每一台下位机看作一种设备，他不必关心具体的通讯协议，只需要在组态王的设备库中选择设备的类型，然后按照“设备配置向导”的提示一步步完成安装即可，使驱动程序的配置更加方便。

单击“调试”菜单，弹出下拉式菜单，如图5-1所示

图5-1调试菜单

此命令用于给出组态王与I/O设备通