基于PLC的液体搅拌机控制电气设计

学号业论文题目：基于 PLC 的液体搅拌机控制电器设计作 者： 南小飞 届别： 2011 届 院 别： 机械工程学院 专业： 机械电子工程 指导老师： 张振 职称： 讲师 完成时间： 2015 年 5 月 5 号 I基于 PLC 的液体搅拌机控制电气设计摘 要伴随着 PLC、单片机等许多处理器的发展，传统控制模式的电机的数量已经越来越少了，而自动控制模式的电动机的数量则越来越多。这是因为传统的控制方式技术手段落后、生产效率低等弊端已不能适应企业生产的需要，本文主要是介绍使用西门子S7-200 实现对液体搅拌系统进行的自动控制。基于 PLC 为控制核心构成的用于两种液体自动进料、自动搅拌和自动放料系统的控制目标、硬件组成、软件设计及系统功能，能模拟显示液体搅拌系统工作的全部过程。系统硬件主要由 S7-200 可编程控制器、电磁阀、电动机以及液位传感器器等组成，编程软件采用西门子编程软件 STEP7-MICRO/WIN。系统通过液位传感器将采集到的现场液位高度传送给西门子 PLC，并由 PLC 对现场数据逻辑处理后，发出相应的控制指令，完成系统的自动控制。最后，系统使用接口与上位机相连实现 PLC 与计算机的通讯。系统不仅自动化程度高，灵活性强, 而且还具有在线修改功能，可以满足不同生产工艺的要求。关键字：PLC，液体搅拌系统，液位传感器，电磁阀IIDESIGN OF ELECTRICAL CONTROL LIQUID MIXER BASED ON PLCABSTRACTWith the development of PLC and single-chip and many computer processer, the number of traditional control mode of the motor has less and less, and the number of automatic control mode of the motor is more and more. Because traditional control mode disadvantages, low production efficiency, backward technology can not adapt to the needs of enterprise production, this paper mainly introduces using Siemens S7-200 implementation of liquid mixing system automatic control,Based on PLC as the control core,which is used in the form of two kinds of liquid automatic feeder, automatic feeding and automatic mixing system control target, hardware composition, software design and system function, the simulation shows that the fluid mixing system of all process.The system hardware is mainly composed of S7-200 programmable controller, electromagnetic valve,and other components of the motor and the liquid level sensor, programming software adopts Siemens STEP7 programming software -MICRO/WIN. System by the level of liquid level sensor will be collected to Siemens PLC,and after processing by PLC to field data logic, a corresponding control instruction, complete the automatic control system. Finally, system are connected to the PLC using the interface realization of PLC and computer communications. System is not only a high degree of automatic, flexibility,but also has the function of on-line modification,can meet the requirements of different production processes. Key words: PLC，liquid mixing system，liquid level sensor ，electromagnetic valveIII目 录1. 绪论 - 1 -1.1 液体搅拌系统的简介 - 1 -1.2 液体搅拌系统的组成 - 2 -1.3 PLC 在液体搅拌系统中的应用 - 2 -2. 可编程控制器 - 3 -2.1 可编程控制器的产生 - 3 -2.2 PLC 技术发展趋势 - 3 -2.3 PLC 的系统构成 - 4 -2.4 PLC 的特点 - 6 -2.5 PLC 的分类 - 7 -2.6 PLC 的工作原理 - 7 -2.7 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统基本构成 - 8 -2.8 S7200 式 PLC 的 CPU 简介 - 9 -3控制系统硬件设计 - 11 -3.1 系统工业流程 - 11 -3.2 液位传感器的选择 - 12 -3.3 电磁阀的介绍 - 13 -3.3.1 电磁阀的选择 - 13 -3.4 接触器及选用 - 14 -3.4.1 接触器的工作原理及选用 - 14 -3.5 中间继电器 - 15 -3.6 PLC 选型 - 16 -3.7 系统主电路工作原理 - 16 -3.8 系统控制电路工作原理 - 17 -4控制系统软件设计 - 18 -4.1 PLC 编程软件 STEP7- 18 -4.2 PLC 控制流程 - 19 -4.3 系统的程序设计 - 21 -IV结 论 - 27 -致 谢 - 28 -参 考 文 献 - 29 - 0 -1. 绪论1.1 液体搅拌系统的简介目前，我国的液体搅拌系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法不仅耗能大，而且浪费大，搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时对噪声污染也很严重。随着计算机技术的发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。所以，需要对搅拌系统进行改进，使它可以灵活的根据不同的液体而进行浓度可调混合，以便达到节能环保的目的。液体搅拌系统由原料罐，混料罐，出料罐组成。它先将两种原料送混料罐，然后在混料罐内混合，最后，送出料罐出料。当两种原料液体进料时到达设定的液位时停止进料，且搅拌器搅拌时间可根据混合浓度的不同而自行设定。设计要求在混料罐内混合两种液体，首先打开进料阀，注入A液体，当 A液面上升到L位时继续注入A液；当液面上升到M位时，关断A液，注入B液体；当液面上升到H 位时,关断B液，此时搅拌电动机M 启动，开始搅拌，搅拌均匀后(时间设定为 60 s)停止；出料阀打开，实现出料，当出料动作结束后整个系统停止工作。根据上述构想，决定采用可编程控制器（PLC）、电磁阀、电机以及液位传感器器进行设计。为了实现液体搅拌系统的控制需要，系统使用 PLC 为控制核心，通过液位传感器器采集混料罐内液位高度并将其转换成 420mA 的电流信号送 PLC，PLC 根据现场状况及外部输入指令来控制搅拌系统。系统的控制框图如图 1-1 所示。图 1-1 系统控制框图根据系统的工艺流程整个液体搅拌控制系统过程可分成多个阶段：基本液位控制过程、模拟量信号采集。(1) 基本液位控制过程：按控制要求，实现进料及出料时的基本液位控制。PLC 搅拌系统A/D 转换 液位传感器控制4-20mA- 1 -(2) 模拟量信号采集：通过液位传感器及A/D转换器完成现场液位的采集过程。1.2 液体搅拌系统的组成为实现液位的采样、自动控制，系统必须包括硬件部分和软件部分。硬件部分由可编程控制器、液位传感器器、电磁阀、电机、A/D 转换器、RS-222 电缆接口组成。软件部分由 PLC 编程软件组成。(1) 系统硬件组成及功能： 可编程控制器：系统下位机选用西门子 S7-200 型 PLC，作为整个系统的控制核心，其目的在于实现自动控制。 电磁阀：选用 DF 2 型二位二通（常闭）电磁阀，用来控制进料及出料时液体的流动。 接触器：选用 CJ10-20 交流接触器，用于控制电动机。 中间继电器：选用 JZ14-44Z 型中间继电器，主要起中继作用，与接触器配合使用。 液位传感器器：选用 HP-31B 液位传感器，并转换成 420mA 的电流输入给S7-200,主要用于采集混料罐内液位数据。 A/D 转换器：选用西门子四通道模拟量输入模块 S7-200，用于将采集到的现场液位数据传送给 PLC。 RS-222 电缆接口：用于连接 PLC 及上位机。(2) 系统软件组成：PLC 编程软件：因为系统采用西门子的 PLC，所以使用编程软件 STEP7，用于编写 PLC 控制程序。1.3 PLC 在液体搅拌系统中的应用在化工、机械等行业的生产过程中，液体的搅拌是十分重要也是必不可少的重要环节，液体搅拌的关键是混料过程中原料的准确性和比例以及原料的充分混合；即使采用通用计算机控制，可以达到控制精度，但是成本高，对工作环境要求高，对现场操作人员要求也高都是问题，而采用PLC控制液体搅拌，不仅可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且还大大降低了成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。- 2 -以前常采用传统的继电器对液体搅拌系统控制，使用的硬件连接电器多，而且可靠性差，自动化程度不高。为了克服上述缺点，目前采用先进控制器改造传统接触控制，这大大提高了控制系统的自控程度和可靠性，为生产提供了更可靠的保障。本文介绍一种采用可编程控制器控制液体搅拌系统的方法，其电路结构简单，投资少，可靠性好，自动化程度高。2. 可编程控制器2.1 可编程控制器的产生可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller），是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的，同时也是现代制造业为了适应市场的竞争和需求，在生产设备和自动化生产线在柔性、可靠性和产能上提出的更高要求的背景下应运而生的新型工业控制装置。现在可编程序控制器在我国的发展与应用已经有40多年历史，并且广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业技术能力和装备水平的重要设备和强大支柱。随着全球经济不断发展，广大技术人员需要努力大规模发展可编程序控制器应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器术。可编程序控制器问世于20世纪60年代，当时可编程序控制器由于技术的局限性，功能都很简单，仅有逻辑、定时、计数等功能，用以代替传统传统的继电器控制方式；于体积方面而言，一台可编程序控制器最大限度也只能代替200300个左右的由继电器构成的控制系统，相比较目前的可编程序控制器，差距甚大。走进70年代之后，由于中小规模集成电路开始进行工业化生产，可编程序控制器的技术取得了巨大的进步。可编程序控制器的作用除了逻辑运算之外，还添加了模拟量控制、计算机接口、数值运算等功能，进一步增强了其可靠性，初步发展成了体系，在结构上开始出现整体式和模块式的区别，使得整机效果开始从专用向通用发生转变。开发软件有自行诊断的程序，并且存储程序开始运用EPROM。2.2 PLC 技术发展趋势不同的应用领域，需要不同的控制，这就决定了 PLC 的发展侧重点不同。它的发- 3 -展趋势主要包括了大型化、微型化、多功能化、标准化、模块智能化和网络化等。大型化、高速度、大储存容量为了拓宽 PLC 的应用领域，逐步具有工业控制计算机、集散控制系统的先进功能，最主要的是在实时处理方面，同时为了提升自身 PLC 品牌的竞争力，这个发展趋势是必然的。微型化、多功能化微型化、多功能化可以使控制系统的体积减小，从而降低成本，使结构趋于模块化，配置灵活，易于改造。标准化PLC 的能力在不断的加强，生产过程的自动化要求也在不断的提高，以前的结构已经不适合了，而且各个品牌 PLC 的要求也不相同，这就需要各个品牌的 PLC 在各面都能遵循一个统一的标准。因此，国际电工委员会（IEC）制定了国际标准 IEC61131，并且得到了几乎所有的 PLC 生产厂家的支持。模块智能化分级控制，分布控制是增强 PLC 控制功能、提高处理速度的一个重要思想，也是控制系统发展的方向。智能 I/O 模块是在微处理器和存储器的基础上建立的，是独立于 CPU 之外工作的，自成系统。这种方式有利于提高 CPU 的处理速度。网络化要实现分布是控制、适应工厂自动化系统和计算机集成制造系统的发展，加强 PLC的联网能力是必不可少的，同时也是实现网络级三电一体化的需要。2.3 PLC 的系统构成PLC 的结构如图 2-1 所示，和计算机想死，包括中央处理器、电源、编程器、存储器、输入/输出单元等几个部分。- 4 -图 2-1 可编程序控制器