plc液料混合自动控制修改

电气控制与可编程控制器 课程设计说明书 题目： 液 料 自 动 混 合 控 制 专业： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 班级： 电 气 1112 姓名： 张 振 学号： 1120117228 苏 州 科 技 学 院 电子与信息工程学院 论 文 题 目 液料自动混合装置控制系统设计 作 者 姓 名 姚 旭 东 所属系专业年级 电气工程及其自动化专业 08 级 1 班 指 导 教 师 姓 名 、 职 称 王宗刚 讲师 任务下达日期 2011 年 12 月 19 日 设计的主要内容 1、设计内容：某一液料自动混合装置如下，用于将 3 种液体按一定的容积比例进行 混合。 M 搅拌电动机 电磁阀 4 Y V 4 液位传感器 4 S Q 4 液位传感器 3 S Q 3 S Q 2 液位传感器 2 S Q 1 液位传感器 1 电磁阀 1 电磁阀 2 电磁阀 3 Y V 1 Y V 2 Y V 3 液料 1 液料 2 液料 3 L 1 L 4 L 3 L 2 L 5 液料自动混合装置工作示意图 1.初始状态，液灌为空，电磁阀 YV1-4、电动机 M 均为失电状态，液位传感器 SQ1- 4 均为不动作状态。 2.物料自动混合控制 按下启动按钮 SB1，电磁阀 YV1 得电，正式注入液料 1。当液料 1 的液位达到 液位传感器 SQ3 时，YV1 关，YV2 阀开，L3 亮。注入液料 2。当液位达到液位传感器 SQ2 时，YV2 阀关，YV3 阀开，注入液料 3，L2 亮，L3 灭。当液位达到液位传感器 SQ1 时，YV3 阀关，L1 亮，L2 灭，搅拌电动机 M 起动，L5 亮。搅拌 20 秒后停止。 L1 灭，放液电磁阀 YV4 动作，L5 灭。当液位下降到液位传感器 SQ4 以下时，L4 亮， 在经过 5 3 秒钟（放掉剩余液料)后，YV4 阀关闭，L4 灭。之后，自动循环上述过程。 3.停止操作。 按下停止按钮 SB2，当完成一个循环过程，即液灌液体放空后再全部停止。 按下急停按钮 SB3，所有输出立即停止。 二、设计报告要求 1.可编程程序控制器输入输出接线图。 2.控制面板元件布置图。 3.电动机主电路图。 4.控制梯形图和程序。 5.列出所选设备型号、规格和数量等。 6.完成设计说明书， （包括封面，目录，设计任务书，硬件设计思路，硬件原理图， 软件设计思路，梯形图，所有器件型号，总结体会，参考文献） 三、设计进度 第一周 星期一、二 熟悉课题，初步设计 星期三、四 PLC 输入输出接线图，初步设计 星期五 梯形图，控制面板图初步设计 第二周 星期一、二 PLC 输入输出接线图，梯形图，控制面板图的修改及完善 星期三、四 绘图，写说明书及操作使用说明 星期五 答辩 指导教师签字： 摘 要 以三种液体的混合灌装控制为例，将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要 达到一定的温度才能将混合的液体输出容器。并形成循环状态。液体混合系统的控制设 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第一种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（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯 形图设计、外部连接通信等）,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。设计 采用西门子公司的 S7-200 系列 PLC 去实现设计要求。 关 键词：多种液体，混合装置，自动控制 5 目 录 一、设计目的及意义 .1 二、设计任务要求 .1 三、液料自动混合控制系统方案设计 .1 四、液料自动混合控制系统的硬件设计 .4 4.1 总体结构 .4 4.2 元器件的选择 .5 4.3 液位传感器的选择 .5 4.4 搅拌电机的选择 6 4.5 电磁阀的选择 .6 4.6 PLC 的选择 .7 4.7 PLC 输入输出口分配 .8 4.8 控制面板元件布置图。 .9 4.9 PLC 输入/输出接线设计 10 五、软件系统 .11 5.1 程序流程图 11 5.2 梯形图程序的总体结构图设计 12 5.3 语句表程序设计 14 六、程序调试 .16 小 结 .18 参考文献 .19 电气控制与 PLC 技术课程设计成绩评定表 20 一、设计目的及意义 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，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。充分吸收了分散式控制系统和集中控 制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。 可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点： 系统自动工作； 控制的单周期运行方式； 由传感器送入设定的参数实现自动控制； 启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。 二、设计任务要求 1.可编程程序控制器输入输出接线图。 2.控制面板元件布置图。 3.电动机主电路图。 4.控制梯形图和程序。 5.列出所选设备型号、规格和数量等。 6.完成设计说明书， （包括封面，目录，设计任务书，硬件设计思路，硬件原理图，软 件设计思路，梯形图，所有器件型号，总结体会，参考文献） 三、液料自动混合控制系统方案设计 目前常用的控制系统有以下几种：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机 和可编程控制器控制。现在将这几种控制系统相比较，并结合本设计的实际确定控制方 案。 (1)继电器控制系统 PLC 与继电器均可用于开关量逻辑控制。PLC 的梯形图与继电器电路图都是用线圈 和触点来表示逻辑关系。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器(或称物理继电器) 和硬件接线来实现的，PLC 的控制功能主要是用软件(即程序)来实现的。 PLC 采用的计算机技术、顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制 和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能强大的多。 继电器系统的可靠性差，诊断复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的 输出继电器是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那 样的触点易于出现接触不良的现象。PLC 的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和 排除故障。 继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC 的控 制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。 7 至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既 困难又费时，设计出的电路也很难阅读理解。PLC 有大量用软件实现的辅助继电器，定 时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。用先进的顺序控制设计法来设计梯形 图，比设计相同功能的继电器电路花费的时间要少得多。 继电器要在硬件安装，接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时 间也很多。PLC 控制系统的开关柜制作，现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图 可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。 （2）单片机控制 单片机又称单片微控制器，将 CPU、并行输入/输出接口、定时器 /计数器、存储器 和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的 8 位单片机销售仅为几元，其功能强，响应速 度快，性能价格比极高。但是除了单片机芯片外，单片机还需要设计硬件电路图和印制 电路板。单片机一般用汇编语言或 C 语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。 将单片机用于工业控制，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。此 外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件，软件方面的抗干扰措施，才能保证长 期稳定可靠的运行。有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都难达到 PLC 的水平。 使用单机机的专用测控装置都由专业厂家来开发，现在很少有最终用户开发单件或 小批量的单片机测控装置。 (3) 工业控制计算机控制 控制用的个人计算机(PC)称为工业控制计算机，简称为工控机。工控机是在个人计 算机的基础上发展起来的，采用总线结构，硬件的兼容性较强。IPC 有各种各样的输入/ 输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点去处、图像运算、通信和人机交互等功能，容 易实现管理控制网络的一体化。 PLC 的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。工控机则来源 于个人计算机，主要用于过程控制或控制系统中的上位机和人机接口。 在高端应用方面，很难区分 PLC 和工业 PC 之间的差异，因主两者均采用同样的微 机处理器和内存芯片。 PLC 与 PC 相比有以下优点： 1) 对低端应用，PLC 具有极大的性能价格比优势。工控机的价格比较高，将它用于 小型开关量控制系统以取代继电器控制，无论在体积和价格上都很难接受，可靠性也远 不如 PLC。 2) PLC 的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。 3) PLC 是专门为工厂现场应用环境设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，对 印制板，电源，机架，插座的制造和密闭，均采用了严密的措施。 4) PLC 使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易学。与 PC 机发展太 快相比，PLC 产品可以长期供货，并提供长期的技术支持。 5) PLC 有庞大的有经验的设计人员，维护人员和技术支持系统。 （4）可编程程序控制器控制 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可 以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术 运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生 产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 展其功能的原则而设计。有以下主要特点： 1）使用灵活、通用性强；2）可靠性高、抗 干扰能力强；3）接口简单、维护方便；4）体积小、功耗小、性价比高；5）编程简单、 容易掌握；6）设计、施工、调试周期短。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工 业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说， 9 诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合； 从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的 工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、 汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 通过以上几种控制方案的比较，选用 PLC来实现对液体混合过程的控制。 本设计以三种液体的混合控制，其要求是将三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。并形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才 能结束。液体混合系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 从第一种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（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等）,旨在对 其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。 设计采用西门子公司的 S7-200 型（S7- 200 型号所用 CPU 单元为 CPU 224 DC/DC/DC，14 点输入，10 点输出）PLC 去实现设 计要求。 四、液料自动混合控制系统的硬件设计 4.1 总体结构 某一液料自动混合装置如图 1 所示，用于将 3 种液体按一定的容积比例进行混合。 M 搅拌电动机 电磁阀 4 Y V 4 液位传感器 4 S Q 4 液位传感器 3 S Q 3 S Q 2 液位传感器 2 S Q 1 液位传感器 1 电磁阀 1 电磁阀 2 电磁阀 3 Y V 1 Y V 2 Y V 3 液料 1 液料 2 液料 3 L 1 L 4 L 3 L 2 L 5 图 1 液料自动混合装置工作示意图 1.初始状态，液灌为空，电磁阀 YV1-4、电动机 M 均为失电状态，液位传感器 SQ1-4 均 为不动作状态。 2.物料自动混合控制 按下启动按钮 SB1，电磁阀 YV1 得电，正式注入液料 1，当液料 1 的液位达到液位 传感器 SQ3 时，YV1 关，YV2 阀开，L3 亮。注入液料 2，当液位达到液位传感器 SQ2 时， YV2 阀关，YV3 阀开，注入液料 3，L2 亮，L3 灭。当液位达到液位传感器 SQ1 时，YV3 阀 关，L1 亮，L2 灭。搅拌电动机 M 起动，L5 亮。搅拌 20 秒后停止。L1 灭，放液电磁阀 YV4 动作，L5 灭。当液位下降到液位传感器 SQ4 以下时，L4 灭，再经过 5 秒钟(放掉剩 余液料)后，SQ4 阀关闭，之后，自动循环上述过程。 3.停止操作。 按下停止按钮 SB2，当完成一个循环过程，即液灌液体放空后再全部停止。 按下急停按钮 SB3，所有输出立即停止。 4.2 元器件的选择 表 1 元器件明细表 名称 型号 数量 备注 按钮开关 KH-2204 3 个 液位传感器 LSF-2.5 4 个 搅拌电动机 EJ15-3 1 个 电磁阀（入液罐） VF4-25 3 个 电磁阀（出液罐） AVF-40 1 个 接触器 CJX1-9/220V 4 个 LED 指示灯 R-3528-A1-R103 5 个 4.3 液位传感器的选择 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，当没有液体时，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 125C 11 （3）触点寿命为 100 万次 （4）触点容量为 70w （5）开关电压为 24V DC （6）切换电流为 0.5A 3.3 4.4 搅拌电机的选择 选用 EJ15-3 型电动机 其中“E”表示电动机， “J”表示交流的，15 为设计序号，3 为最大工作电流 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 220V，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-1540C /湿度90%。 （3）EJ15 系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。 其硬件接线如图 2 所示。 4.5 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。 相关元件主要技术参数及原理如下： 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-2060C。 3）使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz DC：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： 12 M L 1 L 2 L 3 Q F F U K M F R 图 2 搅拌机的硬件接线图 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：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 4）功率：AC：5KW。 4.6 PLC 的选择 PLC 的一般结构如图 3 所示，由图可见主要有 6 个部分组成，包括 CPU(中央处理器)、 存储器、输入输出接口电路、电源、外设接口、I/O 扩展接口。 （1）中央处理单元（CPU） 与通用计算机中的 CPU 一样。PLC 中的 CPU 也是整个系统的核心部件，主要有运算 器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外 还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能，如整 个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。 （2）存储器 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用 户程序存储器。PLC 常用的存储器类型有 RAM、EPROM、 EEPROM 等。 （3）I/O 模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 的对外功能主要是通过各 种 I/O 接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设 备之间的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间传递信息的作用。通常 I/O 模块上还有状 态显示和 I/O 接线端子排，以便于连接和监视。 编译器 其他外设 接受现场信号 外 设 接 口 系 统 程 序 用 户 程 序 I / O 扩 展 接 口 I / O 扩 展 接 口 输 入 部 件 其他外设 微处理器 C P U 电源部件 输 出 部 件 驱动受控单元 图 3 PLC 结构图 （4）电源模块 输入、输出接口电路是 PLC 与现场 I/O 设备相连接的部件。它的作用是将输入信号 转换为 PLC 能够接收和处理的信号，将 CPU 送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强 电信号。 4.7 PLC 输入输出口分配 输入点地址 功能 输出点地址 功能 I0.0 SB1 启动按钮 Q0.1 YV1 电磁阀 I0.1 SQ1 液位传感器 1 Q0.2 YV2 电磁阀 I0.2 SQ2 液位传感器 2 Q0.3 YV3 电磁阀 14 I0.3 SQ3 液位传感器 3 Q0.4 YV4 电磁阀 I0.4 SQ4 液位传感器 4 Q0.5 L1 指示灯 I0.5 SB2 停止按钮 Q0.6 L2 指示灯 I0.6 SB3 急停按钮 Q0.7 L3 指示灯 Q1.1 L4 指示灯 Q1.2 L5 指示灯 Q1.0 M 电动机 4.8 控制面板元件布置图。 M 搅拌电动机 电磁阀 4 Y V 4 液位传感器 4 S Q 4 液位传感器 3 S Q 3 S Q 2 液位传感器 2 S Q 1 液位传感器 1 电磁阀 1 电磁阀 2 电磁阀 3 Y V 1 Y V 2 Y V 3 液料 1 液料 2 液料 3 L 1 L 4 L 3 L 2 L 5 Y V 1 Y V 2 Y V 3 Y V 4 S Q 1 S Q 2 S Q 3 S Q 4 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 M + 2 4 V C O M S B 1 S B 2 S B 3 启动 停止 急停 液 体 混 合 装 置 控 制 模 拟 图 4 控制面板元件布置图 4.9 PLC 输入/输出接线设计 1 M I 0 . 0 I 0 . 1 I 0 . 2 I 0 . 3 I 0 . 4 I 0 . 5 I 0 . 6 C O M Q 0 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3 Q 0 . 4 Q 0 . 5 Q 0 . 6 Q 0 . 7 Q 1 . 1 Q 1 . 2 Q 1 . 0 S 7 - 2 2 4 P L C S B 1 S Q 1 S Q 2 S Q 3 S Q 4 S B 2 S B 3 Y V 1 Y V 2 Y V 3 Y V 4 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 M M 图 5 PLC 输入输出接线设计图 16 五、软件系统 5.1 程序流程图 开始 Y V 1 开 ， 进液料 1 液位到 S Q 3 时 ， Y V 1 关 ， Y V 2 开 ， L 3 亮 ， 进液料 2 液位到 S Q 2 时 ， Y V 2 关 ， Y V 3 开 ， L 2 亮 ， L 3 灭 ， 进液料 3 液位到 S Q 1 时 ， Y V 3 关 ， L 1 亮 ， L 2 灭 ， L 5 亮 ， 电动机 M 启动 M 搅拌 2 0 秒后停止 ， L 1 灭 ， Y V 4 开 ， L 5 灭 液位到 S Q 4 时 ， L 4 亮 ， 5 秒后 Y V 4 关 停止 结束 是 否 程序流程图 5.2 梯形图程序的总体结构图设计 18 5.3 语句表程序设计 Network 1 LD I0.0 AN M0.0 LDN I0.5 A T38 OLD = Q0.1 Network 2 LD I0.3 LPS AN M0.1 = Q0.2 LRD = M0.0 LPP AN M0.2 = Q0.7 Network 3 LD I0.2 LPS = M0.1 AN M0.2 = Q0.3 LRD 20 AN M0.3 = Q0.6 LPP = M0.2 Network 4 LD I0.1 LPS = M0.2 AN M0.5 = Q0.5 LRD = M0.3 LRD AN M0.4 = Q1.0 LRD AN M0.5 = Q1.2 LPP TON T37, +200 Network 5 LD T37 = M0.4 = M0.5 AN M0.6 = Q0.4 Network 6 LD I0.4 LPS AN T38 = Q1.1 LRD TON T38, +50 LPP = M0.6 Network 7 LD I0.6 MOVB 0, QB0 6、程序调试 这个课题在调试当中还是比较成功的，没有遇到太大的问题。有小的问题也在同学 和老师的帮助下迅速的弄好。 另外，由于实验设计比较简单，电路图设计的并不是非常完美，用的器件少，因而， 并不能很好的保证所要的理想结果。总而言之，调试的结果还是比较顺利。 程序仿真如下图所示： 按下启动按钮，电磁阀 1 打开，进液料 1. 液位到 SQ3 时，电磁阀 2 开，电磁阀 1 关 闭