基于plc的两种液体混合搅拌控制系统设计

物理与电子工程学院PLC 编程及应用课程设计报告书设计题目： 基于 PLC 的两种液体混合搅拌控制系统设计 专 业： 自动化 班 级： XXX 学生姓名: XX 学 号: XXXX 指导教师： XXXX 2013 年 12 月 18 日物理与电子工程学院 课程设计任务书专业： 自动化 班级： XX 学生姓名 XX 学号 XX课程名称 PLC 原理与应用 设计题目 基于 PLC 的两种液体混合搅拌控制系统设计设计目的、主要内容（参数、方法）及要求设计目的：1、掌握 PLC 功能指令的用法。2、掌握 PLC 控制系统的设计流程。设计主要内容及要求：1、设计一个两种液体混合搅拌的控制程序，具体要求如下:（1）有两种液体 A 和 B，对应的液面检测传感器为 I 和 H。有三个电磁阀，X 液体A 输入电磁阀，X2 液体 B 输入电磁阀，X3 输出电磁阀。M 为搅拌电机。（2）按下起动按钮：打开电磁阀 X1，输入液体 A 到搅拌器。当 A 液位达到 I 时，关闭电磁阀 X1，打开 X2，液体 A 停止，开始输入液体 B。当 B 液位达到 H 时，关闭电磁阀 X2，液体 B 停止输入，起动搅拌电动机 M，定时20S。搅拌时间到，停止搅拌电动机 M，打开电磁阀 X3，输出混合液体。2、画出实现程序流程图。列出输入、输出端口。写出梯形图程序。3、调试程序，直至符合设计要求。工作量 2 周时间，每天 3 学时，共计 42 学时进度安排第 1 天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料第 2-5 天：学习课程设计中 PLC 相关知识，根据课程设计的要求画出程序流程图第 6-8 天：列出 I/O 分配表，写出梯形图程序，并对程序进行注释第 9-10 天：学习西门子 S7-200 的编程软件，并在该软件中编写梯形图程序第 11-12 天：学习仿真软件，进行程序仿真和调试。在试验箱上进行运行和调试。第 13-14 天：撰写课程设计报告。主要参考资料1廖常初.S7-200 PLC 编程及应用M.北京:机械工业出版社,2013.82梅丽凤.电气控制与 PLC 应用技术M.机械工业出版社 ,2012,33殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护M. 机械工业出版社 ,2006.1指导教师签字教研室主任签字摘 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，再通过组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。关键词：PLC ；液位传感器；定时器；梯形图目 录1 液体自动混合系统方案设计 .11.1 控制要求 .11.2 编程软件地址分配表 .11.3 PLC 外部电路接线图 21.4 主电路连接图 .21.5 控制程序 .32 液体自动混合系统的硬件设计 .42.1 硬件选型 .42.2 主电路的设计 .52.3 液体混合控制系统示意 .63 液体自动混合系统的软件设计 .73.1 PLC 控制的相关流程图 73.2 可编程控制器梯形图 .74.1 系统模拟调试 .94.2 系统联机调试 .95 心得体会 .12参考文献 .1311 液体自动混合系统方案设计1.1 控制要求本课程设计是基于 PLC 的液体自动混合搅拌系统设计，H、I、L 是液面传感器，SL1=H,SL2=L,SL3=I, 该传感器被液面淹没时接通。两种液体的流入由阀门 A和阀门 B 控制，混合液的流出由放液阀 C 控制。搅拌电动机用于驱动桨叶将液体混合均匀。本系统的工作原理如图 1-1-1 所示。该液体自动混合搅拌系统的动作为：启动系统之前，容器是空的，各阀门关闭，传感器 H=I=L=OFF，搅拌电动机 M=OFF。首先，按下启动按钮，自动打开阀门 A 使液体 A 流入。当液面到达传感器 I 的位置时，关闭阀门 A，同时打开阀门 B 使液体 B 流入。当液面到达传感器 H 位置时，关闭阀门 B，同时启动搅拌电动机搅拌 1min。搅拌完毕后，打开放液阀门 C。当液面到达传感器 L 的位置时，再继续放液 10s 后关闭放液阀门 C。随后再将阀门 A 打开，如此循环下去。在工作中如果按下停止按钮，搅拌机不立即停止工作，只有当前混合操作处理完毕，才停止工作，即停在初始状态。图 1-1-1 液体自动混合搅拌系统1.2 编程软件地址分配表I/O 地址分配表表 1-2-1 所示，根据设计要求，应该有 6 个输入信号，4 个输出信号。2表 1-2-1 I/O 地址分配表输入信号 输出信号名称 功能 端口地址 名称 功能 端口地址SB1 启动按钮 I0.0 YV1 阀门 A 电磁阀 Q4.0SL1 液位传感器 1 I0.1 YV2 阀门 B 电磁阀 Q4.1SL2 液位传感器 2 I0.2 M 搅拌机 Q4.2SL3 液位传感器 3 I0.3 YV3 阀门 C 电磁阀 Q4.3SB2 停止按钮 I0.4FR 过载保护 I0.51.3 PLC 外部电路接线图液体自动混合搅拌系统的 PLC 外部接线图如图 1-3-1 所示。I0.2I0.5Q4.04.1I.4I.1I.3I0.MNSB1L1S2L3SB2FR YV1+24V Q4.24.3YV2MYV4图 1-3-1 PLC 外部接线图1.4 主电路连接图液体自动混合搅拌系统的主电路连接图如图 1-4-1 所示。3图 1-4-1 主电路连接图1.5 控制程序网络 1:按下启动按钮,阀门 A 电磁阀打开，液体 A 流入容器。网络 2：当液位达到 I 时，即 SL3=SL2=ON 时，关闭阀门 A，同时阀门 B 电磁阀打开，液体 B 流入容器。网络 3：当液位达到 H 时，即 SL1=SL3=SL2=ON 时，关闭阀门 B，同时启动搅拌电动机搅拌 1min。网络 4：。搅拌完毕后，打开放液阀门 C。当液面到达传感器 L 的位置时，再继续放液 10s 后关闭放液阀门 C。网络 5：当液面到达传感器 L 的位置时，再继续放液 10s 后关闭放液阀门4C。随后再将阀门 A 打开，如此循环下去。网络 6：在工作中如果按下停止按钮，搅拌机不立即停止工作，只有当前混合操作处理完毕，才停止工作，即停在初始状态。2 液体自动混合系统的硬件设计2.1 硬件选型通过分析控制任务，如不考虑产量显示，则共需要 5 个数字量输入和 7 个数字量输出，CPU 型号可以选择 S7-200PLC 的 CPU224（本机上有 14 个数字量输入和 10 个数字量输出） 。由于系统需要显示灌装的灌数，产量上限为 1600，可以使用 4 个带译码电路的 BCD 数码显示管显示灌装产量，这样就另外需要 16 点数字量输出。可以使用 2 个数字量输出扩展模块 EM22（DC24V）或使用一个数字量输入/输出混合扩展模块 EM233(DI16/DO16*DC24V)。SL1(L)、SL2(I)、SL3(H) 为 3 个液位传感器，液体淹没时接通。进液阀QO.1、QO.2 分别控制 A 液体和 B 液体进液，出液阀 Q0.3 控制混合液体出液。该系统所使用的输入输出设备的 I/O 分配如表 2-1-1 所示。表 2-1-1 输入和输出设备 I/O 分配表输入 输出I1.0 启动按钮 SB1 Q0.1 液体 A 电磁阀 Y1I1.1 停止按钮 SB2 Q0.2 液体 B 电磁阀 Y2I1.2 低液面传感器 SL1 Q0.3 混合液电磁阀 Y4I1.3 中液面传感器 SL2 Q0.0 搅动电动机接触器I1.4 高液面传感器 SL3根据表 2-1-1 输入和输出设备及 I/O 点分配表画出图 2-1-1 I/O 主要接线图如下: 5启动按钮 SB1、停止按钮 SB2 分别由 I1.0 和 I1.1 控制。S B 1I 1 . 3I 1 . 2I 1 . 11 MI 1 . 5I 1 . 41 LQ 0 . 0Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5I 1 . 0S B 2S L 1S L 2S L 3K MY 1Y 2Y 4_+F U图 2-1-1 I/O 接线图2.2 主电路的设计根据以上所选的 CJX1-9，220V 型接触器、DZ47-63 系列小型断路器、JR16B-60/3D 型热继电器和型号为 Y90S-6/0.75KW 的电动机可画出其硬件电气原理图如图 2-2-1 所示。其中本次设计中的混合液体搅拌由电动机 M 启动。带有短路保护、过载保护等，短路保护由 FU 熔断器来实现保护功能，过载保护由 FR 热继电器来实现其保护功能。M3 L 1 L 2 L 3F RK MF U 1Q S图 2-2-1 主电路62.3 液体混合控制系统示意本设计为两种液体混合搅拌控制，其元件、要求如下：1.初始状态 开始排放混合液体阀 Y4 打开延时 10S 后自动关闭2. 启动操作 按下启动按钮 SB1，液体装置开始按以下顺序工作：（1）进液阀 Y1 打开，A 液体流入容器，液位上升。（2）当液位上升到 SL2（I）处时，进液阀 Y1 关闭， A 液体停止流入，同时打开进液阀 Y2，B 液体开始流入容器。（3）当液位上升到 SL3（H）处，进液阀 Y2 关闭，B 液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。（4）当搅拌电机定时搅拌 20S 后制动停止搅拌，同时 Y4 打开，开始放液，液位开始下降。（5）当液位下降到 SL1（L）处时，开始计时 10 秒后关闭放液阀 Y4，自动开始下一个循环。3.停止操作 工作中，若按下停止按钮 SB2，装置不会立即停止，而是完成当前工作循环后再停止。如图 2-4-1 所示， SL1（L） 、SL2（I） 、SL3（H）为 3 个液位传感器，液体淹没时接通。进液阀 Y1、Y2 分别控制液体 A 和液体 B 进液，出液阀 Y4 控制混合液体出液。Y 2Y 1液 体 A 液 体 BS L 3 ( H )S L 2 ( I )S L 1 ( L )Y 4混 合 液 体M3 搅 拌 机电图 2-4-1 搅拌系统示意图73 液体自动混合系统的软件设计3.1 PLC 控制的相关流程图液体自动混合的控制是比较复杂的，要满足控制的要求，要不断处理各种定时信号。液体混合动作的循环过程为：开阀门 Y1-一关阀门 Y1-开阀门 Y2-关阀门Y2-搅拌一定时一放液体一定时一关阀门 Y4-停止一个循环。同时在程序设计过程中应遵循定时原则。软件流程图 ，如图 3-1-1 所示。阀 门 Y 1 打 开 直 到 S L 2 ( I ) 到S L 2 ( I ) 到 关 Y 1 ， 开 Y 2S L 3 ( H ) 到 关 Y 2 ， 开 搅 拌 电机搅 拌 1 0 S1 0 S 到 放 液 体释 放 残 液 到 S L I ( L ) 处 ， 1 0 S后 关 Y 4启 动图 3-1-1 程序流程图3.2 可编程控制器梯形图标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点1. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是 PLC 输入点接的开关也可以是 PLC 内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。3. 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供 CPU 内部使用。5. PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结8果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。功能左边画输入、右边画输出。根据流程图，分析画出梯形图如 3-2-1 所示。Q 0 . 1Q 0 . 1T 3 8Q 0 . 0 M 0 . 0 Q 0 . 4 Q 0 . 2Q 0 . 2I 1 . 0 I 1 . 1 M 0 . 0M 0 . 0M 0 . 0 Q 0 . 2 Q 0 . 0 I 1 . 1I 1 . 3网络 1网络 2网络 3( )( )( )I 1 . 4 Q 0 . 4 M 0 . 0 Q 0 . 0Q 0 . 0Q 0 . 0 T 3 7I N T O N1 0 0 m sT 3 7 T 3 8 M 0 . 0Q 0 . 4I 1 . 2 T 3 8 Q 0 . 4 M 0 . 0 M 0 . 1M 0 . 1M 0 . 1 T 3 8I N T O N1 0 0 m sP TP T+ 1 0 0网络 4网络 5网络 6网络 7网络 8Q 0 . 4( )( )( )+ 1 0 0图 3-2-1 梯形图9梯形图分析：1.初始状态 当装置投入运行时，进液阀 QO.1、QO.2 关闭，出液阀 QO.3 打开 10 秒将容器中的残存液体放空后关闭。2.启动操作 按下启动按钮 SB1，液体装置开始按以下顺序工作：进液阀 QO.1 打开，A 液体流入容器，液位上升。当液位上升到 SL2（I）处时，进液阀 QO.1 关闭，A 液体停止流入，同时打开进液阀 QO.2，B 液体开始流入容器。当液位上升到 SL3（H）处，进液阀 QO.2 关闭，B 液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。当搅拌电机定时搅拌 10S 后制动停止搅拌，同时 QO.3 打开，开始放液，液位开始下降。当液位不能下降到 SL1（L）处时，开始计时 10 秒后关闭放液阀 QO.3，自动开始下一个循环。3.停止操作 工作中，若按下停止按钮 SB2，待整个循环进行到结束，即待灌内液体排完，切断 Y4，不再接通 Y1，停止 Y1，停止工作。4 系统调试4.1 系统模拟调试 根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用 PLC 的 S7_200 的仿真软件进行仿真。具体步骤如下：1首先把仿真软件的 CPU 更改为 CPU226（点 CONFIGURACIONTIPO DE CPU，然后点 Accepter）2导入梯形图3点击运行4进行调试观察仿真软件上的灯是否按照程序要求依次点亮，延时是否准确。是就说明程序正确，不是就说明程序还存在问题。4.2 系统联机调试PLC 与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现，但是用户必须熟悉互连的 PLC 及 PLC 网络采用的通信协议，严格的按照通信协议规定为计算机编写通信程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现 PLC 与上位计算机之间的通讯，则相对简单，因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序，西门子公司的 S7 系列 PLC 与工控组态软件、组态王之间可进行连接实现PLC 与上位计算机之间的通讯。10下面介绍组态王 6.5 与 S7-200 PLC 之间通讯的实现步骤。 PPI 协议是 S7-200 CPU 默认的通信方式，它通过 S7-200 CPU 自身的端口（Port 0 或 Port 1）即可完成。1设备连接利用 PLC 与计算机专用的 PC/PPI 电缆，将 PLC 通过编程口与上位计算机串口（COM 口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机” 的串口，I/O 设备通过 PC/PPI 通讯电缆连接到“组态王计算机” 的串口。2通讯设备参数设置在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备” 大纲项下 PLC 与上位计算机所连串口（COM 口） ，进行参数设置。S7-200 系列 PLC 编程口的通讯口参数设置：在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设口对应的“新建”图标，会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的 I/O 设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择 I/O 设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址。3构造数据库数据库是“组态王 ”软件的核心部分，在工程管理器中，选择“数据库数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框，创建仿真电梯各个变量数据，这些变量与 PLC 内部变量一一对应，PLC 的输入输出完全由组态王内部变量代替。这样，PLC 的实际输入输出状态都反映在组态监控界面上，借助 PLC 的 CPU 通信功能，系统的运行就可以实现真正的仿真。4设计图形界面并建立动画连接在组态王“画面 ”上创建液体自动混合的控制示意图，建立各个按钮及位图，并将各个控制按钮、指示灯及位图与所建立相应变量关联，对相关单元进行动画连接。5系统运行启动组态王运行系统 TOUCHVIEW，运行液体自动混合的控制系统。将PLC 开关指向 “RUN”状态，按照控制的要求，观察运行状态，记录运行结果。实验结果表明，系统运行正常，动画效果良好。本次设计的梯形图运行状态监控调试图如图 4-2-1 和图 4-2-2 所示。11图 4-2-1 梯形图的运行监控调试图图 4-2-2 梯形图的运行监控调试图125 心得体会本设计主要阐述两种液体混合搅拌的自动控制，实现液体混料全过程：即进料、混料、出