plc在两种混合液体中的应用

宜宾职业技术学院 毕业论文（设计） PLC 在液体混合控制系统中的应用 系 部 电子信息与控制工程系 专 业 名 称 电气自动化技术 班 级 电气 11301 班 姓 名 李 波 学 号 201314522 指 导 教 师 赖 华 2015 年 9 月 20 日 摘要 摘 要 以两种液体的混合灌装控制为例，将两种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后 要达到控制要求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 系列去实现设计要求。 关键词：PLC；多种液体；混合装置；自动控制 摘要 I Abstact Mixture of three kinds of liquid filling control, for example, the three kinds of liquid by mixing, after mixing in the motor control requirements in order to achieve the mixed liquid output container, and form loop. Liquid Hybrid control system design taking into account the continuity of its movements and actions of various charged Shebei correlation between, for different working conditions, with corresponding motor control output in order to achieve liquid mixing system from a liquid by adding to the mix to complete the output of such a cycle control for program implementation. Liquid hybrid control system design for the center,From the control system hardware system, software used to the system design process (including design, design process, design requirements, ladder design, external connections and communications), seeks to design and manufacturing process which presents a brief introduction and Note. Design in siemens chinas s7 series of to achieve the design demands. Keywords: PLC；Multi-fluid；Hybrid devices,；Automatic control 前言 II 目 录 1 引言 .1 2 多种液体混合灌装机控制系统设计 3 2.1 方案论证 3 2.2 系统整体方案设计 4 3 硬件电路设计 6 3.1 总体结构 6 3.2 液位传感器的选择 7 3.3 搅拌电机的选择 7 3.4 电磁阀的选择 8 3.5 接触器的选择及热继电器的选择 9 3.6 PLC 的选择 10 3.6.1PLC 控制系统设计的基本原则 .10 3.6.2 中央处理单元（CPU） 13 3.6.3 存储器和 I/O 模块 .13 3.7 PLC 输入、输出口分配及混合装置接线 14 3.7.1 输入/输出地址分配 .14 3.7.2 液体混合装置输入/输出接线 .15 4 软件设计 .16 4.1 程序框图 16 4.2 根据控制要求和 I/O 地址编制的控制梯形图 .16 4.3 系统仿真 21 5 系统常见故障分析及维护 .24 5.1 系统故障的概念 24 5.2 系统故障分析及处理 .24 5.2.1 PLC 主机系统 24 5.2.2 PLC 的 I/O 端口 25 目录 III 5.2.3 现场控制设备 .25 5.3 系统抗干扰性的分析和维护 .25 结 论 .27 致 谢 28 参考文献 .29 附表一程序指令表 .30 前言 0 1 引言 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是易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境十分恶劣， 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。所有为了帮助相关行业，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。 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商 通用汽车公司（GM）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的使用。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，简称 PLC（有的称为 PC），并在 GM 公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。 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，具有良好的课移植性和可维护性。对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 1 引言 1 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要到它，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，对学习和实用是很好的结合。 本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有： 1） 使液体混合机能够实现安全、高效的灌装； 2） 满足灌装的各种技术要求； 3） 具体内容包括多种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障 分析等等。 本课题应解决的主要问题是如何使 PLC 在灌装中实现控制功能，在相关的研究文 献报道中用 PLC 对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况 正确选用参数进行系统控制，也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设 计就是基于以上问题进行的一些探讨。 第 1 章 标题 2 2 多种液体混合灌装机控制系统设计 2.1 方案论证 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、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状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，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机 启动的控制这个角度去考虑，现状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。 （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、时间及温度等参数变化而动作，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，都会影响整个系统的正常工作，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，因此整个控制系统价格非常高，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，结构上包括 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、 2 多种液体混合灌装控制系统设计 3 日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外 部 I/O 信号连接，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、控制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，各厂家产品兼容性比较强，有实时操作系统的支持，在要 求快速、实时性强、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 控制有些大才效用。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，用户不要自己设计和制作硬件装 置，只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编 程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的改变。 可编程控制器(PLC)从上世纪 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。现状 PLC 已经发展成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功能，是名副其实的多功 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。 2.2 系统整体方案设计 （1）选型原则 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制 造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储 器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段， 由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之 后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来 第 1 章 标题 4 替代。 （2）工作原理 PLC 实际上是一种专门用于工业控制的通用计算机，其硬件结构基本上与微型计算 机相同，主要有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口电路（I/O 接口）、电源及编程设备几大部分构成。 图 2-1 可编程序控制器的基本结构 3 硬件电路设计 5 3 硬件电路设计 3.1 总体结构 从图 3-1 中可知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：其中 SL1,SL2,SL3 为液面传感器，液面淹没该点时为 ON，YV1,YV2,YV3,为电磁阀，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 3-1 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 第 1 章 标题 6 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 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。 3.2 液位传感器的选择 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。 所以选用 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。 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 24V DC； 6）切换电流为 0.5A。 3.3 搅拌电机的选择 相比较其他型号的搅拌机而言 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。 所以选用 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。 3 硬件电路设计 7 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 -1540/湿度90%； 其硬件接线如图 3-2 图 3-2 硬件接线 3.4 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-2060 ； 3） 使用电压：AC：220V50Hz/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 第 1 章 标题 8 （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/60HZ DC：24V； 4) 功率： AC：5KW 。 3.5 接触器的选择及热继电器的选择 （1）接触器的选择 电动机在实际工作中，常常遇到过载情况，时间长时，绕组温升超过允许值是将 会加剧绕组绝缘老化，缩短电机使用年限，严重时会使电机绕组烧坏，因此电机长时 间工作都需要对其提供过载保护装置。选用热继电器主要考虑因素有：额定电流和热 元件的整定电流要求均大于被保护电路护设备的正常工作电流。作为电动机保护时， 要考虑型号、规格和特性、正常启动的启动时间和启动电流、负载的性质等。 所以选用 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）热继电器的选择 热继电器的种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器。其主要由热原 件、双金属片、触头三部分组成。双金属片是热继电器的感应原件，它由两种不同膨 胀系数的金属机械碾压而成。热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在 电路中作电动机过载保护。 3 硬件电路设计 9 所以选用 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）。 3.6 PLC 的选择 3.6.1PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或者生产过程）的工 艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循一下基 本原则： （1）PLC 的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应住处的是还应重点考虑 该公司产品的技术支持和售后服务的情况，一般应选择在国内，特别是在所设计系统 本地有着较为方便的技术服务机构或者较有实力的代理机构的产品，同时应尽量选择 主流机型。 （2）最大限度地满足被控制对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究， 搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方 案，协同解决设计中出现的各种问题。 （3）在满足实际控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用及维修方 便，并降低系统的复杂性和开发成本。 （4）保证控制系统的安全、稳定、可靠。正确的进行程序调试，充分考虑环境条 件，选择可靠性高的 PLC，定期对 PLC 进行维护和检查。 （5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 容量时，应尽量留有裕量。 当然，对于不同的用户，要求的侧重点会有所不同，设计的原则也应有所区别，如果 以提高产品质量和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，甚至考虑采用冗 余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以 强化。 传统的控制方法是采用继电器-接触器控制。这种控制系统较复杂，并且大量的硬 件接线使系统可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率。采用可编程控制器较好 第 1 章 标题 10 地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结 合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现 与上位计算机等智能设备之间的通信。因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌 装机，完全能满足控制要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动 化程度高等优点。 离散控制与运动控制是三菱 PLC 的强项，三菱 PLC 的指令丰富，有专门的定位 指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作也是三菱 PLC 的强项。但是 三菱 PLC 的模拟量模块比较昂贵，程序复杂。 西门子 PLC 功能大，系统稳定，性能质量好，市场占有率最高。主要基于西门子 结构化的编程方式，开放性好，支持多种通信协议。过程控制与通信控制是西门子的 强项，西门子的模拟量模块比较便宜，程序简单。另外西门子适用多种人机界面和监 控组态软件利于多厂家设备的通讯与集成，西门子有很多功能块，减少了设计人员的 负担。考虑到价格的的因素，所以本设计选用西门子 PLC 如图 3-3。 在本控制系统中，所需的开关量输入为 6 点，开关量输出为 5 点，考虑到系统的 可扩展性和维修的方便性，选择模块式 PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用西 门子 S7-200 作为控制单元来控制整个系统，之所以选择这种 PLC，西门子 S7-200 具 有以下优点： 1）快速的 CPU 处理速度，大程序容量； 2）编程及监控功能强大，维修简单； 3）结构紧凑，价格低廉，具有极高的性能/价格比； 4）丰富的指令系统； 5）极高的可靠性； 6）便捷的操作； 7）丰富的内置集成功能。 3 硬件电路设计 11 图 3-3 PLC 实物图 国际电工委员会( International Electrotechnical Commission,IEC)颁布的 PLC 的定义 为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计， 它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算数运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或 生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应该按易于与工业控制系统形成一个整体， 易于扩充其功能的原则设计。 PLC 的一般结构如图 3-4 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。 编码器 其他外设 外 设 接 口 输 入 部 件 系 统 程 序 用 户 程 序 其他外设 微处理器 电源部件 I / O 扩 展 接 口 输 出 部 件 I / O 扩 展 接 口 驱 动 受 控 单 元 接受现场信号 图 3-4 PLC 结构图 第 1 章 标题 12 3.6.2 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。 S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 两代产品，根据所学 S7 系列可编程控制 器及现有实验设备，设计将选用 CPU22X 型 PLC。 CPU22X 系列 PLC 的特点：CPU22X 主机的输入点位 DC24V 双向光藕输入电路， 输出有继电器盒 DC（MOS 型）两种类型（CPU21X 系列输入点位 DC24V 单向光藕输 入电路，输出有继电器和 DC、AC 三种类型）。并且，具有 30kHz 高速计数器， 20kHz 高速脉冲输出， RS-485 通信/编程口，PPI 、MPI 通信协议和自由口通信能力。 CPU222 及以上 CPU 还具有 PID 控制和扩展能力，内部资源及指令系统更加丰富，功 能更加强大。 CPU22X 型 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四种不同型号的 CPU 基本单元供用户选用。 CPU221 集成 6 输入/4 输出共 10 个数字量 I/O 点，无 I/O 扩展能力，6KB 程序和 数据存储空间。 CPU222 集成 8 输入/6 输出共 14 个数字量 I/O 点，可连接 2 个扩展模块，最大扩 展至 78 路数字量 I/O 或 10 路模拟 I/O 点，6KB 程序和数据存储空间。 CPU224 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 或 35 路模拟 I/O 点，13KB 程序和数据存储空间。 CPU226 集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大 扩展至 248 路数字量 I/O 或 35 路模拟 I/O 点，13KB 程序和数据存储空间。 根据以上各型号 CPU 的比较以及现有的实验设备，设计将选用 S7-200 CPU226 型 号 PLC 进行 PLC 控制系统设计。 根据本题要求我们选择西门子 S7-200CPU222 中央处理单元。 3.6.3 存储器和 I/O 模块 （1）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 3 硬件电路设计 13 称为用户程序存储器。PLC 常用的存储器类型有 RAM、EPROM、EEPROM 等。 （2）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。 （3）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。 3.7 PLC 输入、输出口分配及混合装置接线 3.7.1 输入/输出地址分配 在绘制 PLC 外部接线图之前，我们需要对要用到的 I/O 点进行地址分配，以明确 PLC 芯片 I/O 接口以及有助于后面要进行的 PLC 程序设计。 根据两种液体混合控制系统的控制要求，我们可以得出控制系统的 PLC 控制输入 量：启动按钮 SB1、停止按钮 SB2、高液面传感器 SL1、中液面传感器 SL2、低液面传 感器 SL3；控制输出量：电动机 M、液体 A 电磁阀 YV1、液体 B 电磁阀 YV2、放液 电磁阀 YV3。并对它们进行 I/O 点分配，如表 2-1 所示为控制系统 I/O 点分配表如表 3-5 表 3-5 液体混合装置输入 /输出地址分配 输 入 输 出 启动按钮 SB1 I0.0 电动机 M Q0.0 停止按钮 SB2 I0.1 液体 A 电磁阀 YV1 Q0.1 高液面传感器 SL1 I0.2 液体 B 电磁阀 YV2 Q0.2 中液面传感器 SL2 I0.3 放液电磁阀 YV3 Q0.3 低液面传感器 SL3 I0.4 第 1 章 标题 14 3.7.2 液体混合装置输入/输出接线 （1） PLC 外部硬件接线图 设计采用西门子（SIEMENS）S7-200 CPU226 型号 PLC 进行 PLC 控制系统设计， 根据 CPU226 型号 PLC 的外部结构及三种液体混合控制系统的控制要求画出 PLC 的外 部硬件接线图。如图 3-6 所示为 PLC 外部硬件接线图。 图 3-6 输入/输出接线图 （2）具体运行过程： 按动启动按钮 SB1 后，电磁阀 YV1 通电打开，液体 A 流入容器。当液 位高度达到 SL2 时，液体传感器 SL2 接通，此时电磁阀 YV1 断电关闭，而 电磁阀 YV2 通电接通，液体 B 流入容器。液位达到 SL1 时液位传感器 SL1 接通，这时电磁阀 YV2 断电关闭，同时启动电动机 M 搅拌。60S 后电动机 M 停止搅拌，这是电磁阀 YV3 通电打开，放出混合液体去下道工序。当液 位降到 SL3 后，在延时 20S 使电磁阀 YV3 断电关闭，并自懂开始新的周 4 软件电路设计 4 软件设计 15 4 软件设计 4.1 程序框图 程序框图如图 4-1 开始 输入液体 A 打开 阀门 Y V 1 Q 0 . 0 输入液体 B 打开阀门 Y V 2 Q 0 . 1 启动搅拌机 Q 0 . 3 停止搅拌机 输出混合 液体 打开阀门 Y V 3 Q 0 . 2 启动输出延 时 关闭阀门 Y V 3 Q 0 . 2 结束 容器空 ， 阀门关 ， 搅拌电动机关 ， 启 动 液体 A 到 S L 2 液体 B 到 S L 1 搅拌时间到 6 0 s 混合液体低于 S L 3 延时时间到 2 0 s 容器空 ， 阀门关 ， 搅拌电动机关 ， 启 动 图 4-1 程序框图 4.2 根据控制要求和 I/O 地址编制的控制梯形图 控制梯形图如图 4-2 第 1 章 标题 16 4 软件设计 17 第 1 章 标题 18 4 软件设计 19 图 4-2 控制梯形图 第 1 章 标题 20 4.3 系统仿真 根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用 PLC 仿真软件进行仿真。具体步 骤如下： 导入梯形图,点击运行,进行调试. 按动启动按钮 SB1 后，电磁阀 YV1 通电打开，液体 A 流入容器。 图 4-3 当液位高度达到 SL2 时，液体传感器 SL2 接通，此时电磁阀 YV1 断电关闭，而电磁阀 YV2 通电接通，液体 B 流入容器。 图 4-4 4 软件设计 21 液位达到 SL1 时液位传感器 SL1 接通，这时电磁阀 YV2 断电关闭，同时启动电动 机 M 搅拌。 图 4-5 60S 后电动机 M 停止搅拌，这是电磁阀 YV3 通电打开，放出混合液体去下道工序。 图 4-6 第 1 章 标题 22 当液位降到 SL3 后，在延时 20S 使电磁阀 YV3 断电关闭，并自懂开始新的周期。 图 4-7 5 系统常见故障分析及维护 23 5 系统常见故障分析及维护 为了延长 PLC 控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备 消耗、元器件设备故障发生点有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部 件最容易出故障，以便采取措施，希望能对 PLC 过程控制系统的系统设计和维护 有所帮助。 5.1 系统故障的概念 系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为 PLC 故障和现场 生产控制设备故障两部分。PLC 系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O 模 块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括 I/O 端口和现场控制检测设备， 如继电器、接触器、阀门、电动机等。 5.2 系统故障分析及处理 5.2.1 PLC 主机系统 PLC 主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统、电源在连续工作、散 热中、电压和电流的波动冲击是不可避免的。系统总线的损坏主要由于现在 PLC 多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总 线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、 接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候 要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前 PLC 的主存储器大多采 用可擦写 ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU 模块工艺水平有关。而 PLC 的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片、故障率 已经大大下降。对于 PLC 主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的 管理水平，同时在系统维护时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系 统造成损害。 第 1 章 标题 24 5.2.2 PLC 的 I/O 端口 PLC 最大的薄弱环节在 I/O 端口。PLC 的技术优势在于其 I/O 端口，在主机系 统的技术水平相差无几的情况下，I/O 模块是体现 PLC 性能的关键部件，因此它也 是 PLC 损坏中的突出环节。要减少 I/O 模块的故障就要减少外部各种干扰对其影 响， 首先应按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要 的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。 5.2.3 现场控制设备 在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，现场中最容易出故障的有 以下几个方面： （1）第 1 类故障点是在继电器。接触器、PLC 控制系统的日常维护中，电器 备件消耗量最大的为各类继电器和空气开关，主要原因除产品本身外，就是现场环 境比较恶劣，接触器触点容易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。所以减少 此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减 少其对系统运行的影响。 （2）第 2 类故障多发点在阀门等设备上。因为这类设备的关键执行部件，利 用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到 位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原 因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。 （3）第 3 类故障点是传感器和仪表。这类故障在控制系统中一般反映在信号 的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量和动力电缆分 开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在 PLC 内部进行软件滤波。这 类故障的发生及处理也和日常巡检有关，发现问题应及时处理。 5.3 系统抗干扰性的分析和维护 由于 PLC 是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要再采取特殊措 施就能直接用于工业环境中。单如果工业环境过于恶劣，如干扰特别强烈，可能使 PLC 引起错误的输入信号；运算出错误的结果；产生出错误的输出信号；造成错 5 系统常见故障分析及维护 25 误的动作，就不能保证控制系统正常、安全运行。因此为提高控制系统的可靠性， 在设计时采取相应有效的抗干扰措施是非常有必要的。 外界干扰的主要来源有： 1） 电源的干扰 供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。 2） 感应电压的干扰 PLC 周围邻近的大容量设备启动和停止时，因电磁感应引起的干扰；其他设 备 或空中强电场通过分布电容串入 PLC 引起的干扰。 3） 输入输出信号的干扰 输入设备的输入信号线间寄生电容引起的差模干扰和输入信号线与大地间的共 模干扰；在感性负载的场合，输出信号由断开-闭合时产生的突变电流和由闭合-断 开的反向感应电势以及电磁接触器的接点产生电弧等产生的干扰。 4）外部配线干扰 因各种电缆选择不合理，信号线绝缘降低，安装、布线不合理等产生的干扰。 提高 PLC 控制系统抗干扰性能的措施： 1 科学选型； 2 选择高性能电源，抑制电网干扰； 3 正确的选择接地点，完善接地系统； 4 柜内合理选线配线，降低干扰。 结 论 26 结 论 实践证明，本设计所采用西门子 S7-200 型可编程控制器的硬件配置和程序设 计是完全可行的，在实际控制中，由于 PLC 产品自身具有可靠性高、灵活性强、 对工作环境无要求和抗干扰性能好等诸多优点，使之完全可以将操作人员从恶劣的 现场环境中解放出来，因此深受用户欢迎。同时采用 PLC 控制液体混合装置，还 能容易的随时修改可编程控制器程序，以改变液体混合装置的工作时间和工作状态， 满足不同液体混合的需要。该控制系统可用较少的资金投入，达到很高的控制精度。 本设计已通过模拟仿真检验，有很好的推广价值。 任何设计的控制系统都是要经过实践和时间的