浅谈对液体自动混合装置的PLC控制系统的体会.doc

浅谈对液体自动混合装置的plc控制系统的体会随着微处理器、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了广泛的应用。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。我通过学习液体自动混合装置的plc控制系统的相关内容，对可编程控制器plc的结构及功能有了一定程度的认识与了解，并且产生了一些体会与感想。一、液体自动混合系统的整体设计要求在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：1.混合过程：开始排放混合液体阀打开延时10s后自动关闭，a液体阀y1打开，注入a液体。当液面上升到sl2时，关闭a液体阀y1，同时注入b液体阀y2打开，注入b液体。当液面上升到sl3时，关闭b液体阀，并开始定时搅拌，搅拌10s后停止。2.停止过程：停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到sl1时，开始计时到10s后关闭排气阀y4。一个循环结束。3.当系统发生故障时，报警灯闪烁。保护动作自动关闭相应的阀门和开启相应的阀门。停止混合系统运行。4.本设计使用液位h、i、l 3个传感器控制液体a、液体b的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。二、控制方式的选择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，就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。比较这几种控制方式不难发现：继电器控制系统整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。 单片机控制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、制作和程序设计的工作量相当大。工业控制计算机控制价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用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制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。综合考虑，采用plc控制系统简单方便。三、液体自动混合系统的硬件设计（一）硬件选型（1）plc机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。1.结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的plc；否则，选用模块式结构的plc，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的plc能够达到要求。2.功能强、弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的plc，西门子公司的s7-200系列机或欧姆龙公司的com1。3.机型统一 plc的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构的plc功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用plc时，尽量要做到机型统一。物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的plc。4.是否在线编程plc的特点之一是使用灵活。plc的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的plc，其主机和编程器共用物料混合控制系统,这里采用离线编程。5.plc的环境适应性每种plc都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般plc及其外部电路（i/o模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度：工作温度055，最高为60储存温度： -4085湿度：相对湿度5%95%(无凝结霜)振动和冲击： 满足国际电工委员会标准电源：交流200v，允许变化范围为-15%15%，频率为4753hz瞬间停电保持l0ms环境：周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体对于需要应用在特殊环境下的plc，要根据具体的情况进行合理的选择。（2）plc容量选择plc容量包括两个方面：一是i/o的点数；二是用户存储器的容量（字数）。plc容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常i/o点数按实际需要的10%15%考虑备用量。 ( 3) i/o模块的选择plc是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系 通过i/o接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过i/o接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而plc的cpu所处理的信息只能是标准电平，所以i/o接口模块还需实现这种转换。plc从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，plc的i/o接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，plc相应有许多种i/o接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。1.确定i/o点数i/o点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，i/o点数就可能有所不同。2.开关量i/o标准的i/o接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。典型的交流i/o信号为24240v（ac），直流i/o信号为524v（dc）。3.选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：一是根据现场输入信号与plc输入模块距离的远近来选择电平的高低。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。4.选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1hz。晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。(4)电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、i/o模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般规则：1确定电源的输入电压；2将框架中每块i/o模块所需的总背板电流相加，计算出i/o模块所需的总背板电流值；3i/o模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；当框架中带有远程适配器模块或扩展本地i/o适配器模块时，应加上其最大电流值。4如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；列出将来要扩展的i/o模块所需的背板电流；将所有扩展的i/o模块的总背板电流值与步骤。5在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。6根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。（二）plc i/o点分配 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q0.4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1所示。表1输入和输出设备i/o分配表输入输出i1.0启动按钮sb1q0.1液体a电磁阀y1i1.1停止按钮sb2q0.2液体b电磁阀y2i1.2低液面传感器sl1q0.4混合液电磁阀y4i1.3中液面传感器sl2q0.0搅动电动机接触器i1.4高液面传感器sl3根据表2-1输入和输出设备及i/o点分配表画出图1 i/o主要接线图如下: 启动按钮sb1、停止按钮sb2分别由i1.0和i1.1控制。图1 i/o接线图（三）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。图2主电路（四）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10s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3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。图3 搅拌系统示意图四、液体自动混合系统的软件设计根据液体自动混合系统的整体设计要求，采用梯形图语言进行系统的软件编程。图4梯形图五、组态设计系统的监控软件采用了北京亚控公司的kongview65组态王软件。首先创建工程路径，启动“组态王”工程管理器（projmanager），选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”。1设计图形界面（定义画面）第一步：定义新画面。进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。在“画面名称”处输入新的画面名称，如“test”，其它属性目前不用更改，（关于其它属性的设置请参见“第四章 组态王开发环境工程浏览器”）。点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象如图5所示。图5 新画面对话框2定义设备继续上节的工程。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”。 选择“仿真plc”的“串行”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plc，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。图6 配置向导对话框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1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”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“plc”。在定义数据库变量时，只要把io变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。图7配置向导对话框3构造数据库（定义变量）继续上节的工程，选择工程浏览器左侧大纲项“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框在“变量名”处输入变量名，如：a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存实数，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。下面继续定义一个io变量，在“变量名”处输入变量名，如：b；在“变量类型”处选择变量类型如：io整数；在“连接设备”中选择先前定义好的io设备：plc；在“数据类型”中定义为：bit类型。其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。4建立动画连接打开主界面，双击“开始”按钮，出现动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入相应的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。这样，点击“开始”后，系统就开始运行，此按钮就相当于plc 硬件图中的绿色启动开关。“停止”按钮的动画连接设置类似打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现动画连接画面。在模拟值输出左边打钩，出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量“当前液位”。输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。这样，变量“当前液位”的动画连接设置就完成了。打开主界面，双击“设定画面”按钮，出现动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入相应的命令，再点击“确定”，就完成了“设定画面”按钮的动画连接设置。运行时，点击主界面中的“设定画面”就可以进入设定画面了。其他按钮的动画连接方法和“开始”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。到这里，整个人机界面，hmi，就完成了。5运行和调试组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到 view”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面打开”命令，从“打开画面”窗口选择“test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到矩形框和文本在动态变化。图8组态模拟图六、系统调试（一）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。（二）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。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（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（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9所示。图5-1 图9梯形图的运行监控调试图七、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比较准确的估计。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。（一）、plc主机系统故障分析及处理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能避免的。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、接插件接口等处地总线很坏，在空气温度变化，湿度变化的影响下，总线的塑料老化、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才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，加装降温措施，定期除尘，使plc的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修是，严格按照操作进行操作，谨防认为的对主机系统造成损害。（二）、plc的i/o端口系统故障分析及处理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模块式体现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，首先要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。（三）、现场控制设备故障分析及处理在整个过程控制系统中最容易发生故障的地点在现场，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，电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。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类故障多发生在阀门等设备上。因为这类设备的关键执行部位们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，并尽量与动力电缆分开敷设，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。这类故障的发现及处理也和日常的巡检有关，发现问题应及时处理。（四）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，因此一般不需要在采取特殊措施就能直接用于工业环境中。但如果工作环境过于恶劣，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；产生错误的输出信号；