毕业设计（论文）-基于PLC的液体混合控制系统的设计（全套图纸）.pdf

本科毕业设计（论文本科毕业设计（论文） 题目题目： 基于 PLC 的液体混合控制系统的设计 院院 系系： 专专 业业： 班班 级级： 姓姓 名名： 学学 号号： 指导教师指导教师： XX 学院教务处学院教务处 二一五年二一五年 三三 月月 XXX 学院毕业设计（论文）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律 结果由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 XXX 学院关于毕业设计（论文）使用授权的说明 本人完全了解 XXX 学院有关保留、使用学士学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 指导教师签名： 论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 I 页 I 基于 PLC 的液体混合控制系统的设计 摘 要 可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继 电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是功能加强、编程简单、使用 方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC 的应用领域已经拓宽到了 各个领域，PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照 逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散 量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机，印刷机，订书机，组合智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC 在国内 外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通 运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。 全套图图纸，加全套图图纸，加 153893706 本文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 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 II 页 II 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。 关键词 PLC 控制 液体混合 说明 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 IV 页 IV The design of liquid mixing control system based on PLC ABSTRACT With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non- linear, strong- coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control proces s, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow- up and track, therefore.This paper studies a control method of double invert ed pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established. Themake a control design to double inverted pendulum on the mathematical m odel, and determine the system performance index weightmatrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the si mulation of the system is made by . After several test matrix value the results are n ot satisfactory response, then we optimize matrix by using Genetic Algorithm. Sim ulation results show: The system response can meet the design requirements effecti vely after Genetic Algorithm optimization. Small twisted paper broken machine for meat. the system state feedback control matrix. Keywords PLC cylinder pneumatic Fout degrees of freedom XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 V 页 V 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景和历史意义 . 3 1.2 选题的目的和意义 . 4 第二章 液体混合控制系统 PLC 控制系统的设计 . 5 2.1 PLC 简介 . 6 2.1.1 PLC 的定义 . 8 2.1.2 PLC 的用途 . 9 2.2 PLC 的组成 . 11 2.2.1 中央处理单元 . 13 2.2.2 存储器 . 14 2.2.3 输入输出单元 . 16 2.2.4 通讯接口 . 17 2.2.5 智能接口模块 . 18 2.2.6 编程装置 . 19 2.2.7 电源 . 19 第三章 控制系统设计 . 20 3.1 硬件设计 . 20 3.2 混合装置的基本组成 . 20 3.3 液体混合装置电气原理图的绘制 . 21 3.4 PLCI/O 点分配及外部硬件接线图 . 22 3.5 液体混合系统运行流程图 . 22 结论 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 1 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景和历史意义 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费 品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械 工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很 大的和直接的影响。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不 能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越 来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分 子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技 手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还 将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复 杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整 个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工 智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其 反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了 这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更 高的层次上开始新的一轮大发展。 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 2 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 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 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 3 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 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。 1.2 选题的目的和意义 借助实验室设备熟悉工业生产中 PLC 的应用，进一步了解所学可编程控制器的 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， 尤其见于化学化工业中，便于学有所用。 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 等行业几乎都需用到它，如机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、 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 用于多种液体混合物装置的控制，对学习与实用是很好的结合。 第二章 液体混合控制系统 PLC 控制系统的设计 2.1 PLC 简介 PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技 术 为 基 础 的 新 型 工 业 控 制 装 置 。 在1987年 国 际 电 工 委 （InternationalElectrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定 义;PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制 器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采 用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时， 计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的 机械或生产过程。PLC 是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言， 在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC。 2.1.1 PLC 的定义 PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑件进行 顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。 在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛的用于 开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制顺序控制，既可用于 单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机， 智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电 4 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环及文化娱乐等各个行业，使用广 泛。 随着应用领域的日益扩大，PLC 技术及其产品仍在继续发展，主要朝着以下的 方面发展，微型化、网络化、开放性； 2）智能模块化； 3）编程语言的标准化和高级化；网络通信功能标准化。 根据上述控制特点，采用小型 PLC 即可满足功能要求。由于西门子 S7-2 系列属 于小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 的一样。特 别是 S7-2000PU22*系列 PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以 系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC 网络。可用梯形图、语句表和功 能图三种语言来编程。且指令功能强，易于掌握、操作方便。近年来，S7-200PLC 已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200 CPU22*系列 PLC 共有五种 CPU 模 块其各自的技术指标见表 3.2。，由于存在模拟量输入输出，需要增加模拟量输入输 出模块，在西门子 S7-200 系列 PLC 中有专门的模拟量 I/O 扩展模块。 2.1.2 PLC 的用途 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归 纳为如下几类。 1、开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如 注塑。 2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速 度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和 数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 5 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用 16 路的运动控制模块。 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家 的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、智能窗帘、机器人、电梯等场 合。 4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功 能模块。PID 处理一般是运行 16 路的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、 锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5、数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数 据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数 据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号 与设定的压力信号经过 PID 运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转 速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检 测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏 显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力 和泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。 该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水， 且可以做到无人值守。 2.2 PLC 的组成 PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接 口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连 接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机 等外设连接。 对于整体式 PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图 1 所示；对于模 块式 PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其 6 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 6 页 组成框图如图所示。 无论是哪种结构类型的 PLC， 都可根据用户需要进行配置与组合。 尽管整体式与模块式 PLC 的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下 面对 PLC 主要组成各部分进行简单介绍。 2.2.1 中央处理单元（CPU） 同一般的微机一样，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而不 同， 常用有三类： 通用微处理器 （如 Z80、 8086、 80286 等） 、 单片微处理器 （如 8031、 8096 等）和位片式微处理器(如 AMD29W 等) 。小型 PLC 大多采用 8 位通用微处理器 和单片微处理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微处理器。 目前，小型 PLC 为单 CPU 系统，而中、大型 PLC 则大多为双 CPU 系统，甚至有 些 PLC 中多达 8 个 CPU。对于双 CPU 系统，一般一个为字处理器，一般采用 8 位或 7 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 7 页 16 位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为 主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节 指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理 位操作指令和实现 PLC 编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了 PLC 的 速度，使 PLC 更好地满足实时控制要求。 在 PLC 中 CPU 按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作，归纳起 来主要有以下几个方面： 1）接收从编程器输入的用户程序和数据。 2）诊断电源、PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器 中。 4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。 5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输 出单元实现输出控制。有些 PLC 还具有制表打印或数据通信等功能。 2.2.2 存储器 存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器 RAM，另一种是只读存储 器 ROM、PROM 、EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存储器主要用于存放系统程序、用户 程序及工作数据。 系统程序是由 PLC 的制造厂家编写的，和 PLC 的硬件组成有关，完成系统诊断、 命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供 PLC 运行的平台。系统程序关系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用过程中不会变动，所以 是由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM、PROM 或 EPROM 中，用户不能访问和修改。 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 PLC 内部状态和参数， 与 PLC 进行人机对话。它是开发、应用、维护 PLC 不可缺少的工具。编程装置可以 是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由 PLC 厂家生产，专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用，它主要由键盘、显示器和外存 储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。 8 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 8 页 简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形 图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插 在 PLC 的编程插座上，或者用专用电缆与 PLC 相连，以方便编程和调试。有些简易 编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的 FX-20P-E 简易编程器。 智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的 GP-80FX-E 智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形 图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器 带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。 用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而 编制的应用程序。 为了便于读出、 检查和修改， 用户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中， 用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM 中程序 的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器 EPROM 中。现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器。 工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在 RAM 中， 以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、 辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程 序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持 其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。 由于系统程序及工作数据与用户无直接联系， 所以在 PLC 产品样本或使用手册 中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当 PLC 提供的用户存储器容量不 够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。 2.2.3 输入/输出单元 输入/输出单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连 接部件。 PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对 被控制对象进行控制的依据；同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对象， 以实现控制目的。 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部 CPU 的处理的信息只能是标准电平，所以 I/O 接口要实现这种转换。I/O 接口一般都具有 9 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 9 页 光电隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力。另外，I/O 接口上通常还有状态指 示，工作状况直观，便于维护。 PLC 提供了多种操作电平和驱动能力的 I/O 接口， 有各种各样功能的 I/O 接口供 用户选用。I/O 接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、 模拟量输入、模拟量输出等。 常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流 输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图 3 所示。 2.2.4 通信接口 PLC 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC 通过这些通 信接口可与监视器、打印机、其它 PLC、计算机等设备实现通信。PLC 与打印机连接， 可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来； 与其它 PLC 连接， 可组成多机系统或连成网络， 实现更大规模控制。 与计算机连接， 可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程 I/O 系统也必须配备相 应的通信接口模块。 2.2.5 智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的 CPU、系统程序、存储器以及 与 PLC 系统总线相连的接口。它作为 PLC 系统的一个模块，通过总线与 PLC 相连， 进行数据交换，并在 PLC 的协调管理下独立地进行工作。 PLC 的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模 块、中断控制模块等。 2.2.6 编程装置 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 PLC 内部状态和 参数，与 PLC 进行人机对话。它是开发、应用、维护 PLC 不可缺少的工具。编程装 置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程 器是由 PLC 厂家生产，专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用，它主要由键盘、显示 器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。 简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形 图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插 10 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 10 页 在 PLC 的编程插座上，或者用专用电缆与 PLC 相连，以方便编程和调试。有些简易 编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的 FX-20P-E 简易编程器。 智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的 GP-80FX-E 智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形 图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器 带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。 专用编程器只能对指定厂家的几种 PLC 进行编程，使用范围有限，价格较高。 同时，由于 PLC 产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此， 现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买 PLC 厂家提供的 编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的 PLC 程序开发系统。 基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改 PLC 的梯形图 程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数 据采集和分析等许多功能。 2.2.7 电源 PLC 配有开关电源， 以供内部电路使用。 与普通电源相比， PLC 电源的稳定性好、 抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值 15% 的范围内波动。许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感器 供电。 第三章 控制系统设计 如图 2-3 所示为三种液体混合的装置结构示意图。SL1、SL2、SL3、SL4 为液面 传感器，液面淹没时接通，三种液体（液体 A、液体 B、液体 C）的流入和混合液体 D 流出分别由电磁阀 YV1、YV2、YV3、YV4 控制，M 为搅匀电动机。 11 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 11 页 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.起动操作：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 合液体。当液面下降到 SL1 时，SL1 由接通变为断开，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工作后，系统停止在初始状态。 12 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 12 页 3.1 硬件设计 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。 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。 13 XXX 学院本科毕业设计（论文） 第 13 页 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