毕业设计（论文）-基于PLC的液体搅拌机控制电气设计.doc

学号业论文题目：基于PLC的液体搅拌机控制电器设计 作 者： 届别： 2011届 院 别： 机械工程学院 专业： 机械电子工程 指导老师： 职称： 讲师 完成时间： 2015年5月5号 基于PLC的液体搅拌机控制电气设计摘 要伴随着PLC、单片机等许多处理器的发展，传统控制模式的电机的数量已经越来越少了，而自动控制模式的电动机的数量则越来越多。这是因为传统的控制方式技术手段落后、生产效率低等弊端已不能适应企业生产的需要，本文主要是介绍使用西门子S7-200实现对液体搅拌系统进行的自动控制。基于PLC为控制核心构成的用于两种液体自动进料、自动搅拌和自动放料系统的控制目标、硬件组成、软件设计及系统功能，能模拟显示液体搅拌系统工作的全部过程。系统硬件主要由S7-200可编程控制器、电磁阀、电动机以及液位传感器器等组成，编程软件采用西门子编程软件STEP7-MICRO/WIN。系统通过液位传感器将采集到的现场液位高度传送给西门子PLC，并由PLC对现场数据逻辑处理后，发出相应的控制指令，完成系统的自动控制。最后，系统使用接口与上位机相连实现PLC与计算机的通讯。系统不仅自动化程度高，灵活性强, 而且还具有在线修改功能，可以满足不同生产工艺的要求。关键字：PLC，液体搅拌系统，液位传感器，电磁阀 DESIGN OF ELECTRICAL CONTROL LIQUID MIXER BASED ON PLCABSTRACT With the development of PLC and single-chip and many computer processer, the number of traditional control mode of the motor has less and less, and the number of automatic control mode of the motor is more and more. Because traditional control mode disadvantages, low production efficiency, backward technology can not adapt to the needs of enterprise production, this paper mainly introduces using Siemens S7-200 implementation of liquid mixing system automatic control,Based on PLC as the control core,which is used in the form of two kinds of liquid automatic feeder, automatic feeding and automatic mixing system control target, hardware composition, software design and system function, the simulation shows that the fluid mixing system of all process.The system hardware is mainly composed of S7-200 programmable controller, electromagnetic valve,and other components of the motor and the liquid level sensor, programming software adopts Siemens STEP7 programming software -MICRO/WIN. System by the level of liquid level sensor will be collected to Siemens PLC,and after processing by PLC to field data logic, a corresponding control instruction, complete the automatic control system. Finally, system are connected to the PLC using the interface realization of PLC and computer communications. System is not only a high degree of automatic, flexibility,but also has the function of on-line modification,can meet the requirements of different production processes. Key words: PLC，liquid mixing system，liquid level sensor ，electromagnetic valve目 录1. 绪论- 1 -1.1 液体搅拌系统的简介- 1 -1.2 液体搅拌系统的组成- 2 -1.3 PLC在液体搅拌系统中的应用- 2 -2. 可编程控制器- 3 -2.1 可编程控制器的产生- 3 - 2.2 PLC技术发展趋势- 3 -2.3 PLC的系统构成- 4 -2.4 PLC的特点- 6 -2.5 PLC的分类- 7 -2.6 PLC的工作原理- 7 -2.7 SIMATIC S7-200系列PLC系统基本构成- 8 -2.8 S7200式 PLC的CPU简介- 9 -3控制系统硬件设计- 11 -3.1 系统工业流程- 11 -3.2 液位传感器的选择- 12 -3.3 电磁阀的介绍- 13 -3.3.1 电磁阀的选择- 13 -3.4 接触器及选用- 14 -3.4.1 接触器的工作原理及选用- 14 -3.5 中间继电器- 15 -3.6 PLC选型- 16 -3.7 系统主电路工作原理- 16 -3.8 系统控制电路工作原理- 17 -4控制系统软件设计- 18 -4.1 PLC编程软件STEP7- 18 -4.2 PLC控制流程- 19 -4.3 系统的程序设计- 21 -结 论- 27 -致 谢- 28 -参 考 文 献- 29 - 30 -1. 绪论1.1 液体搅拌系统的简介目前，我国的液体搅拌系统大部分采用传统的继电器进行控制，这种方法不仅耗能大，而且浪费大，搅拌效果不好，给工厂浪费很多资金，同时对噪声污染也很严重。随着计算机技术的发展，生产厂家对生产的自动化水平有了更高的要求。所以，需要对搅拌系统进行改进，使它可以灵活的根据不同的液体而进行浓度可调混合，以便达到节能环保的目的。液体搅拌系统由原料罐，混料罐，出料罐组成。它先将两种原料送混料罐，然后在混料罐内混合，最后，送出料罐出料。当两种原料液体进料时到达设定的液位时停止进料，且搅拌器搅拌时间可根据混合浓度的不同而自行设定。设计要求在混料罐内混合两种液体，首先打开进料阀，注入A液体，当A液面上升到L位时继续注入A液；当液面上升到M位时，关断A液，注入B液体；当液面上升到H位时,关断B液，此时搅拌电动机M启动，开始搅拌，搅拌均匀后(时间设定为60 s)停止；出料阀打开，实现出料，当出料动作结束后整个系统停止工作。根据上述构想，决定采用可编程控制器（PLC）、电磁阀、电机以及液位传感器器进行设计。为了实现液体搅拌系统的控制需要，系统使用PLC为控制核心，通过液位传感器器采集混料罐内液位高度并将其转换成420mA的电流信号送PLC，PLC根据现场状况及外部输入指令来控制搅拌系统。系统的控制框图如图1-1所示。控制PLC搅拌系统A/D转换液位传感器4-20mA图1-1 系统控制框图根据系统的工艺流程整个液体搅拌控制系统过程可分成多个阶段：基本液位控制过程、模拟量信号采集。(1) 基本液位控制过程：按控制要求，实现进料及出料时的基本液位控制。(2) 模拟量信号采集：通过液位传感器及A/D转换器完成现场液位的采集过程。1.2 液体搅拌系统的组成为实现液位的采样、自动控制，系统必须包括硬件部分和软件部分。硬件部分由可编程控制器、液位传感器器、电磁阀、电机、A/D转换器、RS-222电缆接口组成。软件部分由PLC编程软件组成。(1) 系统硬件组成及功能： 可编程控制器：系统下位机选用西门子S7-200型PLC，作为整个系统的控制核心，其目的在于实现自动控制。 电磁阀：选用DF 2型二位二通（常闭）电磁阀，用来控制进料及出料时液体的流动。 接触器：选用CJ10-20交流接触器，用于控制电动机。 中间继电器：选用JZ14-44Z型中间继电器，主要起中继作用，与接触器配合使用。 液位传感器器：选用HP-31B液位传感器，并转换成420mA的电流输入给S7-200,主要用于采集混料罐内液位数据。 A/D转换器：选用西门子四通道模拟量输入模块S7-200，用于将采集到的现场液位数据传送给PLC。 RS-222电缆接口：用于连接PLC及上位机。(2) 系统软件组成：PLC编程软件：因为系统采用西门子的PLC，所以使用编程软件STEP7，用于编写PLC 控制程序。1.3 PLC在液体搅拌系统中的应用在化工、机械等行业的生产过程中，液体的搅拌是十分重要也是必不可少的重要环节，液体搅拌的关键是混料过程中原料的准确性和比例以及原料的充分混合；即使采用通用计算机控制，可以达到控制精度，但是成本高，对工作环境要求高，对现场操作人员要求也高都是问题，而采用PLC控制液体搅拌，不仅可以对液体搅拌过程的各个环节精确控制，而且还大大降低了成本，可直接应用于工业现场，对现场操作人员的要求也不高。以前常采用传统的继电器对液体搅拌系统控制，使用的硬件连接电器多，而且可靠性差，自动化程度不高。为了克服上述缺点，目前采用先进控制器改造传统接触控制，这大大提高了控制系统的自控程度和可靠性，为生产提供了更可靠的保障。本文介绍一种采用可编程控制器控制液体搅拌系统的方法，其电路结构简单，投资少，可靠性好，自动化程度高。2. 可编程控制器2.1 可编程控制器的产生可编程序控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller），是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的，同时也是现代制造业为了适应市场的竞争和需求，在生产设备和自动化生产线在柔性、可靠性和产能上提出的更高要求的背景下应运而生的新型工业控制装置。现在可编程序控制器在我国的发展与应用已经有40多年历史，并且广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业技术能力和装备水平的重要设备和强大支柱。随着全球经济不断发展，广大技术人员需要努力大规模发展可编程序控制器应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器术。可编程序控制器问世于20世纪60年代，当时可编程序控制器由于技术的局限性，功能都很简单，仅有逻辑、定时、计数等功能，用以代替传统传统的继电器控制方式；于体积方面而言，一台可编程序控制器最大限度也只能代替200300个左右的由继电器构成的控制系统，相比较目前的可编程序控制器，差距甚大。走进70年代之后，由于中小规模集成电路开始进行工业化生产，可编程序控制器的技术取得了巨大的进步。可编程序控制器的作用除了逻辑运算之外，还添加了模拟量控制、计算机接口、数值运算等功能，进一步增强了其可靠性，初步发展成了体系，在结构上开始出现整体式和模块式的区别，使得整机效果开始从专用向通用发生转变。开发软件有自行诊断的程序，并且存储程序开始运用EPROM。2.2 PLC技术发展趋势不同的应用领域，需要不同的控制，这就决定了PLC的发展侧重点不同。它的发展趋势主要包括了大型化、微型化、多功能化、标准化、模块智能化和网络化等。大型化、高速度、大储存容量为了拓宽PLC的应用领域，逐步具有工业控制计算机、集散控制系统的先进功能，最主要的是在实时处理方面，同时为了提升自身PLC品牌的竞争力，这个发展趋势是必然的。微型化、多功能化微型化、多功能化可以使控制系统的体积减小，从而降低成本，使结构趋于模块化，配置灵活，易于改造。标准化PLC的能力在不断的加强，生产过程的自动化要求也在不断的提高，以前的结构已经不适合了，而且各个品牌PLC的要求也不相同，这就需要各个品牌的PLC在各面都能遵循一个统一的标准。因此，国际电工委员会（IEC）制定了国际标准IEC61131，并且得到了几乎所有的PLC生产厂家的支持。模块智能化分级控制，分布控制是增强PLC控制功能、提高处理速度的一个重要思想，也是控制系统发展的方向。智能I/O模块是在微处理器和存储器的基础上建立的，是独立于CPU之外工作的，自成系统。这种方式有利于提高CPU的处理速度。网络化要实现分布是控制、适应工厂自动化系统和计算机集成制造系统的发展，加强PLC的联网能力是必不可少的，同时也是实现网络级三电一体化的需要。2.3 PLC的系统构成PLC的结构如图2-1所示，和计算机想死，包括中央处理器、电源、编程器、存储器、输入/输出单元等几个部分。图2-1 可编程序控制器系统的基本组成 中央处理单元（CPU） PLC的核心是CPU，它的主要任务是接收现场输入信号、执行用户程序、刷新系统输出、完成自诊断操作和通信处理操作。 存储器、存储空间的分配 PLC的存储器从功能上可以分为两种：系统程序存储器和用户程序存储器。前面一种存放系统的监控程序，后面一种用来存储用户编写的程序和I/O以及内部编程软件的状态。 输入/输出模块 输入模块是接收、采集被控对象或被控生产过程的各种变量；输出模块是讲运算处理产生的控制信号输出，控制执行机构动作，同时，输出模块也分为开关量输出和模拟量输出。 网络通信模块网络通信模块于使PLC与PLC、PLC与其他智能设备、PLC与上位机之间实现了通信，并且可以构成三级控制网络。智能模块智能模块是PLC发展的趋势。它们可以独立工作，不仅自成系统，而且还分担了主CPU的处理任务，这种方式使得PLC处理速度有了提高，主CPU可以随时访问智能模块，修改控制参数。主要的类型有：高速计数模块、快速响应模块、运动控制模块和闭环控制模块。电源模块由于不同的国家工业用电标准不一样，所以PLC的工作电源一般有110V和220V两种类型，也有个别采用直流24V供电。电源模块的选用是根据系统的控制规模来确定的。扩展模块扩展模块主要是指输入/输出端口的扩展，根据PLC机型的不同，扩展模块的作用略有区别。若CPU模块中有集成的I/O接口和对控制对象点已经够用的PLC，一般不需要扩展；对于复杂的控制，对象点数不够用的PLC，那就需要外接扩展模块来增加I/O点数。编程平台编程器的作用是完成用户程序的输入、编辑、调试和监控系统的运行，不仅可以离线编程，还可以在线联机调试。根据系统的开发方式不同，编程器可以分为两种：专用编程器和计算机开发系统。2.4 PLC的特点传统的继电器和计算机技术结合在一起形成PLC，因此，PLC在工业控制上存在许多单一继电器或者通用计算机难以比拟的优点。高可靠性PLC高度的可靠性主要呈现在两个方面，一个是硬件方面，另一个是软件方面。于硬件而言，因为采用了具有优良的性能且进行了严格筛选的器件，再由于加入了合理性的系统结构，最终对其进行加固和简化安装，使得PLC拥有较强抵抗冲击的性能；利用没有接触点的半导体电路代替大量的开关动作，进而没有发生老化、脱焊、触点电弧等现象；I/O接口采用光电隔离方法，使PLC内部电路和外部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，使得其中一个模块出现故障时可以迅速判断位置并更换，这样就尽量减少了系统维修时间。在软件方面：PLC的监控定时器保证了程序出错和程序调试，避免了因程序错误而出现死循环；PLC的自诊断功能可以检测到CPU、电池、I/O口、通信等的异常，并采取相应措施，防止故障扩大。应用灵便、使用方便PLC的模块化，使得用户可以根据自己的需求选择自己所需的模块来资源配置和PLC编程。因此，控制系统不再需要大量的硬件装置，用户只要根据需求设计PLC的硬件配置以及输入、输出的外部接线就可以了。在系统控制中，当控制需求发生了变化时，只需要修改程序，不需要改动外部接线。面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC采用的是清晰直观的继电器控制电路的梯形图语言。而且，PLC不要求用户拥有较强的设计程序的能力，只要求用户掌握一些计算及软件、硬件和控制电气方面的相关知识即可。易于安装调试、维修在安装是，因为PLC的I/O接口已经做好，所以可以直接和外部设备项链，不需要专用的接口电路。并且PLC的软件功能取代了原来继电器控制中的一些旗舰，如中间继电器、计时器、计数器等，因此，也相应减少了硬件安装上的工作量。PLC的调试可以现在实验室模拟进行，模拟调试完成之后再在现场安装、调试，这样可以避免在现场出现问题，从而减少调试时间。在维修方面，PLC的自我诊断功能和显示功能，可以很快的找到出现故障的模块，并且只需要更换出现问题的模块。网路功能强大PLC不仅能做到内部通信、与上级进位通信、远程控制，还具备专线上网、无线上网等功能，因此，PLC可以组成很大的控制网络，实现整个系统的自动化，从而提高生产的效率。体积小、重量轻PLC内部主要使用的是微电子技术设计，它的的元器件具有体积小、重量轻的特点。2.5 PLC的分类 小型PLC小型PLC的I/O点数在128点一下。其特点有体积小、结构紧凑，可以连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块和其他各种中特殊功能模块，并且能够执行各种应用指令。中型PLC中型PLC的I/O点数在128512点之间。它不仅拥有小型机的所有功能，还具有更丰富的指令系统、更强大的通信联网功能、更大的内存容量以及更快的扫描速度。大型PLC大型PLC的I/O点数在512点以上。它除了强大的软硬件、自诊断和通信网络功能外，还有能够组成三级通信网络，使工厂生产自动化管理成为现实。另外，为了使机器具有更高的可靠性，大型PLC还可以采用三COU构成表决式系统。2.6 PLC的工作原理PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是他们的功放是却不一样。PLC采用的是循环扫描技术，只有在此线圈断电或者通电的情况下，并且必须要在程序扫描到此线圈时，此线圈的触点才会开始工作。同样，这样也说明了PLC的控制功能由输入传送、执行程序指令、输出这3个阶段来完成。可以将PLC运用的循环扫描技术分为三个阶段，扫描过程如图2-2所示。程序执行阶段输出输入程序执行输出输入程序执行一个扫描周期图2-2 循环扫描输入阶段在此阶段中，PLC在读取输入信号的状态以及数据的同时，要将这些内容存入到相对应的存储单元中。执行程序阶段在此阶段中，PLC执行程序指令的次序是由下到上。首先读取对应的输入存储单元中输入信号的状态与数据，然后依据程序内部的继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态与数据机型裸机运算，得到相应的运算结果，并将这些运算结果存入对应的输出存储器单元。该阶段结束后，进入输出阶段，并在在整个过程中，输入信号的状态与数据保持不变。输出阶段在这个阶段中，PLC需要将相应输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并且通过输出模块向外部设备传送输出信号，从而开始控制外部设备。2.7 SIMATIC S7-200系列PLC系统基本构成S7-200系列PLC与其它可编程控制器一样，采用了循环扫描工作方式。S7-200系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等4种不同的中央处理单元可供选择。它们的主要性能指标如表2-1所示。CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。性能指标CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸90*80*6290*80*62120.5*80*62190*80*62本机数字量I/O6个输入/4个输出6个输入/4个输出6个输入/4个输出6个输入/4个输出程序空间2048字2048字4096字4096字数据空间1024字1024字2560字2560字用户存储器类型扩展模块数量不能扩展2个模块7个模块7个模块数字量I/O128输入/128输出128输入/128输出128输入/128输出128输入/128输出模拟量I/O无16输入/16输出32输入/32输出32输入/32输出定时器/计数器256/256256/256256/256256/256内部继电器256256256256布尔指令执行速度0.37ms/指令0.37ms/指令0.37ms/指令0.37ms/指令通信口数量1 （RS-485）1 （RS-485）1 （RS-485）1 （RS-485）表2-1 S7-200 CPU性能指标2.8 S7200式 PLC的CPU简介CPU模块是PLC控制系统的核心，是控制着整个PLC控制系统有序地运行的中心。在PLC控制系统中，PLC程序的输入和执行、PLC之间或PLC与上位机之间的通信、接收现场设备的状态和数据都离不开该模块。CPU模块还可以进行自我诊断，当电源、存储器、输入/输出端子、通信等出现故障时，它可以给出相应的指示或做出相应的动作。CPU模块面板布置示意图如图2-3所示。图2-3 CPU模块面板布置示意图(1) 方式切换开关PLC的方式切换开关有两种，一种是RUN/STOP开关，它只有RUN和STOP两种方式，另一种是RUN/TERM/STOP钥匙开关，它有RUN、TERM和STOP3种方式。SIMATIC S7200属于前一种方式。如图2-4所示。图2-4 RUN/STOP 开关(2) 指示灯下面是一些常用指示灯的介绍：PWR：PLC电源指示灯；RUN：PLC运行指示灯；BATT：电池电量不足时灯亮；COMM：PLC之间通信、与上位机之间的通信，以及与编程器通信时灯亮；I/O：I/O模块发生异常时灯亮；ERROR：CPU出错时灯亮；(3) 存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。根据存储器的功能，PLC的存储器可分为系统程序器和用户程序存储器。(4) 通信端口通信端口与编辑器、计算机或其他的外围设备相连，以实现程序输入、调试、监视等功能。西门子S7200提供的是通信端口采用RS485传送方式，RS485采用半双工的通信方式。通常情况下，发送驱动器之间的正电平在+2V+6V之间，是逻辑“1”，负电平在2V6V，是逻辑“0”。另有一个信号地，在RS485中还有一个“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与相连。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，它是有别于逻辑“1”和“0”的第3态。接收器也作与发送端相对的规定。当在接受端有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平；当在接收端有小于200mV时，输出负逻辑电平，要与计算机相连需要经过专用的PC/PPI电缆。PPI通讯协议是西门子专门为S7-200体系的PLC研发的一种通讯协议，它可以通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。S7-200系列CPU上集成的编程口同时也是PPI通讯联网的接口，利用PPI通讯协议执行通讯相当简便，只用NETR和NETW两条语句就可以传递数据信号，不需要另外再配置软件或模块。PPI通讯网络相当于一张令牌传递网，如果不加中继器，那么最大限度可以有31个S7-200系列PLC、TD200、OP/TP面板或上位机（插MPI卡）为站点，构成PPI网。3控制系统硬件设计3.1 系统工业流程整个搅拌系统由进料罐、混料罐、出料罐以及液位传感器器、电机、电磁阀组成。该系统需要1个搅拌电机，电磁阀3个。整个系统的工业流程如图3-1所示。 图3-1 系统工业流程图3.2 液位传感器的选择液位传感器的选择首先要根据其输出信号类型及大小来选择，以保证其能与PLC模拟量输入模块相匹配，然后再根据设计需要选择量程、工作电压以及精度等性能适合的液位传感器9。在本系统中，需使用液位传感器采集容器中高中低三个液面的液位，故根据系统的实际情况，选用三个测量范围为3m的HP-31B液位传感器，并使用二线输出使液位传感器输出4-20mA的电流信号。性能指标如表3-1所示。表3-1 HP-31B液位传感器性能指标传感部件美国Sensors充油硅芯体测量范围0-1、2、3、5、10、.200 m过 载1.5倍满量程精 度0.5 %FS工作温度-20-85度工作电压24V DC输出信号4-20mA二线 0-10mA 三线 输出负载（Uv-10）/0.02 (欧姆)与介质接触材料a.壳 体：不锈钢 1Cr18Ni9Ti b.密封圈：丁腈橡胶或氟橡胶c.膜 片：不锈钢 316Ld.橡胶件：丁腈橡胶e.电 缆：聚乙烯导气电缆仪表具有良好的长期稳定性0.2%FS年仪表接线二线制 不分正负三线制 1.GND 2.+V 3.OUT3.3 电磁阀的介绍电磁阀是指气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体。它大量应用在液机械，空调系统，组合机床，自动机床及自动生产线中，是工业自动化的一种重要元件。电磁铁是利用电磁吸力使衔铁产生直线运动的，而电磁阀是利用电磁吸力开关阀门对空气、油或水等流体进行控制的器件。3.3.1 电磁阀的选择电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况（即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择）。(1) 适用性 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致；流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度；当流体的清洁度不高时，应在电磁阀前安装一个过滤器，通常电磁阀对于介质的要求是清洁度较高；需要引起注意的是流量孔径和接管口径；电磁阀通常由开关两位控制；在条件允许的情况请安装旁路管以便于用后维修；有水锤现象时要有相应的电磁阀的开闭调节时间；同时要关注环境的温度对电磁阀的作用；应当根据输出容量来选择取定电源的电流和消耗功率，电源电压通常误差在10%左右，需要强调的是交流起动时，VA值偏高。(2) 可靠性 电磁阀有常开和常闭两种类型；一般采用常闭型，通电打开，断电就关闭；而采用常开型则是在开启时间很长、关闭时间很短的情况下。(3) 安全性 电磁阀的最高标定公称压力必须要高于管路内的最大压力，否则会导致寿命使用缩短或造成其它意外事故；在有腐蚀性液体存在时应该采用全不锈钢型，强腐蚀性流体则适合采用塑料王（SLF）电磁阀；爆炸性环境下一定要采用相应的防爆产品。(4) 经济性 二位二通电磁阀是指电磁阀有两个位置（开启、关闭），两个通道（进油通道、出油通道）。二位二通电磁阀由电磁线圈，铁芯，球阀和弹簧等组成。在未通电时球阀处于开启状态，即电磁阀的进液口和出液口相通，则为常开二位二通电磁阀；在未通电时球阀处于关闭状态，即电磁阀的进液口和出液口关闭，则为常闭二位二通电磁阀。在本系统中选择DF 2型二位二通（常闭）电磁阀。DF 2型电磁阀是利用直流或交流电磁铁操作的二位二通（常闭）电磁阀，它为导阀动作式常闭型电磁阀。当电磁阀通电时动铁芯受电磁力作用被吸向上，从而打开阀门，断电时，阀即关闭。其适应性强，压力损失小，口径较大。由于采用膜片式结构，密封性能好。与同类产品相比，有耗电量小、体积小、使用范围大等特点。DF 2型电磁阀性能和尺寸如表3-2所示。表3-2 DF2型电磁阀性能和尺寸工作介质水、油及其他液体工作压力18Kg/cm2工作介质温度060工作环境温度060 湿度85%工作电压直流24V 交流220V安装方式管式连接3.4 接触器及选用接触器是利用电磁吸力及弹簧反作用力配合使触头闭合与断开的一种电磁开关。是一种适用于频繁地接通和断开交直流主电路及大容量控制电路的电器。具有低电压保护释放功能，控制容量大，可以远距离控制。其主要控制对象是电动机，同时也可以控制电焊机、电容器阻、照明等其他负载，是电力拖动自动控制线路中最广泛使用的电器元件。但也存在噪声大、寿命短等缺点。接触器可以接通和断开负荷电流，但不能切断短路电流，因此，常与熔断器、热继电器配合使用。3.4.1 接触器的工作原理及选用(1) 工作原理当接触器线圈通电后，在静铁心中产生电磁场，动铁心受到电磁力的吸引与静铁心吸合，并带动主触头闭合，使被控电路接通工作。若此时加在线圈上的电压显著下降，由于电磁力的减小且小于弹簧的反力，动铁心在这个反力的作用下，自动返回原位且使主触头也分断，被控电路断开停止工作，这也是欠电压保护作用；当线圈断电后，动铁心在反力弹簧的作用下返回原位且使主触头也分断，被控电路断开停止工作。当电源再次通电时，由于接触器的辅助常开触头已断开，线圈中没有电流通过，那么主触头也不会自动闭合，电路也不会自动接通，即实现了失电压保护。(2) 选用接触器的选用主要考虑其类型、主触头的额定电压和额定电流、辅助触头的数量与种类、线圈的电压等级、操作频率等。 根据负载的性质选用接触器的类型。 接触器的额定电压是指其主触头的额定电压，选用时应大于或等于被控电路的工作电压。 接触器的额定电流是指其主触头的额定电流，选用时应大于或等于被控电路的工作电流。对于电动机负载还应根据其运行方式做适当调整。 接触器线圈的额定电压和频率必须与所控电路的电压和频率一致。 接触器的触头数量和种类应满足被控主电路和控制电路的需求。 根据使用地点的周围环境来选择有关的系列和特殊的接触器。由于目前交流电路的使用场合比直流广泛，交流电动机在工厂中使用的比重也大，所以交流接触器的品种和规格更为繁多，常用的有CJ0、CJ10、CJ12和CJ20等系列交流接触器。本设计中选用CJ10-20型交流接触器。CJ10系列交流接触器的主触点均做成三极的，辅助触点则做成二常开二常闭方式。这种接触器为一般性负载的接触器，它主要用于控制笼型电动机和运行中断开。3.5 中间继电器中间继电器一般用来控制各种电器的线圈使信号得到放大；将信号同时传给几个控制元件；当其他继电器的触头数或触头容量不够用时，可借助其来扩大它们的触头数或触头容量，起到信号的中继作用。(1) 结构与工作原理中间继电器的结构和工作原理与接触器的基本相同。其主要区别有：触头系统中没有主、辅之分，且各触头所允许通过的电流大小是相等的，即额定电流为5A；对于额定电流小于5A的电器控制电路，可用其代替接触器使用；其触头较多，有4对常开、4对常闭等形式。(2) 选用选用中间继电器主要考虑被控制电路的电压等级、触头数量、种类和数量。其线圈电压与所用电源电压必须相同。本设计中继电器的选择JZ1444Z型。JZ14型为交直两用中间继电器。适用于交流50HZ或60HZ、电压380V以下，直流电压220V及以下的控制电路中。JZ14型的具体参数如下：额定工作电压：DC 220V、110V、48V、24V、12V；AC 380V、220V、127V、110V。接点形式：6常开2常闭；4常开4常闭；2常开6常闭；8常开。动作值：继电器的吸合线圈应能在额定电压的85-105的范围内可靠工作。动作时间：继电器的吸合和释放时间不大于0.05S。功率消耗：交流为10VA；直流为7.5W。3.6 PLC选型选择了西门子S7-200型PLC，该机型具有模块丰富、结构紧凑、易于扩展、可靠性高等特点，下面分别介绍几个模块：(1) S7电源模块：PS307 10A额定输出电流10A，输出直流电压24V，防开路和短路保护，有可靠的隔离。(2) CPU模板：CPU31424K字节RAM/8K语句，最大扩展512个DI/DO，64个AI/AO，带扩展内存卡槽，锂电池槽和MPI接口，24V电源供电，可同时与S7-200内部总线上的远程站、编程器、PC机、操作面板或其他S7-300、S7-400、M7-300、M7-400PLC等可编程控制器中的4种站建立联系。(3) AI模板：模拟量输入SM331有4组8个输入通道，可按通道组设定测量方法，选择多种测量范围，与CPU光电隔离。(4) DI模板：16路光隔逻辑输入SM321(5) DO模板：16路光隔逻辑输出SM3223.7 系统主电路工作原理如图3-2所示，L1、L2、L3为三相三线电源进线，经电源开关QS，熔断器FU1分八条支路供给电机和电磁阀工作。其中YV1为A液体进料阀，YV1用接触器KM0控制，若KM0线圈得电后其三对主触点闭合，YV1进料阀运行将液体A注入混料灌。YV2为B液体进料阀，YV2用接触器KM1控制。电动机M为搅拌电机，用接触器KM2控制，当两种液体注入混料灌工作完成后，从PLC得到搅拌信号后，KM2线圈得电使M开始搅拌，搅拌时间到后PLC发出信号，KM2线圈失电，M停止搅拌。热继电器FR对搅拌电机M进行过载保护。YV3为放料阀，用接触器KM3控制。图3-2 系统主电路图图3-3 系统控制电路图3.8 系统控制电路工作原理如图3-3所示，中间继电器KA0与接触器KM0相接，用来控制控制原料A液体的注入；中间继电器KA1与接触器KM1相接，用来控制原料B液体的注入；中间继电器KA2与接触器KM2相接，两种液体注入混料灌，工作完成后，用来控制搅拌电机；中间继电器KA3与接触器KM3相接，当搅拌结束后用来控制放料阀。4控制系统软件设计4.1 PLC编程软件STEP7STEP7是SIMENS公司生产的SIMATIC可编程控制器的组态和编程的标准软件包。包括项目管理器、符号编辑器、硬件组态、编程语言及诊断硬件等一系列的应用工具。下面对各种应用工具分别进行简单的介绍1。(1) 项目管理器适用与SIMENS的各个可编程控制系统，用来管理一个自动化项目中所有的数据。编辑各种数据的工具都由项目管理器启动，然后进行相应的数据修改、测试等工作。(2) 符号编辑器管理所有的共享符号，可以为过程信号（输入/输出）、为存储或块建立符号名和注释。具有分类功能，并可进行导入或导出。(3) 硬件组态功能能够为自动化项目的硬件做组态和参数赋值，拥有如下特点： 组态可编程控制器。 组态分布式I/O与中央I/O。 在CPU参数赋值中可以通过菜单设置参数。 在向模板做参数赋值的过程中，所有可设置的参数均通过对话框来设置完成。模板可进行互相交换但不需要赋值新参数。 在硬件组态工具同时完成了功能模板的参数赋值。FM和通讯模板CP对每个功能模块都有指定的对话框规则，可以防止不正确的输入。(4) 编程语言用于S7-200、S7-300和S7-400的编程语言包括梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。 STEP7编程语言的图形表达方式是梯形图，其指令语法和继电器梯形逻辑图基本相同。在电信号通过各触点、复合元件和输出线圈时，梯形图可跟踪电信号的流动。 STEP7编程语言的文本表达方式是语句表，相似于机器码。若程序是用语句表编写的，则CPU在执行程序时是按每条指令一步步来执行。 STEP7编程语言的图形表达方式是功能块图，使用与BOOL代数相似的逻辑框来进行逻辑表达。复合功能可直接用逻辑框相连来表达。(5) 诊断硬件此功能用于提供可编程控制器的概况。此概况中可以通过显示符号来指示各个模板是否正常。双击故障模板可以显示有关故障的详细信息，信息的范围依据各个模板的情况而定而定。 显示模板的概况信息和模板状态。 显示中央输入/输出和分布式从站的模板信息。 显示来自诊断缓存区的报文。4.2 PLC控制流程(1)按下启动按钮SB1，电磁阀YV1打开，开始往容器内注入液体A，经过一定时间，液体到达低液面（L）处，低液位传感器ST