【《基于西门子S7-200PLC的多种液体自动混合控制系统设计》9100字】

基于西门子S7-200PLC的多种液体自动混合控制系统设计目录摘要 第1章绪论 11.1课题的的背景资料分析 11.2课题研究的现状分析 11.3本次设计的内容 2第2章多种液体自动混合的控制方案设计 32.1多种液体自动混合功能原理分析 32.1.1多种液体自动混合功能分析 32.1.2多种液体混合控制原理分析 32.2多种液体自动混合控制系统方案对比 42.3变频器多段速调节的方案设计 5第3章多种液体自动混合系统的硬件设计 83.1硬件结构简图 83.2硬件选型分析 83.2.1PLC选型 83.2.2变频器选型分析 93.2.4液位传感器的选型分析 103.2.5温度传感器的选型分析 113.2.6触摸屏的选择 123.3本次系统设计的主要硬件清单 133.4PLC的外部接线图 13第4章多种液体自动混合系统的软件设计 154.1程序编程介绍 154.2PLC的I/O表地址分配 164.3绘制控制流程图 164.4PLC控制系统梯形图的编写 184.5程序在线仿真 234.5.1程序调试要求 234.5.2程序的在线模拟调试 234.6组态画面设计 24总结 25参考文献 27摘要在化工、制药、液体纸品等加工企业内通常在制作一个产品时，需要将多种液体进行混合，在传统的混合方式通常是通过人工添加液体，并通过人力进行搅拌，这种方式不紧效率较低而且由于人工控制的搅拌速率以及时间的把控上误差较大，而且很多液体在混合过程中还要进行加热，以提高整体混合的速率。在众多参数下，人工混合的方式在参数设置以及混合后产品的统一性方面具有较大误差。本次设计就是针对这一现象通过使用自动化的控制方式，设计了一种变频器控制和PLC联合控制的液体自动混合的系统设计。本次设计中系统采用西门子S7-200PLC作为核心控制元件，通过对液体自动混合系统的分析确定本次系统设计的控制思想，并绘制控制流程图；根据控制思路确定本次系统所需的硬件，确定系统硬件结构；最后进行程序的编写，首先合理分配I/O端口，采用梯形图设计软件进行梯形图的绘制，并绘制PLC外部接线图，编写组态控制画面，最后对编写的梯形图程序进行线上模拟仿真，在多次仿真的基础上对程序进行进一步的完善，编写设计说明书，完成最终的设计。关键词：多种液体自动混合系统；可编程序逻辑控制器；触摸屏；组态控制第1章绪论1.1课题的的背景资料分析随着我国科学技术的发展，以及对工业革命的推进，我国进入工业4.0时代。大量的自动控制机械手、流水线、自动机器人被广泛使用，逐渐淘汰了传统依靠人工、手动实现加工作业的方式，彻底解放了劳动生产力，提高了劳动效率。多种液体自动混合就是一种自动化装置用于液体自动混合的实现。在目前我国的自动化液体自动混合流水线机虽然已经开始普及，其自动化程度也逐渐提高，但是大多技术、设备都是仿效国外的先进给水，其自主研发能力较低，这也导致了自动化行业以及其自动化配件依赖进口的现状。例如在自动化工业领域常用的可编程逻辑控制器，使用较为广泛的是德国的西门子、日本的三菱、日本的欧姆龙等等，虽然近几年许多国产的控制器也逐渐上市，比如信捷、永宏、正航、台安等一大批控制器制造品牌，但是大多是在国外控制器的基础上进行模仿，自主研发能力不强；在自动化配件方面，虽然近几年国产化品牌出现很多，但是较国外的先进技术还有一定的差距，随着我国和国际的技术水平不断提高，新技术新思路的不断创新，随着对生产效率和制造精度的要求越来越高，自动化生产的方式定将越来越普遍化。随着国际竞争力的逐渐增强我们更应该加大技术的创新，才能走在全球技术的顶峰。1.2课题研究的现状分析自从进入本世纪以来，自动化产品层出不穷，逐渐出现了依靠自动控制器来控制的流水线的作业方式，等，这些主要有先进的国外传入我国，其主要是在改革开放后先进的设备以及技术涌入国内，通过设备的引进以及与国外企业的合作，我国的制造业蓬勃发展，但是起初主要是依靠国外先进的技术支持或者单纯依靠的简单仿效对设备进行生产，无法跨越先进的技术壁垒。所以我国的制造设备使用无法与国外先进进口设备比拟，大量的进口设备充斥的高端高精度的制造加工业，使得我们国产的设备只能走低端发展路线。随着近几年我国对人才的培养以及对科学技术的重视，我国的综合科学技术实力举步提升，打破了我国自主研发的设备与国外的先进设备的无法比拟的现状，逐渐拥有自己的自主研发能力和高精端的技术能力，我国开始由一个单一的制造加工大国逐渐转化为科技型强国。近几年我国在设备制造业的飞速发展以及自主品牌的构建的成果是世界瞩目的。1.3本次设计的内容本次设计的内容主要是多种液体自动混合系统进行系统设计，通过对多种液体自动混合系统背景资料和现状分析，对多种液体自动混合系统进行初步了解。随后对本次多种液体自动混合系统的控制流程进行设计并绘制系统流程图，随后对控制系统进行选择比较，选择适合本次多种液体自动混合系统的控制方式，并对其控制系统进行简述，随后对关键硬件进行设计选型以及资料分析选择适合本次系统设计的硬件部分，通过相应的设计软件进行梯形图程序的绘制，并绘制外部接线图；最后通过在线模拟软件对程序进行模拟，使得程序更加完美。本次设计的多种液体自动混合系统主要章节的内容如下：第一章为绪论，对多种液体自动混合系统进行现状分析和背景资料分析，并简单介绍了各章主要内容，并说明本次设计的主要目的。第二章是对系统控制需求分析和系统控制方案进行设计。第三章控制系统进行硬件设计，绘制本次设计的系统硬件结构简图，并对关键硬件部分进行设计选型，比如一些传感器的选择、控制器的选择、电气元件的选择方面做详细介绍。并通过程序绘制外部接线图以及合理分配I/O表。第四章是对软件部分进行设计，在确定采用控制系统的基础上选择相应设计软件对程序进行设计，通过对程序的线上模拟，对程序进行多次修改，使得程序更加简洁、更能适合本次设计的要求。第2章多种液体自动混合的控制方案设计2.1多种液体自动混合功能原理分析2.1.1多种液体自动混合功能分析本次对液体自动混合的一种装置以及简图分析，从中确定其控制原理。如下图所示是一种液体混合自动装置的原理简图。图2.1一种液体混合装置结构简图由上图可见，三种液体A、B、C通过输送管道经开关电磁阀的连接，进入搅拌筒；其中在搅拌桶内装有三个液位开关，分别对高液位、中液位、低液位进行检测；在搅拌桶底部安装有搅拌装置，在电机的带动下可以实现搅拌器的搅拌动作；在搅拌桶内装有加热单元和温度检测传感器，可以实现对液体的加热以及温度控制；在搅拌桶最底部装有释放电磁阀，实现度混合后的液体进行释放。2.1.2多种液体混合控制原理分析通过对上述功能的分析，对本次控制原理进行确定。其主要实现的动作步骤与顺序为：1.在工作程序执行前，搅拌桶内为空，此时液体A、B、C开关电磁阀处于关闭状态，释放电磁阀处于关闭状态，搅拌电机停止。2.在程序启动后，首先打开液体A和液体B的开关电磁阀，此时两种液体流入搅拌桶，在搅拌桶达到液位传感器L3时，变频器控制搅拌电机实现以速度a的搅拌动作。3.随着液体A、B的继续流入，液位达到中间液位传感器L2，此时传感器发出信号，关断液体A和液体B的开关电磁阀，打开液体C的开关电磁阀，此时变频器控制搅拌电机以速度b进行搅拌动作。4.当液位达到高液位L1时，此时关断液体C的开关电磁阀停止液体的流入，并开始对搅拌电机运动进行计时，计时10S后关断电机的运行。5.电机搅拌停止后，打开加温器进行加温，放温度达到设定值时，温度传感器发出信号，停止加热。6.然后释放阀打开，实现混合液体的释放。等放空后，继续执行循环1的操作，实现下一循环的开始。否则点击程序停止按钮，实现动作循环的结束。2.2多种液体自动混合控制系统方案对比目前在工业控制领域主要的控制方案有以单片机作为主要控制元器件的方式；以可编程序逻辑控制器作为主要控制元器件的控制方式。以单片机为主要控制手段的控制系统是近几年兴起的一种控制方式，其成本较小，可以在专业人员的操作设计下对工业控制进行程序的编写，其体积相对较小。但是由于单片机是由诸多电子元器件组成的集成电路板，众多的电子元器件的使用过减小了系统的稳定性。在环境较为恶劣的工业控制条件下，其损坏率较高，而且对众多的电子元器件进行检修时工作量十分庞大，而且需要专业的人员进行维修维护，所以本次设计不选择以单片机为主要的控制方式。以可编程序逻辑控制器（PLC）为主要的控制方式的系统，可编程序逻辑控制器是近几年在传统继电器接触器控制方式的基础上发展起来的一种新型的控制方式，具有继电器和接触器控制方式的优势，又将使用过多继电器和接触器的电器元件的弊端打破，将计时器、继电器、计数器、脉冲发生器等等的电气原件集中化、模块化，并且可以外接多多种模块，比如温度控制模块、压力控制模块、通信模块、各种检测传感器开关。随着各种新型号的不断出现设计更加模块化、自动化、简单化，并且其成本越来越低。可编程序逻辑控制器因其特定的程序语言梯形图，更加形象明确的显示了各个输入点输出点的关系，大大降低了操作者和使用维护工人的要求，并利于后期程序的修改、工程的扩展，在使用中体现了可编程序逻辑控制器的优越性能。故目前在工业控制领域PLC的使用范围越来越广。2.3变频器多段速调节的方案设计目前对变频器调速的方法有多种，比较常见的有采用变频器自带文本控制器的控制方式、接线端子的控制方式、模拟量总线制控制方式等。由于本次设计采用PLC作为核心控制器，可以实现PLC对变频器的控制，所以不采用自带文本控制器的控制方式；由于在搅拌过程中，不需要进行对搅拌速度的平滑、即时改变，所以如果使用模拟量的控制方式虽然控制效果更加稳定，但是其成本十分巨大，需要添加PLC模拟量输出模块，因此本次不予采用模拟量控制的方式，经过上述控制原理的分析，在实际控制中使用一种多段速的控制方式，实现液体的混合过程。因此本次使用PLC对变频器的端子进行开关量的控制，并使用变频器多段速指令，实现对电机的多段速控制方式。如下图所示是变频器多段速控制接线方式图。图2.2变频器多段速控制原理图本次设计中使用变频器对多种液体自动混合进行速度调节，实现了一个多段速的控制方式，通过使用变频器的端子以及内部指令的设置，实现了多种液体自动混合的多段速控制。在本次设计中，电机信号采用数字开关量的方式进行控制，使用Din2实现电机的启停的信号输入；在速度的控制过程中，使用Din3、Din4实现对三段速度控制的选择。其主要变频器设计参数如下表所示：表2.1变频器参数设置表参数好参数值说明P07002命令元选择“由外部端子输入”P10003选择固定频率P070116开启5号端子P070216开启6号端子P070316开启7号端子P1001155号端子固定频率为aHzP1002206号端子固定频率为bHzP1003257号端子固定频率（备用）P11201加速时间为1SP11211减速时间为1S绘制本次电机接线图如下所示。图2.3电机控制电气原理图第3章多种液体自动混合系统的硬件设计3.1硬件结构简图本次设计的多种液体自动混合系统硬件主要由以下部分组成：输入端：按钮开关、液位开关、温度传感器、触摸屏等；控制端：可编程序逻辑控制器、变频器、；输出端：指示灯、电机等、加热器、电磁阀；本次系统设计的系统结构简图如下图所示：图3.1多种液体自动混合控制系统硬件简图3.2硬件选型分析3.2.1PLC选型在PLC的选用中具有代表性的两个品牌主要有德国的西门子和日本的三菱两个品牌。其在梯形图的绘制过程中指令以及编程方式有一定区别，西门子因其指令模块化，其中包含了诸多的子程序库，在编写程序时简洁明了，利于相关设计人员进行编写检查，而三菱的PLC相对西门子的PLC其指令虽然简单容易理解，但是在程序很大时，难以直观的简单的阅读程序的思路内容。综合比较两种可编程逻辑控制器，西门子的PLC在模拟量的方面由于三菱的PLC，而在步进电机伺服电机进行控制时，三菱的指令相对简单，优于西门子。本次设计的多种液体自动混合系统主要是控制剥线轮的运动和裁切机构的裁切，较为简单，所以本次选择使用质量较为间接的西门子PLC。常用的西门的系列的PLC主要是S7-200、S7-300系列的PLC，S7-300偏向于中大型的工程设计，本次设计的多种液体自动混合系统相对较小，兼顾成本需要，S7-200小型PLC完全满足要求。所以本次设计采用的可编程序逻辑控制器采用S7-200系列的PLC。在此系列的PLC中其型号有222、224、226等常用CPU型号，其主要区别是I/O点的不同和个别指令功能的不同。其中在选择PLC的输入输出点时要留有一点裕量，经过分析本次设计需要的输入点6、输出点8。经分析本次选择PLC型号为S7-200224CPU，其中输入点的个数为14个、输出点的个数为10个。满足设计要求。本次设计的PLC外观图如下所示。图3.2S7-200CPU224PLC外观图3.2.2变频器选型分析1、变频器的控制原理简述变频器的工作原理是通过对控制电力半导体的通断，将工频的电源转化为另一频率的电源，其控制方式是采用交流-直流-交流的方式实现的，先通过整流器将交流电源转换为直流电源，在通过逆变把直流电源转化了可以调节的电压或者频率来控制电动机。其经过了整流-中间直流-逆变-控制等过程。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形[16]。如图3.2所示。图3.3变频器的基本组成2、变频器的选择本次变频器主要是控制搅拌电机的速度，对变频器要求不高，实现搅拌电机的加减速、变速即可，本此选择西门子变频器M440，该款变频器适合对电机的速度和转矩控制，控制方式下功率范围为120W~200KW，使用范围广。本次设置使用的端子接口为P1001、P1002、P1003，实现电机的多段速控制。图3.4M440外观图3.2.4液位传感器的选型分析液位传感器是一种对水进行检测，并通过水介质的变化产生并传送一定的信号，如电信号或者模拟信号，用以控制相应的负载进行动作执行。本次设计的水利闸门控制系统采用开关量信号的液位传感器，这种传感器根据水位的变化实现电信号的通断，实现对水位的确定，本次使用型号为MIK-P260具有50ms快速相应，并且结构小巧，寿命较高，更换较为简单。其外观图如下所示。图3.5液位传感器外观图3.2.5温度传感器的选型分析温度传感器是一种较为常用的温度检测元件，主要是对中低温区内温度的测量，其运行原理是通过金属的特性实现的，即金属电阻值随着温度的升高而增加，进而实现对温度的测量。其主要金属材料有铜和铂两种金属材料，其中铂的测量精度较高，适合较为精密的温度测量。在温度传感器温度传感器的接线中主要有三种：两线制、三线制、四线制。其中两线制讲就是在温度传感器的两端连接两根线，通过对电路的连接实现对温度的测量，这种方式由于两线制存在电阻误差较大，线越长误差越大，这主要受到连接线的长度和材质有关，所以此种温度传感器主要用于温度精度较低的环境中测量。三线制实在热电子传感器的一侧引出两根线，组成三线制的方式，这种方式有些的避免了引线电阻的干扰，使用较为广泛。四线制是在温度传感器两端各输出两根线组成四线，其中两根线加上电流，通过电阻转化为电压，将电压再引入控制器中，这样完全消除了引线对电阻阻值的影响。通过对上文分析以及资料的查阅，选择本次的温度传感器温度传感器型号为：WZP-PT100温度传感器。测量范围：-200-600摄氏度；引线材质：不锈钢内玻璃线，2层高温保护四线制；优势：采用高精度不锈钢耐火纤维线，可以在4-500摄氏度温度下长时间运行，适用于各种中高温度下的测量。图3.6温度传感器外观图3.2.6触摸屏的选择在上文对PLC的介绍中介绍了可编程序逻辑控制器的外接接口单元，其中就可以连接上位机触摸屏部分，触摸屏在目前工业控制过程中使用越来越广泛，其可以代替输入接口信号输入诸如按钮开关的，使其使用PLC内部的中间继电器代替输入端子，减轻后期复杂的接线环节，使其集中在一个屏幕中操作，并增加了其美观程度和简洁性。触摸屏还可以实现目前状态参数的显示，并且可以动画连接PLC实现目前工作流程的动态读取，对报警、检测内容的存取可显示，其使用程度越来越广泛。目前经常使用的触摸屏有昆仑通泰的和威纶的触摸屏，其性价比较高，在我过工业控制行业中使用较为广泛。由于本次多种液体自动混合系统不大，选择性价比较高的7寸屏作为本次设计的触摸屏完全满足要求。选择威纶的型号为TK6071IQ作为本次设计的触摸屏。其外观图如下所示：图3.8触摸屏外观图3.3本次系统设计的主要硬件清单表3.2主要电气设备清单名称型号规格PLCS7-200224按钮开关LA8-11D/2094,DC24V触摸屏TK6071IQ液位传感器MIK-P260温度传感器WZP-PT100变频器M4403.4PLC的外部接线图外部接线图的绘制的目的主要是方便以后对系统的外部线路的接线，后期维修维护的惨老记录，在上属合理配置I/O表后，外部接线图更深一层的展现各输出输出端的输入元件和输出负载的情况，其控制线路的连接方式，是在系统设计过程中必不可少的部分，不仅可以在实际工作中指导工作方法，而且是设备后期存档的必要文件。本次使用CAD软件对外部接线图进行绘制，绘制的外部接线图如下所示，详查源文件。图3.10PLC外部接线图（详见源文件）第4章多种液体自动混合系统的软件设计4.1程序编程介绍基于西门子PLC开发的专用程序设计软件STEP7-Micro/Win经历了多个版本的更替，程序设计能力原来越强大，可以实现对程序的编写，程序运行的实时监控，程序的上载与下载，实现用户的信息交流。通过PC/PPI通讯电缆可以实现电脑与可编程序逻辑控制器的通信。编程软件的主界面主要包括一下几个方面：用户窗口、指令树、工具条、输出窗口、状态条、信息栏等部分。在S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3两种方式，其中使用SIMATIC指令集编写程序时简单方便快捷，可以使用LAD、STL、FBD三种方式供设计者选择。目前可编程序逻辑控制器在工业控制中应用十分广泛，它的出现在一定程度上取代了继电器的控制方式，将工业控制变得更加简单、高效、智能。可编程逻辑控制器内部集成了诸多中间继电器、时间继电器、计时器并包含诸多的指令，设计人员就是在此基础上通过对梯形图的编写，使用不同的指令将若干内部继电器串联起来从而形成特定的逻辑关系，负载改变负载端的输出状态，使其满足运行要求。其中输入端和负载段可以实现与多种不同电气元件的连接，比如温度传感器、形成开关、光电开关等可以与输入端连接对环境温度进行检测并将特定的信号传入控制器，经过控制器编写的逻辑命令关系控制负载端的输出，在负载段可以与指示灯、接触器、继电器、步进电机控制器、温控器等原件进行连接，实现对相应动作的执行，实现对工业设备以及流水线的控制。图4.1编程软件窗口图4.2PLC的I/O表地址分配在对程序编写前，需要对输入端和输出端合理分配，合理分配I/O表不仅可以使得程序编写、修改清晰方便，而且可以防止在程序编写时漏编，并能防止在编写程序时出现多线圈的错误，是程序编写的重要步骤，可以提高程序编写的质量，本次设计留有一定输入端和输出端的设计裕量，经过对程序运行步骤的分析，从而进行以下I/O表的分配，并绘制以下表格。表4.1I/O分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号程序启动SB1I0.0搅拌电机正转变频器端子Din2YA1Q0.0液位开关L1SA1I0.1液体A电磁阀YV1Q0.1液位开关L2SA2I0.2液体B电磁阀YV2Q0.2液位开关L3SA3I0.3液体C电磁阀YV3Q0.3程序停止SB2I0.4液体D电磁阀YV4Q0.4温度开关SAI0.5加热棒YV5Q0.5变频器段速1Din3YA2Q0.6变频器段速2Din4YA3Q0.74.3绘制控制流程图系统控制流程图的绘制其主要作用是用图表的形式将控制流程通过箭头指向展现出来，表明其动作先后顺序和包含关系等，可以明确程序设计的思路，是程序设计的先头兵，十分关键。一个程序的好坏跟系统控制流程图的设计十分关键，一个好的程序流程设计不仅可以简化后期程序，而且可以避免后期编写程序时不必要的错误，使程序的编写事半功倍。绘制本次程序流程图如下图所示。图4.2控制流程图4.4PLC控制系统梯形图的编写经过编写程序前对控制流程图、I/O表分配、硬件设备确定以及选型后，根据以上选择选择适合本次硬件、程序流程的指令对程序进行编写，本次编写的梯形图如下图所示。图4.3程序梯形图4.5程序在线仿真4.5.1程序调试要求在程序编写完成后需要进行程序的调试，程序的调试分为模拟调试和现场调试两部分。在对程序调试前有诸多要求，比如环境的要求，调试方法的要求等。在对调试的环境方面选择接近现场工况的环境，避免电磁干扰，如实际环境电磁干扰强烈，使用一定的手段对干扰进行屏蔽，比如进行防护套的使用或者使用屏蔽线。因为在实际的控制过程中一些脉冲信号等在收到电磁干扰后会出现丢失的现象，比如我们在控制步进电机伺服电机时，如果脉冲信号收到电磁干扰，就会出现丢步的现象发生，使得位置控制十分不准确。调试时避免线缆过长，从而收到干扰的能力减弱。在程序调试时，应分块、分功能对程序进行调试，在每一部分程序调试通过后，在整体进行调试，有助于对程序的检查和发现程序不足的地方，必须要遵循先分后总的原则。4.5.2程序的在线模拟调试本次使用在线模拟调试软件，S7-200仿真器进行仿真，其主要的步骤是打开软件，选择相应的型号、模块，然后载入程序，在装载程序完成后，其仿真方式方法和实际仿真完全一样，可以通过PLC输入输出信号灯的变化，模拟程序的进程，从而检察程序的不足，并改成。本此程序在多次在线模拟调试的基础上，经过对程序的不断完善，确定最终的程序。其中模拟过程不再论述，模拟界面图片如下图所示：图4.4程序调试画面4.6组态画面设计目前在很多设备中，很多采用触摸屏的方式对设备进行控制，通过触摸屏对参数进行设置，本次设计对组态控制画面进行设计，分析本次程序编写的变量和开关量，对其进行画面控制设计，在设备使用中简单的改变其参数，使得程序的使用性更强。本次设计控制画面如下所示：图4.5控制画面组态总结本次毕业设计主要是对一种溶液滴定药品成分混合控制系统设计，通过对多种液体自动混合相关背景资料的分析，现今几种控制系统的方式对比，确定