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1、内容摘要液体混合装置在工业生产中扮演着重要的角色，保障液体混合装置安全、可靠的运转，并提高该系统的自动化水平是本次设计的首要目标。随着PLC技术的日趋完善以及PLC在实际工程自动化控制领域中所表现出来的高可靠性、高稳定性等优点逐渐显现，其在自动化控制领域的应用也越来越广泛。将PLC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，为搅拌机械可靠、安全、有序的工作提供了强有力的保障。本文所介绍的两种液体混合装置的PLC控制程序可进行连续自动循环工作，在设计的过程中充分进行了设备运行的可靠性分析，并辅助以高分辨率的光电液位传感器严格控制所注入的两种液体的比例，严
2、格保证混合溶液的质量，为后续工序的进行奠定良好的基础。同时，PLC所具有的高稳定性和高可靠性可确保该装置长期连续运行，减少了线路检修和维护的时间，大大提高了生产效率。关键词：可编程序控制器PLC；液体混合装置；自动化控制目 录第1章 前 言11.1设计内容11.2 控制要求1第2章 总体方案设计32.1 总体方案论证32.2 系统硬件配置42.3系统可靠性设计6第3章 PLC控制系统设计73.1 主电路的设计73.2 确定I/O数量，选择PLC类型73.2.1 I/O数量的确定73.2.2 PLC类型的选择73.3 I/O点的分配与编号83.4控制流程图83.5元器件明细表103.6 I/O接
3、线图103.7 控制程序梯形图113.8 控制程序语句表133.9 程序调试15结 论19设计总结20谢 辞21参考文献223第1章 前言1.1设计内容利用西门子PLC的S7-200系列设计两种液体混合装置控制系统。在实验之前将容器中的液体放空，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I时，液位传感器I接通，此时电磁阀YV1断电关闭，而电磁阀YV2通电打开，液体B流入容器。当液位达到H时，液位传感器H接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌。1分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到L后，再延时2s电
4、磁阀YV3断电关闭，并同时开始新的周期。需要完成的内容有：编写输入输出对照表,包括信号名称、外部元件号、内部继电器号；绘制PLC外部接线图；绘制功能流程图；编写、调试梯形图或语序表。1.2控制要求该溶液混合装置的结构简图如图3-1所示，该装置有三个液位传感器：L为低液位传感器，I为中液位传感器，H为高液位传感器。当液位到达某传感器的位置时，该传感器就会发出ON信号，若低于传感器位置时，传感器就变为OFF状态。图1-1 溶液混合装置结构图该系统有三个电磁阀：YV1为注入A液体电磁阀，YV2为注入B液体电磁阀，YV3为混合液体输出电磁阀，当电磁阀为ON状态时，阀门打开；为OFF状态时，阀门就关闭，
5、通过阀门的开和闭来实现液体的流入和流出。M为搅拌电动机，当继电器线圈KM得电时，搅拌电动机运行；当继电器线圈KM失电时，搅拌电动机停止工作。该系统的初始状态为：起动搅拌器之前，容器是空的，各阀门关闭，液位传感器L、液位传感器I、液位传感器H均为OFF状态，搅拌电动机M也处于OFF状态。操作工艺：搅拌器开始工作时，先按下起动按钮，阀门YV1打开，开始向容器里注入液体A，当液面到达传感器L时，传感器L状态变为ON、A液体继续注入，直到液面到达I时，传感器I状态变为ON，使电磁阀YV1断电，同时电磁阀YV2通电打开，即关闭阀门YV1，停止注入A液体，同时打开阀门YV2，开始注入B液体，当液面到达液位
6、H时，关闭电磁阀YV2，停止注入B液体,同时启动搅拌电动机M，电机开始搅拌1min后，液体均匀，电动机停止搅拌，打开电磁阀YV3，放出混合液体。当液面低于液位传感器L时，再过2S，待容器中的混合液体全部放空后，关闭电磁阀YV3，同时自动开始新的循环周期。若在工作中按下停止按钮。搅拌器不会立即停止工作，只有当混合搅拌操作结束后才能停止工作，即停在初始状态。第2章 总体方案设计2.1 总体方案论证本设计要求完成两种溶液混合装置的自动控制，目前在自动化控制领域常用的控制方式主要有：继电器-接触器控制系统、可编程序控制器控制、总线式工业控制机控制、分布式计算机控制系统、单片机控制。对于两种溶液混合装置
7、的自动控制系统初步选定采用继电器-接触器控制和可编程序控制器控制。可编程序控制器与继电器-接触器控制系统的区别：继电器-接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。可编程序控制器的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是其大致上沿用了继电器控制的电路元件和符号和术语，仅个别之处有些不同，同时信号的输入/输出形式及控制功能基本上也相同。但是可编程序控制器与继电器-接触器控制系统又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。1控制逻辑继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，并利用继电器机械触点的串联或并联及时间继电器
8、等组合成控制逻辑，接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点有限，每个继电器只有4-8对触点，因此其灵活性和可扩展性都很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要想改变控制逻辑，只需改变程序即可，因此PLC常称为“软接线”，其灵活性和扩展性都很好。2工作方式电源接通时，继电器控制线路中的各继电器同时都处于受制状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因某种条件限制不能吸合，因此它属于并行工作方式。而在PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的先后顺序计算得出的，因
9、此它属于串行工作方式。3可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多，且触点在开闭时会受到电弧的损害，并且有机械磨损，寿命短，因此其可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，其体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。4控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作时间一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，属于无触点控制，速度极快，
10、一般一条指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。5定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，容易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。而PLC使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶振产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可以根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。6设计和施工使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，其弊端越突出。而PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻
11、辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器-接触器控制系统优异，特别是其可靠性、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。并且近年来随着电子技术的飞速发展，PLC的成本在不断下降。综合考虑以上各种因素，对两种溶液的混合装置的自动化控制选用PLC控制系统。2.2 系统硬件配置本溶液混合装置控制系统主要硬件为S7200系列PLC。PLC采用循环扫描的工作方式，对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符号后又返回
12、第一条指令，如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。该系统的工作过程为：当按下启动按钮后，各控制信号的状态在PLC的输入采样阶段被存入PLC内部的I区，然后PLC逐条执行程序，在输出刷新阶段将I区的状态输出到Q区，Q区的状态控制各继电器线圈，进而控制各电磁阀和搅拌电动机的工作。如图2-1为该硬件配置示意图。本次课程设计的内容设计能将两种液体自动混合成的控制装置，两种液体分别命名为液体A和液体B。基本的硬件组成如表2-1。表2-1 设计硬件选择名称型号数量微型计算机专用计算机1台PLC主机单元西门子S7-200系列1台两种液体自动混
13、合单元配套1台通信电缆配套若干液体混合控制装置控制的模拟实验面板图如图2-1所示，此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，启动、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门的打开与关闭以及搅匀电机的运行与停转用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。如图2-2为搅拌机的立体及2-3液体混合控制装置。启动按钮输入接口输出接口YV1电磁阀停止按钮PLC控制器YV2电磁阀L液位传感器YV3电磁阀I液位传感器电动机MH液位传感器图2-1 系统组成框图图2-2搅拌机的立体示意图 图2-3 液体混合控制装置2.3系统可靠性设计PLC本身具有体积小、寿命长、可靠性高等优点。此外，PLC还配有自检和监督功能，
14、能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。在本设计中，除了充分利用PLC自身的高可靠性外，在控制程序编制方面也充分考虑提高系统的可靠性，并提出了以下可靠性要求：（1）在溶液混合装置工作的过程中，按下停止按钮后，必须完成一个完整的循环才能停车。（2）在溶液混合装置工作的过程中，再次按下启动按钮该装置不会再次启动，必须按下停止按钮后，才能再次启动。（3）若PLC在工作过程中突然断电，各被控对象不会自行动作。第3章 PLC控制系统设计3.1 搅拌电动主电路的设计图3-1为该液体混合装置的搅拌电动机的主电路，根据设计要求该液体混合装置的主电
15、路需要实现让搅拌电动机安全可靠的工作。在主电路中各元器件的功能为：选用组合开关作为电源的引入开关，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护，用热继电器作为过载保护。图3-1 搅拌电动机主电路图3.2 确定I/O数量，选择PLC类型3.2.1 I/O数量的确定在该控制系统中，输入信号有：启动按钮输入信号、停止按钮输入信号、液位传感器L输入信号、液位传感器I输入信号、液位传感器H输入信号；输出信号有：注入A液体信号、注入B液体信号、混合溶液释放信号、电动机驱动信号。所以，该控制系统共有5个输入信号，4个输出信号。3.2.2 PLC类型的选择由I/O点数的多少可将PLC分成小型PLC、中型PLC和大型PLC。PL
