兩種液體混合裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘 要 S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān) 測及控制的自動化。S7-200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆 能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 S7-200 系列具有極高的性能價格比。 本系統(tǒng)使用S7-200PLC實現(xiàn)了對液體混合裝置的自動控制要求。同時控制系統(tǒng)利用 仿真設(shè)備不僅能滿足兩種液體混合的功能，而且可以擴展其功能滿足多種液體混合系 統(tǒng)的功能。提出了一種基于PLC 的多種液體混合控制系統(tǒng)設(shè)計思路, 提高了液體混合 生產(chǎn)線的自動化程度和生產(chǎn)效率。文中詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。其中 硬件設(shè)計包液體混合裝置的電路框圖、輸入/輸出

2、的分配表及外部接線；軟件設(shè)計包括 系統(tǒng)控制的梯形圖、指令表及工作過程。在本裝置設(shè)計中，液面?zhèn)鞲衅骱碗婇y門以及 攪動電機采用相應的鈕子開關(guān)和發(fā)光二極管來模擬，另外還借助外圍元件來完成本裝 置。整個程序采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法, 具有調(diào)試方便, 維護簡單, 移植性好的優(yōu)點. 關(guān)鍵詞：PLC ；液體混合裝置；程序 目 錄 1 液體混合裝置控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)液體混合裝置控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù).2 1.1 課程設(shè)計的目的.2 1.2 設(shè)計內(nèi)容及要實現(xiàn)的目標.2 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計.3 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理.3 2.2 系統(tǒng)接線圖設(shè)計.3 3 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計.4 3.1 估算.4

3、 3.2 硬件電路設(shè)計.4 3.3 選型.6 3.4 分配表設(shè)計.6 3.5 外部接線圖設(shè)計.7 3.6 控制程序流程圖設(shè)計.8 3.7 控制程序設(shè)計.8 3.8 創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容.10 4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析.11 4.1 系統(tǒng)調(diào)試.11 4.2 結(jié)果分析.11 總總 結(jié)結(jié).12 致致 謝謝.13 參考文獻參考文獻.14 1 液體混合裝置控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù) 1.1 課程設(shè)計的目的 在工藝加工最初，把多種原料再合適的時間和條件下進行需要的加工以得到產(chǎn)品 一直都是在人監(jiān)控或操作下進行的，在后來多用繼電器系統(tǒng)對順序或邏輯的操作過程 進行自動化操作，但是現(xiàn)在隨著時代的發(fā)展，這些方式已經(jīng)不

4、能滿足工業(yè)生產(chǎn)的實際 需要。實際生產(chǎn)中需要更精確、更便捷的控制裝置。 隨著科學技術(shù)的日新月異，自動化程度要求越來越高，原來的液體混合遠遠不能滿 足當前自動化的需要?？删幊炭刂破饕后w自動混合系統(tǒng)集成自動控制技術(shù)，計量技術(shù)， 傳感器技術(shù)等技術(shù)與一體的機電一體化裝置。充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制 系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，配置靈活、組態(tài)方便。 可編程控制器多種液體自動混合控制系統(tǒng)的特點： 1）系統(tǒng)自動工作； 2）控制的單周期運行方式； 3）由傳感器送入設(shè)定的參數(shù)實現(xiàn)自動控制； 4）啟動后就能自動完成一個周期的工作，并循環(huán)。 本系統(tǒng)采用 PLC 是基于以下兩個原因： 1）PLC

5、 具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在 30 萬小時以上； 2）編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實現(xiàn)。 根據(jù)多種液體自動混合系統(tǒng)的要求與特點，我們采用的 PLC 具有小型化、高速度、 高性能等特點，可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴充設(shè)備，有豐富的 特殊擴展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通 信。 1.2 設(shè)計內(nèi)容及要實現(xiàn)的目標 利用西門子 PLC 的 S7-200 系列設(shè)計 兩種液體混合裝置控制系統(tǒng)。在實驗之前 將容器中的液體放空，按動啟動按鈕 SB1 后，電磁閥 A 通電打開，液體 A 流入容器。 當液位高度達到中限

6、位時，液位傳感器 I0.0 接通，此時電磁閥 A 斷電關(guān)閉，而 電磁閥 B 通電打開，液體 B 流入容器。當 液位達到上限位時，液位傳感器 I0.1 接 通，這時電磁閥 B 斷電關(guān)閉，同時啟動電 動機 M 攪拌。60 分鐘后電動機 M 停止攪 拌，這時電磁閥 C 通電打開，放出混合液 去下道工序。當液位高度下降到下限位后，再延時 5s 電磁閥 C 斷電關(guān)閉，并同時開始 新的周期。 圖 1.1 兩種液體混合裝置 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)為兩種液體自動混合，需要對各種液體的液面的高度監(jiān)控， 因此，需要運用到傳感器進行液面高度的監(jiān)控。各種液體入池的比例需要應用電磁閥 控制，入池后的

7、攪拌，則需要電機控制。對各個控件的控制，需要一個完整的控制流 程，運用 PLC 技術(shù)進行編程，可以實現(xiàn)對各個控件的控制。 具體控制方法根據(jù)題目要求，按下啟動按鈕時，A 種液體進入容器，當達到一定值 時，停止進入，B 種液體開始進入，當達到一定值時，停止進入。攪拌機進行攪拌，一 分鐘后攪拌均勻，停止攪拌，放出液體。液體放出達到一定值時停止放出。液體的進 入和放出，需要電磁閥的控制，液面的深度需要傳感器的控制。 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理 在煉油、化工、制藥、飲料等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的程序，而且也是 其生產(chǎn)過程中十分重要的組成部分。 我準備設(shè)計一個可以將兩種食用液體自動混合成飲料的

8、控制裝置，兩種飲料分別命 名為液體 A 和液體 B?；镜脑O(shè)計硬件如下表所示： 表 2.1 設(shè)計硬件選擇 名稱型號數(shù)量 微型計算機專用計算機1 臺 PLC 主機單元西門子 S7-200 系列1 臺 兩種液體自動混合單元配套1 臺 通信電纜配套若干 圖 液體混合控制裝置控制的模擬實驗面板圖如圖 2.1 所示，此面板中，液面?zhèn)鞲衅饔?鈕子開關(guān)來模擬，啟動、停止用動合按鈕來實現(xiàn)，液體 A 閥門、液體 B 閥門、混合液 閥門的打開與關(guān)閉以及攪勻電機的運行與停轉(zhuǎn)用發(fā)光二極管的點亮與熄滅來模擬。 圖 2.1 液體混合控制裝置控制的模擬實驗面板圖 2.2 系統(tǒng)接線圖設(shè)計 表 2.2輸入/輸出接線列表 3 控

9、制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 估算 首先統(tǒng)計被控設(shè)備對輸入、輸出點的總需求量，把被控設(shè)備的信號源一一列出，認 真分析輸入、輸出點的信號類型。 在初始狀態(tài)時，根據(jù)要求要實現(xiàn)液體的自動混合導出控制，在開始操作之前，各閥 門必須為關(guān)閉狀態(tài)，容器為空。此時液體控制電磁閥 Y1=Y2=Y3=OFF 狀態(tài)；傳感器 L1=L2=L3=OFF 狀態(tài)；電動機 M 為關(guān)閉狀態(tài)。 在啟動操作中，當裝置和液體的都準備好之后，按下啟動按鈕,開始下列操作: 1)Y1=ON,液體 A 流入容器;當液面到達 L2 時,Y1=OFF,Y2=ON; 2)液體 B 流入,液面達到 L1 時,Y2=OFF,M=ON,電動機開始進行液體的充分混

10、合攪拌; 3)當混合液體攪拌均勻后(設(shè)時間為 60s),M=OFF,Y3=ON,開始放出混合液體; 4)當液體下降到 L3 時,L3 從 ON 變?yōu)?OFF,把時間控制為再過 5s 后容器放空,關(guān)閉 Y3,Y3=OFF 完成一個操作周期; 5)在只要沒有按停止按鈕的狀態(tài)下,則自動進入下一個循環(huán)操作周期。 在停止操作中，當工作完成之后需要關(guān)閉系統(tǒng)，按一下停止按鈕,則在當前混合操 作周期結(jié)束后,才停止操作。從而使系統(tǒng)停止在開始狀態(tài)，以便下次啟動系統(tǒng)時能夠順 利的開始系統(tǒng)的循環(huán)。 3.2 硬件電路設(shè)計 3.2.1 液位傳感器的選擇 選用 LSF-2.5 型液位傳感器 其中“L”表示光電的， “S”表

11、示傳感器， “F”表示防腐蝕的，2.5 為最大工作壓 力。 LSF 系列液位開關(guān)可提供非常準確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光的反射折射 原理，當沒有液體時，光被前端的棱鏡面或球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面 時，光被折射出去，這使得輸出發(fā)生變化，相應的晶體管或繼電器動作并輸出一個開 關(guān)量。應用此原理可制成單點或多點液位開關(guān)。LSF 光電液位開關(guān)具有較高的適應環(huán) 境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。 面板 SB1SB2HILY1Y2Y3KM PLCI0.3I0.4I0.1I0.0I0.2Q0.3Q0.0Q0.1Q0.2 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （1）工作壓力可達 2.5Mpa

12、 （2）工作溫度上限為 125C （3）觸點壽命為100萬次 （4）觸點容量為70w （5）開關(guān)電壓為24V DC （6）切換電流為0.5A 3.2.2 攪拌電機的選擇 選用 EJ15-3 型電動機 其中“E”表示電動機， “J”表示交 流的，15 為設(shè)計序號，3 為最大工作電 流 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： EJ15 系列電動機是一般用途的全封 閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。 （1）額定電壓為 220V，額定頻率 為 50Hz，功率為 2.5KW，采用三角形接法。 （2）電動機運行地點的海拔不超過 1000m。工作溫度-1540C /濕度90%。 （3）EJ15 系列電動機效率高、節(jié)

13、能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可 靠。其硬件接線如圖 3.1。 圖 圖 3.1 硬件接線 3.2.3 電磁閥的選擇 （1）入罐液體選用 VF4-25 型電磁閥 其中“V”表示電磁閥， “F”表示防腐蝕，4 表示設(shè)計序號，25 表示口徑（mm） 寬度。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1）材質(zhì)：聚四氟乙烯。使用介質(zhì)：硫酸、鹽酸、有機溶劑、化學試劑等酸堿性的 液體。 2）介質(zhì)溫度150/環(huán)境溫度-2060C。 3）使用電壓：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 4）功率：AC：2.5KW。 5）操作方式：常閉：通電打開、斷電關(guān)閉，動作響應迅速，高頻率。 （2）出罐液體選用

14、 AVF-40 型電磁閥 其中“A”表示可調(diào)節(jié)流量， “V”表示電磁閥， “F”表示防腐蝕，40 為口徑(mm) 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 1）其最大特點就是能通過設(shè)備上的按鍵設(shè)置來控制流量，達到定時排空的效果。 2）其閥體材料為：聚四氟乙烯，有比較強的抗腐蝕能力。 3）使用電壓：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 4）功率：AC：5KW。 3.2.4 接觸器 選用 CJ20-10/CJ20-16 型接觸器。 其中“C”表示接觸器， “J”表示交流，20 為設(shè)計編號，10/16 為主觸頭額定電流。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （1）操作頻率為 1200/h （2）

15、機電壽命為 1000 萬次 （3）主觸頭額定電流為 10/16（A） （4）額定電壓為 380/220（A） （5）功率為 2.5KW 3.3 選型 PLC 的型號、規(guī)格繁多，根據(jù)前面 3.1 的 I/O 估算，再查閱西門子 PLC 編程手冊 中的相關(guān)表格，確定 PLC 選型。 根據(jù)以上分析，對 PLC 來說，需要提供 5 個輸入點和 4 個輸出點。除了以上的輸入 輸出點意外，PLC 與計算機、打印機、CRT 顯示器等設(shè)備連接，需要用專用接口，也應 計算在內(nèi)?？紤]到在實際安裝、調(diào)試和應用中，還有可能發(fā)現(xiàn)一些估算中未預見到的 因素，要根據(jù)實際情況增加一些輸入、輸出信號。因此，要按估計數(shù)再增加 1

16、5%20% 的輸入、輸出點數(shù)，以備將來調(diào)整、擴充使用。綜上所述，I/O 估算為：輸入點點數(shù)為 8，輸出點點數(shù)為 7。 綜上所述，點數(shù)在 30 以內(nèi)，為方便擴展，選擇 S7-200 系列 CPU 224 型。 3.4 分配表設(shè)計 在了解了系統(tǒng)工藝要求和控制要求后,接著要做的就是將 I/O 通道分配給 PLC 的指 定 I/O 端子,具體如表 3.1 所示。 表 3.1 I/O 分配表 分類元件端子號作用 輸 入 SB1I0.3 起動按鈕 SB2I0.4 停止按鈕 L1I0.1 液面高位傳感器 L2I0.0 液面中位傳感器 L3I0.2 液面低位傳感器 MQ0.2 攪拌電動機 Y1Q0.0 液體

17、A 流入電磁閥 Y2Q0.1 液體 B 流入電磁閥 輸 出 Y3Q0.3 放出混合液體電磁閥 3.5 外部接線圖設(shè)計 圖 3.2 PLC 外部接線圖 圖 3.3 裝置操作面板 如圖 3.2 所示，PLC 外部接線圖左邊一排為輸入，其中 I0.3，I0.1，I0.3，I0.2， I0.4 分別與 SB1，SB2，L1，L2，L3 相連;右邊一排為輸出，其中 Q0.2，Q0.0，Q0.1，Q0.3 分別與 Y1，Y2，Y3，KM 相連。如圖 3.3 所示起停按鈕 P1，P2 分別與主機的 I0.3，I0.4 相連，液面?zhèn)鞲衅?P3，P4，P5 分別與主機的輸入點 I0.1，I0.3，I0.2 相接

18、，液體 A 閥門，液體 B 閥門，混合液體閥門和攪拌機 P6，P7，P8，P9 分別與主機的輸出點 Q0.0，Q0.1，Q0.3，Q0.2 相連。 3.6 控制程序流程圖設(shè)計 圖 3.4 控制程序流程圖 3.7 控制程序設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的要求及 I/O 通道分配,寫出繼電器梯形圖，如圖 3.5 所示。具體設(shè)計思 路如下： 1)起始操作： 在按啟動按鈕 I0.3 之后，使 Q0.0 得電，打開電磁閥 A，從而使液體 A 流入容器。 2)當液位上升到中限位時： 當液面上升到中限位時,I0.0 由 OFF 變?yōu)?ON,使 Q0.0 斷電，關(guān)閉電磁閥 A。同時使 Q0.1 得電，打開電磁閥 B，從而使液

19、體 B 流入容器。 3)當液位上升到上限位時： 當液面上升到上限位時, I0.1 由 OFF 狀態(tài)變?yōu)?ON 狀態(tài),使 Q0.1 斷電，關(guān)閉電磁閥 B。同時使 Q0.2 得電，啟動攪拌機 M。此時啟動定時器 T37，60s 后 T37 動作，使 Q0.2 失電。 4)攪拌均勻后放出混合液體： 在 Q0.2 的下降沿通過后沿微分指令 DIFD 使 Q0.3 置位,打開電磁閥 C，開始放出混 合液體。 5)當液位下降到下限位時： 當液位下降到下限位時,啟動定時器 T38,5s 后使 Q0.3 失電，關(guān)閉電磁閥 C,此時液 體已放空。 6)自動循環(huán)工作： 在沒有按停止按鈕 I0.4 的情況下,系統(tǒng)將

20、在 T38 的記時時間到了時,使 Q0.0 置位, 自動進入下一操作周期。從而實現(xiàn)混合液體 PLC 自動控制的循環(huán)工作。 7)停止操作： 當按下停止按鈕時,停止按鈕 I0.4 為 ON 狀態(tài),不能使電磁閥 A、B、C 斷開,系統(tǒng)執(zhí) 行完本周期的操作后,將自動停留在初始狀態(tài)。 使用 S7-200 西門子簡易編程器編入梯形圖，如下所示。 圖 3.5 梯形圖 3.8 創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容 此次設(shè)計過程中，我有一些自己的想法。 1）攪拌桶內(nèi)的液位傳感器的可靠性不強，可以試著改為靈敏性強、可靠性高的檢 測儀器。避免因為輸入液體時，飛濺的液體觸碰到液位傳感器而導致發(fā)出錯誤信號。 2）在電路中提供一個備用電源，這樣

21、做的目的就是保證掉電之后也能使系統(tǒng)完成 該周期的工作，從而保證系統(tǒng)在完成當前周期的操作時，停止在初始狀態(tài)，使容器為 空。以便在恢復電源后能順利的從第一步開始進行循環(huán)。這樣就避免了在混合某些化 學物質(zhì)，比如具有腐蝕性的物質(zhì)時。因為掉電，長時間儲存在容器中，從而造成對裝 置的腐蝕或損壞；也避免了引起環(huán)境污染的可能。同時取代了掉電保持這樣一個麻煩 和考慮不周的過程。 4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 4.1 系統(tǒng)調(diào)試 運用調(diào)試程序進行系統(tǒng)靜調(diào)。模擬兩種液體混合裝置的操作過程，對控制程序作一 些改動，使之變成可連續(xù)運行的調(diào)試程序。具體作法如下： 設(shè) PLC 進入運行方式后： 經(jīng)過一定的準備時間，模擬按下啟動按鈕

22、，Q0.0 的指示燈亮； 一段時間后，液面上升到 L2 位置，Q0.0 的指示燈滅，Q0.1 的指示燈亮； 一段時間后，液面上升到 L1 位置，Q0.1 的指示燈滅，Q0.2 的指示燈亮； 一段時間后，Q0.2 的指示燈滅，Q0.3 的指示燈亮； 一段時間后，液面低于 L3 位置，Q0.1 的指示燈滅，Q0.0 的指示燈亮，當前操作周 期結(jié)束，自動進入下一個操作周期。 在系統(tǒng)運行過程中，模擬按下停止按鈕，所有運行立即結(jié)束。 調(diào)試結(jié)束。 4.2 結(jié)果分析 基于以上設(shè)計與調(diào)試，兩種液體混合裝置的系統(tǒng)設(shè)計基本結(jié)束。測試結(jié)果滿足課題 給定要求。 總 結(jié) 這次課程設(shè)計是非常難得的一次理論與實踐相結(jié)合的機

23、會，通過這次這次對“液體 自動混合裝置的 PLC 控制”的設(shè)計使我擺脫了單純理論學習的狀態(tài)，和眼高手低的毛 病，通過本次 PLC 的課程設(shè)計，使我了解到 PLC 的重要性。 電氣控制與可編程控制器是一門極其重要的課程，他綜合了計算機技術(shù)和自動控制 技術(shù)和通訊技術(shù)。在當今由機械化向自動化，信息化飛速發(fā)展的社會，PLC 技術(shù)越來越 受人們廣泛應用，前景可觀，因此學會和運用 PLC，將對我們以后踏上工作崗位有極其 重要的幫助，在此次設(shè)計中，我們遇到了許多困難，通過對自身的查找，我找出幾點 不足之處： 1，不太會利用查翻資料。遇到困難，首先不先查看資料，過多依賴同學和老師的 幫助，相對不獨立。 2，學習認真程度不夠，學習熱情不高，基礎(chǔ)相對薄弱，掌握知識太少。 3，設(shè)計時對時間合理安排上欠妥。但正是這次設(shè)計，讓我認識到自己的不足，為 以后以后的工作學習找到了方向和前進