電氣工程及其自動化

1、序號（學(xué)號）： 長春大學(xué)光華學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）基于S7-200 PLC的多種液體混合控制系統(tǒng)設(shè)計姓 名郇亞強系 別電氣信息學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級G08405指導(dǎo)教師王金莉（講師）2012年6月15日基于S7-200 PLC的多種液體混合控制系統(tǒng)設(shè)計【摘要】 以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動機攪拌后要達到一定的溫度才能將混合的液體輸出容器。并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混合系統(tǒng)的控制設(shè)計考慮到其動作的連續(xù)性以及各個被控設(shè)備動作之間的相互關(guān)聯(lián)性，針對不同的工作狀態(tài)，進行相應(yīng)的動作控制輸出，從而實現(xiàn)液體混合系統(tǒng)從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個周期控制

2、工作的程序?qū)崿F(xiàn)。論文還詳細介紹了西門子公司S7-200系列PLC的組成和技術(shù)指標，以及它的輸入、輸出接口的功能和分類，論文設(shè)計是基于西門子公司的S7-200系列PLC控制液體攪拌器的運行。文中分析了其工藝過程，在明確了其控制要求以后對其進行了硬件及軟件的設(shè)計，并詳細介紹了其控制方案，根據(jù)設(shè)計的要求和特點，確定PLC的輸入、輸出分配，并詳細分析了其控制過程、工藝流程圖、梯形圖?！娟P(guān)鍵詞】 PLC 攪拌器 S7-200 控制過程Based on the S7-200PLC a variety of liquid mixture control system designAbstract The l

3、iquid mixture in three filling control as an example, three kinds of liquids are mixed according to a certain proportion, stirring after the motor to reach a certain temperature can be mixed liquid output container. And form a cycle. Liquid hybrid systems control design taking into account the conti

4、nuity of its action and charged with various equipment moves between the interrelated, and for different working conditions, the corresponding action control output, thus realizing the liquid hybrid systems from the first liquid added to the mixture to complete the output of such a cycle control of

5、the program. The paper also introduces in detail the Siemens S7-200 series of PLC composition and technical indicators, as well as its input and output interfaces, functions and classification, the paper design is based on the Siemens S7-200series of PLC control liquid agitator operation. This paper

6、 analyzes the process, in the control request, has carried on the design of hardware and software, and introduces in detail its control scheme, according to the design requirements and characteristics, determine the PLC input and output distribution, and detailed analysis of its control process, pro

7、cess flow diagram, ladder diagram.Key words PLC Blender S7-200 Control process目錄 第1章 緒論11.1課題背景 11.2研究的目的和意義 21.3課題的主要工作 21.4課題方案的設(shè)計及介紹 2第2章 PLC的簡介 5 2.1 PLC的定義及發(fā)展歷程 52.2 PLC的特點 5 2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 7 2.4 PLC的國內(nèi)外現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景 8 2.5 PLC的基本結(jié)構(gòu) 9第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計12 3.1總體結(jié)構(gòu)123.2液位傳感器的選擇133.3溫度傳感器的選擇133.4攪拌電機的選擇143.5電磁閥的選

8、擇153.6接觸器163.7熱繼電器的選擇163.8 PLC的選擇163.9 PLC輸入輸出口分配203.10液體混合裝置輸入輸出接線圖 21第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計23 4.1程序流程圖234.2梯形圖24第5章 系統(tǒng)常見故障分析及維護315.1系統(tǒng)故障的概述 31 5.2系統(tǒng)故障的分析及處理315.3系統(tǒng)干擾性的分析和維護 32總 結(jié)34致 謝35參考文獻 36第1章 緒論1.1 課題背景隨著科學(xué)技術(shù)的猛速發(fā)展，自動控制技術(shù)在人類活動的各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，它的水平已成為衡量一個國家生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)先進與否的一項重要標志。在煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的程序，而且也是其

9、生產(chǎn)過程中十分重要的組成部分。 但由于這些行業(yè)中多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質(zhì)，以致現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作。另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有配料精確、控制可靠等特點，這也是人工操作和半自動化控制所難以實現(xiàn)的。所以為了幫助相關(guān)行業(yè)，特別是其中的中小型企業(yè)實現(xiàn)多種液體自動混合的目的,液體自動混合配料勢必就是擺在我們眼前的一大課題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對原有液體混合裝置進行技術(shù)改造，提出數(shù)據(jù)采集、自動控制、運行管理等多方面的要求。設(shè)計的多種液體混合裝置利用可編程控制器實現(xiàn)在混合過程中精確控制，提高了液體混合比例的穩(wěn)定性、運行穩(wěn)定、自動化程度高，適合工業(yè)生產(chǎn)的需要。1.2 研究的目的和

10、意義 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, 隨著科學(xué)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(dāng)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。1. 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；

11、（4） 啟動后就能自動完成一個周期的工作，并循環(huán)。2. 本系統(tǒng)采用PLC是基于以下兩個原因：（1） PLC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。本系統(tǒng)就是應(yīng)用可編程序控制器(PLC)對多種液體自動混合實現(xiàn)控制。1.3 課題主要工作本文首先回顧多種液體自動混合裝置的發(fā)展過程，說明了種

12、液體自動混合裝置的PLC控制的重要性和必然性 。然后，講述了可編程程序控制器的應(yīng)用，通過論述可編程程序控制器的優(yōu)點對可控制編程器對多種液體混合裝置的控制有一個總體的認識。綜合多種液體自動混合裝置的控制系統(tǒng)的要求，進行了外部電路的連線和PLC程序設(shè)計，從部件的選擇，流程的分析，程序順序控制的設(shè)計等方面，完成了本次的設(shè)計任務(wù)。最后，通過對程序液位控制系統(tǒng)的程序的調(diào)試，檢測，再進行是對系統(tǒng)的更正，使控制系統(tǒng)更加完善，確保系統(tǒng)能順利運行。1.4 課題方案的設(shè)計及介紹 1.方案的設(shè)計整個設(shè)計過程是按思想工藝流程設(shè)計，為設(shè)備安裝、運行和保護檢修服務(wù)。設(shè)計的編寫按照國家關(guān)于電氣自動化工程設(shè)計中的電氣設(shè)備常用

13、基本圖形符號（GB4728）及其他相關(guān)標準和規(guī)范編寫。設(shè)計原則主要包括：工作條件；工程對電氣控制線路提供的具體資料。系統(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟、合理、合用，減小設(shè)備成本。在方案的選擇、元器件的選型時更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品?？刂朴扇斯た刂频阶詣涌刂疲赡M控制到微機控制，使功能的實現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。對于本課題來說，如果液體混合系統(tǒng)部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改造升級，新控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備和工藝現(xiàn)況來構(gòu)成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對于人機交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應(yīng)盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新

14、控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關(guān)量，系統(tǒng)的可靠性要高，人機交互界面友好，應(yīng)具備數(shù)據(jù)儲存和分析匯總的能力。要實現(xiàn)整個液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計，需要從怎樣實現(xiàn)各電磁閥的開關(guān)以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。 2.方案的介紹就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機控制、可編程序控制器控制。（1）繼電器控制系統(tǒng)控制功能是用硬件繼電器實現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果

15、某個繼電器損壞，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。 （2）單片機控制單片機作為一個超大規(guī)模的集成電路，機構(gòu)上包括CPU、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計算機之一。但是，單片機是一片集成電路，不能直接將它與外部I/O信號相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和I/O接口電路，硬件設(shè)計、制作和程序設(shè)計的工作量相當(dāng)大。 （3）工業(yè)控制計算機控制工控機采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性

16、強，有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實用性強、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢。但工控機價格較高，將它用于開關(guān)量控制有些大材小用。且其外部I/O接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 （4）可編程序控制器控制可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設(shè)計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬繭配制和設(shè)計外部接線圖，同時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和接線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的變化?？删幊炭刂破?PLC)從上個世紀70年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關(guān)量進行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器

17、、時間繼電器等構(gòu)成開關(guān)量控制系統(tǒng)。隨著30多年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也通過不斷的升級換代大大增強了其功能?，F(xiàn)在PLC已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運動控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實的多功能控制器。由PLC為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優(yōu)點，是目前工業(yè)自動化的首選控制裝置。 第2章 PLC的簡介2.1 PLC的定義及發(fā)展歷程1.PLC的定義PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（Internation

18、al Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。2.PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電

19、氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度

20、提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。2.2 PLC的特點1.可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)

21、，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CN

22、C等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也

23、變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5.體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1.開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自

24、動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2.模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3.運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC

25、廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4.過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。5.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中

26、的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6.通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.4 PLC的國內(nèi)外現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景1. PLC的國內(nèi)外現(xiàn)狀世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及

27、計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小

28、型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單

29、元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較

30、著名的PLC生產(chǎn)廠家。可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。2. PLC的未來發(fā)展前景21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編

31、程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。2.5 PLC的基本結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置

32、。1. CPU模塊 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分

33、析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2. I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反

34、。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：（1）開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。（2）模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。3. 電

35、源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。4.底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。5.編程設(shè)備編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當(dāng)編程

36、器。也就是我們系統(tǒng)的上位機。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 總體結(jié)構(gòu)從圖3.1系統(tǒng)的總體流程框圖可知設(shè)計的液體混合裝置主要通過可編程控制器對各個元件的控制完成三種液體的自動混合攪拌并控制溫度，如圖3.1所示。此裝置需要控制的元件有：其中輸入端有啟動開關(guān)SD，液面?zhèn)鞲衅鱏L1、液面?zhèn)鞲衅鱏L2、液面?zhèn)鞲衅鱏L3，溫度傳感器T。輸出端有進液閥門A、進液閥門B、進液閥門B、排液閥門，攪拌電機M，加熱器H。可編程控制器啟動SD液面?zhèn)鞲衅鱏L1液面?zhèn)鞲衅鱏L2液面?zhèn)鞲衅鱏L3溫度傳感器T進液閥門A進液閥門B進液閥門C排液閥門攪拌電機M加熱器H圖3.1 系統(tǒng)的總體流程框圖1. 總體控制要求：本裝置為三種液體混

37、合模擬裝置，由液面?zhèn)鞲衅鱏L1、SL2、SL3，液體A、B、C閥門與混合液閥門由電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4，攪勻電機YKM，加熱器H，溫度傳感器T組成。實現(xiàn)三種液體的混合，攪勻，加熱等功能。2. 打開“啟動”開關(guān)，裝置投入運行時。首先液體A、B、C閥門關(guān)閉，混合液閥門打開10秒將容器放空后關(guān)閉。然后液體A閥門打開，液體A流入容器。當(dāng)液面到達SL3時，L3接通，關(guān)閉液體A閥門，打開液體B閥門。液面到達SL2時，關(guān)閉液體B閥門，打開液體C閥門。液面到達SL1時，關(guān)閉液體C閥門。3. 2秒后攪勻電機開始攪勻、加熱器開始加熱。當(dāng)混合液體在6秒內(nèi)達到設(shè)定溫度，加熱器停止加熱，攪勻電機工作6秒后

38、停止攪動；當(dāng)混合液體加熱6秒后還沒有達到設(shè)定溫度，加熱器繼續(xù)加熱，當(dāng)混合液達到設(shè)定的溫度時，加熱器停止加熱，攪勻電機停止工作。4. 攪勻結(jié)束以后，混合液體閥門打開，開始放出混合液體。當(dāng)液面下降到SL3時， L3由接通變?yōu)閿嚅_，再過2秒后，容器放空，混合液閥門關(guān)閉，開始下一周期。5. 關(guān)閉“啟動”開關(guān)，在當(dāng)前的混合液處理完畢后，停止操作。3.2 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(dāng)沒有液體時，光被前端的棱鏡面或球面反射回來；

39、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(yīng)的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關(guān)量。應(yīng)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(yīng)環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。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 （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 3.33.3 溫度傳感器的選擇選用KTY81-210A型溫度傳感器 其中“T” 表示溫度KTY系列溫度傳感器采用進口Philips硅電阻元件精心制作而成，具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性強

40、，產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點, 該溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于電機變頻調(diào)速溫度控制，太陽能熱水器溫度測量領(lǐng)域彩印設(shè)備溫控，汽車油溫測量、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)中過熱保護、加熱控制系統(tǒng)、電源供電保護等。選用KTY81-210A型溫度傳感器。 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （1） 測量溫度范圍為 -50150 （2）溫度系數(shù)TC 為 0.79%/K （3）精度等級為 0.5% （4）公稱壓力為 0.6Mpa3.4 攪拌電機的選擇攪選用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

41、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)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3.2。 運行安全可靠。其硬件接線如圖3.2。 圖3.2 硬件接線圖3.5 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(xué)試劑等酸堿性的

42、液體。（2）介質(zhì)溫度150環(huán)境溫度-2060。（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(yīng)迅速，高頻率。 2.出罐液體選用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。 3.6 接觸

43、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）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2.5KW3.7 熱繼電器的選擇選用JR16B-60/3D型熱繼電器 其中“J”表示繼電器，“D”帶斷相保護 相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： （1）額定電流為20（A） （2）熱元件額定電流為32/45（A）3.8 PLC的選擇傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器接觸器控制。這種控制系統(tǒng)較復(fù)雜，

44、并且大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低，也間接地降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問題，可編程控制器是一種將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動控制設(shè)備，不僅能實現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制。還能實現(xiàn)與上位計算機等智能設(shè)備之間的通信。因此，將可編程控制器應(yīng)用于多種液體混合灌裝機，完全能滿足控制要求。且具有操作簡單、運行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動化程度高等優(yōu)點。 在本控制系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的可擴展性和維修的方便性，選擇模塊式PLC。由于本系統(tǒng)的控制是順序控制，選用西門子s7-200plc作控制單元來控制整個系統(tǒng)。之所以選擇這種PLC，主要考慮西門子系列PLC有

45、以下特點：1. 功能強 （1）S7-200有5種CPU模塊，最多可以擴展7個擴展模塊，擴展到248點數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲空間和數(shù)字存儲空間。 （2）集成了6個有12種工作模式的高速計數(shù)器和兩點高速脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)節(jié)器。CPU 224XP的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為200kHz，告訴輸出的最高頻率為100kHz。 （3）直接讀、寫模擬量I/O模塊，不需要復(fù)雜的編程。CPU 224XP集成有2路模擬量輸入，1路模擬量輸出。 （4）使用向?qū)е械腜ID調(diào)節(jié)控制面板，可以實現(xiàn)PID參數(shù)自整定。 （5）S7-200的CPU模塊集成了很強的位置控制功能，此外還有

46、位置控制模塊EM253使用位置控制向?qū)Э梢苑奖愕貙崿F(xiàn)位置控制的編程。 （6）有配方和數(shù)據(jù)記錄功能，以及相應(yīng)的編程向?qū)?，配方?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄保存在EEPROM存儲卡中。 （7）稱重模塊SIWAREX MS可以用于電子秤、料斗稱、臺秤、吊車稱，或監(jiān)測輸送帶張力、測量工業(yè)貨梯或軋制生產(chǎn)線的負荷。 （8）普通PLC的溫度使用范圍為055，寬溫型S7-200 SIPLUS的溫度適用范圍為-25+70。2. 先進的程序結(jié)構(gòu) S7-200的程序結(jié)構(gòu)簡單清晰，在編程軟件中，主程序，子程序和中斷程序分頁存放。使用各種程序塊中的局部變量，易于將程序塊移植到別的項目。子程序用輸入，輸出變量作軟件接口，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編

47、程。3. 靈活方便的尋址方式 S7-200的輸入（I）、輸出（Q）、為存儲器（M）、順序控制繼電器（S）、變量存儲器（V）和局部變量（L）均可以按位（bit）、字節(jié)、字和雙字讀寫。4. 功能強大，使用方便的編程軟件 編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0可以使用包括中文在內(nèi)的多種語言，有梯形圖，語句表和功能塊圖編程語言，和SIMATIC、IEC61131-3兩種編程模式。S7-200的指令功能強，易于掌握。STEP7-Micro/WIN的監(jiān)控功能形象直觀，使用方便?？梢杂?種編程語言監(jiān)控程序的執(zhí)行情況，用狀態(tài)表監(jiān)視，修改和強制變量，用趨勢圖監(jiān)視變量。用系統(tǒng)塊設(shè)置參數(shù)方便直觀。STEP

48、7-Micro/WIN具有強大的中文幫助功能，在線幫助，右鍵快捷菜單，指令和子程序的拖放功能使編程軟件的使用非常方便。S7-200有4種加密級別，此外還可以對單獨的程序塊和項目文件加密。STEP7-Micro/WIN提供包含時間標記和時間標記的事件記錄，以“后進先出”的原則存儲在緩沖區(qū)中。 5. 簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ?PID控制、網(wǎng)絡(luò)通信、高速輸入/輸出、位置控制、數(shù)據(jù)記錄、配方和文本顯示器等編程和應(yīng)用是PLC程序設(shè)計中的難點，用普通的方法對它們編程即繁瑣又容易出錯。S7-200的編程軟件為此提供了大量的編程向?qū)?，只需要在向?qū)У膶υ捒蛑休斎胍恍﹨?shù)，就可以自動生成包括中斷程序在內(nèi)的用戶程

49、序。6. 強大的通信功能S7-200的CPU模塊有一個或兩個標準的RS-485接口，可用于編程和通信，不需要增加硬件就可以與別的S7-200、S7-300/400PLC、變頻器和計算機通信。S7-200可以使用PPI、MPI、Modbus RTU從站、Modbus RTU主站和USS等通信協(xié)議，以及自由端口通信模式。通過不同的通信模塊，S7-200可以連接到以太網(wǎng)和現(xiàn)場總PROFIBUS-DP、AS-i，可以使用TCP/IP和S7協(xié)議。通過Modem模式EM241，可以用模擬電話線實現(xiàn)與遠程設(shè)備的通信。編程軟件提供多種與通信有關(guān)的向?qū)?。PC Access V1.0是專門為S7-200設(shè)計的OP

50、C服務(wù)器，支持所有的S7-200數(shù)據(jù)形式和所有的S7-200協(xié)議，支持多PLC連接及標準的OPC客戶機。有內(nèi)置的客戶機測試功能。7. 品種豐富的配套人機界面S7-200有配套的用編程軟件組態(tài)的文本顯示器TD 200C和TD 400C。用戶可以用鍵盤設(shè)計工具設(shè)計文本顯示器的面板。K-TP178是為了S7-200CN和中國用戶量身定做的5.7英寸觸摸屏。此外西門子還有多款與S7-200配套的觸摸屏。8. 有競爭力的價格為了更好的貼近并服務(wù)于中國用戶，西門子公司已在中國生產(chǎn)S7-200CN系列，其售價比國外生產(chǎn)的產(chǎn)品顯著降低。S7-200CN只限于在中國銷售和使用，與STEP7-Micro/WIN

51、V4.0 SP3及以上版本配合使用，語言應(yīng)設(shè)置為“中文”。32DI/32DO數(shù)字量擴展模塊降低了I/O點數(shù)比較多的系統(tǒng)價格。9. 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持 在西門子公司的網(wǎng)站可以下載S7-200的軟件和手冊，S7-200有專用的子網(wǎng)站?？梢栽诩夹g(shù)論壇上與網(wǎng)友切磋技藝，交流經(jīng)驗，在網(wǎng)上向西門子公司的工程師提交問題或咨詢硬件方案。網(wǎng)上課堂提供大量的學(xué)習(xí)資料。在“找答案”網(wǎng)頁可以提出問題，或者回答別人的問題。PLC的一般結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，由圖可見主要有6個部分組成，包括CPU(中央處理器)、存儲器、輸入輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、I/O擴展接口。1. CPU模塊 中央處理單元（CPU）與通用計算機中的

52、CPU一樣。PLC中的CPU也是整個系統(tǒng)的核心部件，主要有運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量等。 2.存儲器存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器 稱為用戶程序存儲器。PLC常用的存儲器類型有RAM、EPROM、 EEPROM等。3. I/O模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系而實現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備

53、之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間傳遞信息的作用。通常I/O模塊上還有狀態(tài)顯示和I/O接線端子排，以便于連接和監(jiān)視。 4. 電源模塊輸入、輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備相連接的部件。它的作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為PLC能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強電信號。圖3.3 PLC的一般結(jié)構(gòu)圖3.9 PLC輸人輸出口分配端口的分配及功能如下表3.1表3.1 端口的分配及功能表序 號PLC地址（PLC端子）電氣符號（面板端子）功能說明1I0.0SD啟動（SD）2I0.1SL1液位傳感器SL13I0.2SL2液位傳感器SL24I0.3SL3液位傳感器SL35I0.4T溫度傳感器T6Q0.0YV1進液閥門A7Q0.1YV2進液閥門B序 號PLC地址（PLC端子）電氣符號（面板端子）功能說明8Q0.2YV3進液閥門C9Q0.3YV4排液閥門10Q0.4YKM攪拌電機M11Q0.5H加熱器H12主機1M、面板V+接電源+24V電源正端13主機1L、2L、3L、面板COM接電源GND