基于S7-200PLC液体混合装置控制的模拟.doc

1概述
1。1 PLC的基本概念
在PLC的发展过程中，美国电器制造商协会（NEMA）经过四年的调查,于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程控制器（Programmable Controller）,英文缩写为PC，并且作如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的是的电子系统，专为在工业环境下应用而设计.它使用可编程序的存储器来存储指令，用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制，计数，计时和算术运算等操作的指令.并且通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
1。2 PLC的发展
PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美，德，日等工业发达的国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格不断下降.
目前,世界上有200多个厂家，较有名的公司有美国：AB通用电气，莫迪康公司;日本:三菱，富士，欧姆龙,松下电工等:德国:西门子公司；法国：TE施耐德公司；韩国：三星，LG公司等.
1。3 PLC的发展趋势
（一）大型化
为适应大规模控制系统的要求,大型PLC向着大存储容量,高速度，高性能，增加I｜O点数的发展方向。主要表现在以下几个方面：
1。增强网络通信功能：；
2。发展智能模块；
3.外部故障诊断功能；
4。编程语言、编程工具标准化、高级化
5.实现软件、硬件标准化
6。编程组态软件发展迅速
（二）小型化
发展小型PLC,其目的是为了占领广大的、分散的、中小型的工业控制场合,使PLC不仅成为继电器控制柜的替代物，而且超过继电器控制系统的功能。小型PLC朝着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展.
1.4 PLC的主要功能
1. 开关量逻辑控制；
2. 模拟量控制；
3. 闭环过程控制;
4. 定时控制;
5. 计数控制；
6. 顺序（步进)控制；
7. 数据处理;
8. 通信和联网.
1.5 PLC的特点
1。可靠性高、抗干扰能力强;
2。通用性强、灵活性好、功能齐全；
3。编程简单、使用方便；
4。模块化结构；
5.安装简便、调试方便；
6.网络通信.
1。6 PLC的基本组成和各部分作用
1.中央处理单元（Central Processing Unit）
中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。
微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照程序所赋予的任务进行的。
控制接口电路是微处理器与主机内部其它单元进行联系的部件，它主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能.
2.存储器（Memory）
PLC系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问或修改。系统程序包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准模块程序、系统调用、管理等程序以及各种参数等。
用户程序存储器可分为三个部分:用户程序区、数据区、系统区.用户程序区存放用户编程器输入的应用程序.数据区存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。系统区主要存放CPU的组态数据。
3. 输入、输出单元(Input/Output Unit）
输入、输出单元是可编程控制器的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。
输入单元将现场的输入信号,经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元则将中央处理器输出的低压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号,以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等。
4. 编程器
编程器是PLC的重要外部设备。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。
编程器有简易型和智能型两类.简易编程器只能联机编程,且往往需要将梯形图转换为语句表,才能送入。智能编程器又称图形编程器,它可以联机,也可以脱机编程，既有LCD（液晶显示器）或CRT图形显示功能.
5. 电源单元
电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失.PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。
1。7 PLC的工作原理
PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式,即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术,只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。
PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC)、执行程序和输出阶段（将输出信号传送到外部设备)。
扫描过程如图1—1所示。

图1—1 循环扫描
在输入阶段中，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据,并把它们存入相应的输入存储单元。
在执行阶段中,PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果,并将这些结果存入相应的输出存储器单元.
在输出阶段中,PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部没备传送输出信号,开始控制外部设备。
2硬件设计
2。1控制要求
本装置为两种液体混合模拟装置,SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制,M为搅匀电机，控制要求如下：
初始状态：装置投入运行时,液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭.
启动操作：按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：
液体A阀门打开,液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀。搅匀电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体.当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。
停止操作:按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上)。
图2—1液体混合装置控制的模拟实验面板
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.
2。2选择PLC型号
2.2。1 PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型，整体型PLC的I\O点数固定，因此用户的选择余地小，用于小型控制系。模块型PLC提供多种I\O卡件或插卡,因此用户可以较合理地选择和配置控制系统的I\O点数扩展方便灵活一般用于大中型控制系统。本课程设计选用西门子S7-200(CPU226)可编程控制器.
2.2.2 电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，于国内电网电压一致.在重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电.如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源电网因操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
2。2。3 存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降,因此,为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量,按256个I\O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
2。2。4 输入输出的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求统一,例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块的类型。通常继电器输出模块具有价格低，使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁、电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求一致.可根据应用要求，合理选择智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I\O机架等。
运行
2。3系统设计流程示意图

液体A阀门、液体B阀门关闭，混合液体阀门打开20秒后关闭

液体A阀门打开

液面到达SL2传感器

N

Y
液体B阀门打开，液体A阀门关闭

液面到达SL1传感器

N

Y
液体B阀门关闭，搅拌机工作6秒后打开混合液体阀门

液面到达SL3传感器

N
Y
延时2秒后关闭混合液体阀门

停止命令
N

Y
液体A阀门、液体B阀门关闭，混合液体阀门打开20秒后关闭

结束

图2—3液体混合装置控制流程图
2。4 I/O分配表
面板
SB1
SB2
SL1
SL2
SL3
YV1
YV2
YV3
YKM
PLC
I0。0
I0。1
I0。2
I0。3
I0。4
Q0.0
Q0.1
Q0。2
Q0。3
3软件设计
3。1设计梯形图
3.2设计指令表
ORGANIZATION_BLOCK MAIN：OB1
TITLE=程序注释
BEGIN
Network 1
LD SM0。1
R Q0。0, 2
S Q0。2， 1
Network 2
LD SM0。0
AN Q0.2
TON T39， 200
Network 3
LD T39
R Q0.2, 1
Network 4
LD I0.0
EU
= M10.0
Network 5
LD I0.1
EU
= M10。1
Network 6
LD I0。2
EU
= M10.2
Network 7
LD I0。3
EU
= M10.3
Network 8
// 网络注释
LDN I0.4
AN M11。3
= M11。2
Network 9
LDN I0.4
= M11.3
Network 10
LD M10。0
S M20。0， 1
Network 11
LD M20。0
A T38
O M10。0
S Q0。0， 1
Network 12
LD M10.3
S Q0。1， 1
Network 13
LD M10。3
O M10。1
R Q0.0， 1
Network 14
LD M10。2
S Q0.3, 1
Network 15
LD M10。2
O M10.1
R Q0。1, 1
Network 16
LD T37
O M10。1
R Q0。3, 1
Network 17
LD Q0。3
TON T37， +60
Network 18
LDN Q0。3
= M12。4
Network 19
LDN Q0。3
A M12.4
AN M11。5
= M11。4
Network 20
LDN Q0。3
A M12。4
= M11。5
Network 21
LD M11。4
S Q0.2， 1
Network 22
LD T38
O M10。1
R Q0。2， 1
Network 23
LD M11。2
S M20。1, 1
Network 24
LD T38
R M20.1, 1
Network 25
LD M20.1
TON T38， +20
END_ORGANIZATION_BLOCK
4调试
4.1 硬件调试
接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。
4。2 软件调试
按要求输入梯形图，转换成语句表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器RAM，进行下一步的调试.
4。3 运行调试
初始状态：装置投入运行时，液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开20秒将容器放空后关闭.
启动操作:按下启动按钮SB1,装置就开始按下列约定的规律操作：
液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时,SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀。搅匀电机工作6秒后停止搅动,混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期.
停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。
5结束语
本次课程设我选择的题目是液体混合装置控制的模拟。通过这次课程设计我对可编程控制器原理及应用有了更深入的理解，锻炼了自己的动手能力和分析能力，同时我更加理解了PLC优越灵活的控制能力。由于PLC在基于控制方面采用“梯形图”语言进行编程易于接受，这种梯形图与继电器控制电路相呼应，形式更加简练，直观性强。
在这次课程设计中，我学会了怎么去发现问题，解决问题。遇到问题时和同组同学认真讨论,查找资料，积极询问老师，从中我学到了许多知识。并且我更加清楚的知道了，很多设计理念来自于实际,需要根据设计要求灵活的去选择PLC型号和编程。
感谢我的指导老师，从一开始论文方向的选定，到最后的整篇论文的完成，都是非常耐心的对我进行指导。给我提供建议,告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。老师诲人不倦的工作作风，对工作的专业态度,使我受益匪浅.在此，谨向导师致以崇高的敬意和我衷心的感谢!
6参考文献
［1］ 吴中俊,黄永红 可编程控制原理及应用 北京:机械工业出版社，2004．
[2] 廖常初 PLC基础及应用 北京：机械工业出版社，2005．
［3］ 张运波 工厂电气控制技术 北京：高等教育出版社,2002．
［4］汪志峰 PLC控制电气原理及应用 北京：电子工业出版社，2007．
[5]吕景泉 PLC控制技术教程 北京：高等教育出版社，2001．
［6］ 齐占庆，王振臣．电气控制技术北京:机械工业出版社,2002．
［7] 史国生．电气控制与可编程控制器技术北京：化学工业出版社，2003．
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