大专毕业论文--基于PLC平台的液态混合装置设计.doc

【摘要】工业生产中需要良好的人机界面对现场的设备进行检测与控制，传统的方法是采用控制面板上的文字来表示操作按钮的功能，数字表或者模拟表来显示现场设备的数据，存在可读性差的问题。目前，在现代化的企业中，可编程控制器与组态软件结合提供了设计良好人机接口的方法。设备得到更好的监控本课题主要设计多种液体混合装置组态设计的组态控制系统，通过PLC和组态软件技术的应用，实现控制液体的流量、混合比例、以及对混合装置工作过程的监控。旨在培养我们解决实际工程问题的能力，实践动手能力及现场分析问题和解决问题的能力；设计使用的可编程控制器(PLC)，功能强大，系统配置灵活，根据控制要求灵活方便地进行系统配置，组成不同I/O点数和不同功能的控制系统。关键词: 可编程控制器、可读性、现场数据 ABSTRACTIndustrial production in the man-machine interface needs a good on-site equipment for testing and control, the traditional approach is the text on the control panel to indicate the function button operation, the digital or analog form table to display equipment at the data, there can be Reading bad problem. At present, the modernization of enterprises, the programmable controller and configuration software provides a well-designed combination of man-machine interface methods. Better monitoring equipment .The main design a variety of topics liquid mixing device configuration design configuration control system, PLC and configuration through the application of software technology to achieve control of the flow of liquid, mixing ratio, as well as the mixing process monitoring devices. Aims to help us solve practical engineering problems the capacity and ability to practice hands-site analysis and problem-solving abilities; Design of programmable controller (PLC), a powerful, flexible system configuration, in accordance with requirements of flexibility and control for system configuration, composed of different I / O points and the different functions of the control system. 【KEY WORD】：PLC、Readability、Field data 目 录一、引言 1（一）选题依据 1（二）PLC系统设计方法 1（三）组态王软件特点及作用4二、基于PLC的液态混合装置硬件部分设计5（一）设计要求5（二）工艺分析6（三）PLC选型 6（四） PLC的输入输出端子分配表及接线图7三、PLC系统软件设计 8（一）PLC常用指令介绍 8（二）PLC控制梯形图设计 9（三）PLC系统指令表 9四、组态软件监控及测试 10五、结论 13六、致谢词 13七、参考文献 13一、 引言（一）选题依据随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术，而且随着各领域中研究内容的不断深入与发展，对计算机自动测控系统的要求也越来越高， PLC作为计算机的一员，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，而本文研究的液态混合装置也在冶炼，石油，化工，农业生产，食品生产等各个方面得以应用。通常传统液态混合采用落后的继电接触器或开关控制方式，人为因素多，且体积大，功能少，寿命短，线路复杂，接点多，造成故障多可靠性差，维修困难；而采用微电子技术由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，费用低，工艺复杂，抗干扰性差，可靠性差；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。将PLC可编程控制器和组态软件结合，轻松实现人机界面对现场的设备进行检测与控制。（二）PLC系统设计方法 可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故称之可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。1PLC的基本结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，（1）中央处理单元中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （2）存储器 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （3）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。基本结构如图1-1所示：编程器 输出单元，电路输入单元中央处理单元（CPU）系统程序存储器电源用户程序存储器图1-1 PLC的基本结构图2. PLC的主要特点（1）可靠性高，PLC的MTBF一般在4000050000h以上，有的在1020万h，且均有完善的自诊断功能。 （2）结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。 （3）功能强大。 （4）编程方便，控制具有极大灵活性。 （5）适应工业环境，适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。 （6）安装、维修简单。 （7）与DCS相比，价格低。 （8）当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。 3. PLC的功能 （1）数据采集与输出。 （2）控制功能，包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。 （3）数据处理功能，包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。 （4）输入/输出接口调理功能，具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。 （5）通信、联网功能，现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成集中管理、分散控制的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。 （6）支持人机界面功能，提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 （7）编程、调试等，并且大部分支持在线编程。 4. PLC可编程控制器实现控制的方式 用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。 在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。 PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关系-扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。（三）组态王软件特点及作用组态王软件可运行在Windows98/NT/ME/2000上，组态王软件作为一种工业控制组态软件在国内已得到了非常广泛的应用。其具有强大的硬件支持能力，对国内外绝大多数PLC、变频器、板卡、模块、仪器仪表都编写了相应的驱动程序，使用起来相当方便快捷用户可快速构造生成上位机监控系统的工程文件，在任何需要的时候把现场的信息实时地传送到控制室，保证信息在人与现场之间的畅通。使现场操作人员和工厂管理人员可看到各种数据。管理人员不需深入生产现场，就可获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高劳动生产效率。组态王软件为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等组态工作的操作平台。具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+编程，提供丰富的设备驱动构件及丰富的图库组件，用户可随时根据自己的需求扩充系统的功能。 1.组态的特点：随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点：（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； （2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； （3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。2. 组态的作用：与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个 “部件” 都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如AutoCAD，PhotoShop，办公软件(PowerPoint)都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的甚至支持VB。二、基于PLC的液态混合装置硬件部分设计（一）设计要求：1装置结构 本设计为两种液体混合装置的结构，SL1、SL2、SL3为三个液面传感器，液面淹没时触点接通，两种液体的注入和混合液体流出阀门分别由电磁阀Y1、Y2、Y3控制，M为搅拌电动机2控制要求 （1）初始控制：装置投入运动时，液体A、B阀门关闭，混合液体阀门打开2s,将容器放空后关闭。 （2）启动控制：按下启动按钮SB1，开始下属要求动作：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，流入液体B。当液面到达SL1是，关闭液体B阀门，启动搅拌电动机，搅拌2s后停止搅拌，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断开，再经过3s后，容器放空，混合液体阀门关闭，开始下一周期操作。（3）按下停止按钮SB2后，在当前的混合操作处理完毕后才停止操作，即停在初始状态上。（二）工艺分析 物料的混合操作是一些工厂关键的或不可缺的一环，对物料混合装置的要求是设备对物料的混合质量高、生产效率和自动化程度高、适应范围广、抗恶劣工作环境等。采用PLC对物料混合装置进行控制恰恰能满足这些要求，因此多种物料混合的PLC控制具有广泛的应用。多种液体按一定比例的混合是物料混合的一种典型形式。本设计以两种液体的混合装置为例，说明PLC在其中的应用，混合装置的工作过程如下：按启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器；当液位高度到达I(SL2)时，液位传感器I(SL2)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；当液位高度到达H(SL1)时，液位传感器H(SL1)接通，这时电磁阀YV2断电关闭，同时启动电动机M搅拌；一分钟后，电动机M停止搅拌，这时电磁阀YV3通电打开，放出混合后的液体到下一道工序；当液位高度下降到L(SL3)后，在延时2S，使电磁阀YV3断电关闭，并自动开始新的工作周期。此外，该液体混合装置在按下停机按钮SB2时，要求不要立即停止工作，而是将停机信号记忆下来，直到完成一个工作循环时才停止工作。（三） PLC选型 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，往往选用整体式结构的PLC机型较好。反之，应考虑选用模块单元式机型。机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。具体应该考虑以下几个方面的要求。1性能与任务相适应对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等时，可选用小型PLC如OMRON公司的CPM2A型PLCa或三菱FX2N型PLC就能满足要求。对于以开关量控制为主，还带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC（如OMRON公司的CQM型PLC）。特别应提出的，西门子公司的S7-200系列微型PLC在进行小型数字模拟混合系统控制时具有较高的性能价格比，实施起来也较方便。对于比较复杂、控制系统功能要求较高的，如需要PLD调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC，如OMRON公司的C200H、C10000H，西门子公司的S7-300、S7-400或三菱公司的Q、A系列PLC等。当系统的各个部分分布在不同的地域时，应根据各部分的要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统，可考虑选择MODICON的QUANTUM系列PLC产品。2控制功能的选择：该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。3PLC的处理速度应满足实时控制的要求： PLC采用扫描方式工作，从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。4机型选择的其他考虑。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。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因误操作而引入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。 在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 （四） PLC的输入输出端子分配表及接线图1分配表液体混合设计元件是由启动按钮、停止按钮，和输出的水位灯和搅拌机构成，分配表见表2-1所示：表2-1 元件分配表输入输出名称输入点名称输出点启动开关ONX001液位传感器SL1Y005停止开关OFFX002液位传感器SL2Y003液位传感器SL3Y002A液体开关灯Y001B液体开关灯Y004搅拌机M 2液体混合接线图如图2-1所示：图2-1 装置的控制接线图三、 PLC系统软件设计（一） PLC常用指令介绍 1保持继电器指令： 格式：KEEP B 功能：相当于一个锁存继电器，S端位ON时，B被置位（ON），R端位ON时，B被复位（OFF），S、R端同位ON时，B位OFF。B位HR区继电器时有断电保护功能。 2微分指令DIFU/DIFD 格式：DIFU B/DIFD B（操作对象） 功能：前沿/后沿微分指令。当执行条件由OFF变为ON时（前沿）或由ON变为OFF时（后沿），B在一个扫描周期内位ON。 3CPM1A的数据移位指令 格式：SFT D1（开始通道） D2（结束通道） 功能：当复位端R为OFF时，在SP移位脉冲输入端的每个移位脉冲的上升时刻，D1到D2通道中的所有数据按位依次左移一位。D2通道中数据的最高位溢出丢失，IN端的数据则移进D1通道的最低位；当复位端R位ON时，D1到D2所有通道均复位为零，SP移位脉冲不起作用 。 4定时指令TIM 格式：TIM N（定时器编号）其范围为000127。 SV（定时设定值）BCD码,定时单位为0.1s。取值范围为00009999,即定时范围为0999.9s。 功能：减一定时器指令。当定时器输入条件变为ON时，定时器开始记时，当前值PV每隔0.1S减1，当PV变为0时，定时器输出为ON，并自保ON直至定时器输入条件变为OFF，当定时器输入条件变为OFF或电源断电时，定时器复位，当前值PV恢复为设定值SV，定时器输出为OFF。5MOV单字长送指令MOV（21）/MOV(21） 格式：MOV S（源数据） D（目的通道） 功能：据S送到目的通道D中 6单字节取反传送指令MON/MVN 格式：MVN S（源数据） D（目的通道） 功能：将源数据S按位取反后传送的目的通道D中。（二） PLC控制梯形图设计 液态混合设计的梯形图见图3-1：图3-1 步进指令设计的梯形图（三） PLC系统指令表第 13 页 共 13 页LD X001 ANI X002MPSANI T2OUT Y001MPPOUT T1 K20 LD T1OUT Y002OUT T2 K20LD T2OUT Y003ANI T3OUT Y004OUT T3 K20LD T3OUT Y005AND T4OUT MOUT T4 K30END111717171717171717111111 毕业综合实践（论文）图3-2 系统指令表四、组态软件监控及测试 在开发系统界面，利用系统绘图工具画出液体混合画面，并设置各个变量属性，设置每一器件启停时的颜色，以便观察，且使指示灯和开关与各个站点链接起来，编写相应简单语言使其液体随开关启动而流动。设计实现过程见图4-1图4-5。Y2Y3Y5Y4Y1X2X1M图4-1 液体混合装置的实物图 Y4Y1Y2Y3Y5X2X1M图4-2 液体A、B混合过程图 在PLC硬件平台合上开关Y1，液体A阀门打开，阀门按钮呈红色，液体A流入容器，搅拌器内液体上升。 Y2Y3Y5Y4Y1X2X1M图4-3 液体A、B混合过程图 当搅拌器内A液体达到L3和L2之间时，相应的指示灯亮仍然呈红色，且到达L2后，液体A阀门关闭呈绿色，液体B阀门打开呈红色, 液体B处于流动状态流入搅拌器。X2X1Y2Y3Y5Y4Y1M图4-4 液体A、B混合过程图 当B液体流到L1之前，相应的灯仍然为红色，在液体达到L1后，B液体关闭，灯为绿色，这时打开电动搅拌机M开关，呈红色，搅拌器开始工作，将A液体与B液体搅拌均匀。Y2Y3Y5X2X1Y4Y1M图4-5 液体A、B混合过程图 电动机工作3S后，停止搅拌，呈绿色，然后排出混合液体。到此，已经成功的将A液体与B液体混合，实现了PLC软件与组态王软件的结合运用，实现了对设计的检测与控制，使控制装置结构简单，性能优越，操作方便，也为学生进行电子设计制作提供了捷径。五、结论 采用PLC控制的液体混合装置，硬件结构简单，响应速度快，易于控制液体的流量，经现场使用考验，性能稳定，运行可靠。另外还可以根据实际需要很方便地进行扩展到多种液体混合。程序稍作修改，就可以满足不同的控制要求。组态王软件能够一目了然地监测到硬件平台运行情况，使抽象的液体混合形象化。 此次课题的设计、实践，以及论文的撰写，历时近四个月，且随着论文的修改完善，时间跨度还会加大，在这段很长的时间里，通过学习，设计，总结，以及在实习过程中对PLC知识的简单运用，加深了对PLC控制系统的理解和组态王软件的认识。液体混合装置的设计完成，初步了解了现代工业控制过程，在社会实践中也起到了一定的作用。六、参考文献1陈在平，赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社,2002.72周美兰.PLC电气控制与组态设计.北京大学出版社,2003.123黄云龙.可编程控制器教程.北京大学出版社,2003.54杨长能.可编程控制器例题习题及实验指导.重庆大学出版社,1999.35余雷声.电气控制与PLC应用.机械工业出版社,2002.66蔚俊兰,丁振荣.组态王6.5与单片机的通信方法.工业控制计算机,2002.97黄天戍.组态软件在工业监控系统中的二次开发.武汉水利电力大学学报，1999.7