液体混合装置PLC控制程序设计.doc

江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区

毕 业 设 计（论文）

题 目：液体混合装置PLC控制程序设计

系 ：机电工程系
专 业：数控技术
班 级：数控技术11班
学 生：段亚飞
学 号：11313114

指导教师： 刘晓秋 职称：讲师

摘 要

本文用可编程逻辑控制器（PLC）作为下位机、个人计算机（PC）作为上位机，设计了一个两种液体混合装置控制系统。
下位机采用西门子公司的S7-200CN型CPU芯片作为硬件，采用PLC程序设计的方法，实现对两种液体混合装置的控制。能够达到以下要求：1、将两种液体按一定比例混合；2、在电动机搅拌后将混合的液体输出容器，并自动开始新的周期，形成循环状态；3、在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。在此设计中，液位传感器和电阀门以及搅动电机采用相应的钮子开关和发光二极管来模拟，另外还借助外围元件来完成本装置。整个程序采用结构化的设计方法，具有调试方便，维护简单，移植性好的优点。
上位机利用北京亚控公司的kongview6.53（组态王）作为组态监控软件，通过设计界面、定义设备、构造数据库、建立动画连接等步骤，实现了对液体混合装置的组态模拟。通过这种组态模拟，可以实现动画与PLC设备的即时通信，达到上位监控目的。

关键词：液体混合装置；PLC；组态模拟

ABSTRACT

In this paper, using the programmable logic controller (PLC) as a lower machine, the personal computer as a host PC, designing two kinds of liquid mixing device control system.
The machine adopts a Siemens S7-200 CN CPU chip as a hardware, the PLC program design method, the paper realize two kind of liquid mixing device control. To achieve the following requirements: 1. Taking the two liquids mixed in a certain proportion; 2. Stirring in the motor will mix of liquid output container, and automatically start a new cycle, form the circulation state; 3. In the stop button to complete the mixed still can end. In this design, level sensor and electric valves and stirring the motor corresponding toggles switch and led to simulation, and also with external components to complete this device. The whole process of the design method of structured, and has convenient debug, simple maintenance, portability good points.
PC use a Beijing and a controller of the company kongview6.5 (configuration king) as the configuration of the monitoring software, through the design interface, definition equipment, structure, establishing animation database connection, etc steps, realizing the liquid mixing device configuration of the simulation. Through this configuration simulation, it can achieve animation and PLC equipment of instant communication, to achieve the upper monitor purpose.

Key words: liquid mixing device; PLC; Configuration simulation

目 录

引 言 1
第一章 液体混合系统的方案设计 2
1.1系统的整体设计要求 2
1.2控制方式系统的设计 2
第二章 液体混合系统的硬件设计 4
2.1硬件配置及其原理 4
2.2 I/O计算 4
2.3 PLC选型 5
2.4 I/O分配表设计 6
2.5外部接线图设计 7
第三章 液体混合装置的软件设计 8
3.1程序设计的一般方法 8
3.2 PLC控制的相关流程图 8
第四章 系统调试运行分析 11
4.1系统调试 11
4.2结果分析 11
第五章 液体混合装置组态模拟 12
5.1组态王软件 12
5.2液体混合装置组态模拟的相关操作 12

总 结 14
参考文献 15
致 谢 16

引 言
在炼油、化工、制药等行业中多种液体混合是必不可少的工序，其组成部分以往常采用传统的继电器控制，使用硬连接电器较多，可靠性差，自动化程度不高。而系统软件是衡量一个DCS自动控制系统自动化水平是否成功和运行效果的关键环节[1]。这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰能力也非常强，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更为可靠的先进生产保障。随着自动化控制技术的发展，可编程控制器(PLC)在工业控制的应用也越来越广泛[2]。采用PLC对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位自动控制技术，自动化仪表技术，控制的监控场合[3-5]。
为此，本文设计了这个集PLC技术，系统仿真技术于一体的液体混合自动控制装置。

第一章 液体混合系统的方案设计
对于本课题来说，液体混合系统是一个较大规模工业控制系统的改造升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成，而且要尽可能利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企业的改造要求可以看出，在新的控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量，如果要使系统的可靠性高，人机交互界面友好，则该系统应具备数据储存和分析汇总的能力。
要实现整个液体混合控制系统的设计，需要从实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现就这个问题如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。
1.1系统的整体设计要求
在初始状态时容器是空的，各阀门均关闭，各传感器均为0状态按下启动按钮后，打开阀门A，液体A流入容器，当中限位开关变为ON时，关闭阀门A，打开阀门B，液体B流入容器。液面升到上限位开关时，关闭阀门B，电动机M开始运行，搅拌液体，60S后停止搅拌，打开阀门C，放出混合液体，当液面降至下限位开关之后再过5S，容器放空，关闭阀门C，打开阀门A,又开始下一周期的操作。
1.2控制方式系统的设计
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、可编程序控制器控制。
1、继电器控制系统
控制功能是用硬件继电器实现的，继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，且灵活性差，响应速度慢。

2、单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域的尖端控制设备、是日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连，要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量都相当大。
3、可编程序控制器控制
可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，可通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器(PLC)是从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。以PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。
因此，本课题选择PLC来实现本次控制设计。

第二章 液体混合系统的硬件设计
2.1硬件配置及其原理
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志，其液体混合也是必不可少的程序，而且是其生产过程中十分重要的组成部分。此次设计一个可以将两种液体自动混合的控制装置，两种液体分别为A和B。
它的系统硬件选择如表2-1所示：
表2-1 设计硬件选择
名称
型号
数量
计算机
专用计算机
1
PLC单元
西门子系列
1
两种液体自动混合单元
配套
1

2.2 I/O计算
首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，分析其输入、输出点的信号类型。在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。此时液体控制电磁阀A、B、C为OFF状态；传感器H、I、L为OFF状态；电动机M为OFF状态。在启动操作中，当装置和液体都准备好之后，按下启动按钮，开始下列操作：
1、阀A为ON，液体A流入容器；当液面到达I时，阀A为OFF，阀B为ON；
2、液体B流入容器，当液面达到H时，阀B为OFF，M为ON，电动机开始进行液体的充分混合搅拌；
3、当混合液体搅拌均匀后(设时间为60s)，M为OFF,阀 C为ON,开始放出混合液体；
4、当液体下降到 L 时，L从ON 变为 OFF，把时间控制为再过 5s 后容器放空,关闭阀C，阀C为OFF，则完成一个操作周期;
5、在没有按停止按钮的状态下，自动进入下一个循环操作周期。在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，才停止操作。从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始该系统的循环。
根据以上分析，对PLC来说，需要提供5个输入点和4个输出点。考虑到在实际安装、调试和应用中，有可能发现一些计算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。 因此，按估计数增加10% ~ 15%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。
2.3 PLC选型
PLC的型号、规格繁多，根据前面的I/O计算，再查阅《西门子PLC编程手册》中的S7-200CN CPU技术规范（见表2-2），确定选择CPU-222CN型号。
表2-2 S7-200CN CPU技术规范
技术规范
CPU 222 CN
CPU 224 CN
CPU 224XP CN
CPU 226 CN
集成的数字量输入/输出
8入/6出
14入/10出
14入/10出
24入/16出
可连接的扩展模块数量（最大）
2个
7个
7个
7个
最大可扩展的数字量输入/输出范围
78点
168点
168点
248点
最大可扩展的模拟量输入/输出范围
10点
35点
38点
35点
用户程序区
4KB
8KB
12KB
16KB
数据存储区
2KB
8KB
10KB
10KB

2.4 I/O分配表设计
具体分配如表2-3所示：
表2-3 I/O分配表
分类
元件
端子号
作用
输 入
SB1
I0.3
启动按钮
SB2
I0.4
停止按钮
H
I0.1
上限位传感器
I
I0.0
中限位传感器
L
I0.2
下限位传感器
输 出
M
Q0.2
电动机
A
Q0.0
液体A流入电磁阀
B
Q0.1
液体B流入电磁阀
C
Q0.3
放混合液电磁阀

在了解了系统工艺要求和控制要求后，接着要做的就是将 I/O 通道分配给 PLC 的指定 I/O 端子，表 3-2 的I/O 分配表端子号分别为I0.0 、I0.1 、I0.2 、I0.3、 I0.4 、Q0.0 、Q0.1 、Q0.2 、Q0.3。
液体混合装置如图2-1所示：

图2-1 液体混合装置
2.5外部接线图设计

图2-2 PLC的外部接线图

PLC 外部接线图左边一排为输入，其中 I0.3，I0.4，I0.1，I0.0， I0.2 分别与 SB1，SB2，H，I，L 相连;右边一排为输出，其中 Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.0 分别与 YVB，YKM，YVC，YVA 相连。

第三章 液体混合装置的软件设计
3.1程序设计的一般方法
3.1.1经验设计法
经验设计法是在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统设计是比较有效的，可以达到快速、简单的效果。经验设计法的具体步骤如下：
1、确定输入/输出电器；
2、确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；
3、做出系统动作流程图；
4、选择PLC指令并编写程序；
5、编写其它控制要求的程序；
6、将各程序联系起来，得到满足控制要求的程序
3.1.2顺序设计法
对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程比较长，但程序结构清晰、可读性强。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。
功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：

1、步与步之间必须用转移隔开；
2、转移与转移之间必须用步隔开；
3、转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。
4、一个顺序功能图中至少有一个初始步。
3.2 PLC控制的相关流程图
液体混合控制的循环要求为：把容器划分为上限位、下限位和中限位三种状态，当上、下和中限位的液位传感器被液体淹没时为1状态，阀门A、阀门B和阀门C 为电磁阀，线圈通电时打开，线圈断电时关闭。
在初始状态时容器是空的，各阀门均关闭，各传感器均为0状态。按下启动按钮后，打开阀门A，液体A流入容器，当中限位开关变为ON时关闭阀门A，打开阀门B，液体B流入容器。当液面升到上限位开关时，关闭阀门B，电动机M开始运行，搅拌液体，60S后停止搅拌，打开阀门C，放出混合液体，当液面降至下限位开关之后再过5S，容器放空，关闭阀门C，打开阀门A，又开始下一周期的操作。按下停止按钮，在当前工作周期的操作结束后，才停止操作，返回并停留在初始状态。
3.2.1控制程序顺序功能图设计
顺序功能图如下所示：

图3-1 液体混合装置的顺序功能图

3.2.2控制程序梯形图设计
梯形图如下所示：

图3-2 液体混合装置的控制程序梯形图

第四章 系统调试运行分析
4.1系统调试
运用调试程序进行系统静调，模拟两种液体混合装置的操作过程，对控制程序作一些改动，使之变成可连续运行的调试程序。
具体作法如下：
当 PLC 进入运行方式后：经过一定的准备时间，模拟按下启动按钮I0.3，液体A和B同时进入容器，Q0.0和Q0.1的指示灯亮；一段时间后，液面上升到 I 位置，I0.0的指示灯亮；一段时间后，液面上升到 H 位置，I0.0的指示灯灭，I0.1的指示灯亮；一段时间后，I0.1的指示灯灭，Q0.2的指示灯亮；一段时间后，液面低于L位置，Q0.2的指示灯灭，Q0.3的指示灯亮，当前操作周期结束，自动进入下一操作周期。在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，所有运行立即结束，调试完成。
4.2结果分析
对于以上的设计与调试，两种液体混合装置的系统设计基本结束，测试结果满足预想要求。

第五章 液体混合装置组态模拟
5.1组态王软件
系统的监控软件采用了北京亚控公司的kongview6.53组态王软件，组态王是北京亚控科技发展有限公司开发的一个集成人机界面系统和监控管理系统的工业上位监控软件，可直接插入第三方ActiveX控件，允许Visual Basic、Visual C++等直接访问组态王。利用它来设计监控系统主要步骤有：设备配置，构造数据库变量，图形界面的设计，建立动态连接。
组态王是运行于Microsoft windows 98／2000／XP中文平台的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM 组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行比较可靠。Touch View 是“组态王6.53”软件的实时运行环境，它从设备中采集数据，并存于实时数据库中，还负责把数据的变化以动画的形式形象地表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库中。
5.2液体混合装置组态模拟的相关操作
首先创建工程路径，启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，单击“下一步”继续，弹出“新建工程向导之二对话框”。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览…”按钮。在弹出的路径中选择一个有效的路径，单击“下一步”继续，弹出“新建工程向导之三对话框”。
1、设计图形界面
第一步：定义新画面。进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。
在“画面名称”处输入新的画面名称，其它属性目前不用更改，点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。
第二步：在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象。
2、定义设备
继续上节的工程。选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”。
选择“仿真PLC”的“串行”项，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”,为外部设备取一个名称，输入PLC，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”。
为设备选择连接串口，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”,设置通信故障恢复参数，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。
设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。在定义数据库变量时，只要把I/O变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。
3、构造数据库（定义变量）
继续上节的工程，选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框,在“变量名”处输入变量名，在“变量类型”处选择变量类型，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。
下面继续定义一个I/O变量，在“变量名”处输入变量名，在“变量类型”处选择变量类型,在“连接设备”中选择先前定义好的I/O设备PLC。
4、建立动画连接
打开主界面，双击“开始”按钮，出现动画连接。

图5-1 液体混合装置的组态模拟示意图

总 结
此次液体混合装置的PLC程序控制设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对课题“两种液体自动混合装置的PLC程序控制设计，我纠正了单纯的理论学习状态和眼高手低的不良习惯。
通过这次设计，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的科学素养，在没有做实践设计以前，我对知识的掌握都是理论上的，对一些细节不加重视，因此在实际中遇到了很多困难，通过查阅资料和询问同学、老师，我对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距，也真正应了那句话：实践是检验真理的唯一标准。在这里也非常感谢刘老师对我的耐心指导

参考文献
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[15] 廖常初.PLC应用技术问答.机械工业出版社，2006.
[16] 西门子有限公司.ST-200CN产品目录.2006.

致 谢
感谢李艺深等同学在程序图设计方面给与我的帮助！
感谢刘晓秋老师在论文格式和系统设计方面给与我的帮助！
感谢我的PLC老师在组态软件运行分析方面给与我的帮助！

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