两种液体混合装置PLC控制新版专业系统设计.doc

摘 要
S7-200 是一个小型可编程序控制器，适适用于各行各业，多种场所中检测、监测及控制自动化。S7-200系列强大功效使其不管在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功效。所以S7-200系列含有极高性能价格比。
本系统使用S7-200PLC实现了对液体混合装置自动控制要求。同时控制系统利用仿真设备不仅能满足两种液体混合功效，而且能够扩展其功效满足多个液体混合系统功效。提出了一个基于PLC 多个液体混合控制系统设计思绪, 提升了液体混合生产线自动化程度和生产效率。文中具体介绍了系统硬件设计、软件设计。其中硬件设计包液体混合装置电路框图、输入/输出分配表及外部接线；软件设计包含系统控制梯形图、指令表及工作过程。在本装置设计中，液面传感器和电阀门和搅动电机采取对应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。整个程序采取结构化设计方法, 含有调试方便, 维护简单, 移植性好优点.
关键词：PLC ；液体混合装置；程序

目 录
1 液体混合装置控制系统设计任务 2
1.1课程设计目标 2
1.2 设计内容及要实现目标 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统硬件配置及组成原理 3
2.2 系统接线图设计 3
3 控制系统设计 4
3.1 估算 4
3.2硬件电路设计 4
3.3选型 6
3.4分配表设计 6
3.5 外部接线图设计 7
3.6 控制程序步骤图设计 8
3.7 控制程序设计 8
3.8 创新设计内容 10
4 系统调试及结果分析 11
4.1 系统调试 11
4.2 结果分析 11
总 结 12
致 谢 13
参考文件 14

1 液体混合装置控制系统设计任务
1.1课程设计目标
在工艺加工最初，把多个原料再适宜时间和条件下进行需要加工以得到产品一直全部是在人监控或操作下进行，在以后多用继电器系统对次序或逻辑操作过程进行自动化操作，不过现在伴随时代发展，这些方法已经不能满足工业生产实际需要。实际生产中需要更正确、更便捷控制装置。
伴随科学技术日新月异，自动化程度要求越来越高，原来液体混合远远不能满足目前自动化需要。可编程控制器液体自动混合系统集成自动控制技术，计量技术，传感器技术等技术和一体机电一体化装置。充足吸收了分散式控制系统和集中控制系统优点，采取标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器多个液体自动混合控制系统特点：
1） 系统自动工作；
2） 控制单周期运行方法；
3） 由传感器送入设定参数实现自动控制；
4） 开启后就能自动完成一个周期工作，并循环。
本系统采取PLC是基于以下两个原因：
1） PLC含有很高可靠性，通常平均无故障时间全部在30万小时以上；
2） 编程能力强，能够将模糊化、模糊决议和解模糊全部方便地用软件来实现。
依据多个液体自动混合系统要求和特点，我们采取PLC含有小型化、高速度、高性能等特点，可编程控制器指令丰富，能够接多种输出、输入扩充设备，有丰富特殊扩展设备，其中模拟输入设备和通信设备是系统所必需，能够方便地联网通信。
1.2 设计内容及要实现目标
利用西门子PLCS7-200系列设计两种液体混合装置控制系统。在试验之前将容器中液体放空，按动开启按钮SB1后，电磁阀A通电打开，液体A流入容器。当液位高度达成中限位时，液位传感器I0.0接通，此时电磁阀A断电关闭，而电磁阀B通电打开，液体B流入容器。当液位达成上限位时，液位传感器I0.1接通，这时电磁阀B断电关闭，同时开启电动机M搅拌。60分钟后电动机M停止搅拌，这时电磁阀C通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到下限位后，再延时5s电磁阀C断电关闭，并同时开始新周期。 图1.1 两种液体混合装置
2 系统总体方案设计
依据设计要求，本系统为两种液体自动混合，需要对多种液体液面高度监控，所以，需要利用到传感器进行液面高度监控。多种液体入池百分比需要应用电磁阀控制，入池后搅拌，则需要电机控制。对各个控件控制，需要一个完整控制步骤，利用PLC技术进行编程，能够实现对各个控件控制。
具体控制方法依据题目要求，按下开启按钮时，A种液体进入容器，当达成一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达成一定值时，停止进入。搅拌机进行搅拌，一分钟后搅拌均匀，停止搅拌，放出液体。液体放出达成一定值时停止放出。液体进入和放出，需要电磁阀控制，液面深度需要传感器控制。
2.1 系统硬件配置及组成原理
在炼油、化工、制药、饮料等行业中，多个液体混合是必不可少程序，而且也是其生产过程中十分关键组成部分。
我准备设计一个能够将两种食用液体自动混合成饮料控制装置，两种饮料分别命名为液体A和液体B。基础设计硬件以下表所表示：
表2.1 设计硬件选择
名称
型号
数量
微型计算机
专用计算机
1台
PLC主机单元
西门子S7-200系列
1台
两种液体自动混合单元
配套
1台
通信电缆
配套
若干
图
液体混合控制装置控制模拟试验面板图图2.1所表示，此面板中，液面传感器用钮子开关来模拟，开启、停止用动合按钮来实现，液体A阀门、液体B阀门、混合液阀门打开和关闭和搅匀电机运行和停转用发光二极管点亮和熄灭来模拟。
图2.1 液体混合控制装置控制模拟试验面板图
2.2 系统接线图设计
表2.2　输入/输出接线列表
面板
SB1
SB2
H
I
L
Y1
Y2
Y3
KM
PLC
I0.3
I04
I0.1
I0.0
I0.2
Q0.3
Q0.0
Q0.1
Q0.2

3 控制系统设计
3.1 估算
首先统计被控设备对输入、输出点总需求量，把被控设备信号源一一列出，认真分析输入、输出点信号类型。
在初始状态时，依据要求要实现液体自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必需为关闭状态，容器为空。此时液体控制电磁阀Y1=Y2=Y3=OFF状态；传感器L1=L2=L3=OFF状态；电动机M为关闭状态。
在开启操作中，当装置和液体全部准备好以后，按下开启按钮,开始下列操作:
1) Y1=ON,液体A流入容器;当液面抵达L2时,Y1=OFF,Y2=ON;

2) 液体B流入,液面达成L1时,Y2=OFF,M=ON,电动机开始进行液体充足混合搅拌;
3) 当混合液体搅拌均匀后(设时间为60s),M=OFF,Y3=ON,开始放出混合液体;
4) 当液体下降到L3时,L3从ON变为OFF,把时间控制为再过5s后容器放空,关闭Y3,Y3=OFF完成一个操作周期;
5) 在只要没有按停止按钮状态下,则自动进入下一个循环操作周期。
在停止操作中，当工作完成以后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在目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，方便下次开启系统时能够顺利开始系统循环。
3.2硬件电路设计
3.2.1液位传感器选择
选择LSF-2.5型液位传感器
其中“L”表示光电，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀，2.5为最大工作压力。
LSF系列液位开关可提供很正确、可靠液位检测。其原理是依据光反射折射原理，当没有液体时，光被前端棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生改变，对应晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF 光电液位开关含有较高适应环境能力，在耐腐蚀方面有很好抵御能力。
相关元件关键技术参数及原理以下：
（1）工作压力可达2.5Mpa
（2）工作温度上限为125°C
（3）触点寿命为100万次
（4）触点容量为70w

（5）开关电压为24V DC
（6）切换电流为0.5A
3.2.2 搅拌电机选择
选择EJ15-3型电动机
其中“E”表示电动机，“J”表示交流，15为设计序号，3为最大工作电流
相关元件关键技术参数及原理以下：
EJ15系列电动机是通常见途全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。
（1）额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采取三角形接法。
（2）电动机运行地点海拔不超出1000m。工作温度-15～40°C /湿度≤90%。
（3）EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。其硬件接线图3.1。

图 图3.1 硬件接线
3.2.3 电磁阀选择
（1）入罐液体选择VF4-25型电磁阀
其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（mm） 宽度。
相关元件关键技术参数及原理以下：
1）材质：聚四氟乙烯。使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性液体。
2）介质温度≤150℃/环境温度-20～60°C。
3）使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz  DC：24V。
4）功率：AC：2.5KW。
5）操作方法：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应快速，高频率。
（2）出罐液体选择AVF-40型电磁阀
其中“A”表示可调整流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径(mm)
相关元件关键技术参数及原理以下：
1）其最大特点就是能经过设备上按键设置来控制流量，达成定时排空效果。
2）其阀体材料为：聚四氟乙烯，有比较强抗腐蚀能力。
3）使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz  DC：24V。
4）功率：AC：5KW。
3.2.4 接触器
选择CJ20-10/CJ20-16型接触器。
其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流。
相关元件关键技术参数及原理以下：

（1）操作频率为1200/h
（2）机电寿命为1000万次
（3）主触头额定电流为10/16（A）
（4）额定电压为380/220（A）
（5）功率为2.5KW
3.3选型
PLC型号、规格繁多，依据前面3.1I/O估算，再查阅《西门子PLC编程手册》中相关表格，确定PLC选型。
依据以上分析，对PLC来说，需要提供5个输入点和4个输出点。除了以上输入输出点意外，PLC和计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发觉部分估算中未预见到原因，要依据实际情况增加部分输入、输出信号。所以，要按估量数再增加15%―20输入、输出点数，以备未来调整、扩充使用。总而言之，I/O估算为：输入点点数为8，输出点点数为7。
总而言之，点数在30以内，为方便扩展，选择S7-200系列CPU 224型。
3.4分配表设计
在了解了系统工艺要求和控制要求后,接着要做就是将I/O通道分配给PLC指定I/O端子,具体如表3.1所表示。
表3.1 I/O分配表
分类
元件
端子号
作用

输
入

SB1
I0.3
起动按钮
SB2
I0.4
停止按钮
L1
I0.1
液面高位传感器
L2
I0.0
液面中位传感器
L3
I0.2
液面低位传感器

输
出
M

Q0.2
搅拌电动机
Y1
Q0.0
液体A流入电磁阀
Y2
Q0.1
液体B流入电磁阀
Y3
Q0.3
放出混合液体电磁阀

3.5 外部接线图设计

图3.2 PLC外部接线图
图3.3 装置操作面板

图3.2所表示，PLC外部接线图左边一排为输入，其中I0.3，I0.1，I0.3，I0.2，I0.4分别和SB1，SB2，L1，L2，L3相连;右边一排为输出，其中Q0.2，Q0.0，Q0.1，Q0.3分别和Y1，Y2，Y3，KM相连。图3.3所表示起停按钮P1，P2分别和主机I0.3，I0.4相连，液面传感器P3，P4，P5分别和主机输入点I0.1I0.3，I0.2相接，液体A阀门，液体B阀门，混合液体阀门和搅拌机P6，P7，P8，P9分别和主机输出点Q0.0，Q0.1，Q0.3，Q0.2相连。

3.6 控制程序步骤图设计

图3.4 控制程序步骤图
3.7 控制程序设计
依据系统要求及I/O通道分配,写出继电器梯形图，图3.5所表示。具体设计思绪以下：
1) 起始操作：
在按开启按钮I0.3以后，使Q0.0得电，打开电磁阀A，从而使液体A流入容器。
2) 当液位上升到中限位时：
当液面上升到中限位时,I0.0由OFF变为ON,使Q0.0断电，关闭电磁阀A。同时使Q0.1得电，打开电磁阀B，从而使液体B流入容器
3)当液位上升到上限位时：
当液面上升到上限位时, I0.1由OFF状态变为ON状态,使Q0.1断电，关闭电磁阀B。同时使Q0.2得电，开启搅拌机M。此时开启定时器T37，60s后T37动作，使Q0.2失电。
4)搅拌均匀后放出混合液体：
在Q0.2下降沿经过后沿微分指令DIFD使Q0.3置位,打开电磁阀C，开始放出混合液体。
5)当液位下降到下限位时：
当液位下降到下限位时,开启定时器T38,5s后使Q0.3失电，关闭电磁阀C,此时液体已放空。
6)自动循环工作：
在没有按停止按钮I0.4情况下,系统将在T38记时时间到了时,使Q0.0置位,自动进入下一操作周期。从而实现混合液体PLC自动控制循环工作。
7)停止操作：
当按下停止按钮时,停止按钮I0.4为ON状态,不能使电磁阀A、B、C断开,系统实施完本周期操作后,将自动停留在初始状态。
使用S7-200西门子简易编程器编入梯形图，以下所表示。
图3.5 梯形图
3.8 创新设计内容
此次设计过程中，我有部分自己想法。
1） 搅拌桶内液位传感器可靠性不强，能够试着改为灵敏性强、可靠性高检测仪器。避免因为输入液体时，飞溅液体触碰到液位传感器而造成发犯错误信号。
2） 在电路中提供一个备用电源，这么做目标就是确保掉电以后也能使系统完成该周期工作，从而确保系统在完成目前周期操作时，停止在初始状态，使容器为空。方便在恢复电源后能顺利从第一步开始进行循环。这么就避免了在混合一些化学物质，比如含有腐蚀性物质时。因为掉电，长时间储存在容器中，从而造成对装置腐蚀或损坏；也避免了引发环境污染可能。同时替换了掉电保持这么一个麻烦和考虑不周过程。

4 系统调试及结果分析
4.1 系统调试
利用调试程序进行系统静调。模拟两种液体混合装置操作过程，对控制程序作部分改动，使之变成可连续运行调试程序。具体作法以下：
设PLC进入运行方法后：
经过一定准备时间，模拟按下开启按钮，Q0.0指示灯亮；
一段时间后，液面上升到L2位置，Q0.0指示灯灭，Q0.1指示灯亮；
一段时间后，液面上升到L1位置，Q0.1指示灯灭，Q0.2指示灯亮；
一段时间后，Q0.2指示灯灭，Q0.3指示灯亮；
一段时间后，液面低于L3位置，Q0.1指示灯灭，Q0.0指示灯亮，目前操作周期结束，自动进入下一个操作周期。
在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，全部运行立即结束。
调试结束。
4.2 结果分析
基于以上设计和调试，两种液体混合装置系统设计基础结束。测试结果满足课题给定要求。

总 结
这次课程设计是很难得一次理论和实践相结合机会，经过这次这次对“液体自动混合装置PLC控制”设计使我摆脱了单纯理论学习状态，和眼高手低毛病，经过此次PLC课程设计，使我了解到PLC关键性。
电气控制和可编程控制器是一门极其关键课程，她综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展社会，PLC技术越来越受大家广泛应用，前景可观，所以学会和利用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其关键帮助，在此次设计中，我们碰到了很多困难，经过对本身查找，我找出几点不足之处：
1，不太会利用查翻资料。碰到困难，首先不先查看资料，过多依靠同学和老师帮助，相对不独立。
2，学习认真程度不够，学习热情不高基础相对微弱，掌握知识太少。
3，设计时对时间合理安排上欠妥。但正是这次设计，让我认识到自己不足，为以后以后工作学习找到了方向和前进动力。
经过这次PLC课程设计实践。我学会了PLC基础编程方法，对PLC工作原理和使用方法也有了更深刻了解。在对理论利用中，提升了我们工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知识撑握全部是理论上，对部分细节不加重视，当我们把自己想出来程序用到PLC中时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行结果和要求结果不相符合。这么，我就只能一个一个问题去处理，经过查阅资料或是请教同学，一次一次调试程序，最终达成设计要求。使得我对PLC 了解得到加强，看到了实践和理论差距。

最终经过此次课程设计，使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中关键地位；经过此次课程设计，使我更深刻了解了PLC编程思想，也能愈加好将所学知识应用到实践中动。所以学好这门课程对以后发展有举足轻重地位。

致 谢
短暂一星期设计就这么结束了，虽说时间很短暂但学到东西很多。在此感谢***老师谆谆教导和孜孜不倦教导，老师广博学识、严谨治学精神和一丝不苟工作作风深深影响了我，使我终生受益。
同时，在行文过程中，也得到了很多同学宝贵提议，在此一并致以真挚谢意。最终，我向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见各位老师表示衷心地感谢！

参考文件
【1】戚长政 《自动机和生产线》 科学出版社
【2】蔡杏山 《 零起步轻松学西门子S7-200PLC技术》 人民邮电出版社
【3】马桂香 《电气控制和PLC应用》 化学工业出版社
【4】何友华 《可编程序控制器及常见控制电器》 冶金工业出版社
【5】肖清 《西门子PLC课程设计指导书》 化学工业出版社