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论文

基于西门子PLC的液体混合控制系统的开发

申请人：
学科（专业）：机械工程及自动化专业
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网络教育学院
毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书
三、毕业设计（论文）基本要求：

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西安交通大学网络教育学院论文

摘　要

随着我国工业的发展，特别是轻工业的迅速发展，对设备的自动化控制程度要求日益提高。在烟草行业，香料液的工艺质量对卷烟的口感起着决定性的作用。最初，对香料液的混合方式停留在最基础的简单仪表测量称重人工混合方式，进而发展为单片机控制。随着要求的不断提高，发展为目前的PLC控制，国内有一定人群的自动化工作者对其进行了大量的研究和实践。本文就是以德国西门子PLC为硬件设计和软件编程，并通过系统调试，达到自动混合液体的目的，提高了液体混合生产的自动化程度和生产效率，基本适合于工业生产要求，其便于维修和保养。
关键词：多种液体；混合装置；自动控制；PLC

论文类型：应用基础

目 录
1、绪论 2
1.1课题背景 2
1.2技术的发展趋势 2
1.3设计的目的 3
2、可编程控制器的基本结构及工作原理 4
2.1模块式PLC的基本结构 4
2.1.1 CPU模块 4
2.1.2 信号模块 4
2.1.3 功能模块 5
2.1.4接口模块 5
2.1.5 通信处理器 5
2.1.6 电源模块 5
2.1.7 编程设备 5
2.2可编程控制器的工作原理 5
2.3可编程控制器的主要功能 6
2.4可编程控制器的主要特点 7
3、液体自动混合装置的PLC实现 8
3.1 液体混合装置示例 8
3.2 液体混合装置控制要求 9
3.3 PLC硬件的选择 9
3.4 PLC硬件的实现 10
3.4.1 机型选择 10
3.4.2 I/O点数分配 10
3.4.3 液体混合装置I/O外部接线图 10
3.5 PLC软件的实现 11
3.5.1 STEP7软件简介 11
3.5.2 硬件组态 11
3.5.3液体自动混合装置控制程序 14
3.5.4程序梯形图 16
4、结论 21
参考文献 22
致 谢 23
1、绪论
1.1课题背景
随着我国工业水平的迅猛发展，自动控制技术已在我国各行业各领域中应用日益广泛。自动控制水平成为生产制造行业先进性的标志。在烟草行业中，香料液的自动混合是必不可少的工艺过程，是制丝工艺中十分重要的一部分。香料液的混合过程大致如下：将多种液体按先后顺序，按一定比例混合。在香料液混合过程中存在一些问题，如生产过程中的介质易燃易爆，工作环境十分恶劣，不适合人操作等一系列问题。目前的烟草行业处于深化改革阶段，国家烟草专卖局烟草总公司提出“国家利益至上，消费者利益至上”的行业共同价值观，要求企业在生产过程中严把质量关，不断提高生产质量，缩短生产周期，这就要求我们生产由以前简单的人工操作、机械化、半自动化向着自动化、智能化方向发展，确保生产过程中产品质量控制符合要求。而对于香料液混合加工这一及其重要的工艺过程我们应如何来保证其质量？如何来控制，成为本行业中亟待解决的问题。
1.2技术的发展趋势
当前，各行业液体自动混合装置的控制方式有以下四种：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。下面就来简单介绍一下它们：
继电器控制，该控制方式是用传统的继电器实现的。我们根据需要，将不同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。此种控制方式虽然可以基本满足生产需要，但是系统过于复杂，控制柜中各继电器及相关元件之间接线复杂，灵活性差，相应速度慢冗余度低，多个继电器中有任何一个继电器损坏，都会造成整个系统全面瘫痪，无法正常工作，设备维护人员排除和查找故障时往往非常困难。单片机控制，单片机是一个超大规模的集成电路。结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为工控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是片集成电路，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，它的硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。工业控制计算机控制，工业控制计算机采用总线结构。各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端可靠。可编程序控制器控制，可编程序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，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
1.3设计的目的
本课题要解决的主要问题是烟草行业中香料液的混合生产问题，使得多种原液能够快速、安全的实现自动混合，并达到生产工艺要求。设计中所混合的原液为三种，三种液体依次定量流入缸中，在电动机搅拌均匀后将混合液输出。其中所有环节都将由传感器、接触器、电磁阀等设备配合PLC的控制进行，实现整个流程的自动化、准确化和较高的精度要求。液体自动混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体的加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。

2、可编程控制器的基本结构及工作原理
2.1模块式PLC的基本结构
可编程控制器即PLC，是英文Programmable Logic Controller的缩写。本文中所使用的PLC型号为西门子公司的S7-300 PLC。西门子的PLC以极高的性能价格比，在国际、国内市场占有很大的份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300 PLC属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器，电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到网络上，与计算机、其他PLC或其他设备通信。下图是PLC的控制系统组成图。

2.1.1 CPU模块
CPU模块主要由微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来储存程序和数据。S7-300将CPU模块简称为CPU。
2.1.2 信号模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块，简称为SM。信号模块是系统的耳、眼、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
2.1.3 功能模块
为了增强PLC的功能，扩大其应用领域， 减轻CPU负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。他们主要用于完成某些对实时性和存储量要求很高的控制任务，例如高速计数、位置控制和闭环控制等。
2.1.4接口模块
CPU所在的机架为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。
2.1.5 通信处理器
通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将S7-300接入工业以太网、MPI、PROFIBUS-DP和AS-i，或者用于实现点对点通信等。CPU模块集成有MPI通信接口，有的CPU模块还集成了其他通信接口。
2.1.6 电源模块
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为稳定的DC24V电压，供其他模块和输出模块的负载使用。
2.1.7 编程设备
S7-300一般使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，可以生成和编辑各种文本程序或图形程序，实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络可以实现远程编程和传送。编程软件还有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。
2.2可编程控制器的工作原理
PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。在可编程控制器开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描工作过程大致可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期性循环。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入（写入）各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即时输入状态有变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。
（2）程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，所需的执行条件可从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经过相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中。所以，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
（3）输出刷新阶段
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作，这就是PLC的实际输出。
经过这三个阶段，完成一个扫描周期。实际上PLC在程序执行后还要进行各种错误检测（自诊断）并与外部设备进行通信，这一过程称为“监视服务”。由于扫描周期为完成一次扫描所需的时间（输入采样、程序执行、监视服务、输出刷新），其长短主要取决于三个因素，即CPU执行指令的速度、每条指令占用的时间和执行指令的数量，即用户程序长短，一般不超过100ms。
2.3可编程控制器的主要功能
随着技术的不断发展，目前PLC已能完成以下功能；
（1） 开关逻辑控制
PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现梯形图中触点和电路的串并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍布各行业，甚至深入到民用和家庭
（2） 运动控制
PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴联动的位置控制，是运动控制与顺序控制功能有机的结合在一起。
（3） 数据控制
现代的PLC具有四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、位移、浮点数运算等运算功能，以及数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值做比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将他们打印制表。
（4） 通信联网
PLC的通信功能包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成分布式管理系统。
2.4可编程控制器的主要特点
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性能价格比高
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
（4）可靠性高，抗干扰能力强
（5）系统的设计、安装、调试工作量少
（6）维修工作量小，便于维护

3、液体自动混合装置的PLC实现
3.1 液体混合装置示例
此类液体混合装置用于我车间香料厨房，用于生产烟丝加工过程中所使用的香料液。为了实现该液体混合装置的PLC控制，我们先来了解一下液体混合装置的示意图：

该混合装置与三个原液料罐相连，三个原液料罐分别向该混合装置提供液体甲、液体乙、液体丙。Y1，Y2，Y3为三个型号相同的二通电磁阀，用于控制三条管路的通断。L1，L2，L3为三个型号相同的液位传感器，用来检测混合料液的液位高度。M为混合液体的搅拌电机，当三种原液经过管路到达混合装置时，该搅拌电机开始工作，使料液均匀混合。Y是混合料液的排出电磁阀，当液体混合完成后，由该阀排出料液。
3.2 液体混合装置控制要求
我车间HM牌号烟丝的香料液要求甲、乙、丙三种液体按1:1:0.5的比例进行混合，混合后的液体送下一工序进行处理。具体控制如下：
（1） 初始状态时，混合装置为空，电磁阀Y1，Y2，Y3，Y均为关闭状态。当接通电源时，电磁阀Y打开20s，清除容器内的残存液体。
（2） 按下启动按钮SB1，电磁阀Y1，Y2打开，甲乙两种液体流入容器中。当液体到达中液面时，中液面传感器L2动作，电磁阀Y1，Y2关闭，同时电磁阀Y3打开，丙液体开始流入容器中。
（3） 当液面到达高液面时，高液面传感器L3动作，电磁阀Y3关闭，同时搅拌电机M启动运转，对液体进行搅拌操作。
（4） 经过1min后，电机M停止搅拌。电磁阀Y打开，混合液体从电磁阀Y中排放出来。
（5） 当液面下降到低液面时，低液面传感器L1动作，经过20s后，容器中混合液体排除干净，电磁阀Y关闭，完成一个周期的工作，且自动进入下一个周期。
（6） 若在生产过程中按下停止按钮SB2时则要求程序能保证程序当前一个周期的操作全部处理完成后，并回到初始状态。

3.3 PLC硬件的选择
本次设计选用西门子公司生产的S7 PLC。西门子公司目前常用的PLC有三大系列，S7-200,S7-300,S7-400。其中S7-300,PLC应用最为广泛，由于其系统配置固定灵活、编程简单、运算速度快、外部机器的通讯简单化、可运用共同的外部设备等特点，因此选S7-300 PLC作为本次控制系统的硬件设备。

3.4 PLC硬件的实现
3.4.1 机型选择
在本设计中，输入装置有：一个启动按钮、一个停止按钮、三个液位传感器，共5个输入触点。
输出装置有：三个原液阀门、一个混合液阀门、一个搅拌电机触点，共5个输出触点。
根据设计要求及控制要求，选定PLC型号为S7-300。
根据设计要求及控制要求，选择如下模块：
电源模块：PS 307 10A 6ES7 307-1KA02-0AA0
CPU 模块：CPU 315-2 DP 6ES7 315-2AF00-0AB0
数字量输入输出模块：DI8/DO8x24V/0.5A 6ES7 323-1BH00-0AA0

3.4.2 I/O点数分配
液体混合装置的 I/O点数分配及功用如表1所示。
表 1 I/O点数分配表
输入
输出
I0.0
SB1
启动按钮
Q0.0
Y1
液体甲阀门
I0.1
SB2
停止按钮
Q0.1
Y2
液体乙阀门
I0.2
L1
液位传感器1
Q0.2
Y3
液体丙阀门
I0.3
L2
液位传感器2
Q0.3
Y
混合液阀门
I0.4
L3
液位传感器3
Q0.4
M
搅拌电机
3.4.3 液体混合装置I/O外部接线图
液体混合装置I/O外部接线图如图12所示。其中外部接线中接入“硬”互锁触点Y、Y1、Y2、Y3，以保证工作过程中三种液体阀门不会同时接通，避免混合液过量影响混合精度。

3.5 PLC软件的实现
3.5.1 STEP7软件简介
STEP7为西门子的编程软件，西门子称之为标准工具。实际上STEP7的功能已经远远地超出了编程软件的范畴。STEP7用于对整个控制系统（包括PLC，远程I/O，HMI，驱动装置和通信网络等）进行组态、编程和监控。
STEP7主要有以下功能：
（1） 组态硬件，即在机架中放置模块，为模块分配地址和设置模块的参数。
（2） 组态通信连接，定义通信伙伴和连接特性。
（3） 使用编程语言编写用户程序。
（4） 下载和调试用户程序、启动、维护、文件建档、运行和诊断功能。

3.5.2 硬件组态
（1）打开STEP7软件，创建新项目插入S7-300站点。

（2）单击刚插入的S7-300站点，打开硬件组态，插入S7-300机架

（3）在第一槽中插入电源模块：PS 307 10A 6ES7 307-1KA02-0AA0

（5） 在第二槽中插入CPU 模块：CPU 315-2 DP 6ES7 315-2AF00-0AB0

（6）第三槽空出，在第四槽中插入数字量输入输出模块：DI8/DO8x24V/0.5A 6ES7 323-1BH00-0AA0

3.5.3液体自动混合装置控制程序

3.5.4程序梯形图

4、结论
以上就是本次的毕业设计，本次设计实现用PLC来对液体自动混合装置的控制。其中包括前期课题背景的搜集、查阅及整理；中期控制工艺和控制要求的认知、了解与掌握；后期系统的选型、硬件的设计、软件的设计及软件编程等几个方面。从最初对液体自动混合装置的懵懂，到对PLC的认知与掌握，最后根据液体自动混合装置的控制工艺来实施系统硬件选取、软件编程等一系列操作，完全达到本次设计的全部设计要求，完成了毕业设计的全部任务。
通过这次毕业设计，不仅使我对所学的专业知识有了系统的了解，也使我对所学知识在实践中的应用有了更深入才对认识，本次设计是理论与实践的结合，在设计的过程中不仅提高了能力，而且学到了许多新的知识。同时得到了以下几方面的收获：
（1）首先在课题认知方面，培养了我查阅资料、收集数据的能力。了解了液体自动混合及PLC控制在实际生产及工业制造领域中的作用。
（2）设计方面，以往工作期间从未做过电工方面的设计，本次设计也是一次新的尝试，让我对电工类设计及程序设计有了一个系统的学习过程。
（3）对与设计中涉及到的结构图与流程图，使我对软件操作进一步掌握，提高了Solid Works、AutoCAD、Office等软件的使用能力。
本次毕业设计也露出了许多不足：
（1）不太会利用书籍查阅资料，过于依赖网络上现有的资源。遇到困难时，思想太过于复杂。
（2） 学习认真程度不够，学习热情不高，电工方面基础知识相对薄弱，掌握的太少。
（3）设计时对时间的合理安排不妥。但正是这次设计，让我认识到了自己的不足，为以后的工作学习找到了方向和前进的动力。
（4）在设计过程中体会到了理论与实践之间的差距，要想在某个领域取得成功，除了专业知识外还需要严谨、一丝不苟的学习精神。

参考文献
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[10]周美兰主编.PLC电气控制与组态.北京科学出版社,2003.6
[11]陈远龄主编.机床电气自动化.重庆大学出版,2004.4
致 谢
毕业设计已结束，本次设计从选题到完成整个过程得到了师的悉心指导。从老师身上不仅学到了理论知识，更多的是待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，使人倍感温馨。
在此真诚的感谢刘健老师。愿导师合家欢乐，一生平安，工作顺利。也感谢各位老师和同学，祝愿大家以后工作顺利。谢谢！！

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