液体自动混合控制系统设计

广东岭南职业技术学院毕业设计（论文）

学生姓名 宁常娇

指导教师 黎川林

专 业 机电一体化

班 级 13级明美 班

二级学院 现代制造学院

2015年

7 月

摘 要

PLC是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，也可以说它是一种用程序来改变控制功能的计算机。随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程序控制器PLC已在工业控制中得到广泛应用，而且所占比重在迅速的上升。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。它应用于工业混合搅拌设备，使得搅拌过程实现了自动化控制、并且提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机械顺利、有序、准确的工作创造了有力的保障。本文所介绍的多种液体混合的PLC控制程序可进行单周期或连续工作，具有断电记忆功能，复电后可以继续运行。另外，PLC还有通信联网功能，再通过组态，可直接对现场监控、更方便工作和管理。

关键词：PLC，液位传感器，定时器

目 录

前 言 ................................................................................................ 5

第1章液体自动混合系统方案设计 .................................................. 7

1.1方案设计原则 ......................................................................... 7

1.2 系统的整体设计要求 ............................................................ 7

1.3控制方式系统的要求的设计 .................................................. 8

1.4系统方案的设计思想 ............................................................. 9

第2章液体自动混合系统的硬件设计 ............................................ 11

2.1硬件选型 ............................................................................... 11

2.1.1 PLC机型选择 .............................................................. 11

2.1.2 PLC容量选择 .............................................................. 12

2.1.3 I/O模块的选择 ............................................................ 13

2.1.4 电源模块的选择 ......................................................... 14

2.2 PLC I/O点分配 .................................................................... 15

2.2.1分析原理 ...................................................................... 15

2.2.2 PLC的I/O接线图 ....................................................... 16

2.3主电路的设计 ....................................................................... 16

2.4 液体混合控制系统示意 ...................................................... 17

第3章 液体自动混合系统的软件设计 .......................................... 19

3.1 程序设计的一般方法 .......................................................... 19

3.1.1经验设计法 .................................................................. 19

3.1.2逻辑设计法 .................................................................. 19

3.1.3顺序设计法 .................................................................. 19

3.2 PLC控制的相关流程图 ....................................................... 20

3.2.1 控制流程图 ................................................................. 20

3.3 可编程控制器梯形图 .......................................................... 20

第4章 组态设计 ............................................................................. 24

4.1组态王软件 ........................................................................... 24

4.2组态王相关操作 ................................................................... 24

第5章 系统调试 ............................................................................. 30

5.1系统模拟调试 ....................................................................... 30

5.2系统联机调试 ....................................................................... 30

第6章 系统常见故障分析及维护 .................................................. 33

6.1 系统常见故障分析及维护 ................................................... 33

6.2 系统故障分析及处理 ........................................................ 33

6.2.1 PLC主机系统故障分析及处理 ................................... 33

6.2.2 PLC的I/O端口系统故障分析及处理 ........................ 34

6.2.3 现场控制设备故障分析及处理 .................................. 34

6.3 系统抗干扰性的分析和维护 ............................................... 34

结 论 .............................................................................................. 36

谢 辞 ................................................................................................ 37

参考文献 ........................................................................................... 38

前 言

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。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，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以为了帮助相关行业，特别是中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学工业中，便于学以致用。

计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），简称PLC（有的称为PC),并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外技术人员和工商业界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

采用基于PLC的控制系统来取代园林单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性，对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔是市场前景。用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC用于两种液体混合装置的设计的控制，对学习与实用是很好的结合。

本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：

1.液体混合装置能够实现对混合罐安全、高效的加液、混液、出液的控制；

2.满足混合液的各项技术要求；

3.具体内容包括两种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等

第1章液体自动混合系统方案设计

1.1 方案设计原则

整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编写按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工作条件：工程对电气控制线路提供的具体资料，系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下，尽量做到经济、合理、合用，减小设备成本。在方案的选择、元器件的选型时更多的考虑新技术、新产品。控制由人工控制到自动控制，由模拟控制到微机控制，使功能的实现由一到多而且更加趋于完善。

对于本课题来说，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的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控制系统中既需要处理模拟量也需要处理大量的开关量。系统的可靠性要高。人机交互界面友好，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，需要从怎样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，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2 系统的整体设计要求

在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：

1.混合过程：开始排放混合液体阀打开延时10S后自动关闭，A液体阀Y1打开，注入A液体。当液面上升到SL2时，关闭A液体阀Y1，同时注入B液体阀Y2打开，注入B液体。当液面上升到SL3时，关闭B液体阀，并开始定时搅拌，搅拌10S后停止。

2.停止过程：停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到SL1时，开始计时到10S后关闭排气阀Y4。一个循环结束。

3.当系统发生故障时，报警灯闪烁。保护动作自动关闭相应的阀门和开启相应的阀门。停止混合系统运行。

4.本设计使用液位H、I、L 3个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。

1.3 控制方式系统的要求的设计

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、工业控制计算机控制、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，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/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、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相当大。

3.工业控制计算机控制

工控机采用总线结构，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，不如接线端子可靠。

4.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。

可编程控制器(PLC)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。由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。故选择PLC来实施本次设计。

(1) 开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

(2) 运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

(3) 闭环过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

(4) 数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

(5) 通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.4 系统方案的设计思想

控制系统简单、经济、使用和维护方便。物料混合设备要节能、安全、高效和满足生产及应用要求：

1．可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2．配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

3．易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4．系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

5．体积小，重量轻，能耗低

6．硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强

第2章 液体自动混合系统的硬件设计

2.1 硬件选型 2.1.1 PLC机型选择

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。

1．结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。

2．功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

3．机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

4．是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

5．PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：

温度：工作温度0～55℃，最高为60℃ 储存温度： -40℃～＋85℃

湿度：相对湿度5%～95%(无凝结霜) 振动和冲击： 满足国际电工委员会标准

电源：交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz 瞬间停电保持l0ms

环境：周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

2.1.2 PLC容量选择

PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。

I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。

2.1.3 I/O模块的选择

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环

境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过 通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。

1．确定I/O点数

I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。

2．开关量I/O

标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。

3．选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。

4．选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交／直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高反电压，必须采取

抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。

2.1.4 电源模块的选择

电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般规则：

1．确定电源的输入电压；

2．将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；

3．I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流： （1） 框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；

（2） 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。

4．如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理； （1） 列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流； （2） 将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤。

5．在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。

6．根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。

具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然使用场合也有所不同。因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技术经济指标意义重大。

因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑： （1）合理的结构形式 （2）安装方式的选择 （3）相当的功能要求

（4）系统可靠性的要求

2.2 PLC I/O点分配

2.2.1分析原理

通过分析控制任务，如不考虑产量显示，则共需要5个数字量输入和7个数字量输出，CPU型号可以选择S7-200PLC的CPU224（本机上有14个数字量输入和10个数字量输出）。由于系统需要显示灌装的灌数，产量上限为1600，可以使用4个带译码电路的BCD数码显示管显示灌装产量，这样就另外需要16点数字量输出。可以使用2个数字量输出扩展模块EM22（DC24V）或使用一个数字量输入/输出混合扩展模块EM233(DI16/DO16*DC24V)。

SL1(L)、SL2(I)、SL3(H)为3个液位传感器，液体淹没时接通。进液阀QO.1、QO.2分别控制A液体和B液体进液，出液阀Q0.3控制混合液体出液。

该系统所使用的输入输出设备的I/O分配如表2-1所示。

表2-1输入和输出设备I/O分配表

2.2.2 PLC的I/O接线图

根据表2-1输入和输出设备及I/O点分配表画出图2-1 I/O主要接线图如下: 启动按钮SB1、停止按钮SB2分别由I1.0和I1.1控制。

图2-1 I/O接线图

2.3 主电路的设计

根据以上所选的CJX1-9，220V型接触器、DZ47-63系列小型断路器、JR16B-60/3D型热继电器和型号为Y90S-6/0.75KW的电动机可画出其硬件电气原理图如图2-2所示。

其中本次设计中的混合液体搅拌由电动机M启动。

带有短路保护、过载保护等，短路保护由FU熔断器来实现保护功能，过载保护由FR热继电器来实现其保护功能。

QS

FU1

KM

FR

图2-2主电路

2.4 液体混合控制系统示意

本设计为两种液体混合搅拌控制，其元件、要求如下：

1.初始状态 开始排放混合液体阀Y4打开延时10S后自动关闭 2. 启动操作 按下启动按钮SB1，液体装置开始按以下顺序工作： （1）进液阀Y1打开，A液体流入容器，液位上升。

(2）当液位上升到SL2（I）处时，进液阀Y1关闭，A液体停止流入，同时打开进液阀Y2，B液体开始流入容器。

（3）当液位上升到SL3（H）处，进液阀Y2关闭，B液体停止流入，同时搅拌电动机开始工作。

（4）当搅拌电机定时搅拌10S后制动停止搅拌，同时Y4打开，开始放液，液位开

始下降。

（5）当液位下降到SL1（L）处时，开始计时10秒后关闭放液阀Y4，自动开始下一个循环。

3.停止操作 工作中，若按下停止按钮SB2，装置不会立即停止，而是完成当前工作循环后再停止。

如图2-3所示， SL1（L）、SL2（I）、SL3（H）为3个液位传感器，液体淹没时接通。进液阀Y1、Y2分别控制液体A和液体B进液，出液阀Y4控制混合液体出液。

液体 液体B

SL3(H)

SL2(I)

SL1(L)

图2-3 搅拌系统示意图

第3章 液体自动混合系统的软件设计

3.1 程序设计的一般方法

3.1.1 经验设计法

经验设计法也叫凑试法。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的设计是比较凑效的，可以收到快速、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．做出系统动作工程流程图； 4．选择PLC指令并编写程序； 5．编写其它控制要求的程序；

将各个环节编写的程序联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。

3.1.2 逻辑设计法

工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。

3.1.3 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，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。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. 步于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则从左向右。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出初始步。

3.2 PLC控制的相关流程图

3.2.1 控制流程图

液体自动混合的控制是比较复杂的，要满足控制的要求，电梯在接收用户信号的同时，还要不断处理各种定时信号。液体混合动作的循环过程为：开阀门Y1-一关阀门Y1-开阀门Y2-关阀门Y2-搅拌一定时一放液体一定时一关阀门Y4-停止一个循环。同时在程序设计过程中应遵循定时原则。系统的软件流程图 ，如图3-1所示。

图3-1程序流程图

3.3 可编程控制器梯形图

标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点

1. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

3. 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。

4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

5. PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。功能左边画输入、右边画输出。

根据图3-1流程图，分析画出梯形图如3-2所示。

网络1

I1.0I1.1M0.0

M0.0

网络2

M0.0Q0.2Q0.0I1.1

Q0.1

Q0.1

T38

网络3

I1.3Q0.0M0.0Q0.4Q0.2

Q0.2

网络4

I1.4Q0.4M0.0Q0.0

Q0.0

网络5

Q0.0

IN

+100

PT

T37TON100ms

网络6

T37T38M0.0Q0.4

Q0.4

网络7

I1.2T38Q0.4M0.0M0.1

M0.1

网络8

M0.1

IN

+100

PT

T38TON100ms

图3-2梯形图

梯形图分析：

1.初始状态 当装置投入运行时，进液阀QO.1、QO.2关闭，出液阀QO.3 打开10秒将容器中的残存液体放空后关闭。

2.启动操作 按下启动按钮SB1，液体装置开始按以下顺序工作：

（1） 进液阀QO.1打开，A液体流入容器，液位上升。

（2） 当液位上升到SL2（I）处时，进液阀QO.1关闭，A液体停止流入，同时打开进

液阀QO.2，B液体开始流入容器。

（3） 当液位上升到SL3（H）处，进液阀QO.2关闭，B液体停止流入，同时搅拌电动

机开始工作。

（4） 当搅拌电机定时搅拌10S后制动停止搅拌，同时QO.3打开，开始放液，液位开

始下降。

（5） 当液位不能下降到SL1（L）处时，开始计时10秒后关闭放液阀QO.3，自动开

始下一个循环。

3.停止操作 工作中，若按下停止按钮SB2，待整个循环进行到结束，即待灌内液体排完，切断Y4，不再接通Y1，停止Y1，停止工作。

第4章 组态设计

4.1 组态王软件

系统的监控软件采用了北京亚控公司的kongview6．5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（HMI）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++直接访问组态王等。利用它来设计电梯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，运行调试等。

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，软件运行可靠。Touch View 是“组态王6．5”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。趋势曲线、工程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

4.2 组态王相关操作

首先创建工程路径，启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮。

1．设计图形界面（定义画面）

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，如“Test”，其它属性目前不用更改，（关于其它属性的设置请参见“第四章 组态王开发环境——工程浏览器”）。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如4-1图示。

图4-1 新画面对话框

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”。

图4-2 配置向导对话框

为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，填写设备地址，假设为1，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，请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IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。

图4-3 配置向导对话框

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，如：a；在“变量类型”处选择变量类型如：内存实数，其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。

下面继续定义一个IO变量，在“变量名”处输入变量名，如：b；在“变量类型”处选择变量类型如：IO整数；在“连接设备”中选择先前定义好的IO设备：PLC；

在“数据类型”中定义为：bit类型。其它属性目前不用更改，单击“确定”即可。 4．建立动画连接

打开主界面，双击“开始”按钮，出现动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入相应的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。这样，点击“开始”后，系统就开始运行，此按钮就相当于PLC 硬件图中的绿色启动开关。“停止”按钮的动画连接设置类似打开主界面，双击目前温度值下面的框，出现动画连接画面。在模拟值输出左边打钩，

出现模拟值输出连接画面。点击表达式框右边的问号，选择变量“当前液位”。输出格式中设置整数位数为2，小数位数为1，显示格式设置为十进制，最后点击“确定”。这样，变量“当前液位”的动画连接设置就完成了。打开主界面，双击“设定画面”按钮，出现动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入相应的命令，再点击“确定”，就完成了“设定画面”按钮的动画连接设置。运行时，点击主界面中的“设定画面”就可以进入设定画面了。其他按钮的动画连接方法和“开始”按钮类似，只是输入的命令稍有不同。到这里，整个人机界面，HMI，就完成了。 5．运行和调试

组态王工程已经初步建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件\切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面\打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，即可看到矩形框和文本在动态变化。

图4-4 组态模拟图

第5章 系统调试

5.1系统模拟调试

根据所设计的关于搅拌控制的梯形图，选用PLC的S7_200的仿真软件进行仿真。 具体步骤如下：

1．首先把仿真软件的CPU更改为CPU226（点CONFIGURACION—TIPO DE CPU，然后点Accepter）

2．导入梯形图 3．点击运行 4．进行调试

观察仿真软件上的灯是否按照程序要求依次点亮，延时是否准确。是就说明程序正确，不是就说明程序还存在问题。

5.2系统联机调试

PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现，但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议，严格的按照通信协议规定为计算机编写通信程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯，则相对简单，因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序，西门子公司的S7系列PLC与工控组态软件、组态王之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。

下面介绍组态王6.5与S7-200 PLC 之间通讯的实现步骤。PPI协议是S7-200 CPU默认的通信方式，它通过S7-200 CPU自身的端口（Port 0或Port 1）即可完成。 1．设备连接

利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口（ＣＯＭ口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口，I/O设备

通过PC/PPI通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。

2．通讯设备参数设置

在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口（ＣＯＭ口），进行参数设置。S7-200系列PLC编程口的通讯ＣＯＭ口参数设置：在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设ＣＯＭ口对应的“新建”图标，会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址。

3．构造数据库

数据库是“组态王”软件的核心部分，在工程管理器中，选择“数据库\数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框，创建仿真电梯各个变量数据，这些变量与PLC内部变量一一对应，PLC的输入输出完全由组态王内部变量代替。这样，PLC的实际输入输出状态都反映在组态监控界面上，借助PLC的CPU通信功能，系统的运行就可以实现真正的仿真。

4．设计图形界面并建立动画连接

在组态王“画面”上创建液体自动混合的控制示意图，建立各个按钮及位图，并将各个控制按钮、指示灯及位图与所建立相应变量关联，对相关单元进行动画连接。

5．系统运行

启动组态王运行系统TOUCHVIEW，运行液体自动混合的控制系统。将PLC开关指向“RUN”状态，按照控制的要求，观察运行状态，记录运行结果。实验结果表明，系统运行正常，动画效果良好。

本次设计的梯形图运行状态监控调试图如图5-1和图5-2所示。

图

5-1 梯形图的运行监控调试图

图5-2 梯形图的运行监控调试图

第6章 系统常见故障分析及维护

为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生点有比较准确的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件最容易出故障，以便采取措施，希望能对PLC过程控

6.1 系统常见故障分析及维护

系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。

6.2 系统故障分析及处理

6.2.1 PLC主机系统故障分析及处理

PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统，电源在连续工作，散热中，电压和电流的波动冲击是不可能避免的。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处地总线很坏，在空气温度变化，湿度变化的影响下，总线的塑料老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都才用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修是，严格按照操作进行操作，谨防认为的对主机系统造成损害。

6.2.2 PLC的I/O端口系统故障分析及处理

PLC最大的薄弱环节在I/O端口。PLC的技术优势在于其I/O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块式体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I/O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用。不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。

6.2.3 现场控制设备故障分析及处理

在整个过程控制系统中最容易发生故障的地点在现场，现场中最容易出故障的有以下几个方面：

1. 第1类故障点是在继电器、接触器。PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。

2. 第2类故障多发生在阀门等设备上。因为这类设备的关键执行部位们利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。

3. 第3类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PLC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常的巡检有关，发现问题应及时处理。

6.3 系统抗干扰性的分析和维护

由于PLC是专门为工业生产环境设计的装置，因此一般不需要在采取特殊措施就能直接用于工业环境中。但如果工作环境过于恶劣，如干扰特别强烈，可能使PLC引

起错误的输入信号；运算出错误的结果；产生错误的输出信号；造成错误的动作，就不能保证控制系统正常、安全运行。因此为提高控制系统的可靠性，在设计时采取相应有效的抗干扰措施是非常必要的。

外界干扰的主要来源有：

1. 电源的干扰

供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。

2. 感应电压的干扰

PLC周围邻近的大容量设备起动和停止时，因电磁感应引起的干扰；其它设备或空中强电场通过分布电容串入PLC引起的干扰。

3. 输入输出信号的干扰

输入设备的输入信号线间寄生电容引起的差模干扰和输入信号线与大地间的共模干扰；在性感负载的场合，输出信号由断开-闭合时产生的突变电流和闭合-断开的反向感应电势以及电磁接触器的接点产生电弧等产生的干扰。

4.外部配线干扰

因各种电缆选择不合理，信号线绝缘降低，安装，布线不合理等产生的干扰。 提高PLC控制系统抗干扰性能的措施：

（1）科学选型；

（2）选择高性能电源，抑制电网干扰；

（3）正确选择接点，完善接地系统；

（4）柜内合理选线配线，降低干扰。

结 论

本设计主要阐述液体混料罐的自动控制，实现液体混料全过程：即进料、混料、出料的自动控制。其系统结构简单，运行稳定可靠。使用了西门子S7-200型号PLC，设计了控制程序。

尽管毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种继电器的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。与老师的交流沟通也使我从各种角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求

由于客观条件的限制，在本设计中没有将指令程序通过编程器送入PLC，并且还进行系统模拟调试和完善程序。至于后面的硬件系统的安装、对整个系统进行现场调试和安装运行都无法完成。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。

谢 辞

我完成这篇毕业论文，得到了许多人的帮助。首先，我要特别感谢我的指导老师黎川林老师。在我撰写论文的过程中，黎老师付出了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了黎老师细心、耐心地辅导和热情的帮助，他指导我论文一定要严格按照论文格式去写，并且要有自己的观点和看法。他广博的学识、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风深深影响了我，使我终身受益。在此我表示真诚地感谢.

同时，在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。最后，我向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！

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