PLC液料混合装置设计

一、设计目的及意义

在工艺加工最初，把多种原料在合适的时间和条件下进行加工得到产品，一直都是在人监控或操作下进行的，在后来多用继电器系统对顺序或逻辑的操作过程进行自动化操作，但是现在随着时代的发展，这些方式已经不能满足工业生产的实际需要，实际生产中需要更精确、更便捷的控制装置。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原来的液体混合装置远远不能满足当前自动化的需要。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，传感器技术等技术与一体的机电一体化装置。充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。 可编程控制器多种液体自动混合控制系统的特点： ①系统自动工作；

②控制的单周期运行方式；

③由传感器送入设定的参数实现自动控制； ④启动后就能自动完成一个周期的工作，并循环。 二、设计任务要求

1.可编程程序控制器输入输出接线图。 2.控制面板元件布置图。 3.电动机主电路图。 4.控制梯形图和程序。

5.列出所选设备型号、规格和数量等。

6.完成设计说明书，（包括封面，目录，设计任务书，硬件设计思路，硬件原理图，软件设计思路，梯形图，所有器件型号，总结体会，参考文献） 三、液料自动混合控制系统方案设计

目前常用的控制系统有以下几种：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机和可编程控制器控制。现在将这几种控制系统相比较，并结合本设计的实际确定控制方案。

(1)继电器控制系统

PLC与继电器均可用于开关量逻辑控制。PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器(或称物理继电器)和硬件接线来实现的，PLC的控制功能主要是用软件(即程序)来实现的。

PLC采用的计算机技术、顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制

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和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能强大的多。

继电器系统的可靠性差，诊断复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的输出继电器是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于出现接触不良的现象。PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。

继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。

至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既困难又费时，设计出的电路也很难阅读理解。PLC有大量用软件实现的辅助继电器，定时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。用先进的顺序控制设计法来设计梯形图，比设计相同功能的继电器电路花费的时间要少得多。

继电器要在硬件安装，接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时间也很多。PLC控制系统的开关柜制作，现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。

（2）单片机控制

单片机又称单片微控制器，将CPU、并行输入/输出接口、定时器/计数器、存储器和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的8位单片机销售仅为几元，其功能强，响应速度快，性能价格比极高。但是除了单片机芯片外，单片机还需要设计硬件电路图和印制电路板。单片机一般用汇编语言或C语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。将单片机用于工业控制，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。此外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件，软件方面的抗干扰措施，才能保证长期稳定可靠的运行。有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都难达到PLC的水平。

使用单机机的专用测控装置都由专业厂家来开发，现在很少有最终用户开发单件或小批量的单片机测控装置。

(3) 工业控制计算机控制

控制用的个人计算机(PC)称为工业控制计算机，简称为工控机。工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线结构，硬件的兼容性较强。IPC有各种各样的输入/输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点去处、图像运算、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。

PLC的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。工控机则来源

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于个人计算机，主要用于过程控制或控制系统中的上位机和人机接口。

在高端应用方面，很难区分PLC和工业PC之间的差异，因主两者均采用同样的微机处理器和内存芯片。

PLC与PC相比有以下优点：

1) 对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优势。工控机的价格比较高，将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制，无论在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如PLC。

2) PLC的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。

3) PLC是专门为工厂现场应用环境设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，对印制板，电源，机架，插座的制造和密闭，均采用了严密的措施。

4) PLC使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易学。与PC机发展太快相比，PLC产品可以长期供货，并提供长期的技术支持。

5) PLC有庞大的有经验的设计人员，维护人员和技术支持系统。 （4）可编程程序控制器控制

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。有以下主要特点： 1）使用灵活、通用性强；2）可靠性高、抗干扰能力强；3）接口简单、维护方便；4）体积小、功耗小、性价比高；5）编程简单、容易掌握；6）设计、施工、调试周期短。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

通过以上几种控制方案的比较，选用PLC来实现对液体混合过程的控制。

本设计以三种液体的混合控制，其要求是将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后将混合的液体输出容器。并形成循环状态，在按停止按扭后依然要完成本次混合才能结束。液体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动作之间的相互关

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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。??

设计以液体混合控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等）,旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。 设计采用西门子公司的S7-200型（S7-200型号所用CPU单元为 CPU 224 DC/DC/DC，14 点输入，10点输出）PLC去实现设计要求。??

四、液料自动混合控制系统的硬件设计 4.1总体结构

某一液料自动混合装置如图1所示，用于将3种液体按一定的容积比例进行混合。

液料1液料2液料3YV1电磁阀1YV2电磁阀2YV3电磁阀3液位传感器1SQ1L1液位传感器2SQ2液位传感器3SQ3L2L3 M搅拌电动机L5液位传感器4SQ4L4YV4电磁阀4

图1 液料自动混合装置工作示意图

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1.初始状态，液灌为空，电磁阀YV1-4、电动机M均为失电状态，液位传感器SQ1-4均为不动作状态。 2.物料自动混合控制

按下启动按钮SB1，电磁阀YV1得电，正式注入液料1，当液料1的液位达到液位传感器SQ3时，YV1关，YV2阀开，L3亮。注入液料2，当液位达到液位传感器SQ2时，YV2阀关，YV3阀开，注入液料3，L2亮，L3灭。当液位达到液位传感器SQ1时，YV3阀关，L1亮，L2灭。搅拌电动机M起动，L5亮。搅拌20秒后停止。L1灭，放液电磁阀YV4动作，L5灭。当液位下降到液位传感器SQ4以下时，L4灭，再经过5秒钟(放掉剩余液料)后，SQ4阀关闭，之后，自动循环上述过程。 3.停止操作。

按下停止按钮SB2，当完成一个循环过程，即液灌液体放空后再全部停止。 按下急停按钮SB3，所有输出立即停止。 4.2元器件的选择

表1 元器件明细表 名称 按钮开关 液位传感器 搅拌电动机 电磁阀（入液罐） 电磁阀（出液罐） 接触器 LED指示灯 4.3液位传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。

LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的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，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用

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型号 KH-2204 LSF-2.5 EJ15-3 VF4-25 AVF-40 CJX1-9/220V R-3528-A1-R103 数量 3个 4个 1个 3个 1个 4个 5个 备注

此原理可制成单点或多点液位开关。LSF 光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。

相关元件主要技术参数及原理如下： （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 3.3 4.4 搅拌电机的选择

选用EJ15-3型电动机

其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流 相关元件主要技术参数及原理如下：

EJ15系列电动机是一般用途的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，采用三角形接法。 （2）电动机运行地点的海拔不超过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。其硬件接线如图2所示。 4.5电磁阀的选择

（1）入罐液体选用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。 相关元件主要技术参数及原理如下：

1）材质：聚四氟乙烯。使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体。 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）操作方式：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。 （2）出罐液体选用AVF-40型电磁阀

其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径(mm) 相 关元件主要技术参数及原理如下：

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L1L2L3QFFUKMFRM~

图2 搅拌机的硬件接线图

1）其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果。 2）其阀体材料为：聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力。 3）使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 4）功率：AC：5KW。 4.6 PLC的选择

PLC的一般结构如图3所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU(中央处理器)、存储器、输入／输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。 （1）中央处理单元（CPU）

与通用计算机中的CPU一样。PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。 （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。PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、 EEPROM等。

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（3）I/O模块

输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息的作用。通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。

编译器其他外设外设接口系统程序用户程序I/O扩展接口I/O扩展接口其他外设接受现场信号输入部件微处理器CPU电源部件输出部件驱动受控单元

图3 PLC结构图

（4）电源模块

输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。

4.7 PLC输入输出口分配

输入点地址 I0.0 I0.1 I0.2 功能 SB1启动按钮 SQ1液位传感器1 SQ2液位传感器2 输出点地址 Q0.1 Q0.2 Q0.3 功能 YV1电磁阀 YV2电磁阀 YV3电磁阀 8

I0.3 I0.4 I0.5 I0.6

SQ3液位传感器3 SQ4液位传感器4 SB2停止按钮 SB3急停按钮 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.1 Q1.2 Q1.0 YV4电磁阀 L1指示灯 L2指示灯 L3指示灯 L4指示灯 L5指示灯 M电动机 4.8控制面板元件布置图。

液料1YV1YV2YV3YV4液料2液料3SQ1SQ2SQ3SQ4L1L2L3L4L5M+24VCOMSB1SB2SB3液体混合装置控制模拟YV1电磁阀1YV2电磁阀2YV3电磁阀3液位传感器1SQ1L1液位传感器2SQ2液位传感器3SQ3L2L3 M搅拌电动机L5液位传感器4SQ4L4启动停止急停YV4电磁阀4 图4控制面板元件布置图

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4.9 PLC输入/输出接线设计

S7-224 PLCSB1SQ1SQ2SQ3SQ4SB2SB31MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6COMQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.1Q1.2Q1.0MYV1YV2YV3YV4L1L2L3L4L5M

图5 PLC输入输出接线设计图

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五、软件系统 5.1 程序流程图

开始YV1开，进液料1液位到SQ3时，YV1关，YV2开，L3亮，进液料2液位到SQ2时，YV2关，YV3开，L2亮，L3灭，进液料3液位到SQ1时，YV3关，L1亮，L2灭，L5亮，电动机M启动M搅拌20秒后停止，L1灭，YV4开，L5灭液位到SQ4时，L4亮，5秒后YV4关否停止是结束

程序流程图

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5.2 梯形图程序的总体结构图设计

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5.3 语句表程序设计

Network 1 LD I0.0 AN M0.0 LDN I0.5 A T38 OLD = Q0.1 Network 2 LD I0.3 LPS

AN M0.1 = Q0.2 LRD = M0.0 LPP

AN M0.2 = Q0.7 Network 3 LD I0.2 LPS = M0.1 AN M0.2 = Q0.3 LRD

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AN M0.3 = Q0.6 LPP = M0.2 Network 4 LD I0.1 LPS = M0.2 AN M0.5 = Q0.5 LRD = M0.3 LRD

AN M0.4 = Q1.0 LRD

AN M0.5 = Q1.2 LPP

TON T37, +200 Network 5 LD T37 = M0.4 = M0.5 AN M0.6 = Q0.4 Network 6 LD I0.4 LPS AN T38

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= Q1.1 LRD

TON T38, +50 LPP = M0.6 Network 7 LD I0.6 MOVB 0, QB0

六、程序调试

这个课题在调试当中还是比较成功的，没有遇到太大的问题。有小的问题也在同学和老师的帮助下迅速的弄好。

另外，由于实验设计比较简单，电路图设计的并不是非常完美，用的器件少，因而，并不能很好的保证所要的理想结果。总而言之，调试的结果还是比较顺利。

程序仿真如下图所示：

按下启动按钮，电磁阀1打开，进液料1. 液位到SQ3时，电磁阀2开，电磁阀1关

闭，进液料2，L3亮。

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液位到SQ2时，YV2关，YV3开，L2亮， L3灭，进液料3. M搅拌20秒后停止，L1灭，L5灭，YV4开，

液位到SQ1时，YV3关，L1亮，L2灭， M启动，L5亮。

液位到SQ4时，L4亮，5秒后YV4关， L4灭。

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小 结

通过此次课程设计，我学到了很多东西，认识到了很多东西。课程设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的一份综和性作业.在不断的努力下我的课程设计终于完成了。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

最后该感谢帮助我的同学和老师。首先该感谢老师给我精心的讲解和给我精心的讲解和辅导、在实验过程中对我遇到的疑难问题的指导帮助。感谢实验室老师帮助我排除设备故障。感谢同学们对我实验过程中的交流和帮助。还得感谢学校给我们这样的一个自己动手设计的好机会！

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参考文献

【1】晁阳 可编程控制器原理应用与实例解析 2007 清华大学出版社 【2】王阿根 可编程控制原理与应用 2007 清华大学出版社 【3】何献忠 可编程控制器应用技术 2007 清华大学出版社

【4】张晓锋 电气控制与可编程控制技术及应用 2010 国防工业出版社 【5】史国生 【6】宋伯生 PLC【7】王曙光 S7-200

电气控制与可编程控制器 2004 化学工业出版社 编程使用指南 2007 机械工业出版社 应用技术与实例 2007 人民邮电出版社

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电气控制与PLC课程设计成绩评定表

姓 名 专业班级 学 号 课程设计题目：液料自动混合装置控制系统设计 课程设计答辩记录： 答辩教师签字： 成绩评定： 评 定 项 目 1.设计方案可行性及其选优（20分） 2.设计过程及结果（40分） 3.平时成绩（态度认真、遵守纪律）（10分） 5.设计报告的规范性、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 6.答辩（20分） 总 分 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

评 分 成 绩 20

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