1、 I 本科毕业设计（论文） 基于 PLC 的物料混合控制系统的研究 学 院 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年级班别 09 级 3 班 学 号 2009401020306 学生姓名 * 指导教师 * 2013 年 5 月 10 日 JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY II 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
2、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 WINCC 组态，可 直接对现场监控、更方便工作和管理。 关键词 ： 可编程序控制器 PLC；液位传感器； 定时器； 1 目录 第一章 引言 . 1 第二章 总体方案设计 . 2 第三章 硬件设计 . 5 3.1 硬件选型，根据 PLC 的输入、出点数，控制功能选择适用型号的 PLC . 5 3.1.1 P
3、LC 机型选择 . 5 3.1.2 PLC 容量选择 . 6 3.1.3 I/O 模块的选择 . 6 3.1.4 电源模块的选择 . 8 3.1.5 设备型号选择 . 9 3.2 外部接线图 . 10 3.3 系统安全设计，可靠性、实用性强 . 10 第四章 程序设计 . 12 4.1 设计程序的流程图 . 12 4.2 I/O 分配表 . 13 4.3 控制程序设计，最大限度的满足被控对象的控制要求 . 13 4.3.2 程序设计 .错误 !未定义书签。 第五章 人机界面设计 . 17 5.1 设计思想，使计算机在人机界面上适应人的思维特性和行动特性 . 17 5.2 画面组态，包括对变量、
4、画面、动画、报警、用户管理、数据记录、趋势图、配方、报表、运行脚本和以太网通信的组态 . 17 第六章 系统调试 . 19 6.1 系统模拟调试，在编程软件和仿真软件对控制程序调试 . 19 6.2 系统联机调试， WINCC 画面中对整个系统进行运行和调试 . 19 第七章 总结 . 20 7.1 本设计的整体内容和要求 . 20 2 7.2 本设计的功能和优点 . 20 7.3 本次设计的心得体会 . 20 结论 . 22 致 谢 . 23 参考文献 . 24 1 第一章 引言 1.1 传统的物料混合设备的控制存在的问题 鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，流体混合技术在上世
5、纪 60 到 80 年代期间得到了迅猛发展 ,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气 液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。长期以来 ,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析 和预测混合体系 ,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模 ,仍是十分危险的 ,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力 ,而且设计周期很长。据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为 10 100 亿美元。 因此，从更微观更本质的角度 ,例如采用先进的测试手段和
6、建立合理的数学模型 ,获取搅拌槽中的 速度场、温度场和浓度场 ,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义 ,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。 1.2 引入 PLC 来实现其物料混合设备的控制功能 本设计基于采用可编程序控制器（ PLC）的设计方案，实现对液体混合搅拌的控制。以 PLC S7-200 为主要控制器。根据搅拌设备的功能特性、运作顺序等，设计中可选用电磁阀、时间继电器来实现液体的流入和时间上的延时，从而满足其控制要求。 根据控制要求，可以看出此程序是一个很典型的顺序控制问题。这样就可以先按照搅拌设备的先后运行 顺序画出相应的顺序功能图，然后在根
7、据顺序功能图画梯形图，最后再用仿真软件对其进行调试仿真。这样就可以实现 PLC 对混合搅拌控制程序的设计。 2 第二章 总体方案设计 2.1 总体方案论证，系统是将计算机技术、 PLC 、网络技术和工业自动化技术紧密结合起来，采用分布式的数据采集，集中式的数据处理。 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
8、，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
9、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茧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。 3 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
10、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
11、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
12、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。 4 2.2 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
13、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
14、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 5 第三章 硬件设计 3.1 硬件选型，根据 PLC 的输入、出点数，控制功能选择适用型号的 PLC 3.1.1 PL
15、C 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
16、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
17、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 6 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
18、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。 3.1.2 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
19、 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。 3.1.3 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 I/O 接口模块来实现的。 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
