用PLC构成液体混合控制系统的设计

摘要
以两种液体的混合控制为例，将两种液体按一定比例混合，经过电动机搅拌混合均匀后才能将混合的液体输出容器。

并形成循环状态。

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作简单的介绍和说明。

设计采用PLC去实现设计要求。

本次设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：（1）使液体混合能实现安全、高效；（2）满足液体混合的各项技术要求；（3）具体内容包括多种液体混合控制方案的设计等等。

本课题应解决的主要问题是如何使PLC实现多液体的混合控制功能、在相关的文献当中用PLC对液体混合控制的研究尚不多见，以致人们难以根据他的具体情况正确选用参数进行系统控制、也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。

关键词：多种液体、混合装置、自动控制
目录
1绪论…………………………………………………………………………………………2多种液体混合控制系统设计………………………………………………………
2.1 方案设计………………………………………………………………………………
2.2 方案的介绍……………………………………………………………………………
3 硬件电路设计……………………………………………………………………………
3.1 总体结构………………………………………………………………………………
3.2 液位传感器的选择…………………………………………………………………
3.3 搅拌电机的选择……………………………………………………………………
3.4 电磁阀的选择…………………………………………………………………………
3.5 PLC的选择……………………………………………………………………………
3.6 PLC输入、输出口的分配…………………………………………………………
3.7 液体混合装置输入、输出接线……………………………………………………
4 软件电路设计……………………………………………………………………………
4.1 程序框图………………………………………………………………………………
4.2 根据控制要求和I/O地址编址的控制梯形图…………………………………
4.3 语句表…………………………………………………………………………………
5 结束语………………………………………………………………………………………致谢……………………………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………………
1绪论
为了提高产品质量、缩短生长周期、适应厂品迅速更新换代的要求、产品生产正在向缩短生产周期、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，多种液体混合控制是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分.但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致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，中小型企业实现多种液体混合自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就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，尤其见于化学化工业中，便以学以致用。

采用基于PLC的控制系统来取代原有的由单片机、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，因此具有广阔的市场前景。

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用到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、液体混合自动配料系统、生产流水线等方面的逻辑控制、都广泛应用PLC来取带传统的继电器控制。

本此设计是将PLC用于多种液体混合控制系统，对学习与使用有很好的结合。

2 多种液体混合控制系统设计
2.1 方案设计
PLC液体混合控制系统整个过程是按思想工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务。

设计的编写规则是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及其它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、适用，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，如果液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，新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地利用旧系
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、系统的可靠性高，人机交互界面好，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，需要从怎样实现各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。

2.2 方案的介绍
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电气控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。

(1)继电气控制系统
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。

但是单片机是一片集成电路，不能直接将他与外部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，各厂家产品兼容性好，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有优势，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件配置和设计外部接线图，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，起初他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，是名副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。

因此可编程控制器也是本次设计的首选，PLC控制液体的混合从性能和成本方面来说都具有很好的可使用性。

PLC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，因此具有广阔的市场前景。

3 硬件电路设计
3. 1 总体结构
从图中可知设计的液体混合装置主要完成两种液体的自动混合搅拌
此装置需要控制的元件有：其中L1、L2、L3为液面传感器，液面淹没该点时为ON，Y1、Y2、Y3为电磁阀，M为搅拌电机，另外还有控制电磁阀和电动机的1个交流接触器KM,所有这些元件的控制都属于数字量控制、可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

(1)初始状态
容器是空的，各个阀门Y1、Y2、Y3均为OFF,液位传感器L1、L2、L3均为OFF，电动机M为OFF.
(2)启动操作
按下启动按钮，开始下列操作：
电磁阀Y1=ON，开始注入液体A，当液体到了L2的高度，停止注入液体A。

同时电磁阀Y2=ON，注入液体B，当液体到了L1的高度，停止注入液体B，搅拌机M=ON，搅拌4S，停止搅拌。

同时Y3为ON，开始放出液体至液体高度为L3，再经2S停止放出液体。

同时液体A注入。

开始循环。

（3）停止操作
按下停止按钮，所有操作都停止，须重新启动。

3.2 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环境适应能力，在耐腐蚀方面具有较好的抵抗能力。

相关元件的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℃
（3）触电寿命为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
相关元件的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）电动机工作温度为-15-40℃/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
L1L2L3
QS
FU
KM
FR
M
3~
3.4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表示口径宽度（mm）。

相关元件的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℃或者环境温度-20-60℃。

3）使用电压：AC:220V50Hz或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）
相关元件的主要技术参数及原理如下：
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:220V50Hz∕60Hz DC:24V。

4）功率：AC: 5KW
3.5PLC的选择
传统的控制方法是采用继电器—接触器控制，这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率，采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。

因此，将可编程控制器应用于多种液体混合控制，完全能满足控制要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。

在本控制系统中，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC由于本系统的控制是顺序控制，日本三菱 PLC作控制单元来控制整个系统，之所以选择这种PLC，主要考虑FX系列PLC有以下特点：
（1）丰富的指令系统，在FX系列PLC中，即使是小型机，也具有近百条指令，除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂
数据处理、甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制，而且各类PLC
产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。

（2）快速的CPU处理速度，程序容量大。

（3）网络通信功能强，可直接连接调制可调器，可方便的与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实
时监控，在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可用1：n
上位链接通信方式，用一台计算机管理多台机床，构成一个二级分布式
控制系统。

（4）编程及监护功能强大、维护简单、价格适中。

PLC的一般结构如图所示，由图可见主要有六个部分组成，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成为用户程序存储器，PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEROM等。

（3） I/O模块
输入模块和输出模块通常称为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。

（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。

PLC 结构图
3.6 PLC 输入、输出口分配 输入/输出地址分配如表
输入继电器 功能 输出继电器 功能
X000 SB0启动按钮 Y000 电磁阀Y1
X001 L1液位传感器 Y001 电磁阀Y2
X002 L2液位传感器 Y002 电磁阀Y3
X003 L3液位传感器 Y003 搅拌机M
X004 SB1停止按钮
其他外设
编译器
I/O
扩展接口
接受现场信号
驱动受控单元
外设接口
I/O
扩展接口
其他外设
输
入部件
微处理器
电源部件
输出部件
系统程序
用户程序
3.7 液体混合装置输入/输出接线输入/输出接线如图
COM X0 X1 X2 X3 X4
COM1
Y0
Y1
Y2
Y3SB1
SB1
SB1
SB1
L N
FX
2N
-48MR
（1）当PLC接通电源后，按下启动按钮SB0后，触点X000接通， Y1、输出继电器线圈得电并保持，与之相接的Y1电磁阀带电接通，流进A液体。

（2）第二种液体的进入
当液体达到L2液位传感器的位置时，X002输入继电器接通使Y001关闭，同时X002接通，输出继电器Y002接通并保持，与之相连的Y002电磁阀得电接通，液体B流入。

（3）搅拌机工作
当液位达到L1液位传感器的位置时，该传感器检测到该信息，使X001输入继电器线圈得电，在梯形图中它的X001常开触点接通，使输出继电器Y002关闭，同时使搅拌机Y003的输出继电器接通，搅拌机开始工作。

（4）混合液体开始排出
搅拌电动机搅拌4s后，停止搅拌，同时继电器线圈Y002得电，放液阀门打开（Y3=ON）,排出搅拌均匀后的液体。

（5）混合液体排完
当液位低于L3液位传感器的位置时，L3液位传感器由通到断，再过5s容器放空，使放液阀门Y3关闭。

（6）重复液体混合过程
重复液体混合过程是通过并联在梯形图上的定时器T1常开触点实现的。

软件电路设计
4软件电路设计
4.1 程序框图
启动
Y1开，A液体流入
到L2高度时，Y1关，Y2开，B液体流入
到L1高度时，Y2关，搅拌机开，即开始搅拌
4s后，Y3开，混合液体排出
当液位低于L3时，L3由通到断，
T1定时，5s后，Y3关
按停止按钮？
结束
4.2 根据控制要求和I/O地址编制控制梯形图
(M0)
(M1)
(Y001)
(M2)
(Y002)
(M3)
(Y000)K40(T0)
(M4)
(Y003)K50(T1)
(M5)
[END]
M8002M0
M4M5
M1
M0X000M2
M1
M4
X003M3
M2
M2
X002
M4
M3
M3
T0
M1
M0
M4
X004
X000X001
M5
M5
T1
M1
4．3 指令语句表
0 LD M8002
1 OR M0
2 LD M4
3 ANI M5
4 ORB
5 ANI M1
6 OUT M0
7 LD M0
8 AND X000
9 OR M1
10 LD M4
11 AND T1
12 AND M5
13 ORB
14 AIR M2
15 OUT M1
16 OUT Y001
17 LD M1
18 AND X003
19 OR M2
20 ANI M3
21 OUT M2
22 OUT Y002
23 LD M2
24 AND X002
25 OR M3
26 ANI M4
27 OUT M3
28 OUT YOOO
29 OUT T0
32 LD M3
33 AND T0
35 OR M1
36 ANI M0
37 OUT M4
38 OUT Y003
39 ANI X004 4O OUT T1
43 LD X000
44 OR M5
45 ANI X001
46 OUT M5
47 END
5 结束语
实验证明，本设计所采用的日本三菱可编程控制器的硬件配置和程序设计是完全可行的，在实际控制中，由于PLC产品自身具有可靠性高、灵活性强、对工作环境无要求和抗干扰性能好等诸多优点，使之完全可以将操作人员从恶劣的现场环境中解放出来，因而深受用户欢迎。

同时采用PLC控制液体混合装置，还能随时修改可编程控制器程序，以改变液体混合装置的工作时间和工作状况，满足不同液体混合的需要。

该控制系统可用较少的资金投入，达到很高的控制精度，本设计已通过模拟仿真检验，有很好的推广价值。

任何设计的控制系统都是要经过实践和时间的考验方能不断的完善，就如同我们做毕业设计，这毕业设计是我们所学知识的考验，也是对我们对知识综合运用能力的考验，更是对我们做一件事情态度的考验，经过设计我们应该学会认真、专心，更有毅力的做一件事情，这样我们在以后的工作和生活中才能经得起实践和时间的考验，我们才能走得更远。

致谢
本论文是在指导老师的悉心指导下完成的，指导老师丰富的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我掌握基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道里。

在此，我谨向指导老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
此外，在本论文的设计中，还受到了多位老师的帮助，他们无私奉献，兢兢业业、教书育人的态度打动了我，在此我也向在本论文设计过程中曾给予我帮助和指导的老师们说声谢谢！
与此同时，还要感谢在论文设计过程中帮助过我的同学，在论文资料收集和试验期间，不管遇到什么困难同学们都主动给予帮助，在此也感谢他们！
最后向我在学校中给予指导和帮助的老师和同学真挚的说声谢谢！也再一次感谢我的指导老师！
参考文献
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