基于PLC多种液体混合系统设计

摘要
随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，但是我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。

因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。

随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。

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。

本监控系统采用PLC为控制核心，具备自动混合三种液体的功能，由传感器检测储藏罐中的液面高度，按顺序加入A、B和C三种液体，搅拌5s后，加热，放出混合液体。

在此过程监控上，我们采用的是西门子STEP7。

西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行编程操作。

关键词：自动化产品；数字运算操作；液体自动混合；可编程控制器PLC；
西门子STEP7；
目录
第1章绪论 (3)
1.1课程背景及意义 (3)
1.2 课程研究的意义及目的 (3)
1.3 课程研究的主要内容 (4)
第2章系统总体设计方案 (5)
2.1 总体控制要求 (5)
2.2设计要求 (6)
第3章系统的硬件设计 (7)
3.1液位传感器的选择 (7)
3.2温度传感器的选择 (7)
3.3接触器的选择 (8)
3.4 PLC的选择 (8)
3.5系统的I\O分配图及外部接线图 (8)
第4章系统的软件设计 (10)
4.1软件概述 (10)
4.2系统的程序图 (10)
心得体会 (12)
参考文献 (13)
第1章绪论
1.1课程背景及意义
随着科学技术的猛速发展，自动控制技术在人类活动的各个领域中的应用越来越广泛，它的水平已成为衡量一个国家生产和科学技术先进与否的一项重要标志。

在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，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，生产要求该系统要具有配料精确、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，特别是其中的中小型企业实现多种液体自动混合的目的，液体自动混合配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。

随着计算机技术的发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行管理等多方面的要求。

设计的多种液体混合装置利用可编程控制器实现在混合过程中精确控制，提高了液体混合系统的稳定性，自动化程度高，适合工业生产的需要。

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，备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注，生产PLC的厂家云起。

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。

1.2 课程研究的意义及目的
在工艺加工最初，把多种原料在适合的时间和条件下进行需要的加工以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，原来的液体混合远远
不能够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。

采用基于PLC的控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，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、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来取代传统的继电器控制。

1.3 课程研究的主要内容
本课题应解决的主要问题是如何使PLC在液体灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用PLC对灌装机进行控制的研究尚不多见，以致人们难以根据它的具体情况，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。

然后，讲述了可编程控制器的应用，通过论述可编程控制器的优点对可编程控制器对多种液体混合装置的控制有一个总体的认识。

综合多种液体自动混合装置的控制系统的要求，进行了外部电路的连线和PLC程序设计，从部件的选择，流程的分析，程序顺序控制的设计等方面，完成了本次的设计任务。

最后，通过对程序液位控制系统的程序的调试，检测，再进行对系统的更正，使控制系统更加完善，确保系统能顺利运行。

第2章系统总体设计方案
2.1 总体控制要求
本题目用PLC来模拟并实现多种液体自动混合装置的控制。

图2.1液体混合灌装机面板
由面板图可知：其中L1、L2、L3为液面传感器，液面淹没该点时为ON。

Y1、Y2、Y3、Y4为电磁阀，M为搅拌电机，T为温度传感器，H为加热器。

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。

控制要求如下：
1、初始状态
装置投入运行时，液体A、B、C阀门关闭，混合液阀门打开20s将容器放空后关闭。

2、起动操作
按下启动按钮SB1，装置开始按下列给定规律运转。

(1) 液体A阀门打开，液体A流入容器。

当液面到达SQ3时，SQ3接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。

(2) 当液面到达SQ2时，关闭液体B阀门，打开液体C阀门。

(3) 当液面到达SQ1时关闭阀门C，搅匀电动机开始搅匀。

(4) 搅匀电动机工作1min后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。

(5) 当液面下降到SQ4时，SQ4由接通变断开，再过20s后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。

3、停止操作
启动、停止、液面传感器、温度到达开关利用钮子开关来模拟，液体A阀门、液体B阀门、液体C阀门的打开与关闭以及搅动电机的运行与停转，加热器的开停用发光二极管的点亮与熄灭来模拟。

2.2设计要求
根据生产设备工作方面及其它方面的需要，本次设计要达到如下设计要求：（1）要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现;
（2）要能完全满足控制要求；
（3）按下停止按钮后，要将当前的混合操作处理完毕后，才停止操作。

经过对上述设计要求的深入思考后，对系统的设计过程有了一定的构架。

具体的想法有以下几点：
经过对上述设计要求的深入思考后，对系统的设计过程有了一定的构架。

具体的想法有以下几点：
我做的系统为多种液体自动混合，需要对各种液体的液面的高度监控，因此，需要运用到传感器进行液面高度的监控。

各种液体入池的比例需要应用电磁阀控制，入池后的搅拌，则需要电机控制。

对各个控件的控制，需要一个完整的控制流程，运用PLC技术进行编程，可以实现对各个控件的控制。

具体控制方法根据题目要求，按下启动按钮时，A种液体进入溶液，当达到一定值时，停止进入，B种液体开始进入，当达到一定值时，停止进入，C种液体开始进入，当达到一定深度停止所有液体进入。

搅拌机进行搅拌，5s后搅拌均匀，停止搅拌，开始加热，当加热到一定温度时，放出液体。

经5s后停止放出，按停止键停止操作。

第3章系统的硬件设计
3.1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125C；
（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。

3.2温度传感器的选择
选用KTY81-210A型温度传感器
其中“T” 表示温度
KTY系列温度传感器采用进口Philips硅电阻元件精心制作而成，具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点, 该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统、工业控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。

选用KTY81-210A型温度传感器。

相关元件主要技术参数及原理如下：
（1）温度系数TC 为 0.79%/K；
（2）精度等级为 0.5%；
（3）公称压力为 0.6MPa。

3.3接触器的选择
选用CJ20-10/CJ20-16型接触器
其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流
相关元件主要技术参数及原理如下：
（1）操作频率为1200/h；
（2）机电寿命为1000万次；
（3）主触头额定电流为10/16（A）；
（4）额定电压为380/220（A）；
（5）功率为2.5KW。

3.4 PLC的选择
在本控制系统中，所需的开关量输入为6点，开关量输出为7点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择模块式PLC。

选用SIMATIC S7-300/400。

主要考虑SIMATIC STEP7有以下特点：
（1）丰富的指令系统；
（2）快速的CPU处理速度、大程序容量；
（3）大的网络通信功能；
（4）编程及监控功能强大、维护简单、价格。

3.5系统的I\O分配图及外部接线图
多种液体混合系统的I\O分配图如表3.1：
表 3.1 I\O分配图
地址名称功能
I0.0 启动开关
I0.1 停止开关
I0.2 液面传感器低位检测I0.3 液面传感器中位检测I0.4 液面传感器高位检测I0.5 温度传感器温度检测Q0.1 电磁阀A进液阀Q0.2 电磁阀B进液阀Q0.3 电磁阀C进液阀Q0.4 电磁阀出液阀Q0.5 搅动电机
Q0.6 加热器
多种液体混合系统PLC系统设计的外部接线图如图3.1：
图3.1系统外部接线图
第4章系统的软件设计
4.1西门子软件概述
西门子STEP7是用于SIMATIC可编程序控制器组态和编程的标准软件包，其用户接口是基于当前最高水平的人机控制工程设计，可以轻松方便的使用。

STEP7编程软件适用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。

STEP7是一个强大的工程工具，用于整个项目流程的设计。

从项目的计划配置、实施模块测试、集成测试调试到运行维护阶段，都需要不同功能的工程工具。

STEP7工程工具包括了整个项目流程的各种功能要求：CAD/CAE支持、硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。

4.2系统的程序图
多种液体混合系统设计的PLC程序图如下：
（1）开始启动，A液体进料
（2）B液体开始进料，A液体停止
（3）C液体开始进料，B液体停止
（4）开始搅拌，C液体停止进料，并且启动定时器，定时10s
（5）搅拌10s,开始加热，停止搅拌
（6）到达设定温度，开始放混合液体
（7）当混合液体达到低液位L1时，启动定时器T2，定时5s，放完剩余的液体，同时进入下一轮循环
（8）按下停止按钮，进行完此次循环后停止，再次启动从头开始
心得体会
课程设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“多种液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病，通过本次PLC的课程设计，使我了解到PLC的重要性。

电气控制与可编程控制器是一门极其重要的课程，它综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。

在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，PLC 技术越来越受人们的广泛应用，前景可观，因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次设计中，我们遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处：
⑴不能有效的利用身边的资源，有点依赖他人；
⑵学习认真程度不够，学习热情不高，基础相对薄弱。

通过这次PLC课程设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的把握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料或者是请教同学，一次一次的调试程序，最后达到设计要求。

使得我对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

最后通过本次课程设计，使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地位；通过本次课程设计，使我更深刻的理解了PLC的编程思想，也能更好的将所学知识应用到实践中动。

因此学好这门课程对以后的发展有举足轻重的地位。

参考文献
●廖常初《PLC基础及应用》北京：机械工业出版社
●吴中俊《可编程控制器原理及应用》北京：机械工业出版社
●阮友德《电气控制与PLC实训教程》北京：人民邮电出版社
●孙振强《可编程控制器原理及应用教程》北京：清华大学出版社
●晁阳《可编程控制器原理应用与实例解析》北京:清华大学出版社●王阿根《可编程控制原理与应用》.北京:清华大学出版社
●张晓锋《电气控制与可编程控制技术及应用》.北京:国防工业出版社●史国生《电气控制与可编程控制器》.北京:化学工业出版社
●宋伯辉《PLC编程使用指南》.北京:机械工业出版社
●王曙光《S7-200应用技术与实例》.北京:人民邮电出版社。