基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)設計

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本科畢業(yè)設計（論文） 題目：　基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)的設計　 院 系： 　　　　　　 專 業(yè)： 　　　　　　 班 級： 　　　　　　 姓 名： 　　　　　　 學 號： 　　　 指導教師： 　　　　　　 XX學院教務處 二〇一五年 三 月 XXX學院畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 論文作者簽名： 年 月 日 XXX學院關(guān)于畢業(yè)設計（論文）使用授權(quán)的說明 本人完全了解XXX學院有關(guān)保留、使用學士學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱，學校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印或其他復制手段保存論文。 指導教師簽名： 　 論文作者簽名： 年 月 日　　 　　 年 月 日 XXX學院本科畢業(yè)設計（論文）　　　　　　　　　　　　　　　第II頁 基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)的設計 摘 要 可編程序控制器（PLC）是一種新型的通用的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，是功能加強、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。PLC的應用領域已經(jīng)拓寬到了各個領域，PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC最基本最廣泛的用于開關(guān)量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制，順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機，印刷機，訂書機，組合智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵，石油，化工，電力，建材，機械制造，汽車，輕紡，交通運輸，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用廣泛。 本文以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動機攪拌后要達到控制要求才能將混合的液體輸出容器，并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混合系 統(tǒng)的控制設計考慮到其動作的連續(xù)性以及各個被控設備動作之間的相互關(guān)聯(lián)性，針對不同的工作狀態(tài)，進行相應的動作控制輸出，從而實現(xiàn)液體混合系統(tǒng)從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個周期控制工作的程序?qū)崿F(xiàn)。設計以液體混 合控制系統(tǒng)為中心，從控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成、軟件選用到系統(tǒng)的設計過程（包括設計方案、設計流程、設計要求、梯形圖設計、外部連接通信等），旨在對其中的設計及制作過程做簡單的介紹和說明。 關(guān)鍵詞 PLC 控制 液體混合 說明 The design of liquid mixing control system based on PLC ABSTRACT With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors..Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmultivariable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore.Thispaperstudiesacontrolmethodofdoubleinvertedpendulum.Firstofall,themathematicalmodelofthedoubleinvertedpendulumisestablished. Themakeacontroldesigntodoubleinvertedpendulumonthemathematicalmodel,anddeterminethesystemperformanceindexweightmatrix,byusinggeneticalgorithminordertoattainthesystemstatefeedbackcontrolmatrix.Finally,thesimulationofthesystemismadeby.Afterseveraltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization.Small twisted paper broken machine for meat.thesystemstatefeedbackcontrolmatrix. Keywords PLC cylinder pneumatic Fout degrees of freedom 目錄 第一章 緒論 1 1.1 課題的研究背景和歷史意義 3 1.2 選題的目的和意義 4 第二章 液體混合控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的設計 5 2.1 PLC簡介 6 2.1.1 PLC的定義 8 2.1.2 PLC的用途 9 2.2 PLC的組成 11 2.2.1中央處理單元 13 2.2.2存儲器 14 2.2.3輸入輸出單元 16 2.2.4通訊接口 17 2.2.5智能接口模塊 18 2.2.6編程裝置 19 2.2.7電源 19 第三章 控制系統(tǒng)設計 20 3.1 硬件設計 20 3.2 混合裝置的基本組成 20 3.3 液體混合裝置電氣原理圖的繪制 21 3.4 PLCI/O點分配及外部硬件接線圖 22 3.5液體混合系統(tǒng)運行流程圖 22 結(jié)論 23 致謝 24 參考文獻 25 20 XXX學院本科畢業(yè)設計（論文）　　　　　　　　　　　　　　　第1頁 第一章 緒論 1.1 課題的研究背景和歷史意義 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，適應產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求， 產(chǎn)品生產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量等方向發(fā)展。在 煉油、化工、制藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的工序，而且也是 其生產(chǎn)過程中十分重要的組成部分。但由于這些行業(yè)中多是易燃易爆、有 毒有腐蝕性的介質(zhì)，以致現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作。 另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控制可靠等特點，這也是人工操 作和半自動化控制所難以實現(xiàn)的。所有為了幫助相關(guān)行業(yè)，特別是其中的 中小型企業(yè)實現(xiàn)多種液體混合的自動控制，從而達到液體混合的目的，液 體混合自動配料勢必就是擺在我們眼前的一大課題，借助實驗室設備熟 XXX學院本科畢業(yè)設計（論文）　　　　　　　　　　　　　　　第20頁 悉 工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應用，了解不同公司的可編程控制器的型號和原理，熟 悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見于工業(yè)生產(chǎn)中，適合大 中型飲料生產(chǎn)廠家，尤其見于化學化工業(yè)中，便于學以致用。 計算機的出現(xiàn)給大規(guī)模工業(yè)自動化帶來了曙光。1968 年，美國最大的 汽車制造商通用汽車公司（GM）提出了公開招標方案，設想將功能完備、 靈活、通用的計算機技術(shù)與繼電器便于使用的特點相結(jié)合，把計算機的編 程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向過程、面向問題的“自然語言” 編程，生產(chǎn)一種新型的工業(yè)通用控制器，使人們不必花費大量的精力進行 計算機編程，也能像繼電器那樣方便的使用。這個方案首先得到了美國數(shù) 字設備（DEC）公司的積極響應，并中標。該公司于 1969 年研制出了第一 臺符合招標要求的工業(yè)控制器，命名為可編程邏輯控制器，簡稱 PLC（有 的稱為 PC）,并在 GM 公司的汽車自動裝配線上實驗獲得了成功。 PLC 一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動化程度高、可靠性好、設計周期短、使 用和維護簡便等獨特優(yōu)點，備受國內(nèi)外工程技術(shù)人員和工業(yè)界廠商的極大 關(guān)注，生產(chǎn) PLC 的廠家云起。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在 PLC中的應用，使 PLC 的功能不斷得到增強，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。 采用基于 PLC 的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機、 繼電器等構(gòu)成的控制 系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的課移植性和可維護性。對提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命 和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波動，因此具有廣闊的市場前景，用 PLC 進行開關(guān)量控制的實例很多，在冶金、機械、紡織、輕工、化工、鐵路等 行業(yè)幾乎都需要到它，如燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電 梯、自動化倉庫、液體混合自動配料系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制， 都廣泛應用 PLC 來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。 本次設計是將 PLC 用于多種 液體混合灌裝設置的控制，對學習和實用是很好的結(jié)合。 本設計的主要研究范圍及要求達到的技術(shù)參數(shù)有： 1） 使液體混合機能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高效的灌裝； 2） 滿足灌裝的各種技術(shù)要求； 3） 具體內(nèi)容包括多種液體混合控制方案的設計、軟硬件電路的設計、 常見故障分析等等。 本課題應解決的主要問題是如何使 PLC 在灌裝中實現(xiàn)控制功能， 在相 關(guān)的研究文獻報道中用 PLC 對灌裝機進行控制的研究尚不多見，以致人們難以根據(jù)它的具體情況正確選用參數(shù)進行系統(tǒng)控制,也就難以滿足提高質(zhì)量和效率、降低成本的要求，本設計就是基于以上問題進行的一些探討。 1.2 選題的目的和意義 借助實驗室設備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中PLC的應用，進一步了解所學可編程控制器的型號和原理，熟悉其編程方式。而多種液體混合裝置的控制更常見于工業(yè)生產(chǎn)中，尤其見于化學化工業(yè)中，便于學有所用。 用PLC進行開關(guān)量控制的實例很多，在冶金、機械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需用到它，如機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應用PLC來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本次設計是將PLC用于多種液體混合物裝置的控制，對學習與實用是很好的結(jié)合。 第二章 液體混合控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的設計 2.1 PLC簡介 PLC即可編程控制器（ProgrammableLogicController），是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委（InternationalElectricalCommittee頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義;PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是可編程邏輯控制電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC。 2.1.1 PLC的定義 PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC最基本最廣泛的用于開關(guān)量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機，印刷機，訂書機，智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵，石油，化工，電力，建材，機械制造，汽車，輕紡，交通運輸，環(huán)及文化娛樂等各個行業(yè)，使用廣泛。 隨著應用領域的日益擴大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，主要朝著以下的方面發(fā)展，微型化、網(wǎng)絡化、開放性； 2）智能模塊化； 3）編程語言的標準化和高級化；網(wǎng)絡通信功能標準化。 根據(jù)上述控制特點，采用小型PLC即可滿足功能要求。由于西門子S7-2系列屬于小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣。特別是S7-2000PU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡。可用梯形圖、語句表和功能圖三種語言來編程。且指令功能強，易于掌握、操作方便。近年來，S7-200PLC 已在工業(yè)各領域得到了廣泛的應用。S7-200CPU22*系列PLC共有五種CPU模塊其各自的技術(shù)指標見表3.2。，由于存在模擬量輸入輸出，需要增加模擬量輸入輸出模塊，在西門子S7-200系列PLC中有專門的模擬量I/O擴展模塊。 2.1.2 PLC的用途 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制 造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1、開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用16路的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、智能窗簾、機器人、電梯等場合。 4、過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行16路的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信號與設定的壓力信號經(jīng)過PID運算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設定壓力為基準的壓力閉環(huán)系統(tǒng);自動檢測水池水位信號與設定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實際供水壓力和設定供水壓力和泵的工作狀態(tài)等信息;可以通過觸摸屏在線修改設定供水壓力和控制水泵的運行。該系統(tǒng)還設有多種保護功能，尤其是強電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。 2.2 PLC的組成 PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。 對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)，其組成框圖如圖1所示；對于模塊式PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣?，其組成框圖如圖所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。 盡管整體式與模塊式PLC的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成各部分進行簡單介紹。 2.2.1中央處理單元（CPU） 同一般的微機一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如Z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。 目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達8 個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn)PLC編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足實時控制要求。 在PLC中CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面： 1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 2）診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。 3）通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。 4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。 5）根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 2.2.2存儲器 存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器RAM，另一種是只讀存儲器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序是由PLC 的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關(guān)系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機接口和打印機接口。 用戶程序是隨PLC的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。 工作數(shù)據(jù)是PLC運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當PLC提供的用戶存儲器容量不夠用，許多PLC還提供有存儲器擴展功能。 2.2.3輸入/輸出單元 輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理的信息只能是標準電平，所以I/O接口要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。 PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，有各種各樣功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖3所示。 2.2.4通信接口 PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它PLC、計算機等設備實現(xiàn)通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它PLC連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)模控制。 與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。遠程I/O系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。 2.2.5智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。它作為PLC系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數(shù)據(jù)交換，并在PLC的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。 PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。 2.2.6編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機接口和打印機接口。 專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。 基于個人計算機的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應的軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。 2.2.7電源 PLC配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值15% 的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。 第三章 控制系統(tǒng)設計 如圖2-3所示為三種液體混合的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。SL1、SL2、SL3、SL4為液面?zhèn)鞲衅鳎好嫜蜎]時接通，三種液體（液體A、液體B、液體C）的流入和混合液體D流出分別由電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4控制，M為攪勻電動機。 要求如下： 1.初始狀態(tài)：當裝置投入運行時，容器內(nèi)為放空狀態(tài)。 2.起動操作：按下啟動按鈕SB1，裝置開始按規(guī)定工作，液體A閥門打開，液體A流入容器。當液面到達SL2時，關(guān)閉液體A閥門，打開B閥門。當液面到達SL3時，關(guān)閉液體B閥門，打開C閥門。當液面到達SL4時，關(guān)閉液體C閥門，攪拌電動機開始轉(zhuǎn)動。攪拌電動機工作1min后，停止攪動，混合液體閥門打開，開始放出混合液體。當液面下降到SL1時，SL1由接通變?yōu)閿嚅_，經(jīng)過20s后，容器放空，混合液體閥門YV4關(guān)閉，接著開始下一個循環(huán)操作。3.停止操作：按下停止按鈕后，要處理完當前循環(huán)周期剩余工作后，系統(tǒng)停止在初始狀態(tài)。 3.1 硬件設計 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控制對象（生產(chǎn)設備或者生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循一下基本原則： （1）PLC的選擇除了應滿足技術(shù)指標的要求之外，特別應住處的是還應重點考慮該公司產(chǎn)品的技術(shù)支持和售后服務的情況，一般應選擇在國內(nèi)，特別是在所設計系統(tǒng)本地有著較為方便的技術(shù)服務機構(gòu)或者較有實力的代理機構(gòu)的產(chǎn)品，同時應盡量選擇主流機型。 （2）最大限度地滿足被控制對象的控制要求。設計前，應深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，搜集資料，并與機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設計中出現(xiàn)的各種問題。 （3）在滿足實際控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用及維修方便，并降低系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)成本。 （4）保證控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠。正確的進行程序調(diào)試，充分考慮環(huán)境條件，選擇可靠性高的PLC，定期對PLC進行維護和檢查。 （5）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應盡量留有裕量。當然，對于不同的用戶，要求的側(cè)重點會有所不同，設計的原則也應有所區(qū)別，如果以提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全為目標，則應將系統(tǒng)可靠性放在設計的重點，甚至考慮采用冗余控制系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡設計加以強化。 S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X兩代產(chǎn)品，根據(jù)所學S7系列可編程控制器及現(xiàn)有實驗設備，設計將選用CPU22X型PLC。 CPU22X系列PLC的特點：CPU22X主機的輸入點位DC24V雙向光藕輸入電路，輸出有繼電器盒DC（MOS型）兩種類型（CPU21X系列輸入點位DC24V單向光藕輸入電路，輸出有繼電器和DC、AC三種類型）。并且，具有30kHz高速計數(shù)器，20kHz高速脈沖輸出，RS-485通信/編程口，PPI、MPI通信協(xié)議和自由口通信能力。CPU222及以上CPU還具有PID控制和擴展能力，內(nèi)部資源及指令系統(tǒng)更加豐富，功能更加強大。 CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種不同型號的CPU基本單元供用戶選用。 CPU221集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點，無I/O擴展能力，6KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 CPU222集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點，可連接2個擴展模塊，最大擴展至78路數(shù)字量I/O或10路模擬I/O點，6KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 CPU224集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O或35路模擬I/O點，13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O或35路模擬I/O點，13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 根據(jù)以上各型號CPU的比較以及現(xiàn)有的實驗設備，設計將選用S7-200CPU226型號PLC進行PLC控制系統(tǒng)設計。 3.2混合裝置的基本組成 1. 液體混合罐：為液體混合裝置的主體，提供三種液體進行混合所需空間。 2.輸液管道：四條帶有電磁閥的輸液管道與混合罐連接，在不同時間內(nèi)將需要混合的三種液體輸入罐內(nèi)以及輸出混合后的液體。 3.液面?zhèn)鞲衅鳎鹤鳛椴煌后w輸入量進行控制的主要器件，根據(jù)需要對液面?zhèn)鞲衅髯鱿鄳恼{(diào)整可滿足輸入不同比例的液體進行混合。 4.電動機：通過傳動軸連接罐內(nèi)攪拌葉片為攪勻混合液體提供動力。 3.3 液體混合裝置電氣原理圖的繪制 根據(jù)三種液體混合裝置的基本結(jié)構(gòu)和控制要求，并結(jié)合PLC的控制畫出三種混合控制系統(tǒng)的電氣原理圖。如圖2-4所示為三種液體混合控制系統(tǒng)電氣原圖： （1）QS：低壓隔離器，主要用于電氣線路中隔離電源，也可作為不頻繁地接通和分斷空載電路或小電流電路之用。 （2）QF：低壓斷路器，用于不頻繁接通、分斷線路正常工作電流，在電路中流過故障電流時（短路、過載）能自動將故障電路或用電設備從電網(wǎng)切除。低壓斷路器是用于交流電壓1200V、直流電壓1500V及以下電壓范圍的斷路器，是低壓配電系統(tǒng)中的主要配電電器元件。低壓斷路器主要用于保護交、直流低壓電網(wǎng)內(nèi)用電設備和線路，使之免受過電流、斷路、欠電壓等不正常情況的危害，同時也可用于不頻繁起動的電動機操作或轉(zhuǎn)換電路。 （3）FR：熱繼電器，是一種保護電器，專門用來對過載及電源斷相進行保護，以防止電動機因故障導致過熱而損壞。 （4）FU：低壓熔斷器，串聯(lián)于電路中，當過載或短路（主要用于短路）電流通過熔體時，因其自身發(fā)熱而熔斷，從而分斷電路。 （5）KM：外部輔助接觸器，用于輔助PLC對外部設備的控制工作。增加輔助接觸器，另考慮到實際生產(chǎn)中便于實現(xiàn)單臺PLC同時控制多臺混合裝置。 （6）M：攪拌電動機。 （7）YV：電磁閥線圈。 3.4PLCI/O點分配及外部硬件接線圖 1.I/O點分配 在繪制PLC外部接線圖之前，我們需要對要用到的I/O點進行地址分配，以明確PLC芯片I/O接口以及有助于后面要進行的PLC程序設計。根據(jù)三種液體混合控制系統(tǒng)的控制要求，我們可以得出控制系統(tǒng)的PLC控制輸入量：啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、液面?zhèn)鞲衅鱏L1、液面?zhèn)鞲衅鱏L2、液面?zhèn)鞲衅鱏L3、液面?zhèn)鞲衅鱏L4；控制輸出量：電動機M、電磁閥YV1、電磁閥YV2、電磁閥YV3、電磁閥YV4。并對它們進行I/O點分配，如下表所示為控制系統(tǒng)I/O點分配表。 2.PLC外部硬件接線圖 設計采用西門子（SIEMENS）S7-200 CPU226型號PLC進行PLC控制系統(tǒng)設計，根據(jù)CPU226型號PLC的外部結(jié)構(gòu)及三種液體混合控制系統(tǒng)的控制要求畫出PLC的外部硬件接線圖。如圖2-4所示為PLC外部硬件接線圖： 3.5液體混合系統(tǒng)運行流程圖 通過對液體混合裝置及其控制系統(tǒng)運行流程的簡要分析，我們對系統(tǒng)的工作及控制要求有了進一步的認識，由此不難得出三種液體混合系統(tǒng)的運行流程圖。如圖2-6所示為三種液體混合系統(tǒng)運行流程圖。 結(jié)論 在最近的一段時間的畢業(yè)設計，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度本文所設計的是基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)的設計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最后，感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致謝 在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業(yè)上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業(yè)階段的學業(yè)的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。 四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1] 鄭淑芳 PLC控制系統(tǒng)的設計 北京：科學出版社，2004.5 [2] 黃長藝 西門子PLC控制系統(tǒng)概述 北京：機械工業(yè)出版社，2005.1. 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