基于組態(tài)軟件的液體混合器PLC控制設計【含CAD圖紙、說明書】

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壓縮包內含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 摘 要 液體混合器的核心控制板塊為 S7-200PLC、輔以 I/O 設備、電磁閥控制系統(tǒng)和采用 MCGS 組態(tài)軟件而實現(xiàn)的實時監(jiān)控系統(tǒng)。在石油冶煉、化學工程、藥品制造等行業(yè)中，進行多種液體混合是必然而然的工作，而且在其生產(chǎn)過程中具有重要的意義，但在這些行業(yè)中大部分都具有易燃易爆、毒性以及腐蝕性的溶劑或溶質，會導致工人工作環(huán)境相對惡劣，更嚴重的時候工人無法在現(xiàn)場工作 。再則，上述的所有行業(yè)中對于混合的比例具有嚴格的精準性要求，而且要求整體操作過程可靠，這兩點是工人實操和半自動化控制很難實現(xiàn)的。本文總體上闡述了現(xiàn)階段我國液體混合器的應用領域及應用情況，針對此種情況設計出以 MCGS 為實時監(jiān)控的具有自動化功能的液體混合器，此系統(tǒng)重點設計了 PLC 的控制系統(tǒng)以及 MCGS 組態(tài)軟件監(jiān)控設計。本次設計可達成的效果是可以根據(jù)液位的變化過程和各液體含量相關參數(shù)的變化隨時進行控制，液體混合器控制系統(tǒng)工作場合靈活且具有一定的精確性和安全性。 關鍵詞：組態(tài)軟件；液體混合器；PLC ABSTRACT The core control plate of the liquid mixer is the real-time monitoring system implemented by s7-200plc, supplemented by I/O equipment, solenoid valve control system and MCGS configuration software. In the oil refining, chemical engineering, medicine, manufacturing and other industries, for a variety of liquid mixing is inevitable but work, and is of great importance in the process of its production, but in most of these industries are flammable and explosive, toxic and corrosive solvent or solute, leads to the workers working environment is relatively poor, is more serious when the workers can't work in the field. Moreover, all of the above industries to mix proportion with strict precision requirement, and overall process and reliable operation, both of which are workers in field and semi-automatic control is difficult to realize. This paper generally describes the present application and the application of liquid mixer, aimed at the situation designed with MCGS for real-time monitoring, which has the function of automatic liquid mixer, this system mainly design the PLC control system and MCGS configuration software monitoring design. This design can achieve the effect of the process can be according to the change of liquid level and the change of liquid content related parameters to control at any time, liquid mixer control system with the accuracy and security of the workplace flexibility. Key words: MCGS; Liquid mixer;PLC 目 錄 摘 要 3 ABSTRACT 4 1. 緒論 1 1.1 課題的背景 1 1.2 本課題的研究內容 1 1.3 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 1 2. 液體混合器結構設計 3 2.1 液體混合器材料的選擇 3 2.2 液體混合器相關參數(shù)確定 4 3. PLC 控制系統(tǒng)設計 7 3.1 PLC 簡介及選擇依據(jù) 7 3.2 多種液體混合器控制系統(tǒng)設計 13 3.3 PLC 控制程序設計 18 4. MCGS 的應用——多種液體混合器的監(jiān)控、反饋 24 4.1 MCGS 的總體情況概述 24 4.5 工程的建立 26 4.6 工程畫面的創(chuàng)建 29 4.7 動畫的連接 31 4.8 組態(tài)運行 34 5.總結 36 致 謝 38 附錄 1：外文譯文 39 基于組態(tài)軟件的液體混合器 PLC 控制設計 1. 緒論 1.1 課題的背景 液體混合器是食品業(yè)、化工業(yè)、制藥業(yè)等行業(yè)必不可少的設備。當前各生產(chǎn)以及科研領域所應用的液體混合器大致分為三類：動態(tài)液體混合器（行星齒輪動態(tài)混合器、動靜齒圈式動態(tài)混合器、月牙槽型動態(tài)混合器）、靜態(tài)液體混合器（ SV 型靜態(tài)混合器、SK 型靜態(tài)混合器、SX 型靜態(tài)混合器、SH 型靜態(tài)混合器、SL 型靜態(tài)混合器）、微液體混合器（被動混合器、主動微混合器、新型混合器）。 目前我國各類液體混合器研發(fā)正處在快速成長的階段，包括用于混合高粘度流體,不但對流體具有很強的剪切作用.而且有分流、剝離配位、擠壓捏合等綜合作用,并且多數(shù)具有三維混合功能的高效動態(tài)混合器；利用固定在館內的混合單元體改變流體在館內的流動形態(tài)，以達到不同流體之間良好分散和充分混合的目的的靜態(tài)混合器；還有微型混合器的發(fā)展尤為迅速，在分析化學和生命科學領域，系統(tǒng)的微型化是大勢所趨，隨著基于塑料基底的微細加工技術的快速發(fā)展，微流控在生物芯片及芯片實驗室中具有越來越重要的作用。 1.2 本課題的研究內容 本課題以 PLC 控制為基礎實現(xiàn)對液體混合器的自動控制來進行的討論，在我國目前液體混合器的 PLC 控制還沒有普及，但是社會在極速發(fā)展的狀態(tài)下， 對液體混合器 PLC 自動控制的研究具有非常重要的意義，這符合了社會成長的潮流。目前絕大多數(shù)的生產(chǎn)要求其系統(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。 1.3 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 我國混合機制造業(yè)有著悠久的歷史和雄厚的基礎，國產(chǎn)混合機已經(jīng)在各個不同領域得到應用并經(jīng)過驗證，有些混合機還出口國外，得到國外用戶的認可并受到好評，應該說我國混合機制造業(yè)在國內外市場仍然有著巨大的發(fā)展空間。 38 當今時代飲料生產(chǎn)、酒廠配液等等行業(yè)都離不開液體混合裝置。液體混料比例的精確性和均勻性是產(chǎn)品質量的關鍵,同樣也是產(chǎn)品品質一致性的保障。傳統(tǒng)的液體混合裝置完全由人工操作,無論在配料、混料等階段都存在諸多不確定因素, 產(chǎn)品質量無法保證, 廢品多、人工投入大?；诶^電接觸器控制的液體混合裝置也由于繼電接觸裝置自身的缺點如經(jīng)常維修,抗干擾能力差以及系統(tǒng)升級改 造困難等等, 對產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率也難于提高。而可編程控制器有效地解決了這一問題。 在目前還說，在國內外可編程控制器已已廣泛在鋼鐵冶煉、石油提煉、化工、汽車、紡織、交通、電力、建材、機械、環(huán)保、文化娛樂等行業(yè)使用，使用的可編程控制器分為以下幾類： （1） 開關量的邏輯控制 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。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 （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轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，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。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅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、機床、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調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(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處理一般是運行專用的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，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 （6） 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能， 紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 從上世紀八十年代開始，我國的可編程控制器就一直在不斷的引進與研發(fā)。起初的是用在引進設備中的。但隨后來在各各企業(yè)中生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中的慢慢PLC 控制的應用。目前，我國本身已經(jīng)可以出產(chǎn)各種的中小型 PLC 等可編程控制器。于是可以預期到的是，伴隨著我國的社會現(xiàn)代化發(fā)展的不斷深入，PLC 控制將在我國工廠和生活中將有更為遼闊的應用市場。 2. 液體混合器結構設計 2.1 液體混合器材料的選擇 本次設計的液體混合器主要應用于醫(yī)藥業(yè)，故對材質的耐腐蝕性及穩(wěn)定性有著一定的要求。經(jīng)查閱資料可知，316 不銹鋼由于在合金中添加了 Mo 元素， 使其耐腐蝕性和高溫強度相當優(yōu)秀，符合我們對材質的要求，故本次混合器容器部分材質應用 316 不銹鋼。 2.2 液體混合器相關參數(shù)確定 （1） 壁厚計算 查閱資料可知 316 不銹鋼的許用應力為 =465MPa 設定其中裝入液體為水銀（密度最大的液體）其密度為 1.36*104kg/m3； 已知液體混合器整體尺寸為 250mm*170mm，焊縫系數(shù) =0.85；壁厚負加量C=1mm； 根據(jù)鋼制—壓力容器壁厚計算公式（GB150-89） 可得到壁厚 S=0.73mm 根據(jù)實際情況和機構牢固性及鋼板規(guī)格考慮，設定壁厚為 5mm （2） 壁厚校核 根據(jù)鋼制—壓力容器壁厚校核公式（GB150-89） =9.86MPa<465MPa （3） 軸的參數(shù)確定 此軸的剛度強度足以使此裝置正常長期運行。 如圖所示，軸的左側較長部分是銜接攪拌葉片置于混合液體內部的，故其長度應足夠深入混合器中下方位置設定其長度為 98cm，為了確保旋轉的穩(wěn)定性，接下來為配合 5106 推力球軸承將軸半徑局部 5mm 內增大為 30mm，為防止軸向竄動，故設定一段長為 5mm，直徑為 37mm 的軸肩，軸的最后尾端需通 過聯(lián)軸器與減速器配合，而軸與聯(lián)軸器需要通過鍵來連接，所選鍵長為 22mm， 故尾端軸長度定為 24mm。 （4） 攪拌葉片的材料及參數(shù)確定 攪拌葉片應具有足夠的剛度和穩(wěn)定的耐腐蝕性，同時是選用 316 不銹鋼作為制作材料。 經(jīng)查閱資料可知葉片的總體長度應為容器直徑的 0.3-0.6 倍，即 75mm-150mm 之間，故確定葉片最大回轉直徑為 140mm。 整體裝配簡圖如下： 3. PLC 控制系統(tǒng)設計 3.1 PLC 簡介及選擇依據(jù) 隨著近一個世紀以來科學的飛速發(fā)展，可編程控制器（PLC）誕生了。 PLC 是通過研發(fā)于 1969 年開發(fā)的，其開發(fā)時間僅為近 50 年，但具有良好的通用性和可靠性，且使用相對簡單。 PLC 內部包含不同類型的內存與順序操作，并且期望的輸入和輸出功能在數(shù)字或模擬模式下實現(xiàn)?，F(xiàn)在，PL 是工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一。 1969 年，美國數(shù)字設備公司(DEC)開發(fā)了世界上第一個新控制器。他們將其命名為“可編程邏輯控制器(PLC)”在 PLC 在通用汽車的測試應用成功后，它開始廣泛應用于各種邏輯控制場合。 初期，我們所認識的的 PLC 就是一種小型的集成電路，上邊有著大量的分立元器件，其所應用的相關指令系統(tǒng)，以及軟件的大部分功能都比較簡單，極大多數(shù)情況下應用于邏輯處理，但我們的計算機內部結構變得愈加簡單化，有了一定可靠性的提升，極大程度的適應了工業(yè)的環(huán)境。 PLC 的發(fā)展歷程中， 20 世紀 70 年代早期，出現(xiàn)過序列控制器，由二極管矩陣和集成電路組成。在 1970 年代后期，有“ICU”，其主要核心是 MC14500 單元，有 MC14512 (8 通道數(shù)據(jù)選擇器)、MC14516 (指令計數(shù)器)、MC14599 (雙向 8 位可尋址鎖存器)、2732 (存儲器)和其他組件。雖然與 PLC 相比，其具有一定的價格優(yōu)勢，但由于其可靠性和功能，其發(fā)展停滯不前。PLC 作為現(xiàn)代工業(yè)自動化控制技術的重要支柱，具有較高的性價比。 3.1.1 PLC 的分類 由于 PLC 的產(chǎn)品性能不一，規(guī)格眾多，其分類方法也較多。根據(jù)習慣 PLC 可分為以下三種。 （1） 小型 PLC 習慣性的劃分為，能夠進行控制的 I/O 點總數(shù)小于或等于 256 點的 PLC 稱作“小型 PLC”。小型 PLC 所采用的結構為整體固定 I/O 型或基本單元加擴展性結構，其用戶存儲器的容量通常在 8000 步以內，PLC 的定時器、輔助繼電器、數(shù)據(jù)存儲器以及計數(shù)器數(shù)量相對較少，且限制了功能模塊以及應用指令數(shù)量。 （2） 中型 PLC 可控制的最大 I/O 點數(shù)在 256-1024 之間的 PLC 稱為“中型 PLC”。 中型 PLC 采用的結構為模塊型結構，可以根據(jù)使用要求添加適當?shù)哪K， 也正亦如此不同的中型 PLC 之間性能差距較大；通常我們所見的中型 PLC 存儲器的容量在 16000 步以上；應用指令、功能模塊的數(shù)量大大增加，通信能力大大增強。 （3） 大型 PLC 可控制的的最大的 I/O 點數(shù)大于 1024 點即可稱為“大型 PLC”。 大型 PLC 一貫采用模塊型結構；一般情況下而言存儲器的容量大于 32000 步；PLC 的計數(shù)器、定時器、數(shù)據(jù)寄存器、輔助繼電器的數(shù)量很多；所應用的操作指令、相關功能的模塊配套豐富；其網(wǎng)絡功能強大，足以構建基于大型 PLC 的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；其還可以實現(xiàn)冗余的系統(tǒng)功能，還可以適應對速度及可靠新要求較高的控制場合。 按照其所應用的硬件分類，可分為五種，如下所示： （1） 整體固定 I/O 型 PLC:這是一個基于 I/O 定點的整體結構，也是一個小的 PLC。它的 I/O 接口、內存、電源、PLC 處理器和通信接口都安裝在基本單元上，沒有擴展模塊接口。 （2） 基本單元加擴展型 PLC：也是一種小型 PLC，其由可選的擴展 I/O 模塊、整體結構以及固定的 I/O 點數(shù)的基本單元所構成。 （3） 模塊型 PLC：它將 PLC 部分或所有單元均變成模塊的形式，且統(tǒng)一安裝在一塊基板上，是一種常用結構，通常應用于大中型 PLC。 （4） 集成性 PLC：以補充功能為主，一般應用于數(shù)控系統(tǒng)，用以實現(xiàn)輔助機能控制。 （5） 分布式 PLC: PLC 用來控制遠程的體積規(guī)模較大的生產(chǎn)設備，依靠主站模塊實控制遠程 I/O 點。 3.1.2 PLC 的系統(tǒng)組成 PLC 的組成框圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 PLC 結構框圖 （1） 中央處理器（CPU） 中央處理模塊是直接決定 PLC 性能的關鍵組件。 其具體作用是： ①接受來自編程器的用戶程序輸入并將其存儲在程序存儲器中； ②采集站的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)主要是同時掃描并存儲在輸入狀態(tài)寄存器中； ③執(zhí)行用戶程序，生成相應的控制信號，實現(xiàn)程序指定的各項功能； ④通過診斷程序診斷 PLC 的各種操作錯誤。 （2） I/O 模塊 ①輸入電路 ②可編程控制器中的輸入電路是連接外部信號的方式?，F(xiàn)場輸入信號流過輸入電路，并在輸入電路中轉換為 CPU 可處理的數(shù)字信號。 輸出電路 輸出電路是可編程控制器輸送控制信號給外部執(zhí)行器的通道。 （3） 存儲器模塊 可編程控制器的所有內部存儲器分為以下三種： ①系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)儲存器一般為 ROM、EPROM，用途是存儲 PLC 系統(tǒng)程序。 可編程序控制器的系統(tǒng)程序主要有三種類型：命令解釋器，管理程序和中斷控制程序。 可編程控制器的系統(tǒng)程序由生產(chǎn)廠家編制并安裝，用戶無權限進行更改， 因此 P 其一般情況下不會發(fā)生死機之類的故障。 ②用戶存儲器 用戶存儲器可分為兩部分，一部分用來存儲用戶程序，另一部分則供監(jiān)控和用戶程序作為緩沖單元。 用戶程序是根據(jù)用戶自己學習PLC 指令系統(tǒng)和程序以及所理解的實際問題， 可隨時利用編程器完成指令的編輯輸入，所有指令都由微處理器發(fā)送給用戶程序處理器。為了使程序的修改、調試、完善、擴充更加方便，該存儲器可采用具有掉電保護功能的 RAM。 ③數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器是為了存放 PLC 的內部邏輯變量而研制，因為其 CPU 需要隨時讀取并更新各個存儲器的內容。 （4） 編程器 編程器是 PLC 重要的外圍設備。其可以對程序進行編寫和修改，還具有監(jiān)視和調試功能。最終能夠在在 EPROM 中鞏固程序。 它分為簡單和智能兩種。 簡單編程器和 PLC 連接通過特殊接口相連，只能進行在線的程序編寫，程序的輸入形式是軟件模塊類型。 指令程序先存儲于編程器的 RAM 中，然后存入控制器的存儲器中。 智能編程器可以在線編程，也可以在離線編程時，通過 PLC 直接插入到現(xiàn)場控制站的相應編程接口中，還可以實現(xiàn)事務管理，梯形圖編程，通訊網(wǎng)絡， 彩色圖形顯示和打印 輸出控制等。編程器的鍵盤由兩種類型（梯形語言鍵或指令語言鍵）表示。 另外，屏幕對話是用戶編程的好途徑。此外，用戶還可以使用計算機編程通過 RS-232 接口將編織程序輸出到 PLC。 （5） 通信接口 通信接口是可編程控制器與外部設備進行數(shù)據(jù)交換的接口。 3.1.3 PLC 的工作方式 PLC 通常使用循環(huán)掃描操作模式來掃描用戶程序。 掃描方法大致分為以下五個階段： （1） 自診斷 執(zhí)行自我診斷相關程序。 （2） 與編程器進行通信 如有通信請求，則 PLC 在自診斷后就會立刻進行通信相關處理。 （3） 讀入相關現(xiàn)場信號 當 PLC 開始執(zhí)行用戶程序時，微處理器會優(yōu)先順序讀取所有輸出信號，并在相應的輸入狀態(tài)寄存器中逐個存儲它們。 （4） 進行用戶程序的執(zhí)行操作 程序是由一條一條的指令所構成，且每條指令都有順序號，這些順序號在可編程控制器中被稱作步號。根據(jù)步驟號將每條指令順序存儲在存儲單元中。在執(zhí)行程序的過程中，微處理器調用并執(zhí)行指令序列，并對輸入或輸出狀態(tài)執(zhí)行相關的“處理”，即根據(jù)程序執(zhí)行邏輯和算術運算，然后將計算結果存儲在 輸出狀態(tài)寄存器。 （5） 輸出結果 指令完成后，輸出電路用于將輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)轉換為電壓或電流信號輸出。 PLC 都有兩種工作狀態(tài)：STOP（停機狀態(tài)，此時只能輸入不能輸出）和 RUN （運行狀態(tài)，此時只能輸出不能輸入）。 根據(jù)工作狀態(tài)、工作階段不同，有以下兩種工作路徑。如圖 2-2 所示。 圖 2.2 PLC 運行框圖 3.1.4 PLC 應用領域 可編程控制器已廣泛應用于國內外各行各業(yè)。 PLC 目前應用于以下幾個方面： （1） 邏輯控制[14] （2） 順序控制[14] （3） 運動控制[14] （4） 數(shù)據(jù)處理[14] （5） 過程控制[14] 2.1.5 PLC 機型的選擇 PLC 產(chǎn)品種類和型號很多，其功能，價格和使用條件各不相同。 在選擇中， 除了輸入和輸出點之外，通常應考慮以下方面。 （1） PLC 的功能。PLC 的功能必須適應完成的控制任務。 這是最基本的要求。若所用的 PLC 功能不當或者功能不是很強，而且滿足不了設計者的要求?？刂七^程中也必須考慮可編程控制器的計算速度。以順序掃描工作方式進 行工作的 PLC 并不能一直接受持續(xù)時間小于掃描周期的通訊信號。 （2） 輸入電路模塊。PLC 輸入連接到受控設備的輸出。 因此，除了根據(jù)上述估計結果考慮使用的輸入點的數(shù)量之外，還需要精確地選擇傳感器等。另外， 需要考慮輸入點的相關參數(shù)。 主要目的是選擇一個準確的工作電壓和電流。 （3） 輸出電路模塊。輸出電路模塊的任務是將 PLC 的內部輸出信號轉換為可驅動執(zhí)行器的控制信號。除考慮輸出點的數(shù)量外，通常還需要注意兩個問題： 對于工作電壓和電流，輸出電路應該大于負載； 對于感性負載，應該注意的是， 斷開時可能會產(chǎn)生較高的反向電感。 3.2 多種液體混合器控制系統(tǒng)設計 3.2.1 液體混合器的基本組成結構 圖 2.3 很好的詮釋了多種液體混合器的結構，其所要達到的功能是能自動完成三種液體的混合和攪拌。該設備需要控制的組件如下：液位傳感器 L1，L2， L3（當液體浸入此點時為 ON 狀態(tài)）； 電磁閥 Y1，Y2，Y3，混合器 M.所有部件的控制都是數(shù)字控制，即通過導線和相應的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制效果。 圖 2.3 液體混合器 工作過程的敘述如下： （1） 初始狀態(tài)：容器內部為空，Y1 至 Y4 以及攪拌機 M 處都是關閉的， 液面?zhèn)鞲衅?L1-L3 也都是關閉的。 （2） 起始操作：撥動啟動按鈕，啟動系統(tǒng)，復位 Q0.0-Q0.5.撥動 L3 按鈕 （即準備開始注入液體）電磁閥 Y1、Y2 處于開啟狀態(tài)，此時開始注入液體 A、B 兩種液體，當其液面高度升高到 L2 時（此時 L2 和 L3 全部未開啟狀態(tài)）， 然后打開液體 C 的電磁閥 Y3，像 A、B 混合液體中注入液體 C，當最終混合液體液面到達 L1 高度時，L1 變?yōu)殚_啟狀態(tài)，即三種液體立刻停止注入，緊接著攪拌機 M 接通開始工作，程序設定的攪拌時間為 5 秒，攪拌過程結束后打開電磁閥 Y4，排出攪拌完的混合液體，最后按下停止按鈕，復位系統(tǒng)復位并結束工作。 （3） 停止及重復操作：按啟動按鈕可以重新開始工作。 3.2.2 液位傳感器的選擇 LSF 系列液位傳感器開關可以提供相當準確的檢測依據(jù)，能夠在各種惡劣環(huán)境中進行工作。 經(jīng)查閱資料，選用 LSF-2.5 型液位傳感器。相關元件主要技術參數(shù)及原理如下： 表 2.1 相關部件的主要技術參數(shù) 3.2.3 攪拌電機的選擇 結合電機效率，節(jié)能情況，噪音振動以及運行安全可靠性等方面考慮。選用 EJ15-3 型電動機。 表 2.2 相關部件的主要技術參數(shù) 其硬件接線如圖 2.4。 圖 2.4 硬件接線 3.2.4 電磁閥的選擇 （1） VF4-25 電磁閥用于罐裝液體。 表 2.3 相關部件的主要技術參數(shù) （2） AVF-40 型電磁閥用于儲存液體。 表 2.4 相關部件的主要技術參數(shù) 3.2.5 接觸器的選擇及熱繼電器的選擇 （1）接觸器的選擇 在日常實際作業(yè)中，不同的情況下電機總會時遇到電壓或者電流過載的情況，長期過載的后果是繞組溫度升高且超過允許值使繞組老化加速，明顯降低電機使用壽命，最嚴重時會損壞使電機，因此，都需要提供過載保護裝置以維持電機長時間的工作。選擇熱繼電器需要考慮因素有：整定電流要大于被保護電路護的正常工作電流。保護電機時，綜合考慮所選熱繼電器的型號、規(guī)格和特性等。 本次設計中選用 CJ20-10/CJ20-16 型接觸器。 表 2.5 相關部件的主要技術參數(shù) （2）選擇合適的熱繼電器 熱繼電器的種類很多，我們大多時候應用的是雙金屬片的熱繼電器。本次設計選用 JR16B-60/3D 型熱繼電器。 ： 表 2.6 相關元件主要技術參數(shù) 3.3 PLC 控制程序設計 3.3.1 I/O 地址對照表 表 2.7 多種液體自動控制的 I/O 分配表 3.3.2 外部接線圖 圖 2.5 plc 接線圖 圖 2.6 實驗模塊接線圖 3.3.3 梯形圖 經(jīng)反復研究確認后設計了相關程序，梯形圖繪制如下： 功能：啟動復位，停止復位。 啟動 SM0.1，啟動 I0.0，并且檢測到 I0.0 產(chǎn)生正跳變時，復位 T190-T191， Q0.0-Q0.5。,使其由高電平變?yōu)榈碗娖?。閉合停止開關，復位 Q0.0-Q0.5。 功能：閉合 L3，點亮 Y1、Y2，注入液體 A、B。 撥動 L3，使得電磁閥 Y1、Y2 線圈通電，電磁閥 Y1、Y2 閉合，變亮。 功能；點亮 L3，即注入液體 C。 閉合開關 L2（I0.2）電磁閥 Y3 線圈通電，其常開觸點閉合，即 Y3 亮。 功能：液面上升到了 L1 時，電磁閥 Y3 關閉，C 液體停止注入，開啟攪拌機。閉合 L1，定時器 T190 開始計時，攪拌機 M 開始工作，計時器計滿 5 秒后，常開跳為常閉，常閉跳常開，攪拌機停止工作，即 M 滅。 功能：液面降低至 L3 時，再延時 5 秒。T190 計時滿 5 秒后，T191 開始計時 5 秒。 功能：T191 延時 5 秒，便于排除液體。 5 秒后，Y4 亮。 功能：復位操作。 T191 計滿 5 秒后，將 T190、T191 計時器復位。 基于組態(tài)軟件的液體混合器 PLC 控制設計 實驗整體接線圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 接線實物圖 4. MCGS 的應用——多種液體混合器的監(jiān)控、反饋 4.1 MCGS 的總體情況概述 監(jiān)控和控制生成系統(tǒng)（MCGS）是一個以 Windows 平臺為參考而研發(fā)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可以完成實時操作現(xiàn)場的相關數(shù)據(jù)采集，對采集到的歷史數(shù)據(jù)進行運算以及相關處理，具有故障報警和安全機制，能夠隨時隨地的對過程進行控制，有強大的動畫顯示功能，生動而形象的反映工作進程等等。同時為用戶提供了一個完整的解決方案和開發(fā)平臺。 MCGS 具有操作簡單，可視性好，可維護性強，性能高，可靠性高等突出特點。 4.2 MCGS 組態(tài)軟件的整體結構 圖 3.1MCGS 軟件系統(tǒng)組成圖 圖 3.2MCGS 工程組成圖 MCGS 軟件系統(tǒng)由組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分組成。 組態(tài)環(huán)境：經(jīng)實時數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)變量后，其可以構建動畫、進行流程控制、組態(tài)報警、設計報表以及連接設備，近似于一整套十分完整的工具軟件。運行環(huán)境：其主要是顯示具體的動畫情形、能夠直接的觀看現(xiàn)場并且進行 控制、而且能夠報警輸出、打印相關情況的報表等功能。 MCGS 的所有工程都由五個部分組成：主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略。每一部分都要進行組態(tài)的設定，完成不同的工作。 4.3 MCGS 組態(tài)軟件的功能和特點 MCGS 具有大量的設備驅動，可以應用于現(xiàn)在我們所了解的大多數(shù)的硬件設備；另外，MCGS 將組態(tài)環(huán)境調試功能與設備操作命令結合，完美地實現(xiàn)了軟件與硬件的銜接。 采用的腳本語言為類 Basic 腳本語言，使用戶能夠經(jīng)過簡單的學習之后便可入手編程，而且在短時間內便可以編輯出與所需系統(tǒng)相對的復雜程序。 數(shù)據(jù)處理的功能十分強大，能靈活的運用各種方式對現(xiàn)場隨時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與相關處理，以確保用戶能夠獲得現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。 具有完善的安全機制，使用者具有一定的操作權限，例如：自由設定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)等。 MCGS 同時提供了 WWW 瀏覽功能，在整個企業(yè)范圍內，僅僅通過 IE 瀏覽器就可以實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場動畫畫面的監(jiān)控，以及當下與以往生產(chǎn)信息，包括發(fā)展趨勢，生產(chǎn)報表等，并具有完整的用戶權限控制功能。 4.4 MCGS 組態(tài)軟件的工作方式 MCGS 通訊外部設備：MCGS 利用自身攜帶的且與外部設備相匹配的驅動程序驅動有關設備后，彼此之間進行數(shù)據(jù)交換。 MCGS 的動畫效果產(chǎn)生：MCGS 中的每一個電器元件的圖片都有與其相匹配的固有的動畫屬性。每一種動畫屬性都會產(chǎn)生動畫效果，我們可以根據(jù)自身需求去設定。這里提到的動畫屬性，就是是一種特征參數(shù)，反映圖形的各種狀態(tài)。 4.5 工程的建立 4.5.1 工程的建立 圖 3.3 MCGS 工程建立 4.5.2 賦予數(shù)據(jù)變量含義 實時數(shù)據(jù)庫是 MCGS 中相當重要的一個組成部分。是為了完成 PLC 的監(jiān)控項目而定義出完備的數(shù)據(jù)變量用以交換和處理。正是數(shù)據(jù)變量的逐個定義累積構成了我們所見到的實時數(shù)據(jù)庫，我們在建立實時數(shù)據(jù)庫的時候就相當于定義了相關的數(shù)據(jù)變量（即確定了數(shù)據(jù)變量的類型、名稱、初始值和數(shù)值范圍）。 變量的分配：對液體混合器進行分析，確定所需要的變量類型及名稱。見 圖 3.4 多種液體混合器數(shù)據(jù)變量表 定義數(shù)據(jù)變量的步驟： 設備與變量連接： 圖 3.5 數(shù)據(jù)對象屬性設置 圖 3.6 設備管理窗口 4.6 工程畫面的創(chuàng)建 工程畫面的創(chuàng)建按照以下步驟進行 構造完的工程畫面如下： 圖 3.7 工程畫面的創(chuàng)建 圖 3.8 初始 按下“啟動按鈕”，系統(tǒng)運行且將 PLC 的 Q0.0-Q0.5 復位，并實時監(jiān)控液體混合器的工作狀態(tài)。初始狀態(tài)時， L3 燈亮，電磁閥 Y1、Y2 流通狀態(tài)，A、B 液體同時流入；當 A、B 混合液體到達液位傳感器 L2 所處高度時，液位傳感器L2 燈亮，此時電磁閥 Y3 打開，A、B、C 三種液體同時流入進行混合；當混合液體到達液位傳感器 L1 所處高度時，液位傳感器 L1 燈亮，同時電磁閥 Y1、Y2、Y3 同時關閉，攪拌器開始攪拌，攪拌 5s 后，電磁閥 Y4 由關閉轉為開啟狀態(tài)， 排出混合液體；按下“停止按鈕”，系統(tǒng)復位，即停止工作。 4.7 動畫的連接 在設定完每一個動畫元件的動畫屬性之后，需要把我們在實施數(shù)據(jù)庫中所定義好的數(shù)據(jù)變量與每一個動畫元件相匹配，這是完成監(jiān)控與控制的前提條件。 啟動按鈕的動畫連接 圖 3.9 動畫組態(tài)屬性窗口 圖 3.10 動畫組態(tài)屬性設置 整體動畫腳本循環(huán)設計 （1）雙擊用戶窗口中沒有元件的空白處，將會彈出如下頁面； 圖 3.11 整體動畫腳本循環(huán)設計 （2）左鍵單擊選擇“循環(huán)腳本”，點擊“打開程序編輯器”進行相關編程。如下所示： 圖 3.12 腳本編程 4.8 組態(tài)運行 在我們把每一項設置都完成之后，進行項目的保存工作，然后可以把組態(tài)監(jiān)控程序關閉，連接好數(shù)據(jù)線，在 PLCSTOP 狀態(tài)下，將 PLC 程序下載到我們在實驗室中所選定的 PLC 裝置中，再一次啟動 MCGS 組態(tài)軟件，通過 USB 數(shù)據(jù)線將組態(tài)動畫下載至觸摸屏，之后我們可以清晰的見到操作界面，最后將 PLC 調到 RUN 狀態(tài)，可以實現(xiàn) MCGS 對 PLC 的監(jiān)控與控制。縱觀整個操作過程， 我們可以反復的按鍵來完成對我們已設定程序的檢測。經(jīng)過一次次的測試，組態(tài)監(jiān)控軟件可實現(xiàn)預期的監(jiān)控與控制功能。 PC 機、PLC、mcgs 整體運行情況如圖 3.13 所示。 圖 3.13 整體工作圖 5. 總結 本設計的目標是通過組態(tài)軟件MCGS 以及可編程控制器實現(xiàn)對多種液體混合器的控制。MCGS 提供了更為直觀、清晰以及更加準確的電磁閥開關、液位以及液體的流動；這樣 PLC 的工作效率要比單獨 PLC 工作的情況高得多。 我對于 MCGS 的學習是零基礎開始，一步步的了解、一步步的實踐，最后成功的應用于多種液體混合器并且實現(xiàn)自動控制是讓我感到很成功的一件事。利用組態(tài)軟件 MCGS 監(jiān)控的多種液體混合器，可以節(jié)省大量的人力資源，很大程度上提高了工作的效率。 本設計是基于西門子 S7-200 型 PLC 進行的程序設計，也同時基于 PLC 系列產(chǎn)品的優(yōu)勢（具有靈活性強、可靠性高、抗干擾性能好以及對工作環(huán)境無要求等），所以今后相關的惡劣環(huán)境可以實現(xiàn)自動化，降低人們在此環(huán)境中工作的危害。同時本設計項目采用 PLC 來控制液體混合器，所以能夠較為方便的隨時修改 PLC 的程序，滿足不同情況下液體的混合要求。此控制系統(tǒng)在具有一定的經(jīng)濟性的基礎上，還具有相當高的精確性。 我們現(xiàn)在所作的畢業(yè)設計，充分考驗了我們對于所學知識的運用。另一方面，每一個環(huán)節(jié)都會端正我們做事的態(tài)度，畢業(yè)設計是嚴肅的，是需要認真對待的。整個畢業(yè)設計期間，我們的專業(yè)知識、技能在不斷鞏固的前提下一直在穩(wěn)步的提升。而且我所得到的啟發(fā)是在今后不管是任何的事情，都需要我們一點一滴的積累，不斷的努力，才會完成。相信我們通過這次經(jīng)歷，會對我們以后的工作生活產(chǎn)生不可估量的鼓舞和影響。 參考文獻 [1] 殷建國.工廠電氣控制技術[M].經(jīng)濟管理出版社,2006. 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Box 425530, Amman-Jordan 摘要： 在這項研究里測試并設計了 13 種不同的功能。其中包括,單輸入單輸出、單輸入雙輸出、鎖存器輸出、計時器、計數(shù)器、邏輯函數(shù)、小于、大于以及等于的計算功能,異或函數(shù)、復合函數(shù)和移位寄存器。在研究的最后,為了說明目的,開發(fā)并測試了 7 天泡茶機、電空驅動系統(tǒng)和它們的模擬。實驗結果表明,基于 plc 的控制與基于虛擬 plc 的程序結果完全吻合。 關鍵詞：函數(shù),LabVIEW,梯形圖,plc,仿真 說明 如今,傳統(tǒng)的 PLC 仍在很多領域應用,但是對于新裝置而言,基于 Windows 的PC 機使用 LabVIEW 軟件（abuzalata et al.,2010；除 et al.,2011）是日益成為首選的控制機制。PLC 由于其穩(wěn)定性、便捷的 I/O 接口以及其可靠的監(jiān)控裝置已經(jīng)成為控制業(yè)中最受歡迎的工具。傳統(tǒng)的 PLC 系統(tǒng)已被視為是企業(yè)訪問數(shù)據(jù)信息的障礙?？梢蕴砑?PLC 固有的專有設計由于一些原因限制了數(shù)據(jù)通道,像存儲器的容量,編程語言的隨意性（繼電器梯形圖）以及通過數(shù)據(jù)表對表內的數(shù)據(jù)訪問。PLCs 的一個重要特點是,標準 PLC 只能一次執(zhí)行一個程序,而一臺工業(yè)計算機能夠同時執(zhí)行多個程序,或 以任意順序執(zhí)行。還可以指出另外兩個重要的PLC 缺點：第一個是對于 Morris（1982）系列和特拉維斯系列和克林（2006） 系列的 PLC 而言,其進行登記的訪問在一個很低的水平上。第二個是,如果梯形圖和上位機程序都寫入 PLC 寄存器,則有明顯的沖突。相反,所有寄存器都應該是單向的,也就是說或者是 PLC 輸出信息或者是主機進行輸出。與傳統(tǒng)的 PLC 相比之下,PC 機實際上具有很大的內存。在實際應用程序中 lab-VIEW 很容易保持良好的架構,因為在使用中易于實現(xiàn)封裝和模塊化。 39 基于以上的研究目標是為了說明設計不同 PLC 功能是被用作使用 labVIEW 環(huán)境的應用。 等價PLC/labVIEW 梯形圖 在表一部分,是 PLC 的梯形圖,西門子軟件以及其設備像 Thomas 一樣從單 向輸入、單向輸出的角度使用著 labVIEW。 七天泡茶機 七天泡茶機的操作：泡茶機的操作需要按照以下順序進行,時間開關在上午的適當時間閉合,啟動循環(huán)。閥門 V1 打開,讓水充滿水壺 K,直到浮動開關 FS 運行。它關閉閥門 V1 并接通加熱元件 E,水壺里的水煮沸并啟動恒溫箱,之后將關閉加熱元件 E 和打開閥門 V2。熱水將注入茶壺,茶壺水滿時關閉閥門 V2。這時會有鬧鐘通知使用者茶水已制作完畢。 這個系統(tǒng)依賴于用戶每天更換茶壺、茶葉,而且每周需要將配套的水箱注滿水。以上所列舉的順序就是程序說明書。 輸入和輸出：LabVIEW 是用來代替 PLC 控制系統(tǒng)的,正如我們所知道的那樣,PLC 的輸入和輸出在程序設計之前都要確定。在泡茶機的應用方面,它輸入和輸出是什么呢？ ?輸入：它們是通知 PLC（LabVIEW 程序）控制系統(tǒng)的傳感器所發(fā)出的信號/ 信息。輸入系統(tǒng)告訴 PLC（LabVIEW 程序）將要發(fā)生什么。 Res. J. App. Sci. Eng. Technol., 5(24): 5677-5682, 2013 40 41 42 圖 2:7 天泡茶機的西門子梯形圖。 開關、恒溫器、傳感器等都是輸入設備。 ?輸出:它們是由 PLC (LabVIEW 程序)發(fā)布的命令,用于執(zhí)行任務(通常需要電源)。輸出設備必須被告知何時進行工作；如泵、電磁閥、燈具等。 輸出設備:圖 1 中 7 天制茶機的圖表說明了系統(tǒng)的操作。 參照茶葉制造商系統(tǒng),將每個元素標識為輸入或輸出設備,并賦予其唯一標識, 如表 2 所示。 7 天泡茶機程序:因為 LabVIEW 是用來代替 PLC 來控制這個系統(tǒng),而且然后由 PLC 西門子(S7-200)軟件來設計程序,接著由 LabVIEW 軟件繼續(xù)執(zhí)行。 ? PLC 梯形圖:如圖 2 所示,采用 PLC 西門子(S7-200)軟件的 7 天泡茶機程序梯形圖如圖 2 所示。、 ? LabVIEW 的梯形圖:如圖 3 所示,7 天泡茶機程序的梯形圖是 LabVIEW 的。 43 ?使用 LabVIEW 的 7 天泡茶機模擬:如圖 4 所示,使用 LabVIEW 軟件模擬 7 天泡茶機。 44 氣動缸系統(tǒng) 氣動氣缸的操作:氣動氣缸閥門的操作等(2011)需要以下步驟:通過外推按鈕或軟件內部的操作來初始化操作,電磁閥 SV 是工作的,并將氣缸向前移動。當圓筒接觸限位開關時,定時器 T1 將被激活。當 T1 的時間值結束后,SV 返回到 off 狀態(tài),而螺線管反向運動。這使得定時器 2 T2 打開,T1 關閉,計數(shù)器 C1 增加 1。當 T2 的時間值結束后,SV 被激活,氣缸又向前移動。序列一直持續(xù)到計數(shù)器到達它的值,然后操作將自動關閉。用戶可以在任何時候通過外部按鈕或軟件內部的按鈕關閉操作,用戶也可以從外部按下按鈕開關操作。 氣缸的輸入和輸出: LabVIEW 將代替 PLC 來控制這個系統(tǒng)。眾所周知,PLC 的輸入和輸出必須在程序設計之前確定。參照氣動氣缸系統(tǒng),我們可以將每個元件識別為輸入或輸出裝置,并給它一個獨特的識別,如表 3 所示。 45 圖 9:氣動氣缸的硬件電路。 氣動氣缸程序: 由于 LabVIEW 是用來代替 PLC 來控制這個系統(tǒng)的,所以首先使用 PLC 來設計程序,如圖 5 所示,采用 PLC 西門子(S7-200)軟件,然后使用 LabVIEW 軟件如圖 6 所示。 ?氣缸的 PLC 梯形圖: ?氣動氣缸的 LabVIEW 梯形圖: 圖 6 顯示了氣動氣缸系統(tǒng)的梯形圖。使用 labVIEW 的氣缸模擬: 圖 7 演示了使用 LabVIEW 軟件的氣動氣缸應用程序的仿真。氣缸的硬件: 它包含多路光耦合器光電晶體管輸出(4 - 2 元),其銷連接圖 8 所示- BD 237 NPN 晶體管電阻 920Ω,440 KΩ- 2 推 buttons-leds-24 V 直流電源 supply-4 / 2 雙作用氣缸,電磁閥,限位開關的數(shù)據(jù)采集板,本文研究了以下 DIO（數(shù)字量輸入輸出）通道數(shù)據(jù)采集板,表 4,代表這些引腳。按下 24V 直流電源的按鈕以給電磁閥、雙作用氣缸,限制開關 DAQ 板供電,本研究在 DAQ 板(表 4)中處理了以下的DIO(數(shù)字輸入輸出)通道,表示這些引腳。 如圖 9 所示,硬件電路的構造。電路包括兩個部分；第一部分是光耦合器,它將DAQ 板與電磁線圈的高電流隔離開來。數(shù)字通道 5 在 DAQ 板上激活光耦合器及其 46 輸出激活第二部分(功率晶體管)。第二部分的目的是將合適的電流提供給螺線管。功率晶體管的輸出激活電磁閥(Alia et al., 2011)。 表 4:戴奧頻道 符號 通道 密碼 狀態(tài) (I,O) 項目 DIO5 51 Output SV DIO2 49 Input LS DIO4 19 Input ON DIO0 52 Input OFF 結論 使用 LabVIEW 環(huán)境,設計并測試了 13 個不同的虛擬 rungs。應用同樣的方法,可以設計一套完整的 PLC 功能,實現(xiàn)可編程的基于 pc 的虛擬 PLC。在這種情況下, 虛擬 PLC 將獲得基于 pc 的控制的優(yōu)勢。 引用 Abuzalata, M.K., M.A.K. Alia, S. Asad and M. Salahat, 2010. Design of a Virtual PLC using Lab View, Res. J. Appl. Sci. E