【正文】 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（ PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），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，備受國內外技術人員和工商業(yè)界廠商的極大關注，生產 PLC 的廠商云起。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，產品得到飛速發(fā)展。 采用基于 PLC 的控制系統(tǒng)來取代園林單片機、繼電器等構成的控制系洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 2 統(tǒng)，采用模塊化結構，具有良好的可移植性和可維護性，對提高企業(yè)生產和管理自動水平有很大的幫助，同時又提高 了生產線的效率、使用壽命和質量，減少了企業(yè)產品質量的波動，因此具有廣闊是市場前景。用 PLC 進行開關量控制的實例很多，在冶金、機械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需要它，例如燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、液體混合系統(tǒng)、生產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 用于兩種液體混合裝置的設計的控制，對學習與實用是很好的結合。 本設計的主要研究范圍及要求達到的技術參數(shù)有： 、高效的加液、混液、出液的控制； ； 、軟硬件電路的設計、常見故障分析等等。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 3 第 1 章 液體自動混合系統(tǒng)方案設計 方案設計原則 整個設計過程是按工藝流程設計，為設備安裝、運行和保護檢修服務，設計的編寫按照國家關于電氣自動化工程設計中的電氣設備常用基本圖形符號（ GB4728）及其他相關標準和規(guī)范編寫。設計原則主要包括：工作條件：工程對電氣控制線路提供的具體資料，系統(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟、合理、合用，減小設備成本。在方案的選擇、元器 件的選型時更多的考慮新技術、新產品?？刂朴扇斯た刂频阶詣涌刂?，由模擬控制到微機控制，使功能的 實現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。 對于本課 題來說，液體混合系統(tǒng)部分是一個較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改適升級， 控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設備和工藝現(xiàn)況來構成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對于人機交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應盡量和改造前的相類似，以便于操作人員迅速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也需要處理大量的開關量。系統(tǒng)的可靠性要高。人機交互界面友好，應具備數(shù)據(jù)儲存和分析匯總的能力。 要實現(xiàn)整個液 體混合控制系統(tǒng)的設計，需要從怎樣實現(xiàn) 多 個電磁閥的開關以及電動機啟動的控制這個角度去考慮，現(xiàn)在就這個問題的如何實現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。 系統(tǒng)的整體設計要求 在該混合液體裝置中，需要完成兩種液體的進料、混合、卸料的功能，控制要求如下： ：開始排放混合液體閥打開延時 10S 后自動關閉， A 液體閥Y1 打開，注入 A 液體。當液面上升到 SL2 時，關閉 A 液體閥 Y1，同時注入B 液體閥 Y2 打開，注入 B 液體。當液面上升到 SL3 時，關閉 B 液體閥，并開始定時攪拌，攪拌 10S 后停止。 ：停止 攪拌后自動排放混合液體，當混合液體的頁面下降到SL1 時，開始計時到 10S 后關閉排氣閥 Y4。一個循環(huán)結束。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 ，報警燈閃爍。保護動作自動關閉相應的閥門和開啟相應的閥門。停止混合系統(tǒng)運行。 H、 I、 L 3 個傳感器控制液體 A、液體 B 的進入和混合液排出的 3 個電磁閥門及攪拌機的啟停。 控制方式系統(tǒng)的要求的 設計 就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、工業(yè)控制計算機控制、可編程 序 控制器控制。 控制功能是用硬件繼電器實 現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、電流、轉速、時間及溫度等參量變化而動作，以實現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護。系統(tǒng)復雜，在控制過程中，如果某個繼電器損壞，都會影響整個系統(tǒng)的正常運行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個控制柜價格非常高，靈活性差，響應速度慢。 單片機作為一個超大規(guī)模的集成電路，機構上包括 CPU、存儲器、定時器和多種輸入 /輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強的控制功能，成為功控領域、尖端武器、日常生活中最廣 泛的計算機之一。但是，單片機是一片集成電路，不能直接將它與外部 I/O 信號相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O 接口電路，硬件設計、制作和程序設計的工作量相當大。 工控機采用總線結構，各廠家產品兼容性強，有實時操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實用性強、功能復雜的領域中占優(yōu)勢。但工控機價格較高，將它用于開關量控制有些大材小用。且其外部 I/O 接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 序 控制器控制 可編程控制器配備各 種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設計和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬 件 配制和設計外部接線圖，同洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 時采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點和接線，通過修改程序適應工藝條件的變化。 可編程控制器 (PLC)從上個世紀 70 年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關量進行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時間繼電器等構成開關量控制系統(tǒng)。隨著 30 多年來微電子技術的不斷發(fā)展， PLC 也通過不斷的升級換代大大增強了其功能。現(xiàn)在 PLC 已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制 功能、運動控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名符其實的多功能控制器。由 PLC 為主構成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強大、性價比高等優(yōu)點，是目前工業(yè)自動化的首選控制裝置。故選擇 PLC 來實施本次設計。 (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、包裝生產線、電鍍流水線等。 (2) 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控 制，世界上各主要 PLC 廠家的產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。 (3) 閉環(huán)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。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。 (4) 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。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)。 (5) 通信及聯(lián)網(wǎng) 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 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)。新近生產的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 系統(tǒng)方案的設計思想 控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用 和維護方便。物料混合設備要節(jié)能、安全、高效和滿足生產及應用要求 ： 1． 可靠性高，抗干擾能力強 高可 靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。 2． 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。 3． 易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符 號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4． 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 5． 體積小，重量輕，能耗低 6． 硬件配套齊全，擁護使用方便，適 應性強 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 液體自動混合 系統(tǒng)的硬件設 計 硬件選型 PLC 機型選擇 機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護使用方便及最佳的性能價格比。具體應考慮的因素如下所述。 1． 結構合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結構的 PLC；否則，選用模塊式結構的 PLC，物料混合控制系統(tǒng)的設計選用整體式結構的 PLC 能夠達到要求。 2． 功能強、弱適當 對于開關量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC，西門子公司的 S7200 系列機或歐姆龍公司的 COM1。 3． 機型統(tǒng)一 PLC的結構分為整體式和模塊式兩種。整體式結構把 PLC的 I/O 和 CPU放在一塊印刷電路板上，并封裝在一個殼體內，省去了插接環(huán)節(jié)，因此體積小、價格便宜。但由于整體式結構的 PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡單的系統(tǒng)。一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結構，這樣功能易擴展，比整體式靈活。一個大型企業(yè)選用 PLC 時，盡量要做到機型統(tǒng)一。由于同一機型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理；另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術人員的培訓；其外部設備通用也 有利于資源共享。若配備了上位計算機，可把各獨立系統(tǒng)的多臺 PLC 聯(lián)成一個多級分布式控制相互通信，集中協(xié)調管理。物料混合控制系統(tǒng)控制要求比較簡單選擇整體式結構的 PLC。 4． 是否在線編程 PLC 的特點之一是使用靈活。當被控設備的工藝過程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產帶來很大方便。 PLC的編程分為離線編程和在線編程兩種。離線編程的 PLC，其主機和編程器洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 共用物料混合控制系統(tǒng)采用離線編程 。 5． PLC 的環(huán)境適應性 由于 PLC 是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產廠家都把它設計成能在惡劣的 環(huán)境條件下可靠地工作。盡管如此，每種 PLC 都有自己的環(huán)境技術條件，用戶在選用時，特別是在設計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要進行充分的考慮。一般 PLC 及其外部電路（ I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境條件下可靠工作： 溫度 ： 工作溫度 0～ 55℃ ，最高為 60℃ 儲存溫度 ： 40℃ ～＋ 85℃ 濕度 ： 相對濕度 5%～ 95%(無凝結霜 ) 振動和沖擊 ： 滿足國際電工委員會標準 電源 ： 交流 200V，允許變化范圍為 15%～＋ 15%，頻率為 47～ 53Hz 瞬間停電保持 l0ms 環(huán)境 ： 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體 對 于需要應用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據(jù)具體的情況進行合理的選擇。 PLC 容量選擇 PLC 容量包括兩個方面：一是 I/O 的點數(shù)；二是用戶存儲器的容量（字數(shù)）。 PLC 容量的選擇除滿足控制要求外，還應留有適當?shù)脑Ａ浚宰鰝溆?。根?jù)經(jīng)驗，在選擇存儲容量時，一般按實際需要的 10%～ 25%考慮裕量。對于開關量控制系統(tǒng)，存儲器字數(shù)為開關量 I/O 乘以 8；對于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲器字數(shù)為模擬內存單元數(shù)乘以 100。通常，一條邏輯指令占用存儲器一個字。計時、計數(shù)、移位及算術運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯ζ?兩個字。各種指令占存儲器的字數(shù)可查閱 PLC 產品使用手冊。 I/O 點數(shù)也應留有適當裕量。由于目前 I/O 點數(shù)較多的 PLC 價格也較高，若備用的 I/O 點的數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調整和擴充，通常 I/O 點數(shù)按實際需要的 10%～ 15%考慮備用量。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 I/O 模塊的選擇 PLC 是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產設備或工業(yè)生產過程，它的工作環(huán)境是工業(yè)生產現(xiàn)場。它與工業(yè)生產過程的聯(lián)系是通過