电气工程课程设计.

东北石油大学

课程设计

课程电气工程课程设计

题目基于PLC的多种液体混合控制的设计院系电气信息工程学院电气工程系

专业班级电气11-2班

学生姓名王禹栋

学生学号110603140222

指导教师任爽姚建红

2014年12 月5日

东北石油大学课程设计任务书

课程电气工程课程设计

题目基于PLC的多种液体混合控制的设计

专业电气工程及其自动化姓名王禹栋学号110603140222 主要内容：

1.设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；

2.系统有启动、停止功能；

3.运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；

4.用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；

5.程序结构与控制功能自行创新设计；

6.进行系统调试，实现自动旋转检测的控制要求。

基本要求：

设计由软PLC控制器、多种液体混合模拟对象、自动化控制软件平台等组成的系统，设计出三种液体混合加热，四种液体混合自动计数自动清零、手动清零的控制程序。

参考资料：

[1]肖峰,贺哲荣编著.PLC编程100例[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]何献忠，李卫平等编著.可编程序控制器应用技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]许翏编编著.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

完成期限2014.11.24至2014.12.5

指导教师

专业负责人

2014年11 月20 日

目录

1 设计要求： (1)

2 多种液体混合控制系统 (1)

2.1 工程背景及说明 (1)

2.2 方案的介绍 (2)

3 控制系统总体方案设计 (3)

3.1 系统选型 (3)

3.2 控制要求 (9)

3.3 输入/输出分配 (10)

3.4 接线图设计 (11)

4 软件电路设计 (11)

4.1程序框图设计 (11)

4.2根据控制要求和I/O地址编制的控制梯形图 (12)

4.3 系统工作过程 (14)

5 PLC与监控系统设计 (15)

5.1 上位监控软件 (15)

5.1.1 概述 (15)

5.1.2 工作原理 (15)

5.2 系统组态设计 (16)

5.3 实现的效果 (17)

6 系统常见故障分析及维护 (18)

6.1 系统故障调试分析及处理 (18)

6.2 结果分析 (19)

7 结论 (20)

参考文献 (22)

附录 (23)

1 设计要求：

本系统由软PLC控制器、多种液体混合模拟对象、自动化控制软件平台等组成，实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制。设计出三种液体混合加热，四种液体混合自动计数自动清零、手动清零的控制程序。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、合用、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。

2 多种液体混合控制系统

2.1 工程背景及说明

当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS, 这是由于液位控制系统

的仪表信号较多, 采用此系统性价比相对较好, 但随着电子技术的不断发展, PLC 在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善, 而且PLC 的抗干扰的能力也非常强, 对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造, 大大提高了控制系统的可靠性和自

控程度, 为企业提供了更可靠的生产保障, 所以PLC 在工业控制系统中得到了良好的应用。采用PLC 对容器中的液位进行监控控制, 其电路结构简单, 设备投资少, 监控系统不仅自动化程度高, 还具有在线修改功能, 灵活性强等优点, 适用于多段液位控制的监控场合。为此, 我们设计了以德国西门子公司生产的S7-200 CPU 226CN 型PLC 为主控制器, PPI 通信协议下的多种液体混合监控系统。整个设计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（GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：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、合用、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状来构成并需尽可能的利用旧系

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，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，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，需要从怎样实现电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现状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

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、时间及温度等参数变化而动作，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工作，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，因此整个控制系统价格非常高，灵活性差，响应速度慢。

单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括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，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接，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、控制和程序设计的工作量相当大。

可编程控制器(PLC)从上世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它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。现状PLC已经发展成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功能，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。

设计的编写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（GB4728）及其他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、合用、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。

控制系统简单、经济、使用和维护方便。物料混合设备要节能、安全、高效

和满足生产及应用要求：

1、可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2、配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

3、易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

5、体积小，重量轻，能耗低

6、硬件配套齐全，拥护使用方便，适应性强

3 控制系统总体方案设计

3.1 系统选型

一、PLC的机型选择

（一）机型选择内容

可编程控制器(PLC)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问的通信。因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，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，所需的开关量输入为5点，开关量输出为4点，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，选用西门子S7-200 PLC作控制单元来控制整个系统。S7-200PLC的一般结构包括CPU(中央处理单元)、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)

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整体性能。

2、存储器的选择

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称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM 等。

3、I/O 配置

输入模块和输出模块通常称I/O模块或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、电源配置

每个S7-200 CPU模块均提供一个24V直流传感器电源和一个5V直流电源。24V直流传感器电源可以作为CPU本机和数字量扩展模块的输入、扩展模块（如模拟量模块）的供电电源以及外部传感器电源使用。如果容量不能满足所有需求，则必须增加外部24V直流电源。

（二）机型选择要求：

1、结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。

2、功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

3、机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个

大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

4、是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

5、PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般PLC 及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度：工作温度0～55℃，最高为60℃

储存温度：-40℃～＋85℃

湿度：相对湿度5%～95%(无凝结霜)

振动和冲击：满足国际电工委员会标准

电源：交流200V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz

瞬间停电保持l0ms

环境：周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

整个设计过程是按工艺流程设计，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(GB4728）及其他相关标准和规范编写。设计原则主要包括：工程对电气控制线路提供的具体资科，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、合用，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。

二、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，当没有液面时，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125；

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。

三、搅拌电机的选择

三相异步电动机应用非常广泛，因而正确的选择电动机显得极为重要。三相异步电动机的选择包括它的功率、种类、方式、电压和转速等。

1、功率的选择

合理选择电动机的功率是运行安全和经济的可靠保证。所选电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。

(1)连续运行电动机功率的选择

连续运行电动机功率的选择原则：对于连续运行的电动机，若负载是恒定负载，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率稍大于或等于生产机械功率（即若负载是变化的，计算比较复杂，通常根据生产机械负载的变化规律求出等效的恒定负载，然后选择电动机）。

(2) 短时运行电动机功率的选择

短时运行电动机功率的选择原则：通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。（原因由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，过载可以愈大。但电动机的过载是受限制的）电动机的额定功率是生产机械所要求功率的1/λ。

2、种类和型式的选择

种类选择原则：主要从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑。

结构型式选择原则：根据生产机械的周围环境条件来确定。

电动机常用的结构型式有：开启式、防护式、封闭式、防爆式。

3、电压和转速的选择

电压等级选择原则：要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y 系列笼型电动机的额定电压只380V一个等级；大功率异步电动机才采用3000V、 6000V 的电压等级。

转速选择原则：根据生产机械的要求而选定。

Y 系列三相异步电动机是一般用途低压三相鼠笼型异步电动机基本系列。该系列可以满足国内外一般用途的需要，机座范围80-315，是全国统一设计的系列产品。Y 系列电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪声低、寿命长、可靠性高、维护方便、起动转矩大等优点。安装尺寸和功率等级完全符合 IEC 标准。采用 B 级绝缘、外壳防护等级为 IP44，冷却方式 IC418。

其硬件接线如图1。

图1硬件接线

四、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（mm）宽度。

（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℃/环境温度-20~60℃；

（3）使用电压：AC：220V50Hz/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A VF-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。

五、接触器、熔断器的选择

可根据所控制负载的工作任务选择相应使用类别的接触器，选用 CJX1-9，220V 型接触器。

1、接触器用途

CJX1 系列交流接触器适用于交流 50Hz 或 60Hz，可频繁地起动及控制交流电动机。适用于控制交流电动机的起动、停止及反转。

2、接触器工作条件

海拔高度不超过2000米；周围环境温度：-25～40℃；空气相对湿度：在40℃时不超过50%，在较低温度下允许有较大的相对湿度；大气条件：没有会引起爆炸危险的介质，也没有会腐蚀金属和破坏绝缘的气体和导电尘埃。安装位置：安装面与垂直面的倾斜度不超过±5°；在无显著摇动和冲击的地方；在没有雨雪侵袭的地方。

3、接触器结构特征

总体结构：接触器为 E字形铁芯，双断点触头的直动式运动结构。接触器动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑，可防止外界杂物及灰尘落入接触器活动部位，接触器外形尺寸小巧，安装面积小。安装方式可用螺钉坚固，具有装卸迅速、方便之优点。触头系统：主触头、辅助触头均为桥式双断点结构，触头材料由导电性能优越的银合金制成，具有使用寿命长及良好的接触可靠性，并由阻燃性材料阻挡电弧向外喷溅，保证人身及邻近电器的安全。

磁系统：9～38A 接触器的磁系统是通用的，电磁铁工作可靠、损耗小、具有很高的机械强度，线圈的接线端装有电压规格的标志牌，标志牌按电压等级著有特定的颜色，清晰醒目，接线方便，可避免因接错电压规格而导致线圈烧毁。六、熔断器的选择

选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锡合

金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。当短路电流较大时，宜采用具有高分断能力的熔断器。当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的熔断器

方案设计原则：对于本课题来说，液体混合系统部分是一个较大规模工业控制系统的改适升级，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的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。系统的可靠性要高。人机交互界面友好，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，现在就这个问越的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

该系统工作时的要求如下：

1、初始状态：当装置投入运行时，容器内为放空状态。

2、起始操作：按下启动按钮SB1，装置开始按规定工作，液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，关闭液体A阀门，打开B阀门。当液面到达SL3时，关闭液体B阀门，打开C阀门。当液面到达SL4时，关闭液体C 阀门，搅拌电动机开始转动。搅拌电动机工作1min后，停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL1时，SL1有接通变为断开，在经过20s后，容器放空，混合液体阀门YV4关闭，接着开始下一个循环操作。

3、停止操作：按下停止按钮后，要处理完当前循环周期剩余任务后，系统停止在初始状态。

3.2 控制要求

在该混合液体装置中，需要完成两种液体的进料、混合、卸料的功能，控制要求如下：

1.混合过程：开始排放混合液体阀打开延时10S后自动关闭，A液体阀Y1打开，注入A液体。当液面上升到SL2时，关闭A液体阀Y1，同时注入B液体阀Y2打开，注入B液体。当液面上升到SL3时，关闭B液体阀，并开始定时搅拌，搅拌10S后停止。

2.停止过程：停止搅拌后自动排放混合液体，当混合液体的页面下降到SL1

时，开始计时到10S后关闭排气阀Y4。一个循环结束。

3.当系统发生故障时，报警灯闪烁。保护动作自动关闭相应的阀门和开启相应的阀门。停止混合系统运行。

4.本设计使用液位H、I、L 3个传感器控制液体A、液体B的进入和混合液排出的3个电磁阀门及搅拌机的启停。

3.3 输入/输出分配

输入/输出地址分配如表1。

表1 液体混合装置输入/输出地址分配

输入设备输入点编号输出设备输出点编号

启动按钮I0.0 电磁阀YV1 Q0.0

SL1液位传感器I0.1 电磁阀YV2 Q0.1

SL2液位传感器I0.2 电磁阀YV3 Q0.2

SL3液位传感器I0.3 电磁阀YV4 Q0.4

SL4液位传感器I0.4 搅拌机M Q0.3

停止按钮I0.5

图2输入、输出接线图

3.4 接线图设计

系统接线图如图3所示。

图3系统接线图

4 软件电路设计

4.1程序框图设计

PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图表示。由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输进扫描，循环执行。

液体自动混合的控制是比较复杂的，要满足控制的要求，其程序框图如图4所示。

任务1

启动开阀门YV1,Q0.0,

输入液体A 关阀门YV1,Q0.0，开阀门YV2,Q0.1

输入液体B

液体到SL1位

液体到SL2位

液体到SL3位

液体到SL4位

搅拌时间到

任务2关阀门YV2，Q0.1,开阀门YV3,Q0.2

输入液体C

关阀门YV3,Q0.2,启动搅拌机Q0.3

任务3任务4任务5任务6

启动输出延时延时时间到

停止搅拌机，Q0.3,开阀门YV4，Q0.4

输出混合液体D

关阀门YV4,Q0.4,容器排空

传感器SL4,SL3,SL2,SL1相继复位

混合液体低于SL1

任务7循

环

停止

按下停止按钮

处理完当前循环周期任务

图4控制程序流程图

4.2根据控制要求和I/O 地址编制的控制梯形图

控制梯形图如图5所示。

I1.4Q0.4M0.0Q0.0

Q0.0

Q0.0

T37IN

TON 100ms

T37T38M0.0Q0.4

I1.2T38Q0.4M0.0M0.1

M0.1

M0.1

T38IN

TON 100ms

PT PT +100网络4

网络5

网络6

网络7

网络8

Q0.4

( )

( )

( )+100Q0.1

Q0.1

T38

Q0.0M0.0Q0.4Q0.2

Q0.2

I1.0I1.1M0.0

M0.0

M0.0Q0.2Q0.0I1.1I1.3网络1

网络2

网络3

( )

( ) ( )

图5 控制系统梯形图

4.3 系统工作过程

（1）第一种液体的进入

当PLC接通电源后，按下启动按钮SB0后，触点I0.0接通，Q0.1得电并自锁，与之相连的电磁阀YV1接通并保持，液体A开始流入，当液体达到液面传感器SL1的位置时，SL1动作。

（2）第二种液体的进入

当液体达到液位传感器SL2的位置时，SL2动作，I0.2接通使Q0.2得电并自锁，与之相连的电磁阀YV2接通并保持，液体B开始流入液罐，同时I0.2的动断辅助触点I0.2断开，液体A停止流入。

（3）第三种液体的进入

当液体达到液位传感器SL3的位置时，SL3动作，I0.3接通使Q0.3得电并自锁，与之相连的电磁阀YV3接通并保持，液体C开始流入液罐，同时I0.3的动断辅助触点I0.3断开，液体B停止流入。

（4）搅拌机工作

当液体达到液位传感器SL4时，SL4动作，I0.4接通使Q0.4得电并自锁，与之相连的电磁阀接通并保持，同时I0.4的动断辅助触点I0.4断开，液体C停止流入，搅拌机开始搅拌，同时时间继电器T37得电开始计时。

（5）混合液体开始排出

1 min后时间继电器T37计时时间到，其动合辅助触点T37闭合，Q0.5得电并自锁，与之相连的电磁阀YV4接通并保持，同时Q0.5的动断辅助触点Q0.5断开，断开Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4，液体开始排出。

（6）混合液体排完

Q0.5得电的同时带动Q0.6得电，液体排出的同时SL4、SL3、SL2、SL1相继复位，当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，其动断辅助触点SL1复位闭合，时间继电器T38得电开始计时，20s后T38计时时间到，其动断辅助触点T38断开，Q0.5失电停止排放液体。

（7）重复液体混合过程及停止

T38动合辅助触点闭合，Q0.1得电自锁，其动断辅助触点Q0.1断开，T38失电复位，开始循环，当需要停止时按下停止按钮I0.5，Q0.7得电并自锁，当T38得电时Q1.0得电，停止工作。

5 PLC与监控系统设计

5.1 上位监控软件

5.1.1 概述

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。通常工控机，工作站，触摸屏作为上位机，通信控制PLC，单片机等作为下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。

在概念上，控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。

上位机和下位机，一般是指集中控制系统中的PC机和现场的工控机。上位机（PC机）主要用来发出操作指令和显示结果数据，下位机（工控机）则主要用来监测和执行上位机的操作指令。举个例子，蓄电池生产中，需要按工艺要求进行充电和放电。现场有许多工位，各自配有智能的充放电设备，它们就是“下位机”。整个车间有一台PC机来集中管理，这就是“上位机”。

上位机软件一般用高级语言编程，如BASIC、C，有比较丰富的图形界面。下位机的编程，依所用的MCU而异，以汇编为主。

上位机和下位机之间的通讯，常见是RS-232，RS-485，当然还有很多，但都是串行方式。特别是“一对多”的RS-485用得最普遍。

5.1.2 工作原理

两机如何通讯，一般取决于下位机，TCP/IP一般是支持的，但是下位机一般具有更可靠的独有通讯协议，购买下位机时，会带一大堆手册光盘，告诉你如何使用特有协议通讯，里面会举大量例子，一般对编程人员而言一看也就那么回事，使用一些新的API(API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节罢了，多语言支持功能模块，一般同时支持数种高级语言为上位机编程。

通常上位机和下位机同学可以采用不同的通讯协议，可以有RS232的串口通

讯或者采用RS485串行通讯，党用计算机和PLC通讯的时候不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯。当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。

PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现，但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议，严格的按照通信协议规定为计算机编写通信程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯，则相对简单，因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序，西门子公司的S7系列PLC与工控组态软件、组态王之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。

5.2 系统组态设计

组态软件，又称组态监控软件系统软件。即数据采集与监视控制。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。

组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。

组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已。

组态软件的特点：

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点：（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；

（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

5.3 实现的效果

实现的效果图如图6所示。

图6组态模拟图