基于PLC的液体混合控制系统设计

基于PLC的液体混合控制系统的设计

摘要

可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，组合智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。

本文以三种液体的混合灌装控制为例，将三种液体按一定比例混合，在电动机搅拌后要达到控制要求才能将混合的液体输出容器，并形成循环状态。液体混合系统的控制设计考虑到其动作的连续性以及各个被控设备动作之间的相互关联性，针对不同的工作状态，进行相应的动作控制输出，从而实现液体混合系统从第一种液体加入到混合完成输出的这样一个周期控制工作的程序实现。设计以液体混合控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计过程（包括设计方案、设计流程、设计要求、梯形图设计、外部连接通信等），旨在对其中的设计及制作过程做简单的介绍和说明。

关键词PLC 控制液体混合说明

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..The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non-linear, strong-coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control proces s, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow-up and track, therefore.This paper studies a control method of double invert ed pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established.

Themake a control design to double inverted pendulum on the mathematical m odel, and determine the system performance index weightmatrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the si mulation of the system is made by . After several test matrix value the results are n ot satisfactory response, then we optimize matrix by using Genetic Algorithm. Sim ulation results show: The system response can meet the design requirements effecti vely after Genetic Algorithm optimization. Small twisted paper broken machine for meat. the system state feedback control matrix.

Keywords PLC cylinder pneumatic Fout degrees of freedom

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景和历史意义 (3)

1.2 选题的目的和意义 (4)

第二章液体混合控制系统PLC控制系统的设计 (5)

2.1 PLC简介 (6)

2.1.1 PLC的定义 (8)

2.1.2 PLC的用途 (9)

2.2 PLC的组成 (11)

2.2.1中央处理单元 (13)

2.2.2存储器 (14)

2.2.3输入输出单元 (16)

2.2.4通讯接口 (17)

2.2.5智能接口模块 (18)

2.2.6编程装置 (19)

2.2.7电源 (19)

第三章控制系统设计 (20)

3.1 硬件设计 (20)

3.2 混合装置的基本组成 (20)

3.3 液体混合装置电气原理图的绘制 (21)

3.4 PLCI/O点分配及外部硬件接线图 (22)

3.5液体混合系统运行流程图 (22)

结论 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

第一章绪论

1.1 课题的研究背景和历史意义

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。

人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。

人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，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是易燃易爆、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混合精确、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。所有为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟

悉工业生产中 PLC 的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学化工业中，便于学以致用。计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用控制器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于 1969 年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器，简称 PLC（有的称为 PC）,并在GM 公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。 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。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，采用模块化结构，具有良好的课移植性和可维护性。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要到它，如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、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。

本次设计是将 PLC 用于多种液体混合灌装设置的控制，对学习和实用是很好的结合。本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：

1）使液体混合机能够实现安全、高效的灌装；

2）满足灌装的各种技术要求；

3）具体内容包括多种液体混合控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。本课题应解决的主要问题是如何使 PLC 在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讨。

1.2 选题的目的和意义

借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，进一步了解所学可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式。而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，尤其见于化学化工业中，便于学有所用。

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，如机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、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。本次设计是将PLC用于多种液体混合物装置的控制，对学习与实用是很好的结合。

第二章液体混合控制系统PLC控制系统的设计

2.1 PLC简介

PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委（InternationalElectrical Committee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

2.1.1 PLC的定义

PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电

力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环及文化娱乐等各个行业，使用广泛。随着应用领域的日益扩大，PLC技术及其产品仍在继续发展，主要朝着以下的方面发展，微型化、网络化、开放性；

2）智能模块化；

3）编程语言的标准化和高级化；网络通信功能标准化。

根据上述控制特点，采用小型PLC即可满足功能要求。由于西门子S7-2系列属于小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。特别是S7-2000PU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。可用梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。且指令功能强，易于掌握、操作方便。近年来，S7-200PLC 已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200 CPU22*系列PLC共有五种CPU模块其各自的技术指标见表3.2。，由于存在模拟量输入输出，需要增加模拟量输入输出模块，在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量I/O扩展模块。

2.1.2 PLC的用途

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制

造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于

开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用16路的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、智能窗帘、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行16路的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5、数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。

2.2 PLC的组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其

组成框图如图所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。

2.2.1中央处理单元（CPU）

同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC 大多采用高速位片式微处理器。

目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或

16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。

在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：

1）接收从编程器输入的用户程序和数据。

2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。

4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。

2.2.2存储器

存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统程序是由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC 运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。

简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。

智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。

用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM 中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

2.2.3输入/输出单元

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU

的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有

光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图3所示。

2.2.4通信接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

2.2.5智能接口模块

智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。

PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

2.2.6编程装置

编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。

简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插

在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。

智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的

GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。

专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC 程序开发系统。

基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。

2.2.7电源

PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

第三章控制系统设计

如图2-3所示为三种液体混合的装置结构示意图。SL1、SL2、SL3、SL4为液面传感器，液面淹没时接通，三种液体（液体A、液体B、液体C）的流入和混合液体D流出分别由电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4控制，M为搅匀电动机。

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.起动操作：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由接通变为断开，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工作后，系统停止在初始状态。

3.1 硬件设计

任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或者生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循一下基本原则：

（1）PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应住处的是还应重点考虑该公司产品的技术支持和售后服务的情况，一般应选择在国内，特别是在所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或者较有实力的代理机构的产品，同时应尽量选择主流机型。

（2）最大限度地满足被控制对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（3）在满足实际控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用及维修方便，并降低系统的复杂性和开发成本。

（4）保证控制系统的安全、稳定、可靠。正确的进行程序调试，充分考虑环境条件，选择可靠性高的PLC，定期对PLC进行维护和检查。

（5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应尽量留有裕量。当然，对于不同的用户，要求的侧重点会有所不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品质量和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。

S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，根据所学S7系列可编程控制器及现有实验设备，设计将选用CPU22X型PLC。

CPU22X系列PLC的特点：CPU22X主机的输入点位DC24V双向光藕输入电路，输出有继电器盒DC（MOS型）两种类型（CPU21X系列输入点位DC24V单向光藕输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。并且，具有30kHz高速计数器，20kHz高速脉冲输出，RS-485通信/编程口，PPI、MPI通信协议和自由口通信能力。CPU222及以上CPU还具有PID控制和扩展能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。

CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226 四种不同型号的CPU基本单元供用户选用。

CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，6KB程序和数据存储空间。

CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟I/O点，6KB程序和数据存储空间。

CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB程序和数据存储空间。

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟I/O点，13KB程序和数据存储空间。

根据以上各型号CPU的比较以及现有的实验设备，设计将选用S7-200 CPU226型号PLC进行PLC控制系统设计。

3.2 混合装置的基本组成

1.液体混合罐：为液体混合装置的主体，提供三种液体进行混合所需空间。

2.输液管道：四条带有电磁阀的输液管道与混合罐连接，在不同时间内将需要

混合的三种液体输入罐内以及输出混合后的液体。

3.液面传感器：作为不同液体输入量进行控制的主要器件，根据需要对液面传感器做相应的调整可满足输入不同比例的液体进行混合。

4.电动机：通过传动轴连接罐内搅拌叶片为搅匀混合液体提供动力。

3.3 液体混合装置电气原理图的绘制

根据三种液体混合装置的基本结构和控制要求，并结合PLC的控制画出三种混合控制系统的电气原理图。如图2-4所示为三种液体混合控制系统电气原图：

（1）QS：低压隔离器，主要用于电气线路中隔离电源，也可作为不频繁地接通和分断空载电路或小电流电路之用。

（2）QF：低压断路器，用于不频繁接通、分断线路正常工作电流，在电路中流过故障电流时（短路、过载）能自动将故障电路或用电设备从电网切除。低压断路器是用于交流电压1200V、直流电压1500V及以下电压范围的断路器，是低压配电系统中的主要配电电器元件。低压断路器主要用于保护交、直流低压电网内用电设备和线路，使之免受过电流、断路、欠电压等不正常情况的危害，同时也可用于不频繁起动的电动机操作或转换电路。

（3）FR：热继电器，是一种保护电器，专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机因故障导致过热而损坏。

（4）FU：低压熔断器，串联于电路中，当过载或短路（主要用于短路）电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路。

（5）KM：外部辅助接触器，用于辅助PLC对外部设备的控制工作。增加辅助接触器，另考虑到实际生产中便于实现单台PLC同时控制多台混合装置。

（6）M：搅拌电动机。

（7）YV：电磁阀线圈。

3.4 PLC I/O点分配及外部硬件接线图

1.I/O点分配

在绘制PLC外部接线图之前，我们需要对要用到的I/O点进行地址分配，以明确PLC芯片I/O接口以及有助于后面要进行的PLC程序设计。根据三种液体混合控制系统的控制要求，我们可以得出控制系统的PLC控制输入量：启动按钮SB1、停止按钮SB2、液面传感器SL1、液面传感器SL2、液面传感器SL3、液面传感器SL4；控制输出量：电动机M、电磁阀YV1、电磁阀YV2、电磁阀YV3、电磁阀YV4。并对它们进行I/O点分配，如下表所示为控制系统I/O点分配表。

2.PLC外部硬件接线图

设计采用西门子（SIEMENS）S7-200 CPU226型号PLC进行PLC控制系统设计，根据CPU226型号PLC的外部结构及三种液体混合控制系统的控制要求画出PLC的外部硬件接线图。如图2-4所示为PLC外部硬件接线图：

3.5液体混合系统运行流程图

通过对液体混合装置及其控制系统运行流程的简要分析，我们对系统的工作及控制要求有了进一步的认识，由此不难得出三种液体混合系统的运行流程图。如图

2-6所示为三种液体混合系统运行流程图。