1、上 海 电 机 学 院课 程 设 计2015 2016 学 年 第 一 学 期课 程 名 称 可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用 设 计 题 目 液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ） 院 (系) 电 气 学 院 专 业 电气工程及其自动化（港口自动化方向） 学生姓名 任 书 洋 学 号 151101190241 设计时间 2016 年 1 月 18 日 指导教师 龚 建 芳 提交日期 年 月 日 液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）1目 录1. 简介-11.1 课题概况-11.2 设计要求-11.3 设计内容-12. 系统总体方案设计-22.1 总体
2、方案选择说明-22.2 控制方式选择-22.3 操作界面设计-23. PLC 控制系统的硬件设计-33.1 PLC 的选型-33.2 用户存储器容量的估计-33.3 I/O 点数的估算 -33.4 电源模块选择-33.5 I/O 分配表 -43.6 电气原理图设计-44PLC 控制系统系统程序设计- 54.1 状态分配表-54.2 控制程序顺序功能图设计-64.3 控制程序设计思路-65系统调试及结果分析-135.1 系统调试及解决的问题-135.2 结果分析-286系统的使用说明书-287课程设计体会-298参考文献-309附录-30控制系统电气原理图-30液 体 混 合 装 置 控 制 的
3、 模 拟 （ 一 ）21简介1.1 课题概况本装置为两种液体混合装置，SL1、SL2、SL3 为液面传感器，液体 A、B 的阀门与混合液阀门由电磁阀 YV1、YV2、YV3 控制，M 为搅动混合电机。SA1、SA2 为工作流程选择开关，SA3 为单次工作和循环工作的选择开关。SB1、SB2 为启动和停止开关。1.2 设计要求（1）初始状态:装置投入运行时，液体 A、B 阀门关闭，混合液阀门打开 5秒,将容器放空后关闭。 （2）启动:按下启动按钮 SB1，装置就开始按工作流程进行。（3）停止:按下停止按钮 SB2 后，完成本次循环，并停在原位，恢复原位状态。1.3 设计内容步骤 工作流程 1 工
4、作流程 2 工作流程 3启动按钮 按下 按下 按下第一步 液体 A 阀门打开 液体 A 阀门打开液体 B 阀门打开液体 A 阀门、液体 B阀门依次打开 5s第二步 液面到达 SL2液体 A 阀门关闭液体 B 阀门打开液面到达 SL2液体 A 阀门关闭液体 B 阀门打开液面到达 SL2液体 A 阀门、液体 B阀门依次打开 8s第三步 液面到达 SL1液体 B 阀门关闭液面达到 SL1液体 B 阀门关闭液面达到 SL1液体 A、B 阀门关闭第四步 搅匀电机 M 运行6s搅匀电机 M 运行 10s 搅匀电机 M 运行 10s第五步 放出混合液体阀门打开混合液体的阀门打开搅匀电机 M 继续运行放出混合
5、液体的阀门打开第六步 液面到达 SL3混合液体阀门打开延时 2s液面到达 SL2M 停止运行混合液体阀门打开液面到达 SL3混合液体阀门打开延时 2s第七步 停止工作 液面到达 SL3液面到达阀门打开延迟 2s回到第一步循环工作 3 次后自动停止工作液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）3回到第一步循环工作2系统总体方案设计2.1 总体方案选择说明刚开始拿到这个课设课题时还不知道如何下手，然后通过网上查找相关的资料得出了自己的设计思想。 首先根据课题的要求画出了大致的顺序功能图，然后根据课题要求有 3 个工作流程，我们就把这 3 个工作流程分作对应的 3 个工作功能块。在 OB
6、1 中通过开关 SA1、SA2 开关，来选择工作流程方式。当 SA1 接通时选择工作流程 1；当 SA2 接通时选择工作流程 2；当 SA1、SA2 同时接通时选择工作流程 3。 功能块 FC1 为工作流程 1。 功能块 FC2 为工作流程 2。 功能块 FC3 为工作流程 3。 2.2 控制方式选择由于 PLC 控制系统较继电-接触器控制系统有许多优点，如硬件电路简单，修改程序容易，可靠性高等，所以本设计选择 PLC 控制系统。2.3 操作界面设计根据任务书的控制要求和总体方案，设计如图所示操作界面。液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）4液体混合装置控制操作面板1、为了便于
7、随时观察系统的运行状况，每个阀、泵、搅拌器均装有运行状态指示灯，对应于混料罐的高/中/低液位，均装有位置指示灯。2、用两个选择开关切换系统工作模式“工作流程 1”、 “工作流程 2”、“工作流程 3”，并用两个指示灯来指示当前所处工作模式。3、根据控制要求（2）设置一个“启动”按钮和一个工作指示灯。4、根据控制要求（3）设置一个“停止”按钮和一个工作指示灯。3.PLC控制系统的硬件设计3.1 PLC的选型随着 PLC 的推广普及，PLC 产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的 PLC 产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PL
8、C 的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 在控制系统中的应用起着重要作用。液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）5本次液体混合装置控制设计用的是来自西门子公司的 S7-300 可编程控制器。西门子公司的 SIMATIC S7-300 系列属于中小型 PLC，可用来代替继电器的简单控制场合，也可用于负载的自动化控制系统。在液体混合装置控制的模拟这个课设主题上，它结构上合理，安装方便，功能相当，满足相应时间和对联网通信功能等要求。3.2 用户存储器容量的估计通常，一条逻辑指令占存储器一个
9、字，计时、计数、移位以及算术运算、数据传送等指令占存储器两个字。在选择存储容量时，一般可按实际需要的25%30%考虑余量。根据存储器的总字节数再加上 10%25%的备用量即可估算出所需存储容量。3.3 I/O点数的估算I/O 是 PLC 的一项重要指标。合理选择 I/O 点数的确定以系统实际的输入/输出数为基础确定。在确切 I/O 点数时，应留有适当余量。目前 PLC 的 I/O 点价格还较高，平均每点为 100120 人民币。如果备用的 I/O 点的数量太多，就会使成本增加。因此，通常在选择 I/O 点数时可按实际需要的 10%15 考虑余量。3.4 电源模块选择一般只需考虑输出电流。电源模
10、块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O 模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般步骤：（1）确定电源的输入电压。（2）将框架中每块 I/O 模块所需的总背板电流相加，计算出 I/O 模块所需的总背板电流值。（3）I/O 模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O 适配器模块时，应加上适配器模块或扩展本地 I/O 适配器模块的最大电流值。（4） 如果框架中流油 空槽用作将来扩展时，则做一下处理：列出将来要扩展的 I/O 模块所需的背板电流；将所有扩展的 I/O 模块的总背板电流值与步骤（3）
11、中计算得出的总背板电流值相加。（5） 在框架中是否有用于电源的空槽，若没有，将电源装到框架的外面。（6） 根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）63.5 I/O分配表表 1 I/O 分配表变量名 变量符号SB1 启动按钮 I0.0SB2 停止按钮 I0.1SA1 工作流程 1 选择开关 I0.7SA2 工作流程 2 选择开关 I1.0SL1 液面传感器 SL1 I1.3SL2 液面传感器 SL2 I1.4SL3 液面传感器 SL3 I1.5YV1 液体 A 阀门 Q0.1YV2 液体 B 阀门 Q0.
12、2YV3 混合液体阀门 Q0.3YKM 搅匀电机 M Q0.03.6电气原理图设计(见附录)4. PLC控制系统程序设计4.1 状态分配表工序名称状态器地址号 功 能启动 M0.0 初始进液体 M0.1 液体 B 阀门关闭，液体 A 阀门打开 5s进液体 M0.2 液体 A 阀门关闭，液体 B 阀门打开 5s搅匀 M0.3 液体 A 阀门关闭液体 B 阀门关闭，搅匀电机M 运行 3s计数 M0.4 回到第一步循环工作三次计数放液体 M0.5 混合液体阀门打开放液体 M0.6 混合液体阀门打开延时 2s进液体 M0.7 液体 A 阀门关闭，液体 B 阀门打开进液体 M1.0 液体 A 阀门打开，
13、液体 B 阀门打开搅匀 M1.1 液体 A、B 阀门关闭, 搅匀电机 M 运行 10s放液体 M1.2 放出混合液体的阀门打开放液体 M1.3 混合液体阀门打开 2s液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）7进液体 M1.4 液体 A 阀门、液体 B 阀门依次打开 3s进液体 M1.5 液体 A 阀门、液体 B 阀门依次打开 5s搅匀 M1.6 液体 A、B 阀门关闭, 搅匀电机 M 运行 10s放液体 M1.7 放出混合液体的阀门打开放液体 M2.0 混合液体阀门打开延时 2s计数 M2.1 循环工作 3 次计数4.2 液体混合装置控制程序顺序功能图设计液体混合装置控制程序流程
14、图4.3 控制程序设计思路程序的组成液体混合装置控制程序的组成情况如图所示。液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）8初始程序 主体程序 工作模式一 工作模式二 工作模式三液体混合装置控制程序的组成5系统调试及结果分析5.1 系统调试及解决的问题程序调试时在工作流程三中液面到达 STL2 时，未满足液体 A 阀门、液体 B阀门依次打开 5S 的控制要求。检查后发现，SL2 与 ST1 在程序中的位置设置错误，改正后系统正常运行。5.1.1系统梯形图OB100 初始程序液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）9液体混合装置控制初始化程序梯形图在 OB100 暖启动中，
15、将各个状态复位，将 M0.0 和 M5.0 置位。M0.0 为开始运行程序做好准备，M5.0 则是为了在主程序中能够将开始运行前将混合液阀门打开 5 秒，将容器放空。OB1 主程序液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）10液体混合装置控制主体程序梯形图先将混料液的阀门打开 5 秒，将容器放空后关闭。通过 I0.7 和 I1.0 选择工作模式。只有 I0.7 按下时，执行工作流程一；只有 I1.0 按下时，执行工作流程二；I0.7 和 I1.0 都按下时，执行工作流程三FC1程序 工作流程 1：按下启动按钮 I0.0，液体阀门 A 打开，当液面到达 SL2 时，液体阀门关闭，液体
16、阀门打开，当液面达到 SL1，液体 B 阀门关闭。搅拌电机 M 运行 6S，放出混合液体的阀门打开，液面到达 SL3，混合液体阀门打开液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）11并延迟 2S，然后停止工作。液体混合装置控制工作模式程序梯形图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）12液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）13液体混合装置控制工作流程一程序梯形图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）14FC2 程序工作流程 2：按下启动按钮 I0.0，液体阀门 A 打开，液体 B 阀门打开，当液面到达 SL2，液体 A 阀门关闭，液体
17、B 阀门打开，液面达到，液体阀门关闭，搅匀电机运行。混合液体的阀门打开，搅匀电机继续运行，液面达到，停止运行，混合液体们打开，当液面到达，混合液体阀门打开并延迟，回到第一步循环工作。液体混合装置控制工作模式程序梯形图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）15液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）16液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）17液体混合装置控制工作流程二程序梯形图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）18FC3 程序工作流程：按下启动按钮 I0.0，液体阀门 A、液体阀门依次打开，液面到达，液体阀门、液体阀门依次打开。
18、当液面到达时，液体阀门关闭，搅拌电机运行后，放出混合液体的阀门打开，液面到达 SL3，混合液体阀门打开并延迟 2，回到第一步，循环工作次后自动停止工作。 液体混合装置控制工作模式程序梯形图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）19液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）20液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）21液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）22液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）23液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）24液体混合装置控制工作流程三程序梯形图5.2 结果分析（1）系统先
19、将 YV3(Q0.3)打开 5 秒。（2）按下 SA1(I0.7),恢复 SA2（I1.0）再按下启动按钮 SB1，按下、， M（Q0.0）亮秒，再按下 SL3，YV3（Q0.3）亮 2 秒后停止。（3）按下 SA2(I1.0)，恢复 SA1（I0.7） 。按下启动按钮 SB1，按下 SL1, M(Q0.0)亮 10 秒后，按下 SL3，YV3（Q0.3）再亮 2 秒后循环。（4）同时按下 SA1(I0.7)和 SA2（I1.0） 。按下启动按钮 SB1，YV1(Q0.1)和YV2(Q0.2)依次亮秒。按下 STL2，依次亮秒。按下 SL1, YV1(Q0.1)和 YV2(Q0.2)不亮，M（
20、Q0.0）亮，按下 SL3 后，M（Q0.0）再亮 2 秒，循环 3 次后停止。（5）按下停止按钮 SB2，循环都变为 0 次，完成本次循环后，立即停止。6系统的使用说明书（1）通电后，放出混合液的阀门打开 5 秒钟。将容器放空后关闭。（2）利用 I0.7 和 I1.0 分别选择三个工作流程。按下 I0.7,恢复 I1.0,为工作流程一。按下 I1.0,恢复 I0.7,为工作流程二。同时按下 I1.0 和 I0.7,为工作流程三。（3）按下启动按钮 SB1，启动当前工作流程。（4）在工作流程一中，混合液体阀门打开后，按下 SL3,混合液体阀门打开 2秒后结束。（5）在工作流程二中，按下 SL2
21、，实现液体阀门 A 不工作，液体阀门 B 工作，按下 SL1，使得液体阀门 B 停止工作，搅匀电动机 M 工作 10 秒。混合液体阀门打开后，按下 SL3,混合液体阀门打开 2 秒。（6）在工作流程三中，按下 SL1，液体 A 阀门和液体 B 阀门依次打开 5S。按液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）25v 下 SL2，液体 A 阀门和液体 B 阀门依次打开。搅匀电动机 M 工作10 秒。混合液体阀门打开后，按下 SL3,混合液体阀门打开 2 秒。循环次后自动停止工作。（7）按下停止按钮 SB2 后，完成本次循环，并停在原位，恢复原位状态。液 体 混 合 装 置 控 制 的
22、模 拟 （ 一 ）267课程设计体会这次 PLC 课程设计，我们小组的课题是“液体混合装置控制的模（一） ”，在龚建芳老师的带指导下，我们先根据课题要求画出了大致的顺序功能图然后根据顺序功能图和查找相关的资料写出初步的梯形图程序，最后通过调试与修改，在全组成员的共同努力下，我们成功的完成了这次课程设计任务，实现了老师期望的结果。此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了 PLC 设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了人与人合作的意识与能力。最好要不停
23、的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。第二天的软件系统调试，是最麻烦，遇到问题最多的地方。我们对程序修改了多次，才将程序中的错误全部改正过来。又经过了长时间的研究，对软件进行调整，最终终于得到了需要的数据和结果。通过这次设计实践，我们的合作意识也得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。通过此次课设，让我对于 PLC 梯形图、指令图、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于
24、PLC 设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找到最合适的设计方法。通过这次设计实践。我学会了 PLC 的基本编程方法，对PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解，尤其是对于 PLC 的顺序控制方式和程序段的转换有了深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对 PLC 的掌握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序放到实际 PLC 应用中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。最后我们小组对数据和结果进行了总结，完
25、成了课程设计报告。总的来说，这次的课程设计对我将来的开发与研究有着深远的影响。为我今后的学习，有着显著的帮助。液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）278参考文献刘春生主编.西门子 PLC 应用与设计教程 机械工业出版社程宪平主编.机电传动与控制.武汉：华中科技大学出版社，2003.邓星钟.机电传动控制. 武汉：华中科技大学出版社.王永华编.现代电气控制及 PLC 应用技术.北京：北京航空航天出版社，2008殷洪义主编.可编程控制器选择设计与维护.北京：机械工业出版社，2002程子华，PLC 原理与实例分析.北京:国防工业出版社， 2006高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例.北京:高等教育出版社，20049附录液体混合装置控制系统电气原理图液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）28液 体 混 合 装 置 控 制 的 模 拟 （ 一 ）29
