基于PLC的液体混合装置控制
【网学提醒】：本文主要为网上学习者提供基于PLC的液体混合装置控制，希望对需要基于PLC的液体混合装置控制网友有所帮助，学习一下吧!
说明：
1 绪论
1.1 课题来源和背景
1.1.1课题的来源
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为易燃易爆、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。所以为了帮助相关行业, 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。
1.1.2 课题的背景
（1）液体混合装置概述
随着计算机技术的飞速发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理、等多方面要求。设计的混合液体控制装置,利用PLC实现了在混合过程中的精确控制,提高了混合比例的稳定性、运行稳定、自动化程度高，因此具有广阔的市场前景，适合于各种液体的混合调配。
目前大部分自动混合配料、计量设备的控制系统的构成主要有三种方法：
第一种是采用工业计算机作为控制器，称重传感器信号通过A/D数据采集卡进入计算机，其它信号通过计算机上的DI/DO卡处理；人机交互界面采用计算机显示界面或专门开发的薄膜面板、LED数显等。这种方法控制程序用VB或VC等语言编写。具有称重算法丰富，数据库功能强大，人机交互性能好等特点。但缺点是控制软件为各个厂家专门开发的兼容性能不好，同时系统的再开发能力和对开关量的处理能力都比较差。另外计算机的稳定性和可靠性也有待提高。
第二种方法采用的控制器为单片机，并利用其开发专用的称重控制器。利用一台或多称重控制器和称重传感器构成配料系统。这种方法控制程序用汇编语言编写。具有成本低廉、设备可靠性高以及操作简单等特点。但还是有兼容性能、再开发能力差的缺点。另外这种方法较适合于单台设备的控制，对于复杂的控制系统难以处理。
第三种方法是采用可编程控制器(PLC)作为系统控制器，称重传感器信号通过PLC的AID模块进入PLC主机，其它信号通过的DUDQ模块处理；人机交互界面采用触摸屏、LED数显等。这种方法控制程序用梯形图等PLC编程语言编写。具有算法丰富，可靠性能高，开关量的处理能力强及人机交互性能好等特点。但缺点是数据储存和处理的能力较差。
（2）国内外PLC发展现状概述
PLC在问世以来，经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
PLC的发展趋势：
①向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms每千步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
②向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多个CPU并行工作和大容量存储器，功能强。超小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司 系列PLC。
③PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
④增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
⑤编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.2 课题设计的目的和意义
该液体混合系统采用基于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，具有良好的可移植性和可维护性。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。液体混合自动配料系统就此应运社会工业生产的需要而诞生了。
2 系统的工艺流程与方案论证
2.1 本液体混合系统工艺流程介绍
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阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电机，控制要求如下：
启动操作：按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开30秒将容器放空后关闭。液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL3时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀（电机功率7.5kW）。搅匀电机工作8秒后停止搅动，1秒后混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，再过3秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期的液体A阀门打开…。
停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合装置操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态下）。
各个工作阶段有相应的指示灯示明。根据系统所需要求，设计液体混合装置的电气原理图，如图2.1所示。
图2.1 电气原理图
2.2 方案设计
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：负载的大小和工作条件；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。
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。
2.3 方案论证
根据2.1和2.2介绍的情况，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，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。
2.3.1 方案的介绍
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
（1）继电器控制系统
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、时间及温度等参量变化而动作，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运行，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，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
（2）单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括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，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。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、制作和程序设计的工作量相当大。
（3）工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
（4）可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器(PLC)从上个世纪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。现在PLC已经发展成为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性能，是名符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。
作者点评：
资料绝对正确,经过指导老师检查后,又通过博士导师审批!
说明：
1 绪论
1.1 课题来源和背景
1.1.1课题的来源
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为易燃易爆、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。所以为了帮助相关行业, 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。
1.1.2 课题的背景
（1）液体混合装置概述
随着计算机技术的飞速发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行监视、报警、运行管理、等多方面要求。设计的混合液体控制装置,利用PLC实现了在混合过程中的精确控制,提高了混合比例的稳定性、运行稳定、自动化程度高，因此具有广阔的市场前景，适合于各种液体的混合调配。
目前大部分自动混合配料、计量设备的控制系统的构成主要有三种方法：
第一种是采用工业计算机作为控制器，称重传感器信号通过A/D数据采集卡进入计算机，其它信号通过计算机上的DI/DO卡处理；人机交互界面采用计算机显示界面或专门开发的薄膜面板、LED数显等。这种方法控制程序用VB或VC等语言编写。具有称重算法丰富，数据库功能强大，人机交互性能好等特点。但缺点是控制软件为各个厂家专门开发的兼容性能不好，同时系统的再开发能力和对开关量的处理能力都比较差。另外计算机的稳定性和可靠性也有待提高。
第二种方法采用的控制器为单片机，并利用其开发专用的称重控制器。利用一台或多称重控制器和称重传感器构成配料系统。这种方法控制程序用汇编语言编写。具有成本低廉、设备可靠性高以及操作简单等特点。但还是有兼容性能、再开发能力差的缺点。另外这种方法较适合于单台设备的控制，对于复杂的控制系统难以处理。
第三种方法是采用可编程控制器(PLC)作为系统控制器，称重传感器信号通过PLC的AID模块进入PLC主机，其它信号通过的DUDQ模块处理；人机交互界面采用触摸屏、LED数显等。这种方法控制程序用梯形图等PLC编程语言编写。具有算法丰富，可靠性能高，开关量的处理能力强及人机交互性能好等特点。但缺点是数据储存和处理的能力较差。
（2）国内外PLC发展现状概述
PLC在问世以来，经过40多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
PLC的发展趋势：
①向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms每千步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
②向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多个CPU并行工作和大容量存储器，功能强。超小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司 系列PLC。
③PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
④增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
⑤编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
1.2 课题设计的目的和意义
该液体混合系统采用基于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，具有良好的可移植性和可维护性。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。液体混合自动配料系统就此应运社会工业生产的需要而诞生了。
2 系统的工艺流程与方案论证
2.1 本液体混合系统工艺流程介绍
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阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅匀电机，控制要求如下：
启动操作：按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：液体A、B阀门关闭，混合液阀门打开30秒将容器放空后关闭。液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL3时，关闭液体B阀门，搅匀电机开始搅匀（电机功率7.5kW）。搅匀电机工作8秒后停止搅动，1秒后混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL1时，SL1由接通变为断开，再过3秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期的液体A阀门打开…。
停止操作：按下停止按钮SB2后，在当前的混合装置操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态下）。
各个工作阶段有相应的指示灯示明。根据系统所需要求，设计液体混合装置的电气原理图，如图2.1所示。
图2.1 电气原理图
2.2 方案设计
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：负载的大小和工作条件；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。
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。
2.3 方案论证
根据2.1和2.2介绍的情况，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，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。
2.3.1 方案的介绍
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程序控制器控制。
（1）继电器控制系统
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、时间及温度等参量变化而动作，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运行，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，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。
（2）单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括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，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。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、制作和程序设计的工作量相当大。
（3）工业控制计算机控制
工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。
（4）可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。
可编程控制器(PLC)从上个世纪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。现在PLC已经发展成为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性能，是名符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。
作者点评：
资料绝对正确,经过指导老师检查后,又通过博士导师审批!