畢業(yè)設計（論文）-基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)的設計（全套圖紙）.pdf

本科畢業(yè)設計（論文本科畢業(yè)設計（論文） 題目題目： 基于 PLC 的液體混合控制系統(tǒng)的設計 院院 系系： 專專 業(yè)業(yè)： 班班 級級： 姓姓 名名： 學學 號號： 指導教師指導教師： XX 學院教務處學院教務處 二一五年二一五年 三三 月月 XXX 學院畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不含任何其他 個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的 個人和集體，均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本聲明的法律 結果由本人承擔。 論文作者簽名： 年 月 日 XXX 學院關于畢業(yè)設計（論文）使用授權的說明 本人完全了解 XXX 學院有關保留、使用學士學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱，學校可以公布論文 的全部或部分內容，可以采用影印或其他復制手段保存論文。 指導教師簽名： 論文作者簽名： 年 月 日 年 月 日 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 I 頁 I 基于 PLC 的液體混合控制系統(tǒng)的設計 摘 要 可編程序控制器（PLC）是一種新型的通用的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼 電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，是功能加強、編程簡單、使用 方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點。PLC 的應用領域已經(jīng)拓寬到了 各個領域，PLC 的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照 邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散 量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC 最基本最廣泛的用于開關量的邏輯控制，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，組合智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC 在國內 外已廣泛應用于鋼鐵，石油，化工，電力，建材，機械制造，汽車，輕紡，交通 運輸，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用廣泛。 全套圖圖紙，加全套圖圖紙，加 153893706 本文以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動 機攪拌后要達到控制要求才能將混合的液體輸出容器，并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混 合系 統(tǒng)的控制設計考慮到其動作的連續(xù)性以及各個被控設備動作之間的相互關 聯(lián)性，針對不同的工作狀態(tài)，進行相應的動作控制輸出，從而實現(xiàn)液體混合系統(tǒng) 從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個周期控制工作的程序實現(xiàn)。設計以 液體混 合控制系統(tǒng)為中心，從控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成、軟件選用到系統(tǒng)的設計 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 II 頁 II 過程（包括設計方案、設計流程、設計要求、梯形圖設計、外部連接通信等）， 旨在對其中的設計及制作過程做簡單的介紹和說明。 關鍵詞 PLC 控制 液體混合 說明 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 IV 頁 IV 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 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 V 頁 V 目錄 第一章 緒論 . 1 1.1 課題的研究背景和歷史意義 . 3 1.2 選題的目的和意義 . 4 第二章 液體混合控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的設計 . 5 2.1 PLC 簡介 . 6 2.1.1 PLC 的定義 . 8 2.1.2 PLC 的用途 . 9 2.2 PLC 的組成 . 11 2.2.1 中央處理單元 . 13 2.2.2 存儲器 . 14 2.2.3 輸入輸出單元 . 16 2.2.4 通訊接口 . 17 2.2.5 智能接口模塊 . 18 2.2.6 編程裝置 . 19 2.2.7 電源 . 19 第三章 控制系統(tǒng)設計 . 20 3.1 硬件設計 . 20 3.2 混合裝置的基本組成 . 20 3.3 液體混合裝置電氣原理圖的繪制 . 21 3.4 PLCI/O 點分配及外部硬件接線圖 . 22 3.5 液體混合系統(tǒng)運行流程圖 . 22 結論 . 23 致謝 . 24 參考文獻 . 25 1 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 第一章 緒論 1.1 課題的研究背景和歷史意義 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費 品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械 工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很 大的和直接的影響。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不 能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越 來越復雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分 子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技 手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還 將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復 雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整 個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關系近似于腦與手之間的關系，其區(qū)別僅在于人工 智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其 反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了 這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更 高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 為了提高產(chǎn)品質量，縮短生產(chǎn)周期，適應產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求， 產(chǎn)品生 產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質量等方向發(fā)展。在 煉油、化工、制 藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的工序，而且也是 其生產(chǎn)過程中十分重要的 組成部分。但由于這些行業(yè)中多是易燃易爆、有 毒有腐蝕性的介質，以致現(xiàn)場工作 環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場操作。 另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控 制可靠等特點，這也是人工操 作和半自動化控制所難以實現(xiàn)的。所有為了幫助相關 行業(yè)，特別是其中的 中小型企業(yè)實現(xiàn)多種液體混合的自動控制，從而達到液體混合 的目的，液 體混合自動配料勢必就是擺在我們眼前的一大課題，借助實驗室設備熟 2 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 悉 工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應用，了解不同公司的可編程控制器的型號和原理，熟 悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見于工業(yè)生產(chǎn)中，適合大 中型飲料 生產(chǎn)廠家，尤其見于化學化工業(yè)中，便于學以致用。 計算機的出現(xiàn)給大規(guī)模工業(yè)自 動化帶來了曙光。1968 年，美國最大的 汽車制造商通用汽車公司（GM）提出了公 開招標方案，設想將功能完備、 靈活、通用的計算機技術與繼電器便于使用的特點 相結合，把計算機的編 程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向過程、面向問題的 “自然語言” 編程，生產(chǎn)一種新型的工業(yè)通用控制器，使人們不必花費大量的精力 進行 計算機編程，也能像繼電器那樣方便的使用。這個方案首先得到了美國數(shù) 字 設備（DEC）公司的積極響應，并中標。該公司于 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，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，備受國內外工程技術 人員和工業(yè)界廠商的極大 關注，生產(chǎn) PLC 的廠家云起。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(chǎn)品得到飛速發(fā)展。 采用 基于 PLC 的控制系統(tǒng)來取代原來由單片機、 繼電器等構成的控制 系統(tǒng)，采用模塊 化結構，具有良好的課移植性和可維護性。對提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動水平有很大 的幫助，同時又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命 和質量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質量的波 動，因此具有廣闊的市場前景，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)幾乎都需要到它，如燈光照明、機床電控、食品加 工、印刷機械、電 梯、自動化倉庫、液體混合自動配料系統(tǒng)、生產(chǎn)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 用于多種 液體混合灌裝設置的控制，對學習和實用是很好 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： 1） 使液體混合機能夠實現(xiàn)安全、高效的灌裝； 2） 滿足灌裝的各種技術要求； 3） 具體內容包括多種液體混合控制方案的設計、軟硬件電路的設計、 常見 故障分析等等。 本課題應解決的主要問題是如何使 PLC 在灌裝中實現(xiàn)控制功能， 在相 關的研究文獻報道中用 PLC 對灌裝機進行控制的研究尚不多見，以致人們難 3 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 以根據(jù)它的具體情況正確選用參數(shù)進行系統(tǒng)控制,也就難以滿足提高質量和效率、降 低成本的要求，本設計就是基于以上問題進行的一些探討。 1.2 選題的目的和意義 借助實驗室設備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應用，進一步了解所學可編程控制器的 型號和原理，熟悉其編程方式。而多種液體混合裝置的控制更常見于工業(yè)生產(chǎn)中， 尤其見于化學化工業(yè)中，便于學有所用。 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)幾乎都需用到它，如機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、 生產(chǎn)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 用于多種液體混合物裝置的控制，對學習與實用是很好的結合。 第二章 液體混合控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的設計 2.1 PLC 簡介 PLC 即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是指以計算機技 術 為 基 礎 的 新 型 工 業(yè) 控 制 裝 置 。 在1987年 國 際 電 工 委 （InternationalElectrical Committee 頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定 義;PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制 器，定義是：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采 用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時， 計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的 機械或生產(chǎn)過程。PLC 是可編程邏輯控制電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言， 在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有 PLC。 2.1.1 PLC 的定義 PLC 的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯件進行 順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。 在傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。PLC 最基本最廣泛的用于 開關量的邏輯控制，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， 智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵，石油，化工，電 4 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 力，建材，機械制造，汽車，輕紡，交通運輸，環(huán)及文化娛樂等各個行業(yè)，使用廣 泛。 隨著應用領域的日益擴大，PLC 技術及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，主要朝著以下的 方面發(fā)展，微型化、網(wǎng)絡化、開放性； 2）智能模塊化； 3）編程語言的標準化和高級化；網(wǎng)絡通信功能標準化。 根據(jù)上述控制特點，采用小型 PLC 即可滿足功能要求。由于西門子 S7-2 系列屬 于小型 PLC，其許多功能達到大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 的一樣。特 別是 S7-2000PU22*系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，所以 系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡?？捎锰菪螆D、語句表和功 能圖三種語言來編程。且指令功能強，易于掌握、操作方便。近年來，S7-200PLC 已在工業(yè)各領域得到了廣泛的應用。S7-200 CPU22*系列 PLC 共有五種 CPU 模 塊其各自的技術指標見表 3.2。，由于存在模擬量輸入輸出，需要增加模擬量輸入輸 出模塊，在西門子 S7-200 系列 PLC 中有專門的模擬量 I/O 擴展模塊。 2.1.2 PLC 的用途 目前，PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制 造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸 納為如下幾類。 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。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速 度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和 數(shù)字量（Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換。PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于 5 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用 16 路的運動控制模塊。 如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家 的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、智能窗簾、機器人、電梯等場 合。 4、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。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功 能模塊。PID 處理一般是運行 16 路的 PID 子程序。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。 5、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。這些數(shù) 據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信號 與設定的壓力信號經(jīng)過 PID 運算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調整電動機的轉 速，保持供水壓力的恒定，這樣就構成了以設定壓力為基準的壓力閉環(huán)系統(tǒng);自動檢 測水池水位信號與設定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機。觸摸屏 顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實際供水壓力和設定供水壓力 和泵的工作狀態(tài)等信息;可以通過觸摸屏在線修改設定供水壓力和控制水泵的運行。 該系統(tǒng)還設有多種保護功能，尤其是強電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水， 且可以做到無人值守。 2.2 PLC 的組成 PLC 的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接 口、擴展接口電源等部分組成。其中，CPU 是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連 接現(xiàn)場輸入/輸出設備與 CPU 之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機 等外設連接。 對于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機殼內，其組成框圖如圖 1 所示；對于模 塊式 PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上，其 6 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 組成框圖如圖所示。 無論是哪種結構類型的 PLC， 都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。 盡管整體式與模塊式 PLC 的結構不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下 面對 PLC 主要組成各部分進行簡單介紹。 2.2.1 中央處理單元（CPU） 同一般的微機一樣，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 隨機型不同而不 同， 常用有三類： 通用微處理器 （如 Z80、 8086、 80286 等） 、 單片微處理器 （如 8031、 8096 等）和位片式微處理器(如 AMD29W 等) 。小型 PLC 大多采用 8 位通用微處理器 和單片微處理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微處理器或單片微處理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微處理器。 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 系統(tǒng)，甚至有 些 PLC 中多達 8 個 CPU。對于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個為字處理器，一般采用 8 位或 7 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 16 位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為 主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié) 指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理 位操作指令和實現(xiàn) PLC 編程語言向機器語言的轉換。位處理器的采用,提高了 PLC 的 速度，使 PLC 更好地滿足實時控制要求。 在 PLC 中 CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊地進行工作，歸納起 來主要有以下幾個方面： 1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 2）診斷電源、PLC 內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。 3）通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器 中。 4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。 5）根據(jù)執(zhí)行的結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內容，通過輸 出單元實現(xiàn)輸出控制。有些 PLC 還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 2.2.2 存儲器 存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器 RAM，另一種是只讀存儲 器 ROM、PROM 、EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶 程序及工作數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造廠家編寫的，和 PLC 的硬件組成有關，完成系統(tǒng)診斷、 命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供 PLC 運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用過程中不會變動，所以 是由制造廠家直接固化在只讀存儲器 ROM、PROM 或 EPROM 中，用戶不能訪問和修改。 編程裝置的作用是編輯、調試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內部狀態(tài)和參數(shù)， 與 PLC 進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護 PLC 不可缺少的工具。編程裝置可以 是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存 儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。 8 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形 圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插 在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調試。有些簡易 編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的 FX-20P-E 簡易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的 GP-80FX-E 智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程。可直接輸入和編輯梯形 圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器 帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。 用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而 編制的應用程序。 為了便于讀出、 檢查和修改， 用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中， 用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對 RAM 中程序 的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器 EPROM 中。現(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。 工作數(shù)據(jù)是 PLC 運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在 RAM 中， 以適應隨機存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、 輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程 序的初始設置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持 其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系， 所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊 中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當 PLC 提供的用戶存儲器容量不 夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴展功能。 2.2.3 輸入/輸出單元 輸入/輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連 接部件。 PLC 通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對 被控制對象進行控制的依據(jù)；同時 PLC 又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象， 以實現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 內部 CPU 的處理的信息只能是標準電平，所以 I/O 接口要實現(xiàn)這種轉換。I/O 接口一般都具有 9 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。另外，I/O 接口上通常還有狀態(tài)指 示，工作狀況直觀，便于維護。 PLC 提供了多種操作電平和驅動能力的 I/O 接口， 有各種各樣功能的 I/O 接口供 用戶選用。I/O 接口的主要類型有：數(shù)字量（開關量）輸入、數(shù)字量（開關量）輸出、 模擬量輸入、模擬量輸出等。 常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流 輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖 3 所示。 2.2.4 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC 通過這些通 信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它 PLC、計算機等設備實現(xiàn)通信。PLC 與打印機連接， 可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來； 與其它 PLC 連接， 可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡， 實現(xiàn)更大規(guī)?？刂啤?與計算機連接， 可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結合。遠程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相 應的通信接口模塊。 2.2.5 智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及 與 PLC 系統(tǒng)總線相連的接口。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與 PLC 相連， 進行數(shù)據(jù)交換，并在 PLC 的協(xié)調管理下獨立地進行工作。 PLC 的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模 塊、中斷控制模塊等。 2.2.6 編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內部狀態(tài)和 參數(shù)，與 PLC 進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護 PLC 不可缺少的工具。編程裝 置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程 器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示 器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。 簡易型編程器只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形 圖程序轉化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插 10 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調試。有些簡易 編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的 FX-20P-E 簡易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的 GP-80FX-E 智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪?圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器 帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。 專用編程器只能對指定廠家的幾種 PLC 進行編程，使用范圍有限，價格較高。 同時，由于 PLC 產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此， 現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買 PLC 廠家提供的 編程軟件和相應的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的 PLC 程序開發(fā)系統(tǒng)。 基于個人計算機的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強大。它既可以編制、修改 PLC 的梯形圖 程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應的軟件還可實現(xiàn)數(shù) 據(jù)采集和分析等許多功能。 2.2.7 電源 PLC 配有開關電源， 以供內部電路使用。 與普通電源相比， PLC 電源的穩(wěn)定性好、 抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值 15% 的范圍內波動。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器 供電。 第三章 控制系統(tǒng)設計 如圖 2-3 所示為三種液體混合的裝置結構示意圖。SL1、SL2、SL3、SL4 為液面 傳感器，液面淹沒時接通，三種液體（液體 A、液體 B、液體 C）的流入和混合液體 D 流出分別由電磁閥 YV1、YV2、YV3、YV4 控制，M 為攪勻電動機。 11 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 要求如下： 1.初始狀態(tài)：當裝置投入運行時，容器內為放空狀態(tài)。 2.起動操作：按下啟動按鈕 SB1，裝置開始按規(guī)定工作，液體 A 閥門打開，液體 A 流入容器。 當液面到達 SL2 時， 關閉液體 A 閥門， 打開 B 閥門。 當液面到達 SL3 時， 關閉液體 B 閥門，打開 C 閥門。當液面到達 SL4 時，關閉液體 C 閥門， 攪拌電動 機開始轉動。攪拌電動機工作 1min 后，停止攪動，混合液體閥門打開，開始放出混 合液體。當液面下降到 SL1 時，SL1 由接通變?yōu)閿嚅_，經(jīng)過 20s 后，容器放空，混合 液體閥門 YV4 關閉，接著開始下一個循環(huán)操作。3. 停止操作：按下停止按鈕后， 要處理完當前循環(huán)周期剩余工作后，系統(tǒng)停止在初始狀態(tài)。 12 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 3.1 硬件設計 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控制對象（生產(chǎn)設備或者生產(chǎn)過程）的 工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。因此，在設計 PLC 控制系統(tǒng)時，應遵循一 下基本原則： （1）PLC 的選擇除了應滿足技術指標的要求之外，特別應住處的是還應重點考慮 該公司產(chǎn)品的技術支持和售后服務的情況，一般應選擇在國內，特別是在所設計系 統(tǒng)本地有著較為方便的技術服務機構或者較有實力的代理機構的產(chǎn)品，同時應盡量 選擇主流機型。 （2） 最大限度地滿足被控制對象的控制要求。 設計前， 應深入現(xiàn)場進行調查研究， 搜集資料，并與機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制 方案，協(xié)同解決設計中出現(xiàn)的各種問題。 （3）在滿足實際控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用及維修方 便，并降低系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)成本。 （4）保證控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠。正確的進行程序調試，充分考慮環(huán)境條 件，選擇可靠性高的 PLC，定期對 PLC 進行維護和檢查。 （5）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇 PLC 容量時，應盡量留有裕量。當 然，對于不同的用戶，要求的側重點會有所不同，設計的原則也應有所區(qū)別，如果 以提高產(chǎn)品質量和安全為目標，則應將系統(tǒng)可靠性放在設計的重點，甚至考慮采用 冗余控制系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡設計 加以強化。 S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 兩代產(chǎn)品， 根據(jù)所學 S7 系列可編程控制器 及現(xiàn)有實驗設備，設計將選用 CPU22X 型 PLC。 CPU22X 系列 PLC 的特點：CPU22X 主機的輸入點位 DC24V 雙向光藕輸入電路，輸 出有繼電器盒 DC（MOS 型）兩種類型（CPU21X 系列輸入點位 DC24V 單向光藕輸入電 路，輸出有繼電器和 DC、AC 三種類型）。并且，具有 30kHz 高速計數(shù)器，20kHz 高 速脈沖輸出，RS-485 通信/編程口，PPI、MPI 通信協(xié)議和自由口通信能力。CPU222 及以上 CPU 還具有 PID 控制和擴展能力，內部資源及指令系統(tǒng)更加豐富，功能更加 強大。 13 XXX 學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 CPU22X 型 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四種不同型號的 CPU 基 本單元供用戶選用。 CPU221 集成 6 輸入/4 輸