多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u452多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 110497第1章多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 1193111.1硬件結(jié)構(gòu)簡圖 1319131.2硬件選型分析 2155141.2.1PLC選型 2272261.2.2變頻器選型分析 379551.2.4液位傳感器的選型分析 4294171.2.5溫度傳感器的選型分析 4239551.2.6觸摸屏的選擇 6303371.3本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件清單 6160371.4PLC的外部接線圖 75217第2章多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 750912.1程序編程介紹 7127182.2PLC的I/O表地址分配 9266332.3繪制控制流程圖 9101652.4PLC控制系統(tǒng)梯形圖的編寫 11191152.5程序在線仿真 16238822.5.1程序調(diào)試要求 1637322.5.2程序的在線模擬調(diào)試 16276982.6組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 17第1章多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1.1硬件結(jié)構(gòu)簡圖本次設(shè)計(jì)的多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)硬件主要由以下部分組成：輸入端：按鈕開關(guān)、液位開關(guān)、溫度傳感器、觸摸屏等；控制端：可編程序邏輯控制器、變頻器、；輸出端：指示燈、電機(jī)等、加熱器、電磁閥；本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示：圖1.1多種液體自動(dòng)混合控制系統(tǒng)硬件簡圖1.2硬件選型分析1.2.1PLC選型在PLC的選用中具有代表性的兩個(gè)品牌主要有德國的西門子和日本的三菱兩個(gè)品牌。其在梯形圖的繪制過程中指令以及編程方式有一定區(qū)別，西門子因其指令模塊化，其中包含了諸多的子程序庫，在編寫程序時(shí)簡潔明了，利于相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行編寫檢查，而三菱的PLC相對(duì)西門子的PLC其指令雖然簡單容易理解，但是在程序很大時(shí)，難以直觀的簡單的閱讀程序的思路內(nèi)容。綜合比較兩種可編程邏輯控制器，西門子的PLC在模擬量的方面由于三菱的PLC，而在步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，三菱的指令相對(duì)簡單，優(yōu)于西門子。本次設(shè)計(jì)的多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)主要是控制剝線輪的運(yùn)動(dòng)和裁切機(jī)構(gòu)的裁切，較為簡單，所以本次選擇使用質(zhì)量較為間接的西門子PLC。常用的西門的系列的PLC主要是S7-200、S7-300系列的PLC，S7-300偏向于中大型的工程設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)相對(duì)較小，兼顧成本需要，S7-200小型PLC完全滿足要求。所以本次設(shè)計(jì)采用的可編程序邏輯控制器采用S7-200系列的PLC。在此系列的PLC中其型號(hào)有222、224、226等常用CPU型號(hào)，其主要區(qū)別是I/O點(diǎn)的不同和個(gè)別指令功能的不同。其中在選擇PLC的輸入輸出點(diǎn)時(shí)要留有一點(diǎn)裕量，經(jīng)過分析本次設(shè)計(jì)需要的輸入點(diǎn)6、輸出點(diǎn)8。經(jīng)分析本次選擇PLC型號(hào)為S7-200224CPU，其中輸入點(diǎn)的個(gè)數(shù)為14個(gè)、輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)為10個(gè)。滿足設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)的PLC外觀圖如下所示。圖1.2S7-200CPU224PLC外觀圖1.2.2變頻器選型分析1、變頻器的控制原理簡述變頻器的工作原理是通過對(duì)控制電力半導(dǎo)體的通斷，將工頻的電源轉(zhuǎn)化為另一頻率的電源，其控制方式是采用交流-直流-交流的方式實(shí)現(xiàn)的，先通過整流器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，在通過逆變把直流電源轉(zhuǎn)化了可以調(diào)節(jié)的電壓或者頻率來控制電動(dòng)機(jī)。其經(jīng)過了整流-中間直流-逆變-控制等過程。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形[16]。如圖1.2所示。圖1.3變頻器的基本組成2、變頻器的選擇本次變頻器主要是控制攪拌電機(jī)的速度，對(duì)變頻器要求不高，實(shí)現(xiàn)攪拌電機(jī)的加減速、變速即可，本此選擇西門子變頻器M440，該款變頻器適合對(duì)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制，控制方式下功率范圍為120W~200KW，使用范圍廣。本次設(shè)置使用的端子接口為P1001、P1002、P1003，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多段速控制。圖1.4M440外觀圖1.2.4液位傳感器的選型分析液位傳感器是一種對(duì)水進(jìn)行檢測，并通過水介質(zhì)的變化產(chǎn)生并傳送一定的信號(hào)，如電信號(hào)或者模擬信號(hào)，用以控制相應(yīng)的負(fù)載進(jìn)行動(dòng)作執(zhí)行。本次設(shè)計(jì)的水利閘門控制系統(tǒng)采用開關(guān)量信號(hào)的液位傳感器，這種傳感器根據(jù)水位的變化實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的確定，本次使用型號(hào)為MIK-P260具有50ms快速相應(yīng)，并且結(jié)構(gòu)小巧，壽命較高，更換較為簡單。其外觀圖如下所示。圖1.5液位傳感器外觀圖1.2.5溫度傳感器的選型分析溫度傳感器是一種較為常用的溫度檢測元件，主要是對(duì)中低溫區(qū)內(nèi)溫度的測量，其運(yùn)行原理是通過金屬的特性實(shí)現(xiàn)的，即金屬電阻值隨著溫度的升高而增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。其主要金屬材料有銅和鉑兩種金屬材料，其中鉑的測量精度較高，適合較為精密的溫度測量。在溫度傳感器溫度傳感器的接線中主要有三種：兩線制、三線制、四線制。其中兩線制講就是在溫度傳感器的兩端連接兩根線，通過對(duì)電路的連接實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量，這種方式由于兩線制存在電阻誤差較大，線越長誤差越大，這主要受到連接線的長度和材質(zhì)有關(guān)，所以此種溫度傳感器主要用于溫度精度較低的環(huán)境中測量。三線制實(shí)在熱電子傳感器的一側(cè)引出兩根線，組成三線制的方式，這種方式有些的避免了引線電阻的干擾，使用較為廣泛。四線制是在溫度傳感器兩端各輸出兩根線組成四線，其中兩根線加上電流，通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓，將電壓再引入控制器中，這樣完全消除了引線對(duì)電阻阻值的影響。通過對(duì)上文分析以及資料的查閱，選擇本次的溫度傳感器溫度傳感器型號(hào)為：WZP-PT100溫度傳感器。測量范圍：-200-600攝氏度；引線材質(zhì)：不銹鋼內(nèi)玻璃線，2層高溫保護(hù)四線制；優(yōu)勢(shì)：采用高精度不銹鋼耐火纖維線，可以在4-500攝氏度溫度下長時(shí)間運(yùn)行，適用于各種中高溫度下的測量。圖1.6溫度傳感器外觀圖1.2.6觸摸屏的選擇在上文對(duì)PLC的介紹中介紹了可編程序邏輯控制器的外接接口單元，其中就可以連接上位機(jī)觸摸屏部分，觸摸屏在目前工業(yè)控制過程中使用越來越廣泛，其可以代替輸入接口信號(hào)輸入諸如按鈕開關(guān)的，使其使用PLC內(nèi)部的中間繼電器代替輸入端子，減輕后期復(fù)雜的接線環(huán)節(jié)，使其集中在一個(gè)屏幕中操作，并增加了其美觀程度和簡潔性。觸摸屏還可以實(shí)現(xiàn)目前狀態(tài)參數(shù)的顯示，并且可以動(dòng)畫連接PLC實(shí)現(xiàn)目前工作流程的動(dòng)態(tài)讀取，對(duì)報(bào)警、檢測內(nèi)容的存取可顯示，其使用程度越來越廣泛。目前經(jīng)常使用的觸摸屏有昆侖通泰的和威綸的觸摸屏，其性價(jià)比較高，在我過工業(yè)控制行業(yè)中使用較為廣泛。由于本次多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)不大，選擇性價(jià)比較高的7寸屏作為本次設(shè)計(jì)的觸摸屏完全滿足要求。選擇威綸的型號(hào)為TK6071IQ作為本次設(shè)計(jì)的觸摸屏。其外觀圖如下所示：圖1.8觸摸屏外觀圖1.3本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件清單表1.2主要電氣設(shè)備清單名稱型號(hào)規(guī)格PLCS7-200224按鈕開關(guān)LA8-11D/2094,DC24V觸摸屏TK6071IQ液位傳感器MIK-P260溫度傳感器WZP-PT100變頻器M4401.4PLC的外部接線圖外部接線圖的繪制的目的主要是方便以后對(duì)系統(tǒng)的外部線路的接線，后期維修維護(hù)的慘老記錄，在上屬合理配置I/O表后，外部接線圖更深一層的展現(xiàn)各輸出輸出端的輸入元件和輸出負(fù)載的情況，其控制線路的連接方式，是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必不可少的部分，不僅可以在實(shí)際工作中指導(dǎo)工作方法，而且是設(shè)備后期存檔的必要文件。本次使用CAD軟件對(duì)外部接線圖進(jìn)行繪制，繪制的外部接線圖如下所示，詳查源文件。圖1.10PLC外部接線圖（詳見源文件）第2章多種液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)2.1程序編程介紹基于西門子PLC開發(fā)的專用程序設(shè)計(jì)軟件STEP7-Micro/Win經(jīng)歷了多個(gè)版本的更替，程序設(shè)計(jì)能力原來越強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的編寫，程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，程序的上載與下載，實(shí)現(xiàn)用戶的信息交流。通過PC/PPI通訊電纜可以實(shí)現(xiàn)電腦與可編程序邏輯控制器的通信。編程軟件的主界面主要包括一下幾個(gè)方面：用戶窗口、指令樹、工具條、輸出窗口、狀態(tài)條、信息欄等部分。在S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3兩種方式，其中使用SIMATIC指令集編寫程序時(shí)簡單方便快捷，可以使用LAD、STL、FBD三種方式供設(shè)計(jì)者選擇。目前可編程序邏輯控制器在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛，它的出現(xiàn)在一定程度上取代了繼電器的控制方式，將工業(yè)控制變得更加簡單、高效、智能?？删幊踢壿嬁刂破鲀?nèi)部集成了諸多中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)時(shí)器并包含諸多的指令，設(shè)計(jì)人員就是在此基礎(chǔ)上通過對(duì)梯形圖的編寫，使用不同的指令將若干內(nèi)部繼電器串聯(lián)起來從而形成特定的邏輯關(guān)系，負(fù)載改變負(fù)載端的輸出狀態(tài)，使其滿足運(yùn)行要求。其中輸入端和負(fù)載段可以實(shí)現(xiàn)與多種不同電氣元件的連接，比如溫度傳感器、形成開關(guān)、光電開關(guān)等可以與輸入端連接對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測并將特定的信號(hào)傳入控制器，經(jīng)過控制器編寫的邏輯命令關(guān)系控制負(fù)載端的輸出，在負(fù)載段可以與指示燈、接觸器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)控制器、溫控器等原件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備以及流水線的控制。圖2.1編程軟件窗口圖2.2PLC的I/O表地址分配在對(duì)程序編寫前，需要對(duì)輸入端和輸出端合理分配，合理分配I/O表不僅可以使得程序編寫、修改清晰方便，而且可以防止在程序編寫時(shí)漏編，并能防止在編寫程序時(shí)出現(xiàn)多線圈的錯(cuò)誤，是程序編寫的重要步驟，可以提高程序編寫的質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)留有一定輸入端和輸出端的設(shè)計(jì)裕量，經(jīng)過對(duì)程序運(yùn)行步驟的分析，從而進(jìn)行以下I/O表的分配，并繪制以下表格。表2.1I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱代號(hào)輸入點(diǎn)編號(hào)名稱代號(hào)輸出點(diǎn)編號(hào)程序啟動(dòng)SB1I0.0攪拌電機(jī)正轉(zhuǎn)變頻器端子Din2YA1Q0.0液位開關(guān)L1SA1I0.1液體A電磁閥YV1Q0.1液位開關(guān)L2SA2I0.2液體B電磁閥YV2Q0.2液位開關(guān)L3SA3I0.3液體C電磁閥YV3Q0.3程序停止SB2I0.4液體D電磁閥YV4Q0.4溫度開關(guān)SAI0.5加熱棒YV5Q0.5變頻器段速1Din3YA2Q0.6變頻器段速2Din4YA3Q0.72.3繪制控制流程圖系統(tǒng)控制流程圖的繪制其主要作用是用圖表的形式將控制流程通過箭頭指向展現(xiàn)出來，表明其動(dòng)作先后順序和包含關(guān)系等，可以明確程序設(shè)計(jì)的思路，是程序設(shè)計(jì)的先頭兵，十分關(guān)鍵。一個(gè)程序的好壞跟系統(tǒng)控制流程圖的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，一個(gè)好的程序流程設(shè)計(jì)不僅可以簡化后期程序，而且可以避免后期編寫程序時(shí)不必要的錯(cuò)誤，使程序的編寫事半功倍。繪制本次程序流程圖如下圖所示。圖2.2控制流程圖2.4PLC控制系統(tǒng)梯形圖的編寫經(jīng)過編寫程序前對(duì)控制流程圖、I/O表分配、硬件設(shè)備確定以及選型后，根據(jù)以上選擇選擇適合本次硬件、程序流程的指令對(duì)程序進(jìn)行編寫，本次編寫的梯形圖如下圖所示。圖2.3程序梯形圖2.5程序在線仿真2.5.1程序調(diào)試要求在程序編寫完成后需要進(jìn)行程序的調(diào)試，程序的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩部分。在對(duì)程序調(diào)試前有諸多要求，比如環(huán)境的要求，調(diào)試方法的要求等。在對(duì)調(diào)試的環(huán)境方面選擇接近現(xiàn)場工況的環(huán)境，避免電磁干擾，如實(shí)際環(huán)境電磁干擾強(qiáng)烈，使用一定的手段對(duì)干擾進(jìn)行屏蔽，比如進(jìn)行防護(hù)套的使用或者使用屏蔽線。因?yàn)樵趯?shí)際的控制過程中一些脈沖信號(hào)等在收到電磁干擾后會(huì)出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，比如我們?cè)诳刂撇竭M(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)時(shí)，如果脈沖信號(hào)收到電磁干擾，就會(huì)出現(xiàn)丟步的現(xiàn)象發(fā)生，使得位置控制十分不準(zhǔn)確。調(diào)試時(shí)避免線纜過長，從而收到干擾的能力減弱。在程序調(diào)試時(shí)，應(yīng)分塊、分功能對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，在每一部分程序調(diào)試通過后，在整體進(jìn)行調(diào)試，有助于對(duì)程序的檢查和發(fā)現(xiàn)程序不足的地方，必須要遵循先分后總的原則。2.5.2程序的在線模擬調(diào)試本次使用在線模擬調(diào)試軟件，S7-200仿真器進(jìn)行仿真，其主要的步驟是打開軟件，選擇相應(yīng)的型號(hào)、模塊，然后載入程序，在裝載程序完成后，其仿真方式方法和實(shí)際