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目 錄 1緒論 1 1.1題目背景與意義 1 1.2 PLC控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 2 2題目設(shè)計(jì)介紹 3 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5 4.2 PLC設(shè)計(jì)與選擇 6 4.3 PLC I/O口地址分配 6 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 7 5.1 系統(tǒng)運(yùn)行程序框圖 7 5.2 系統(tǒng)運(yùn)行程序梯形圖 7 5.2.1系統(tǒng)自動運(yùn)行情況下的梯形圖 7 5.2.2系統(tǒng)手動運(yùn)行情況下的梯形圖 9 5.2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“+1/-1”功能 11 6 系統(tǒng)仿真調(diào)試 12 7 結(jié)論 15 參考文獻(xiàn) 16 1緒論 1.1題目背景與意義 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制技術(shù)已經(jīng)在人類活動的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用得越來越廣泛，而它的水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在煉油、制藥、化工等行業(yè)中，液體混合已經(jīng)是不可缺少的程序，而且也是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一部分。然而由于此類行業(yè)中多數(shù)為有腐蝕有毒性介質(zhì)和易燃易爆外，要求該系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中具有配料準(zhǔn)確、控制良好等規(guī)定，這介質(zhì)，這樣就造成現(xiàn)場的工作環(huán)境非常惡劣，不適宜工作人員在現(xiàn)場操作。此也是半自動化及人工操作控制所難以實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的液體混合裝置完全由人工操作，無論在配料、混料等階段都存在諸多不確定因素，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，廢品多、人工投入大?？垢蓴_能力差以及系統(tǒng)升級改造困難等等，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率也難于提高。 本文給出基于WinCC的液體混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其主要著力點(diǎn)在于液體混料比例的精確性和均勻性，這同樣也是產(chǎn)品品質(zhì)一致性的保障。WinCC是西門子開發(fā)的在WINDOWS 環(huán)境下解決生產(chǎn)和過程自動化、可視化信息、顯示和實(shí)現(xiàn)控制策略，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)接口的組態(tài)軟件。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的各種功能模板，能實(shí)現(xiàn)高性能的過程耦合、快速的畫面更新和可靠的資料處理，具有較高的實(shí)用性。WinCC的顯著特性是全面開放，很容易結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的或用戶的程序建立人機(jī)接口，精確地滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。系統(tǒng)集成商可應(yīng)用WinCC作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。WinCC是基于32 位的應(yīng)用軟件Windows 32 位操作系統(tǒng)的搶先多任務(wù)的特性確保了對過程事件的快速反應(yīng)，并提供了多種防止資料丟失的保護(hù)，WinCC使用了面向?qū)ο蟮能浖幊碳夹g(shù)，將所有工程工具的組態(tài)功能集成在一起，提供用于過程可視化和操作的全部基本功能。此外，提供寬范圍的編輯功能接口，使用戶為其獨(dú)特的應(yīng)用單獨(dú)組態(tài)。WinCC組態(tài)軟件提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的各種功能模板，能實(shí)現(xiàn)高性能的過程偶合、快速的畫面更新和可靠的資料處理，具有較高的實(shí)用性。 采用PLC對容器中的液位進(jìn)行監(jiān)控控制，其電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資少，監(jiān)控系統(tǒng)不僅自動化程度高還具有在線修改功能，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于多段液位控制的監(jiān)控場合。并且PLC作為新一代的工業(yè)控制器，具有體積小、編程簡單、使用方便，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 1.2 PLC控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 1.可靠性 PLC不需要大量的活動元件和連線電子元件。它的連線打打減少。與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡單，維修時(shí)間短。PLC采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如：冗余的設(shè)計(jì)。斷電保護(hù)，故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)。PLC有較高的易操作性。它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。 2．易操作性 對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。程序的輸入直接可接顯示，更改程序的操作也可以直接根據(jù)所需要的地址編號或接點(diǎn)號進(jìn)行搜索或程序?qū)ふ?，然后進(jìn)行更改。PLC有多種程序設(shè)計(jì)語言可供使用。用于梯形圖與電氣原理圖較為接近。容易掌握和理解。PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快找到故障的部位。 3．靈活性 PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。以上特點(diǎn)使用PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)今后PLC控制系統(tǒng)還會得到更廣泛的使用。 2題目設(shè)計(jì)介紹 利用西門子S7-300PLC ，組態(tài)軟件Wincc Flexible， 觸摸屏，交換機(jī)及外圍的相關(guān)低壓電器，組成控制系統(tǒng)，根據(jù)項(xiàng)目要求，編寫相關(guān)程序，完成相應(yīng)的功能，組態(tài)人機(jī)界面，能夠進(jìn)行模擬仿真。具體要求： (1)制作畫面模板，在模板畫面中顯示“多種液體混合控制系統(tǒng)”和日期時(shí)鐘。 (2)先組態(tài)兩個(gè)畫面，一個(gè)為主畫面，一個(gè)為系統(tǒng)畫面。兩畫面之間能進(jìn)行切換。 (3)在系統(tǒng)畫面中作出兩種液體混合的系統(tǒng)圖。 (4)A液體與B液體的數(shù)值可在0～99進(jìn)行設(shè)置。液體總量為A與B液體的總和，為計(jì)算結(jié)果。 (5)通過HMI可對模擬液體混合實(shí)現(xiàn)手動和自動控制。手動控制時(shí)，按下A閥就進(jìn)A液體，松開就停止；B閥與出料閥類似。設(shè)定A液體設(shè)定值、B液體設(shè)定值，若容器為空，可進(jìn)行自動控制。如A液體設(shè)定值為15，B液體設(shè)定值為27，切換到自動控制時(shí)則先打開A閥進(jìn)A液體到15停止，再接著進(jìn)27的B液體；當(dāng)容器中總液體數(shù)量達(dá)到42時(shí)，B液體停止流入，打開出料閥開始流出到空后再循環(huán)。 (6)容器中的液體可動畫顯示，并通過棒圖刻度標(biāo)記當(dāng)前數(shù)值。 (7)為了顯示流暢的液位動畫，可通過PLC編寫每秒加1或減1的程序，然后把PLC與flexible做好連接（模擬顯示）。 (8)組態(tài)若容器中的液位超過100時(shí)產(chǎn)生一個(gè)液位偏高的報(bào)警。 (9)組態(tài)報(bào)警畫面，并能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)畫面之間的切換。 (10)組態(tài)一個(gè)用戶組“班組長”和一個(gè)用戶名“user1“，“user1”屬于“班組長”用戶組，“user1”的密碼為“000”?！鞍嘟M長”用戶組的權(quán)限為操作和“輸入Ａ設(shè)定值”。然后在系統(tǒng)畫面中的A液體設(shè)定值設(shè)定安全權(quán)限。即一般用戶不能進(jìn)行A液體設(shè)定值的設(shè)定，用戶“user1”可以進(jìn)行設(shè)定。 (11)組態(tài)一個(gè)用戶視圖畫面，要求該用戶名作登錄按鈕與注銷按鈕，能顯示當(dāng)前用戶名。能與系統(tǒng)畫面進(jìn)行切換。 (12)組態(tài)趨勢視圖畫面，能顯示容器中液體總量的數(shù)據(jù)趨勢曲線。能與系統(tǒng)畫面進(jìn)行切換。 (13)建立配方，能實(shí)現(xiàn)液體A設(shè)定值、液體B設(shè)定值的各個(gè)配方。并建立配方畫面運(yùn)行。能與系統(tǒng)畫面進(jìn)行切換。 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 1.繼電器控制系統(tǒng) 控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中根據(jù)主電路中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參數(shù)變化而動作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動裝置的自動控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個(gè)控制系統(tǒng)價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。 2.單片機(jī)控制 單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，結(jié)構(gòu)上包括CPU、存儲器、定時(shí)器和多種輸入/輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。但是，單片機(jī)是一個(gè)集成電路，不能直接將它與外部I/O信號連接，要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和I/O接口電路，硬件設(shè)計(jì)、控制和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大。 3.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 工控機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性比較強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中占優(yōu)勢。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開關(guān)量控制有些大才效用。且其外部I/O接線一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座，直接從印刷電路板上引出，不如接線端子可靠。 4.可編程序控制器控制 可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不要自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬件配置和設(shè)計(jì)外部接線圖，同時(shí)采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器系統(tǒng)中的觸點(diǎn)和接線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的改變。 可編程控制器(PLC)從上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等構(gòu)成開關(guān)量控制系統(tǒng)，隨著30多年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也通過不斷的升級換代大大增強(qiáng)了其功能?，F(xiàn)狀PLC已經(jīng)發(fā)展成不但具有邏輯控制功能、還具有過程控制功能、運(yùn)動控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種功能，是名副其實(shí)的多功能控制器。由PLC為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)自動化的首選控制裝置。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本課程設(shè)計(jì)是基于PLC的液體自動混合攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，H、I、L是液面?zhèn)鞲衅鳎琒L1=H,SL2=L,SL3=I,該傳感器被液面淹沒時(shí)接通。兩種液體的流入由閥門A和閥門B控制，混合液的流出由放液閥C控制。攪拌電動機(jī)用于驅(qū)動槳葉將液體混合均勻。本系統(tǒng)的工作原理如圖4-1所示。 該液體自動混合攪拌系統(tǒng)的動作為：啟動系統(tǒng)之前，容器是空的，各閥門關(guān)閉，傳感器H=I=L=OFF，攪拌電動機(jī)M=OFF。首先，按下啟動按鈕，自動打開閥門A使液體A流入。當(dāng)液面到達(dá)傳感器I的位置時(shí)，關(guān)閉閥門A，同時(shí)打開閥門B使液體B流入。當(dāng)液面到達(dá)傳感器H位置時(shí)，關(guān)閉閥門B，同時(shí)啟動攪拌電動機(jī)攪拌。攪拌完畢后，打開放液閥門C。當(dāng)液面到達(dá)傳感器L的位置時(shí)，關(guān)閉放液閥門C。隨后再將閥門A打開，如此循環(huán)下去。 在工作中如果按下停止按鈕，攪拌機(jī)不立即停止工作，只有當(dāng)前混合操作處理完畢，才停止工作，即停在初始狀態(tài)。 圖4-1 液體自動混合攪拌系統(tǒng) 4.2 PLC設(shè)計(jì)與選擇 PLC的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖可見主要有6個(gè)部分組成，包括CPU(中央處理器)、存儲器、輸入／輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、I/O擴(kuò)展接口。 （1）中央處理單元（CPU） 與通用計(jì)算機(jī)中的CPU一樣。PLC中的CPU也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，主要有運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成，此外還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。 （2）存儲器 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。PLC常用的存儲器類型有RAM、EPROM、EEPROM等。 （3）I/O模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)的。 （4）電源模塊 它的作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為PLC能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號。 4.3 PLC I/O口地址分配 以下PLC 的I/O地址分配表4-1寫出了液體混合系統(tǒng)有關(guān)輸入、輸出地址分配： 表1.PLC符號地址分配表 地址 功能 地址 功能 I0.7 啟動按鈕 Q0.1 A閥門運(yùn)行 I0.0 停止按鈕 Q0.2 B閥門運(yùn)行 I0.1 A液位傳感器 Q0.3 C閥門運(yùn)行 I0.2 AB混合液位傳感器 I0.3 0液位傳感器 I0.4 手動開A閥按鈕 I0.5 手動開B閥按鈕 I0.6 手動開C閥按鈕 MW4 實(shí)際液位 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 系統(tǒng)運(yùn)行程序框圖 系統(tǒng)自動運(yùn)行的程序框圖如圖5-1所示： 圖5-1系統(tǒng)運(yùn)行程序框圖 5.2 系統(tǒng)運(yùn)行程序梯形圖 5.2.1系統(tǒng)自動運(yùn)行情況下的梯形圖 （1）總開關(guān)如圖5-2所示： 圖5-2 總開關(guān) （2）啟動開關(guān)后，A閥打開，流入A液體，如圖5-3所示： 圖5-3 A閥運(yùn)行 （3）到達(dá)A液位傳感器時(shí)，A閥關(guān)，B閥開，如圖5-4所示： 圖5-4 A閥關(guān)閉，B閥運(yùn)行 （4）當(dāng)達(dá)到混合液位傳感器時(shí)，B閥關(guān)閉，C閥打開，如圖4-6所示： 圖5-5 C閥啟動程序 （5）當(dāng)液位達(dá)到0液位傳感器時(shí)，C閥關(guān)閉，A閥開，如圖5-6所示： 圖5-6 C閥關(guān)，A閥開 （6）系統(tǒng)運(yùn)行循環(huán)終止程序如圖5-7所示： 圖5-7 終止程序 5.2.2系統(tǒng)手動運(yùn)行情況下的梯形圖 （1） 手動運(yùn)行啟動開關(guān)與自動開關(guān)是電氣互鎖，如圖5-8所示： 圖5-8 手動開關(guān) （2）手動開啟A閥門，如圖5-9所示： 圖5-9 手動打開A閥門 （3）手動開啟B閥門，如圖5-10所示： 圖5-10 手動開啟B閥門 （4）手動開啟C閥門，如圖5-11所示： 圖5-11 手動開啟C閥門 （5）手動情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)，如圖5-12所示： 圖5-12 系統(tǒng)循環(huán) 5.2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“+1/-1”功能 因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要顯示液位動畫，實(shí)現(xiàn)每秒+1/-1程序，然后實(shí)現(xiàn)PLC，下面是實(shí)現(xiàn)+1/-1的程序。 （1）液位A實(shí)現(xiàn)實(shí)際液面+1顯示，如圖5-13所示： 圖5-13 A液位實(shí)際液位+1顯示 （2） 液位B實(shí)現(xiàn)液面+1顯示，如圖5-14所示： 圖5-14 B液位實(shí)際液位+1顯示 （3） 液位0實(shí)現(xiàn)液面-1顯示，如圖5-15所示： 圖5-15 混合液位-1顯示 6 系統(tǒng)仿真調(diào)試 經(jīng)過程序調(diào)試與觸摸屏組態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)了本課題的功能。 觸摸屏各個(gè)界面如下： 圖6-1 主界面 進(jìn)入wincc首先進(jìn)入主畫面，主畫面中顯示有本次設(shè)計(jì)題目多種液體混合控制系統(tǒng)和切換系統(tǒng)畫面的按鈕。 圖6-2 系統(tǒng)畫面 系統(tǒng)畫面中有A液和B液向容器中添加的按鈕和動畫顯示，并含有手自動切換按鈕，可以向主畫面、報(bào)警畫面、配方畫面和用戶管理畫面相互切換。 圖6-3 用戶管理畫面 用戶可以在本頁面中輸入自己的賬號和密碼，輸入正確后可以顯示出用戶名稱和密碼，然后可以登錄，即可更改A、B液的設(shè)定值。 圖6-4配方畫面 圖6-5 系統(tǒng)報(bào)警顯示 圖6-6 報(bào)警畫面 當(dāng)實(shí)際液位超出99后，會出現(xiàn)圖6-5中的報(bào)警顯示，然后會在報(bào)警畫面中記錄下來。 7 結(jié)論 這次的課程設(shè)計(jì)我們做的是基于PLC的兩種液體混合控制系統(tǒng)，這次課設(shè)都讓我們學(xué)到了許多東西。首先，在課設(shè)前期，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了T型圖的設(shè)計(jì)，經(jīng)過我們?nèi)M同學(xué)的一起努力，終于將兩種溶液混合控制系統(tǒng)的T型圖設(shè)計(jì)出來。然后我學(xué)到了如何在wincc上組態(tài)各個(gè)畫面，并且將step7中的T型圖與wincc中的組態(tài)畫面聯(lián)系起來。 這次課設(shè)在wincc中主要實(shí)現(xiàn)下面了幾個(gè)問題，（1）可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)畫面的相互切換。（2）對模擬液體混合實(shí)現(xiàn)了手動控制和自動控制，并且可以相互切換。（3）在自動控制時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動加液、出液，以及循環(huán)控制。（4）在實(shí)際液位超出99后可以自動報(bào)警并記錄。（5）組態(tài)了一個(gè)用戶組，更改A液設(shè)定值需輸入正確的賬號密碼。 回顧起此次課程設(shè)計(jì)，我仍感慨頗多，的確，從理論到實(shí)踐，在接近兩個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程。通過這次課程設(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在兩位老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，在老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識，在次我表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]J. 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