多种液体混合控制系统设计

1 题目背景与意义 . .......................................................................................................................... 1

1.1 课题背景 . .......................................................................................................................... 1

1.2 课题意义 . .......................................................................................................................... 1

2 设计题目介绍 . .............................................................................................................................. 2

2.1 设计目的 . .......................................................................................................................... 2

2.2 设计内容及要求 . .............................................................................................................. 2

3 系统设计方案 . .............................................................................................................................. 3

3.1 PLC输入输出地址分配 . ................................................................................................... 3

3.2 整体控制流程图 . .............................................................................................................. 3

4 系统硬件设计 . .............................................................................................................................. 5

4.1 S7-300组态 . ..................................................................................................................... 5

4.1.1 S7-300特点 . ......................................................................................................... 5

4.1.2 S7-300工作过程 . ................................................................................................. 5

4.2 S7-300组成部件 . ............................................................................................................. 5

4.3 S7-300硬件组态步骤 . ..................................................................................................... 6

5 系统软件设计 . .............................................................................................................................. 7

6 系统仿真调试 . .............................................................................................................................. 8

6.1 WinCC组态 . ....................................................................................................................... 8 6.2 触摸屏连接 . ...................................................................................................................... 8

6.3 变量定义 . .......................................................................................................................... 9

6.4 显示界面设置 . .................................................................................................................. 9

6.5 管理画面设置 . ................................................................................................................ 11

6.6 报警画面设置 . ................................................................................................................ 11

设置超限报警值为100，具体操作如图6-9。 . .................................................................. 11

6.7 配方画面设置 . ................................................................................................................ 12

6.8 趋势图画面设置 . ............................................................................................................ 13

7 心得体会..................................................................................................................................... 13

8 参考文献..................................................................................................................................... 14

附录 ................................................................................................................................................ 15

1 题目背景与意义

1.1 课题背景

在众多生产领域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，以往常采用传统的继电器接触控制，这种控制方式自动化程度不高，使用的硬件设备多，不易连接，可靠性差。目前已有许多企业采用先进控制器对传统控制器进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。

1.2 课题意义

在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的程序，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配料精确、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自动混合的目的, 液体自动混合配料的自动控制程序就显得尤为重要。

对于本课题来说，液体混合控制部分是一个较大规模工业控制系统的改造升级，控制装置需要根据企业和设备现况来构成并需尽量用以前系统中的元器件。对于人机交互方式改变后系统的操作模式应尽量和改造前的相似，以便于操作人员快速掌握。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，人机界面友好，应具备数据储存和分析汇总的能力。

2 设计题目介绍

2.1 设计目的

PLC 课程设计是学习电厂开关量控制技术的重要实践环节，其目的是通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对相关专业理论知识的理解；培养学生运用所学知识和技能，配合相关技术资料的查阅，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC 控制系统分析、设计的能力。要求学生了解可编程控制器的原理、硬件结构；掌握基本的编程语言；掌握系统硬件配置的方法与步骤；掌握PLC 软件编程与调试的操作方法与步骤。

2.2 设计内容及要求

利用西门子S7-300PLC ，组态软件Wincc Flexible，触摸屏，交换机及外围的相关低压电器，组成控制系统，根据项目要求，编写相关程序，完成相应的功能，组态人机界面，能够进行模拟仿真。具体要求：

(1)制作画面模板，在模板画面中显示“多种液体混合控制系统”和日期时钟。

(2)先组态两个画面，一个为主画面，一个为系统画面。两画面之间能进行切换。

(3)在系统画面中作出两种液体混合的系统图。

(4)A液体与B 液体的数值可在0～99进行设置。液体总量为A 与B 液体的总和，为计算结果。

(5)通过HMI 可对模拟液体混合实现手动和自动控制。手动控制时，按下A 阀就进A 液体，松开就停止；B 阀与出料阀类似。设定A 液体设定值、B 液体设定值，若容器为空，可进行自动控制。如A 液体设定值为15，B 液体设定值为27，切换到自动控制时则先打开A 阀进A 液体到15停止，再接着进27的B 液体；当容器中总液体数量达到42时，B 液体停止流入，打开出料阀开始流出到空后再循环。

(6)容器中的液体可动画显示，并通过棒图刻度标记当前数值。

(7)为了显示流畅的液位动画，可通过PLC 编写每秒加1或减1的程序，然后把PLC 与flexible 做好连接（模拟显示）。

(8)组态若容器中的液位超过100时产生一个液位偏高的报警。

(9)组态报警画面，并能实现系统画面之间的切换。

(10)组态一个用户组“班组长”和一个用户名“user1“，“user1”属于“班组长”用户组，“user1”的密码为“000”。“班组长”用户组的权限为操作和“输入Ａ设定值”。然后在系统画面中的A 液体设定值设定安全权限。即一般用户不能进行A 液体设定值的设定，用户“user1”可以进行设定。

(11)组态一个用户视图画面，要求该用户名作登录按钮与注销按钮，能显示当前用户名。能与系统画面进行切换。

(12)组态趋势视图画面，能显示容器中液体总量的数据趋势曲线。能与系统画面进行切换。

(13)建立配方，能实现液体A 设定值、液体B 设定值的各个配方。并建立配方画面运行。能与系统画面进行切换。

3 系统设计方案

输入元件

开始按钮SB1

停止按钮SB2

液位L1

液位L2

液位L3 输入地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 输出元件电动机驱动电磁阀Y1打开电磁阀Y2打开电磁阀Y3打开输出地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3

3.2 整体控制流程图

本设计是通过外围的开关及信号的操作，模拟两种液体混合控制系统在进液混合过程中各个阀门及搅拌机的状态，以液位高度为对象编写程序，程序顺控为：按下启动按钮，控制A 液体进料的阀门Y1打开，开始注入液体A ；当液位高度

达到设定值L2时，阀门Y1关闭，停止注入A 液体；同时，控制B 液体进料的阀门Y2打开，开始注入液体B ；当液位高度达到设定值L1时，阀门Y2关闭，停止注入B 液体；同时，开启搅拌机M ，搅拌60秒，搅拌结束后，控制混合液体排出的阀门Y3打开，开始排出混合液体，当液位高度到达L3时，延时2秒后阀门Y3关闭，混合液体排放完毕。同时A 液体注入，开始循环。按下停止按钮，所有操作都停止，须重新启动。

图3-3 总体流程图

4 系统硬件设计

4.1 S7-300组态 S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。 4.1.1 S7-300特点

（1）循环周期短、处理速度高

（2）指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能

（3）产品设计紧凑，可用于空间有限的场合

（4）模块化结构，设计更加灵活

（5）有不同性能档次的CPU 模块可供选用

（6）功能模块和I/O模块可选择

（7）有可在露天恶劣条件下使用的模块类型 4.1.2 S7-300工作过程

（1）PLC 采用循环执行用户程序的方式。OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。

（2）在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块(FB,SFB,FC或SFC) 。

（3）循环程序处理过程可以被某些事件中断。

（4）在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区（在CPU 的系统存储区）。

4.2 S7-300组成部件

S7-300单机架硬件组态最多配置8个扩展模块：

（1）导轨（Rail ）

S7-300的模块机架（起物理支撑作用，无背板总线）

（2）电源模块（PS ）

将市电电压（AC120/230V）转换为DC24V ，为CPU 和24V 直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）提供直流电源。输出电流有2A 、5A 、10A 三种。

正常：绿色LED 灯亮

过载：绿色LED 灯闪

短路：绿色LED 灯暗（电压跌落，短路消失后自动恢复）

（3）CPU 模块各种CPU 有不同的性能，例如有的CPU 集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU 集成有PROFIBUS －DP 等通信接口。CPU 前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V 电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU 没有）

（4）信号模块（SM ）

数字量输入模块：24V DC，

120/230V AC

数字量输出模块：24V DC，继电器

模拟量输入模块：电压，电流，电阻，热电偶

模拟量输出模块：电压，电流

（5）功能模块(FM)

功能模块主要用于对时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务。

（6）接口模块(IM)

接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR ）和扩展机架（ER ）。S7－300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。

（7）通讯处理器(CP)

扩展中央处理单元的通讯任务，提供的连网能力。

本次课程设计我所做的硬件组态的参数如图表4-1所示：

表4-1 硬件组态

序号

5 名称型号序列号 PS CPU PS 3075A 315F-2PNIDP 307-1EA01-0AA0 315-2FJ14-0AB0 DI/DO AI/AO DI16/DO16x24v/0.5A 323-1BL00-0AA0 AI4/AO2x8/8Bit 334-0CE01-0AA0

添加OB1。在新建好的工程中添加SIMATIC 300站点，如图4-1所示：

图4-1 SIMATIC 300站点的建立

建立好SIMATIC 300站点后在硬件里面开始添加机架，为添加硬件组态做准备，完成机架的添加后，就进入本次设计西门子S7-300硬件组态，选用的与外部设备型号相对应的电源模块（PS ）、CPU 模块、信号模块（SM ）、功能模块(FM)、接口模块(IM)、通讯处理器(CP)

，如图4-2所示。

图4-2 西门子S7-300硬件组态

设置完成以后双击OB1进入工程里，进行程序的编写即可。

5 系统软件设计

利用S7-300编程，在

OB1里面编写梯形图程序。（详见附录）

6 系统仿真调试

6.1 WinCC组态

打开wincc 组态软件，新建一个空项目，选择合适的显示屏，设置完成后如图6-1所示。

图6-1 工程配置图

6.2 触摸屏连接

创建工程以后，还要建立仿真软件与显示屏之间的联系，可以点击连接属性，找到触摸屏的IP 地址，然后进行相关的设置，如图6-2所示。

图6-2 触摸屏连接图

6.3 变量定义

仿真之前，需要定义变量和地址，方便添加插件的时候调用，然后实现相关的功能，把定义的变量与按钮进行连接，实现相关功能的显示，如图6-3所示。

图6-3 定义变量

6.4 显示界面设置

根据设计要求，制作画面模板，在模板画面中显示“多种液体混合控制系统”和时钟日期（如图6-4）；再创建两个画面，一个为主画面（如图6-5），一个为系统画面（如图6-6）。两画面之间能进行切换。

图6-4 模板画面

图6-5 主画面

图6-6 系统画面

6.5 管理画面设置

图6-7 管理画面

6.6 报警画面设置

图6-8 报警画面

设置超限报警值为100，具体操作如图6-9。

图6-9 模拟量报警

6.7 配方画面设置

图6-10 配方画面

设置4组配方，供显示观察区别，如图6-11。

图6-11 配方设置

6.8 趋势图画面设置

图6-12 趋势图画面

7 心得体会

本设计主要阐述液体混合装置的自动控制，实现液体混料全过程：即进料、混料、出料的自动控制。其系统结构简单、运行稳定可靠。使用了S7-300系列PLC ，设计了相关的控制程序。

尽管本次课程设计的内容繁多细琐，但在我和同组同学的共同努力下，大家互相帮助，互相学习，终于还是将课设一步一步做出来了，对于S7-300PLC 和Wincc flexible组态软件有了较为熟悉的掌握。在与老师的交流沟通也使我对课程设计有了深入的认识也对自己提出了新的要求。

由于对现场控制的实现目前只停留在理论阶段，没有完成PLC 与液位传感器之间的通讯。若以后条件允许，相信可以对以上设计进一步完善。

8 参考文献

[1]刘华波，王雪，何文雪. 组态软件WINCC 及其应用. 北京: 机械工业出版社，2010

[2]阳胜峰，吴志敏. 图解西门子S7-300/400PLC编程技术. 北京：中国电力出版社，2010

[3]SIMATIC STEP7 V5.4编程使用手册. 北京：西门子中国有限公司，2006 [4]程子华，阳胜峰. 视频学工控—触摸屏应用技术. 北京: 人民邮电出版社，2010 [5]刘锴，周海. 深入浅出西门子S7-300PLC. 北京: 北京航空航天大学出版社，2011

[6]何衍庆，黄海燕，黎兵. 可编程控制器原理及应用技巧. 北京：化学工业出版社，2010

[7]王兆明，王治刚. 可编程序控制器原理、应用与实训. 北京：机械工业出版社，2008

[8]张还，王至秋，赵丽情. 图解西门子S7-300/400PLC控制系统快速入门. 北京：机械工业出版社，2011

附录