基于PLC的多种液体控制系统设计

毕业论文（设计）

论文题目：基于PLC的多种液体混合控制系统设计

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摘 要

本文所介绍的多种液体混合控制系统是一种适用于工业环境下的新型通用自动控制装臵。在本设计中采用了日本松下公司FP1系列AFP可编程控制器，以三种液体的混合控制为例，将三种液体按一定比例进行混合，加热到特定温度后进行搅拌，待搅拌均匀后从容器中流出，并实现整个控制系统的自动循环控制。在控制系统中通过程序中的液位传感器控制液体流量，温度传感器控制混合液体的温度，实现了对液体混合装臵的控制。在设计中具体完成了PLC硬件设计和软件编程，并通过系统调试，达到自动混合液体的目的，提高了液体混合生产的自动化程度和生产效率，可以用于工业上液体混合及后期加工等，基本适合于工业生产要求，其便于维修和保养。

关键词：多种液体，混合装臵，自动控制

目 录

1绪论 ............................................................................................................................................... 1 2总体方案设计................................................................................................................................ 5

2.1方案设计 ............................................................................................................................. 5 2.2 控制方案介绍 .................................................................................................................... 6 3硬件电路设计................................................................................................................................ 8

3.1 总体结构 ............................................................................................................................ 8 3.2 液位传感器的选择 ............................................................................................................ 9 3.3 温度传感器的选择 .......................................................................................................... 11 3.4 搅拌电机的选择 .............................................................................................................. 12

3.4.1电动机主电路 ........................................................................................................ 12 3.4.2计算搅拌器的理论功率 ........................................................................................ 13 3.4.3 选用电动机 ........................................................................................................... 13 3.5 电磁阀的选择 .................................................................................................................. 14 3.6 接触器的选用 .................................................................................................................. 15 3.7 热继电器的选择 .............................................................................................................. 16 3.8 熔断器的选择 .................................................................................................................. 16 3.9 PLC的选择 ................................................................................................................... 17 3.10 PLC输入输出口的分配 ............................................................................................. 17 3.11 液体混合装臵输入/输出装臵接线图 ........................................................................... 17 4 软件电路设计............................................................................................................................. 18

4.1 程序框图 .......................................................................................................................... 18 4.2 控制程序梯形图 .............................................................................................................. 20 4.3 语句表 .............................................................................................................................. 21

5系统常见故障分析及维护 .......................................................................................................... 22

5.1 系统故障的概念 .............................................................................................................. 23 5.2 系统故障分析及处理 ...................................................................................................... 23

5.2.1 PLC故障分析 ....................................................................................................... 23 5.2.2 PLC控制系统故障分布和分层排除 .................................................................... 23 5.3 系统抗干扰性的分析与维护 .......................................................................................... 25

5.3.1 干扰源及一般分类 ............................................................................................... 25 5.3.2 PLC系统中干扰的主要来源及途径 ................................................................. 25 5.3.3 主要抗干扰措施 ................................................................................................... 26

6 结束语 ........................................................................................................................................ 27 致谢 ................................................................................................................................................ 27 参考文献 ........................................................................................................................................ 28

1绪论

多种液体混合是将多种液体按照先后顺序，按照一定比例，加热到预定的温度然后进行混合。在现在的很多行业中，如炼油、化工、制药等行业中，多种液体和混合罐装是必不可少的工序，在整个生产过程中占有重要的地位，由于其生产过程中介质多为易爆易燃、有毒有腐蚀性的物体，工作环境十分恶劣，不适合人工操作，加上现代工业生产要求不断提高生产质量，缩短生产周期，降低生产成本的需要，其生产由简单的人工操作、机械化、半自动化向着自动化，智能化的方向发展，以确保整个液体混合过程的混合精确，控制可靠的要求。

以往常采用传统的继电器接触器控制，使用硬连接电器多、可靠性差、自动化程度不高当前国内许多地方的此类控制系统主要是采用DCS，这是由于液位控制系统的仪表信号较多，采用此系统性价比相对较好，但随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也非常强大，对电源的质量要求比较低。目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，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，所以PLC在工业控制系统中得到了良好的应用。

可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装臵，是带有存储器，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令、进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。随着科学技术的进步

和微电子技术的迅猛发展，可编程序控制器技术广泛应用于自动化控制领域，可编程序控制器以其高可靠性的操作简便等特点，已经形成了一种工业控制趋势。一直以来，可编程序控制器简称PLC在工业自动化控制方面发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。PLC主要能够为自动化控制应用提供安个可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。随着计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域有了翻天覆地的变化，而PLC不断地采用新技术以及增强系统的开放性，在工业自动化领域中的应用范围不断扩大。

PLC将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备，其具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为自动化领域的三大技术支柱。特别是在机器人、CAD/CAM方面有着广泛的应用，主要应用的技术领域有：顺序控制、过程控制、位臵控制、生产过程的监控和管理、结合网络技术等。

在本文中用采用日本松下公司生产PLC来实现多种液体混合过程的控制，采用液位传感器对容器中的液位进行监控控制，其电路结构简单，设备投资少，监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强等优点，适用于多段液位控制的监控场合。可以实现对整个液体混合过程的准确、快速、高效、安全、自动化控制并且维修方便，可以满足工业生产需求。

本设计的主要内容为：控制方案的设计、硬件电路设计、软件电路设计、整个系统可能出现的故障以及相应的保养维修措施。

本设计要解决的主要问题是使液体灌装机能够安全、快速、准确全自动地实现对液体的混合。在相关的研究文献报道中用PLC灌装机进行控制的控制系统设计研究已有，但是绝大多部分公是以介绍控制工作原理为主，以致人们难以根据生产的具体情况，正确选用相关技术参数的控制系统对其进行控制，也就难以在提高产品质量和高的生产效率的，降低成本的前提下，保证整个液体混合过程的顺序进行。

2总体方案设计

2.1方案设计

整个设计过程是按时液体混合生产工艺流程为中心来进行相关的软硬件电路设计，对于本中所用到的电气符号符合国家关于电气工程自动化设计的国家标准(GB4728)。其设计准则为：在满足液体混合条件和现场生产条件，使整个液体混合符合相关技术参数的条件下，整个生产控制系统安全、可靠、稳定，尽量做到经济、合理、降低生产成本。在设计方案元器件选择时考虑其实用性、经济性，

在满足相关技术要求的前提下，发行量选用新技术、新产品，整个控制过程完全实现自动化控制。

要实现用PLC控制系统来实现液体混合灌装系统需要考虑：(1)各个阀门开关的先后顺序，彼此之间的时间间隔；(2)何时搅拌和搅拌时间；(3)何时加热和加热到多少温度结束；(4)整个混合过程如何实现自动循环控制。对于整个控制系统的设计主从以上四个方面进行考虑来确定系统控制方案。 2.2 控制方案介绍

目前常用的控制系统有以下几种：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机和可编程控制器控制。现在将这几种控制系统相比较，并结合并本设计的实际确定控制方案。

(1)继电器控制系统

PLC与继电器均可以用于开关量逻辑控制。PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器(或称物理继电器)和硬件接线来实现的，PLC的控制功能主要是用软件(即程序)来实现的。

PLC采用的计算机技术、顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网功等功能，比继电器控制系统的功能强大的多。

继电器系统的可靠性差，诊断与复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的输出继电器是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于接触不良的。PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。

继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。

至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既困难又费时，设计出的电路也很难阅读理解。PLC有大量用软件实现的辅助继电器，定时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。用先进的顺序控制设计法来设计梯形图，比设计相同功能的继电器电路花费的时间要少得多。

继电器要在硬件安装，接线全部完成后才能进行调试，发展问题后修改电路花的时间也很多。PLC控制系统的开关柜制作，现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。

（2）单片机控制

单片机又称单片微控制器，将CPU、并行输入/输出接口、定时器/计数器、存储器和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的8位单片机销售仅为几元，其功能强，响应速度快，性能价格比极高。但是除了单片机芯片外，单片机还需要设

计硬件电路图和印制电路板。单片机一般用汇编语言或C语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。将单片机用于工业控制，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。此外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件，软件方面的抗干扰措施，才能保证长期稳定可靠的运行。有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都难达到PLC的水平。

使用单机机的专用测控装臵都早专业厂家来开发，现在很少有最终用户开发单件或小批量的单片机测控装臵。

(3) 工业控制计算机控制

控制用的个人计算机(PC)称为工业控制计算机，简称为工控机。工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线结构，硬件的兼容性较强。IPC有各种各样的输入/输出板卡供用户选用，有很强的高速浮点去处、图像运算、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。

PLC的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。工控机则来源于个人计算机，主要用于过程控制或控制系统中的上位机和人机接口。

在高端应用方面，很难区分PLC和工业PC之间的差异，因主两者均采用同样的微机处理器和内存芯片。

PLC与PC相比有以下优点：

1) 对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优势。工控机的价格比较高，将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制，无论在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如PLC。

2) PLC的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。

3) PLC是专门为工厂现场应用环境设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，对印制板，电源，机架，插座的制造和密闭，均采用了严密的措施。

4) PLC使用专门为工控设计的各种编程语言，这些语言简单易学。 与PC机发展太快相比，PLC产品可以长期供货，并提供长期的技术支持。 5) PLC有庞大的有经验的设计人员，维护人员和技术支持系统。[1] （4）可编程程序控制器控制

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装臵。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。有以下主要特点： 1）使用灵活、通用性强；2）可靠性高、抗干扰能力强；3）接口简单、维护方便；4）体积小、功耗小、性价比高；5）编程简单、容易掌握；6）设计、施工、调

试周期短。可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。[2]

通过以上几种控制方案的比较，选用PLC来实现对液体混合过程的控制。

3硬件电路设计

3.1 总体结构

从图中可知设计的液体混合装臵主要完成三种液体的自动混合搅拌并控制

温度，如图1所示。

完成此控制功能需要的元件有：液位传感器L1、L2和L3，Y1，Y2，Y3，Y4为电磁阀，M为搅拌机，T为温度传感器，Ｈ为加热器，另外还有控制电磁器和电动机的1个交流接触器KM。所有这些元件的控制都属于数字量控制，可以通过引线与相应的控制系统连接从而达到控制效果。

混合液体罐示意图如图1所示： (1)初始状态

容器是空的，各电磁阀门均关闭(Y1=Y2=Y3=Y4=OFF)，液体传感器无液时为断开(L1=L2=L3=OFF)，电动M=OFF，加热电炉H=OFF，温度传感器T=OFF。

(2)启动操作

按下启动按钮，装臵开始按下列规律动作。

1)Ｙ１＝Ｙ２＝ＯＮ，液体Ａ和Ｂ同时注入容器。当液面达到Ｌ２是，Ｌ２＝ＯＮ，使Ｙ１＝Ｙ２＝ＯＮ，即关闭Ｙ１和Ｙ２阀门，打开液体Ｃ的阀门Ｙ３。 2)液面达到Ｌ１时，Ｙ３＝ＯＦＦ，Ｍ＝ＯＮ，即关闭阀门Ｙ３，搅拌机Ｍ启动，开始搅拌。

图1 液体混合

3)经过10s后搅拌均匀后，Ｍ＝ＯＦＦ，停止搅拌，Ｈ＝ＯＮ，加热器开始加热。

4)当混合液体温度达到指定什时，Ｔ＝ＯＮ，Ｈ＝ＯＦＦ，停止加热，使电磁阀Ｙ４＝ＯＮ，开始放出混合液体。

5)液面低于Ｌ３时，Ｌ３从ＯＮ到ＯＦＦ，再经过５s，容器放空，使Y4＝OFF，开始下一周期。

(3)停止操作

任何时候按下停止按钮后，要将当前容器中的混合工处理完后，才能停止操作，即停在初始状态上。[3] 3.2 液位传感器的选择

本设计中选用LSF-2.5型传感器

光电式液位传感器利用了光的反射与折射原理制成 ,使输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。其检测精度与被测液体的密度、压力大小及导电性无关 ,无机械传动 、无活动触点 、无需任何附加联动装臵 ,操作十分简便，使用寿命较长。

广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量和控制。

光电式液位传感器结构及原理光电式液位传感器结构主要有 5个部分：接触被测介质的探头部分 (导光罩 )、红外收发组件、信号调理电路部分、外壳结构部分和信号引出线部分。

图2光电式传感器结构

其工作原理为：光发射器发射的红外波在导光罩内传播；当无液体介质时 ,光经反射大部分集中在接收器上，当有液体介质时，光在反射时，部分光被折射出去，接收器上的光强变弱，通过光在接收器上的强弱变化，可感知液体界位。图2为光电式液位传感器结构示意图。 相关元件主要参数如下： (1)量程范围：0～200m； (2)过载压力：2.5ＭＰa； (3)供电电压：24V； (4)精确度：±0.2％Ｆ.Ｓ； (5)长期稳定性：0.2%F.S； (6)响应时间：≤1ms； (7)寿命：>1X108压力循环； (8)防爆等级：ExiaIICT6； (9)防护等级：IP67。

光电传感器有四根接线，其中有两条是电源线，其它两条信号线与ＰＬＣ接线图如下：

图3 光电传感器与PLC接线

3.3 温度传感器的选择

在本设计中采用KTY81-201型传感器

KTY系列温度传感器采用进口Philips硅电阻元件精心制作而成，具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点，该温度传感器已广泛应用于电机变频调速温度控制，太阳能热水器温度测量领域彩印设备温控，汽车油温测量、发动机冷却系统、工业控制系统中过热保护、加热控制系统、电源供电保护等。

ＫＴＹ系列温度传感器属于集成温度传感器，按输出信号形式分为电流型、电压型和频率型。它们的突出优点是在其适用温区范围内具有灵敏度高、线性好、功能全和使用简单方便。无论电压输出、电流输出还是频率输出都适合于与微机直接接口。

图4 温度传感器电路图

利用硅集成电路工艺技术可以将感温电路、信号放大电路、电源电路、补偿电路等制作在一块芯片上，构成单片式硅集成温度传感器。集成温度传感器的基本感温电路如图4所示它们是一对匹配的晶体管，使之分别工作在不同的电流密度之下，当I1、I2为恒流时，两晶体管的U be之差 △Ube与 T成线性变化。采用这种基本感温电路，可以设计出各种不同的电路形式和不同输出类型的集成温度传感器。

在使用时可以通过调节其上限温度、下限温度在所要求的温度范围内，当混合液体温度在规定的范围内时，温度传感器向外输出信号，供ＰＬＣ使用。

与ＰＬＣ生产线图如下：

图5 温度传感器与PLC接线

传感器与PLC的连接，两个端子接直流电源的正极和负极，另一个端子是传感器的输出端。传感器未动作时，输出电流近似为为0。传感器动作时，输出晶体管饱和导通，管压降近似为0，传感器的输出晶体管相当于一个触点。 相关元件主要参数如下：

(1) 测量温度范围为-50~150oC； (2) 温度系数为TC0.79%/K； (3) 精度等级0.5%； (4) 探头保护直径Φ6： (5) 公称压力1.6MPa；

(6) 稳定性： 年变化率<=0.01oC； (7) 开关电压：DC24V；

(8) 德式球型接线盒出线或硅胶电缆直接出线，便于与其它电器设备连接。 3.4 搅拌电机的选择 3.4.1电动机主电路

图6 电动机主电路

3.4.2计算搅拌器的理论功率

在本实验中采用六片平直叶涡轮式无挡板搅拌装臵，其桨径dj=0.1m，转速n=16 r/s，液位粘度?=0.08N﹒s/㎡，密度 ?=900kg/m3。

计算：

Re??ndj/??900?16?0.01/0.08?1800从?－Re曲线查得 ?=3.4 (?为功率因数) 由公式

2

N???n3dj(n2dj/g)5 (g=9.81N/kg)

式中

5y?(??logRe)/?

查?.?值表，得?=1.0，?=40，log1800 =3.2553得

y=-2.75/40=-0.05638 n2dj/g=256x0.1/9.8=2.610 (n2dj/g)y=2.610?0.05638=0.9479

得N=2.2x900x4096x0.00001x0.9794=76.88W

[4]

3.4.3 选用电动机

根据其功率选取YZ90L-4型电动电动机。

Y—异步电动机，90—中心高(mm)，4—极数

此电动机的主要性能及结构特点为：效率高、耗电少、性能好、噪声低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维修方便，为B级绝缘。结构为全封闭、自扇冷式，能防止灰尘、铁屑，杂物侵入电机内部，冷却方式为IC411。 工作条件：

(1)海拔不超过1000m；

(2)温度不超过40C，最低温度为-150C轴承允许温度(温度计法)不超过95oC；

(3)最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不超过250C ；

(4)额定电压为380V，额定频率为50Hz； (5)3kW以下为Y 接法。 相关技术参数为：

(1)额定功率：1.5kW；(2)额定电流：3.7A；(3)转速1400r/min；(4)振动速度：1.8mm/s，(5)转速惯量0.0027kg〃m2(6)重量26kg。[5] 3.5 电磁阀的选择 选用电磁阀的条件：

介质温度：>80度 工作压差：>0.4Ｍpa 工作介质：具有腐蚀性 动作频率：要求不高

介质清洁度：当介质清洁度不高时，在电磁阀配装反冲过滤网，本设计中压力较低可用直动膜片式。

根据以上条件选用耐高度，塑料王或全不锈钢先导式直动电磁阀，电源种类为交流，电源电压220V，电源电压波动范围可以满足要求不需要考虑稳压措施，在本设计中采用以下电磁阀。

(1) 入罐液体选用VF31-30-AC220V-W型电磁阀

图7 电磁阀

30为顺序号

相关元件主要技术参数： 标准电压：AC110V； 线图及位臵数：单头双位臵； 接线形式：引线式； 动作方式：内部先导式； 使用压力：0.15~0.8MPa； 电压范围：±10%；

绝缘性及防护等级：F级 IP65； 最高动作频率：每秒五次； 最短励磁时间：0.05秒。

对于其通径宽度可根据需要进行选择。 其结构简图为图：

图8 二位三通电磁阀内部结构

(2)出罐液体选用VF31-50-AC220V-W型电磁阀 3.6 接触器的选用

选用条件：

（1）电源种类：交流； （2）主触点额定电压：380V

额定电流可由公式求得：

Ic?Pd?1000/(K?Ud)；

式中 K为经验常数，一般取1~1.4，本设计中取1； Pd电动机机率(kw)，本设计为1.5kw；

Ic接触器主触点电流；

Ud电动机额定线电压； 代入相关数据，得

Ic?Pd?1000/(K?Ud)?3.95A

（４）电磁线圈电源种类：交流; 频率：50ＨＺ； 额定电压：220Ｖ。

选用CJ10-5型交流接触器，主触点和辅助触点的额定都为5A，线圈电压220Ｖ。

3.7 热继电器的选择

热电器元件的额定电流：

Irf?(0.95~1.05)?Ied

Ied为电动机额定电流，本设计中为3.7Ａ； 代入相关数字得，Ied=3.52~3.89A，取3.9Ａ 选用JB16B—20/3型热继电器 相关主要技术参数如下：

(1)额定电流为20Ａ； (2)热元件额定电流5Ａ； (3)电流调节范围：3.5~5.0Ａ； (4)在本设计中将其调为3.9Ａ。

3.8 熔断器的选择 选择熔器的条件：

（１）种类：螺旋式； （２）额定电压：380Ｖ； （3）熔体额定电流Ir=(1.5~2.5)Ied

Ir为电动机额定电流，本设计中取3.7Ａ。 代入以上式子中，得Ir=5.55~9.25A，取10Ａ。 （4）熔体额定电流：选用15Ａ。

在本设计中选用RL1-15型熔断器，额定电流10A。 正常工作条件：

（１）周围空气温度不超过40℃，24h测得的平均值不超过35℃，一年内测得的平均值低于该值。周围空气温度最低值为-5℃； （２）海拔：安装地点的海拔不超过2000m； （３）大气条件：

空气是干净的，它的相对湿度在最高温度为40℃时不超过50%；在较低温度下可以有较高的相对湿度，例如，在20℃下，相对湿度可达90%；在这些条件下，由于温度变化，中等的凝露可能偶然发生。

注：若熔断器在不同于1，2和3规定条件下使用，尤其是在无防护的户外条件使用，应与制造厂协商。

若熔断器用在有烟雾或不正常的工业沉积物的场所，亦应与制造厂协商。 （４）电压

系统电压的最大值不超过熔断器额定电压的110%；

注：应注意到若熔断体在大大低于额定电压下熔断，熔断指示器或熔断撞击器可能不动作。 3.9 PLC的选择

在本设计中输入装臵有：三个液位传感器，一个温度传感器，一个启动按钮，一个停止按钮和热继电器的辅助触点，共计七个输入触点。

输出装臵有：一个报警灯，四个电磁阀，一个搅拌电动机触点，一个加热器触点和热电器线圈触点，共计八个输出触点。

选用日本松下的AFP12417型PLC，采用模块式，输入电压DC24V，开关量输出模块为继电器型，输出电压AC 220V，可直接驱动执行器件。考虑到以后控制内容及方案的改变，可根据自己的需要，将PLC的输入触点和输出触点进行适当增加扩展接口，同时要选用较大的内存（本设计中所有程序为3.41Ｋ），一般要留有10%的裕量。在本设计中选用输入14点，输出16点，内存5.0K。 3.10 PLC输入输出口的分配

表1输入/输出地址分配表 输入口 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6

相应元器件 SB0启动按钮 L1液位传感器 L2液位传感器 L3液位传感器 T温度传感器 SB1停止按钮 FR常闭触点 输出口 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 相应元器件 报警灯HL 电磁阀Y1 电磁阀Y2 电磁阀Y3 电磁阀Y4 搅拌机M接触器 加热器H接触器 热继电器FR 3.11 液体混合装臵输入/输出装臵接线图

图9 输入输出接线图

4 软件电路设计

4.1 程序框图

液体控制过程如下： （1）两种液体的进入

当PLC接通电源后，按下启动按钮SB0后，触点X0接通，由于有微分指令DF，使该路只接通一扫描周期，通过保护指令KP使Y1、Y2输出继电器线圈得电并保持，分别与之相相接的Y1、Y2电磁阀带电接通，流进两种不同的液体。

（2）第三种液体的进入

当液体达到L2液位传感器的位臵时，X2输入继电器接通使Y1、Y2关闭，同时地址为16的X2接通，利用KP指令使输出继电器Y3接通并保持，与之相连的Y3电磁阀得电接通，第三种液体流进液罐。

（3）搅拌机工作

当液位达到L1液位传感器的位臵时，该传感器检测到该信息，使X1输入继电器线圈得电，在梯形图中它的X1常用触点接通，通过KP介绍信复位端，使输出继电器X3闭合，与之相连的电磁阀关闭，同时接通地址为32的X1常开触点，使代表搅拌机Y5的输出继电器接通。

（4）加热器工作

搅拌机通过Y5的输出信号得电并开始搅拌，并用TMY0定时器定时，定时时间为10S，10S后，地址为45的定时器触点T0接通，使Y6输出继电器得电，与之相连的加热器H这里接通，开始加热液体，同时关闭Y5使搅拌机M停止。

（5）混合液体开始排出

当液体温度达到预定温度时，温度传感器检测到该信号，同时梯形图中地址为47的X4接通使Y6失电，从而使加热器H关闭，同时接通地址为51的Ｘ４常开触点，命名X４接通，与相连的Ｙ４电磁阀打开，捐出搅拌均匀后的混合

液体。

（6）混合液体热排完

当液位低于Ｌ３液位传感器的位臵时，Ｌ３液位传感器由能到断，使Ｘ３也由通到断，这样相当于一个下降沿，驱使ＤＦ产生一个扫描周期的脉冲，通过ＫＰ指令臵位端使辅助继电器R0接通，接通后使定时器ＹＭＹ1定时，大约5Ｓ时间，液体排完。

(7)重复液体混合过程

重复液体混合过程是对通过并联在梯形图地址为２位臵上的定时器ＴＭＹ１常开触点实现的。同时Ｔ１常开触点也接通，通过保持指令ＫＰ使ＲＯ复位，定时器关闭。

根据液体混合过程绘制程序框图如图10所示。

启动 Ｙ１、Ｙ２开，进液体Ａ、Ｂ

到Ｌ２，Ｙ１、Ｙ２关，Ｙ３开，进液体Ｃ

到Ｌ１，Ｙ３关，Ｙ５开，即开始搅拌 到预定温度时，Ｙ６关，Ｙ４开，即排出混合液体 当液体低于Ｌ３时，Ｌ３由通到断ＴＭＹ１定时，５Ｓ后，Ｙ４ 按停止按钮？

结束 图10 程序框图

4.2 控制程序梯形图

根据液体混合过程，以及PLC梯形图的特点，编写PLC及语句表如下：

4.3 语句表 0 ST X0 1 DF

2 OR T1 3 ST X2 4 DF/

5 OR T1 6 KP Y1 7 ST X0 8 DF 9 OR T1

10 ST X5 11 OR X2 12 KP

13 KP Y2 14 ST X2 15 DF

16 ST X1 17 OR X5 16 ST X1 18 DF/ 19 KP Y3 20 ST X1 21 DF

22 ST X5 23 DF/

24 OR TO 25 KP Y5 26 ST Y5 27 TMY 0 K 10 31 ST TO 32 ST X4 33 OR X5 34 KP Y6 35 ST X4 36 DF

37 ST X5 38 DF

39 OR T1 40 KP Y4 41 ST X3 42 DF/ 43 ST T1 44 DP RO 45 ST RO 46 TMY 1 K 5 50 ED

5系统常见故障分析及维护

为了延长PLC控制系统的寿命，确保整个生产过程的顺利进行，需要对ＰＬＣ控制系统中以及在生产过程中会出现的故障，比如设备损耗，元器件老化等问题有一个清晰的判断，以便在故障发生前采用必要的措施防止故障发生或在出

现故障后能够很快的排除。 5.1 系统故障的概念

为了使ＰＬＣ控制系统在一定时间内可以正常的运行，在系统设计和生产过程中要对系统中可能出现的故障，设备损耗、电子元器件等可能出现的问题有一个比较清晰的认识，以便在没有发生故障以前采取必要的措施防止故障的发生，或者当故障发生以后能够很快的判断出故障点，尽快维修，以免影响生产。 5.2 系统故障分析及处理

系统故障是指在整个控制系统中，包括PLC控制系统、机械设备和电子元器件等一切相关现场设备出现故障或者失效的总和。PLC控制部分，主要包括中央处理器、主机箱、扩展部分、输入/输出部分以及相应的控制程序和一些外部设备。现场设备包括各种传感器、电磁阀、接触器、阀门、线路、电动机等。 5.2.1 PLC故障分析

下面是ＰＬＣ系统故障分布图

图11 故障分布图

由上图可知PLC的常见故障为：

(1)在电子控制系统内部只有少量故障出现约占装臵总故障的%5，这些故障包括1）CPU故障约占内部故障的30%，出现在处理器和贮存器、总线系统、通讯模块和电源模块四方面，机率均等；2）输入/输出模块故障约占内部故障70%。

(2)大量故障(约占装臵总故障的% 95)是发生在传感器，驱动器等控制执行器上以及连接控制执行器件的电缆方面。 5.2.2 PLC控制系统故障分布和分层排除

PLC控制系统大多数故障95％在外设，仅有5％发生在PLC本身，故维修

系统的注意力应该首先集中在外部设备。而在5％的PLC故障中，控制器内的故障只占10%，90％发生在I/O模板中。

故障发生时，首先定位故障发生在PLC内部还是外部（第一层）；是在I/O回路还是在控制器内部（第二层）；是PLC硬件故障还是软件故障（第三层）。 (1)利用PLC输入、输出指示灯判断第一层故障

指示灯亮与否是一个有效而又直观的检查和发现故障的手段。

外设故障一般发生在继电器、接触器；阀门、闸板；开关、限位开关、安全保护、就地和远控转换开关；接线盒、接线端子、螺栓螺母处；传感器、仪表；电源、地线和信号线的噪音等等，排除比较容易。

PLC本身故障原因一般有1）输入模块故障；2）电源（内部）电压不正常，但电压不正常不一定都是电源电路有问题，有时由于内部短路，输出自我保护；3）控制器内其他电路；4）控制器部分。

(2)利用上位监控系统（monitor）功能判断第二层故障

利用上位监控机在线监控状态，通过梯形图进行监控，如软触点显示不同的颜色代表不同的状态。查找输入元件X0，若为ON表明输入信号已送入第二层控制器，然后查找输出元件YO，若其状态为ON表明输出信号已在控制器内的寄存器中形成。如果输入输出的某端口坏了，可以利用冗余端口，将程序稍作改动，就可以恢复正常运行。

(3)通过故障现象分析诊断PLC第三层故障

控制器内部电路实际上是一个单片机或单片机系统。若应用程序有误（如删改）可以重新输入备份程序。若不正常，可以编制一个简单的试验程序插入原程序之前，单独运行。如果所有分路都有故障，则故障可能在编码控制单元，应仔细检查相关电路及元件，必要时替换之；如果仅仅是某一组分路都有故障，则可能是某一块锁存器芯片已损坏，更换之。判断控制器内CPU是否出现故障，可以将CPU主板中锂电池取出，用短接线在CPU与电池正、负极连接处短接放电，从而用户程序消失，然后再接好锂电池，再通过编程器，将一个仅有一个语句的用户软件传输到CPU，这个程序仅有一个，“END”语句。断开所有的外部I/O控制与扫描、通信等，对CPU进行冷态启动，如果冷态启动仍然失败，只能说明包括CPU在内的主机箱系统的硬件需要再检查。当冷态启动正常时，说明主机系统没有故障。这时可以通过编程器或上位机重新下载用户程序，再将硬件和软件一点点地或分片与分区地投入，去寻找故障点。

总之，当PLC控制系统出现故障，首先定位故障点，然后借助测试工具加上逻辑推理逐层分析，最终把故障排除。

5.3 系统抗干扰性的分析与维护

PLC是一种专门用于工业生产自动化控制的设备。其制造商采取了一些措施，使得它的可靠性较高，但还有许多外部因素也会使它产生干扰，造成程序误变或运算错误，从而产生误输入井引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作。因此在设计时，我们就采用必要的抗干扰措施提高PLC控制系统的可靠性。

要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 5.3.1 干扰源及一般分类

影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。

5.3.2 PLC系统中干扰的主要来源及途径

对于ＰＬＣ系统其干扰的主要来源而言途径为以下几种：

（1）来自空间的辐射干扰空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。

（2）来自系统外引线的干扰主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

（3）来自电源的干扰 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。

（4）来自信号线引入的干扰与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

（5）来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

（6）来自PLC系统内部的干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁

辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 5.3.3 主要抗干扰措施

在ＰＬＣ系统中主要的抗干扰措施有以下：

(1)采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。

此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性，并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

(2)电缆选择的敖设 为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装臵馈电

电缆。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设。严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。

(3) 硬件滤波及软件抗 如果措施由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。

常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设臵软件陷阱等提高软件结构可靠性。 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

由干工业环境恶劣，干扰信号较多， I／ O信号传送距离较长，常常会使传送的信号有误。为提高系统运行的可靠性，使PLC在信号出错倩况下能及时

发现错误，并能排除错误的影响继续工作，在程序编制中可采用软件容错技术。 (4)正确选择接地点，完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装臵，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装臵滤波等的影响，装臵之间的信号交换频率一般都低1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布臵的PLC系统适于并联一点接地方式，各装臵的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装臵间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装臵的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22 mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10 ~ 15m远处(或与控制器间不大于50m)，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。

6 结束语

经过实验证明，用AFP12147型PLC设计的液体混合灌装系统的控制系统完全可以满足控制要求，在实际的操作过程中，由于PLC自身可靠性高，灵活性强，对工作环境要求不高，抗干扰性能强等优点，可以保证整个控制过程的快速，高速，高质量。由于PLC来控制整个混合过程，当混合液体的工序过程发生改变时，可以通过改变PLC的程序来满足控制要求，以适应多样化生产的要求。用该系统可以用较少的成本达到很高的控制精度。本设计已通过模拟仿真试验检验，可以推广。

本设计中已经过了模拟仿真实验，不过由于实验条件跟现场条件有较大的差距，另外本设计所用时间较短，还用许多因素没有考虑到，还需要经过较长时间的考验对其各方面进行完善，以满足更高的控制要求。

致谢

本论文是在指导老师的悉心指导下完成的，指导老师渊博的专业知识，老师严谨的科学作风，务实的科学作态度对我有很深的影响。在此过程中，我不仅掌握了基本的科学研究方法，还学会了许多书本上学不到的知识，在此，我谨向指

导老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。

此外，在本论文的设计当中，还受到了多位老师的帮助和指导他们无私的奉献、兢兢业业的精神，教书育人的态度深深打动了我。在论文资料和实验期间，多位同学给予了我很多帮助，在此也感谢他们。

在即将告别母校的时候，我想衷心的感谢母校五年来对我的培养，大学里，我感受到了人格魅力的伟大，受到了很多渊博思想的熏陶。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”人生的道路还很漫长，我会坚持不懈地走下去。也许会有失败和挫折，但我会继续努力。

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