基于PLC的液體攪拌設備控制系統(tǒng)設計

陳長生

摘要：本文主要研究了基于PLC的液體攪拌設備的控制系統(tǒng)。設計中采用了功能強大的PLC器件，來實現(xiàn)對液體攪拌設備的核心控制，由于PLC器件功能強大，對攪拌過程的控制非常精準，極大地提高了攪拌設備的工作效率和工作質量。

關鍵詞：PLC；液體攪拌設備；自動控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0207-02

1引言

隨著科技的發(fā)展，液體攪拌設備的要求也越來越高，尤其是人力成本的增加使企業(yè)在一定程度上喪失了成本競爭優(yōu)勢，從攪拌效率上來講，當前的攪拌設備也遠遠落后于需求。原有的液體攪拌設備遠遠不能滿足當前自動化的需要，而PLC的出現(xiàn)，正好解決了這些問題。

PLC的全稱是可編程邏輯控制器，是基于MCU（微處理器）的通用工業(yè)控制設備。它能執(zhí)行各種層次的復雜控制任務，由于其功能強大，應用面廣，使用方便，所以很快成為當代工業(yè)自動化的支柱芯片之一，目前PLC已經(jīng)較為廣泛的在各種生產(chǎn)過程和機械設備的自動控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。而根據(jù)多種液體自動攪拌混合系統(tǒng)的要求與特點，恰好可以采用PLC來實現(xiàn)自動化設計。由于PLC的小型化、高速度、高性能、指令豐富和強大的可擴展性等特點，使得PLC能夠在液體攪拌設備控制系統(tǒng)中發(fā)揮出極其重要的作用，對提高攪拌效率和質量都功不可沒。

2總體控制系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)工作原理

攪拌設備的主要作用是完成多種液體的均勻混合，人工混合容易導致混合不均和效率低下等問題，因此可以借助于自動控制系統(tǒng)來完成液體的攪拌混合。

為了便于研究，本文以兩種液體的混合為例。在整個攪拌系統(tǒng)中，主要需要有序完成以下幾類操作：

1）首先檢測容器中的液面是否超過L，如果超過，就打開電磁閥G3，排放混合液體，否則轉入下一步。

2）打開控制A液體進料的電磁閥G1，注入液體A，當注入到既定液面M時，傳感器發(fā)送信號給控制器，控制器發(fā)出命令，關閉電磁閥G1，停止A液體的注入，同時打開控制B液體進料的電磁閥G2，注入液體B，當液面到達H時，傳感器發(fā)送控制信號給控制器，控制器發(fā)命令關閉電磁閥G2，從而停止B液體的注入。

3）當液面達到H后，控制器將同步發(fā)送命令，啟動攪拌過程。當完成定時攪拌后，停止攪拌。

4）一旦發(fā)生異常，要啟動緊急處理機制，有控制器發(fā)出控制命令，關閉相應的電磁閥門，并關閉整個系統(tǒng)。

在整個工作過程中，三個液位傳感器作用非常重要，它的信號是PLC控制器發(fā)出命令的直接依據(jù)。

2.2系統(tǒng)設計目標

本系統(tǒng)在設計中要達到以下目標：

1）較強的可靠性

由于液體攪拌設備的使用環(huán)境差異性較大，要充分考慮到設備的健壯性，能夠抵抗各種惡劣環(huán)境和干擾，包高濕度和高粉塵環(huán)境。

2）操作友好，方便工程人員使用

由于攪拌設備的操作人員絕大部分屬于非專業(yè)人員，因此設備的操作便捷度就成為了一個重要指標。在設計中，要求充分考慮到此要求。而PLC所采用的梯形圖編程語言相對比較簡單，使用的開關量邏輯控制指令也比較少，方便對繼電器的控制。

3）軟硬件便于升級

PLC技術經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)有了規(guī)模各異的產(chǎn)品家族，能夠滿足各行各業(yè)的控制要求。不僅能夠實現(xiàn)邏輯判斷處理，還能夠實現(xiàn)對各種數(shù)字領域的控制要求，具備較為完善的運算能力。隨著科技大發(fā)展和時代的需求，攪拌設備在需求上也會逐日提升，所以必須便于升級，在設計的時候就要預先規(guī)劃好升級計劃和接口，便于日后提升系統(tǒng)功能。

4）滿足功耗和體積要求

要充分考慮攪拌設備的工作空間的需求，不能占用過多的空間。另外要符合時代發(fā)展的主旋律，要嚴格控制功耗。

3 硬件設計

液體攪拌設備的核心是控制系統(tǒng)。整體上是采用傳感器采集液位信號，傳遞給控制系統(tǒng)，然后根據(jù)液位信號來控制液體注入開關上的電磁閥門的開閉，以及攪拌過程的開啟。其中，核心是控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)的“眼睛”則是液位傳感器。

3.1 液位傳感器

液位傳感器是整個系統(tǒng)中的觸發(fā)器，其傳回的信號直接影響到控制系統(tǒng)下一步的操作。液位傳感器類型非常多，原理各異。本系統(tǒng)采用LSF系列的液位開關，它主要是采用光學原理生成控制信號。依據(jù)光的反射和折射原理，當沒有液體的時候，光會反射回來，而一旦有液體，光會被折射，角度發(fā)生變化，就收不到反射回來的光信號，這時就產(chǎn)生了一個開關量，該信號傳遞給控制系統(tǒng)即可。為了精確起見，可以采用多點開關。

3.2 攪拌電動機

液體攪拌設備的核心工作是攪拌，而攪拌則必須使用電機，設計中選用EJ15系列電動機。它是三相異步電動機，采用全封閉鼠籠結構，額定功率為2.5KW，這一系列的電機接線方法都采用三角形接法。其對工作環(huán)境的要求相對較低，要求電機運行地點的海拔高度要不超過一千米，工作的溫度要在零下15度到40度之間。EJ15-3型電機也有很多優(yōu)點，其電機的運轉噪音低，運轉過程中的振動也非常小，能耗低，適合長時間運行，安全可靠。

3.3電磁閥

電磁閥門主要是用來控制液體的注入和排出，要根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出來的開關量信號控制其開關。電磁閥選型要首先考慮安全性和可靠性，其次要考慮實用性，另外還要考慮成本因素。電磁閥的類型非常多，根據(jù)本系統(tǒng)的需要，出罐和入罐分別可以選用AVF-40和VF4-25兩款電磁閥，抗腐蝕性強，可以直接通過按鍵控制流量。

3.4 PLC的選擇

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，西門子公司具有品種非常豐富的PLC產(chǎn)品。本控制系統(tǒng)主要采用順序結構來執(zhí)行既定操作，非常適合使用西門子公司的S7-200系列小型PLC控制器來控制整個系統(tǒng)。因為該系列PLC控制器的特點非常鮮明：

1）指令豐富，可以采用梯形圖、語句表和功能塊圖三種編程語言；

2）繼承了高速計數(shù)器；

3）具有PID控制器；

4）強大的通信功能；

5）簡化復雜編程任務的向導功能；

6）市場占有率高，技術支持豐富。

3.5 PLC輸入、輸出口的分配

在繪制PLC外部接線圖之前，需要對要用到的I/O點進行地址分配，以明確PLC芯片I/O接口以及有助于后面要進行的PLC程序設計。G1和G2這兩個電磁閥分別控制A、B液體的注入與否，G3用來控住液體的排出，H、M、L三個液面開關分別產(chǎn)生開關信號給控制器。所以A液體的進液閥用QO.1控制、B液體的進液閥用QO.2分制，而出液閥則用Q0.3來控制。

4 軟件設計

4.1 PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行過程

程序執(zhí)行過程如下：

1）清空容器，關閉所有閥門，關閉電動機，啟動設備；

2）打開電池閥G1，注入A液體，直到液面到達M停止；

3）打開電池閥G2，注入B液體，直到液面到達H停止；

4）啟動攪拌機，攪拌60秒；

5）停止攪拌，打開電池閥G3，排出混合液，直到液面低于L；

6）啟動輸出延時，延時20秒；

7）關閉閥門G3；

8）如果需要繼續(xù)攪拌，則跳轉到第二步，如果沒有則關閉電動機和所有閥門。

4.2可編程控制梯形圖

PLC使用梯形圖語言，它有以下特點

1）它是一種圖形語言，可以把很多的邏輯關系最簡化。

2）在梯形圖中，所有的接觸點只有常開和常閉兩種狀態(tài)。所有的接觸點既可以表示開關，也可以表示PLC內部的繼電器的接觸點或者內部寄出去和計數(shù)器的狀態(tài)信息。

3）在梯形圖中，所有的接觸點都可以進行任意的串、并聯(lián)，而相比較而言，線圈可以并聯(lián)，但不能串聯(lián)。

4）在梯形圖中，可以根據(jù)規(guī)模進行容量和功能的擴展。

4.3 系統(tǒng)調試

控制系統(tǒng)程序編寫完成后即可進行仿真。使用仿真軟件模擬電磁閥門的開閉。通過觀察仿真軟件上的提示燈是否按照程序要求依次點亮，延時是否準確，以此來判斷程序是否還存在問題。

5 結束語

本文主要使用西門子S7-200系列PLC來設計液體攪拌設備的控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC處理器的優(yōu)勢，使該系統(tǒng)具有較好的自動化特點，滿足了實際需求。

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