游珍珍

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基于PLC溶液混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

游珍珍

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

文章以西門子S7-200系列PLC為主要器件設(shè)計(jì)溶液混合控制系統(tǒng)，用PLC來(lái)控制電磁閥和攪拌機(jī)的通斷，從而控制混合液體的量以及攪拌機(jī)攪拌的時(shí)間，以達(dá)到所要求的混合液體的特性，并形成循環(huán)狀態(tài)。本文所設(shè)計(jì)的溶液混合控制系統(tǒng)無(wú)需人工在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行操作，大大提高了工作環(huán)境的安全性，同時(shí)也提高了工作的效率以及混合液體比例的準(zhǔn)確性。

PLC；溶液混合；攪拌

1　引　言

多種溶液混合是將多種溶液按照先后順序，按照一定比例，達(dá)到一定的量，然后利用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌均勻混合。在化工、制藥等行業(yè)中，多種溶液混合工序必不可少，而需要混合的溶液如為易燃易爆、有毒有腐蝕性的物體時(shí)，就不適合人工直接進(jìn)行操作，因此，其生產(chǎn)采用自動(dòng)化操作以確保整個(gè)混合溶液過(guò)程的混合精確、控制可靠。

隨著PLC技術(shù)的快速發(fā)展，PLC將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，成為實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的核心設(shè)備，其具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其控制功能由簡(jiǎn)單的邏輯控制、順序控制發(fā)展為復(fù)雜的連續(xù)控制和過(guò)程控制，成為自動(dòng)化領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱[2]。采用PLC控制溶液混合的裝置也取得了不斷的發(fā)展和完善，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化操作。這樣不僅改善了操作環(huán)境，減小了對(duì)人身體的傷害，增加了器件的使用壽命，同時(shí)也提高了工作的效率以及混合液體的精度。因此，使得基于PLC的溶液混合控制系統(tǒng)在煉油、化工、制藥等方面得到了廣泛的應(yīng)用。從而，也促進(jìn)了這些行業(yè)的快速發(fā)展。

2　溶液混合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

基于PLC溶液混合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖以PLC為控制中心，通過(guò)液位傳感器感知容器中液體的量，然后將采樣信號(hào)傳給PLC，由PLC控制相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到溶液混合所需要的要求。如圖1所示是基于PLC溶液混合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1.基于PLC溶液混合控制系統(tǒng)框圖

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1主體硬件結(jié)構(gòu)圖

主體硬件結(jié)構(gòu)圖包括液位傳感器L1、L2、L3；電磁閥Y1、Y2、Y3、Y4；液體攪拌機(jī)M。通過(guò)主體硬件結(jié)構(gòu)圖可以清楚的看出硬件的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

為了更好的控制混合液體的比例，首先對(duì)液體灌進(jìn)行刻度。在相應(yīng)的位置標(biāo)示出其容積刻度。三個(gè)液體傳感器是可以移動(dòng)的，不同比例的混合可以通過(guò)調(diào)節(jié)液位傳感器的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制要求：（1）初始狀態(tài)溶液混合裝置是空的，各個(gè)電磁閥門Y1、Y2、Y3、Y4均為關(guān)閉狀態(tài)，液位傳感器L1、L2、L3均為關(guān)閉狀態(tài)，液體攪拌機(jī)M為關(guān)閉狀態(tài)。（2）按下啟動(dòng)按鈕SB1后Y1=ON；液體A開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L1時(shí)L1=ON；使Y1=OFF，Y2=ON。此時(shí)，液體B開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L2時(shí)，L2=ON；使Y2=OFF，Y3=ON；此時(shí)，液體C開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L3時(shí)，Y3=OFF，M=ON；此時(shí)，攪拌機(jī)開始工作。定時(shí)一分鐘以后，Y4打開，此時(shí)液體流出，一分鐘以后，Y4關(guān)閉，完成整個(gè)過(guò)程。（3）按下停止按鈕SB2，完成整個(gè)過(guò)程后再停止。

圖2.主體硬件結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看到，該裝置可以實(shí)現(xiàn)液體A、液體B和液體C的混合攪拌。三個(gè)液位傳感器L1、L2、L3當(dāng)液面淹沒時(shí)為ON狀態(tài)，電磁閥和攪拌機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)PLC控制整個(gè)液體混合過(guò)程從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。

3.2器件選擇

3.2.1液位傳感器的選擇。LSF系列液位開關(guān)可提供非常精確的液位檢測(cè)，其原理是依據(jù)光的反射折射原理，當(dāng)沒有液面時(shí)，光被前端的棱鏡面或球面反射回來(lái)；有液體覆蓋光電探頭球面時(shí)，光被反射出去，這時(shí)的輸出發(fā)生變化，相應(yīng)的晶體管或繼電器動(dòng)作并輸出一個(gè)開關(guān)量[3]。LSF光電液位開關(guān)能夠耐腐蝕，適合在各種溶液混合環(huán)境中使用。

基于PLC的溶液混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要非常精確的控制不同液體之間量的比例關(guān)系，由于LSF-2.5型液位傳感器是利用光的反射原理來(lái)檢測(cè)液面，具有很高的精確度。所以本設(shè)計(jì)采用LSF-2.5型液位傳感器。

3.2.2攪拌電機(jī)的選擇。EJ15系列電動(dòng)機(jī)是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定電壓為220V，額定頻率為50Hz,功率為2.5kW，采用三角形接法[4]；EJ15系列電動(dòng)機(jī)效率高、節(jié)能、轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小，運(yùn)行安全可靠[5]。因此本設(shè)計(jì)采用EJ15-3型電動(dòng)機(jī)。

3.2.3電磁閥的選擇。VF4-25型電磁閥采用聚四氟乙烯制作，使用硫酸、鹽酸、有機(jī)溶劑、化學(xué)試劑等酸堿性的液體作為介質(zhì)，其功率為2.5kW，動(dòng)作迅速、頻率高。由于液體攪拌機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，涉及許多化學(xué)藥品及腐蝕性的液體，為了考慮電磁閥的使用壽命等問(wèn)題，選擇一種材質(zhì)好，能用于比較惡劣環(huán)境的電磁閥，因此選用VF4-25型電磁閥。

3.2.4接觸器的選擇。CJ20-10/CJ-16型接觸器操作頻率為1200次/h，機(jī)電壽命為1000萬(wàn)次，功率為2.5kW。本設(shè)計(jì)所要求的接觸器要有足夠快的頻率變換，從而使控制更加的準(zhǔn)確，從該角度出發(fā)選擇CJ20-10/CJ-16型接觸器更加合適。

4　軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC輸入輸出點(diǎn)分配

本設(shè)計(jì)采用西門子公司的S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)溶液混合控制系統(tǒng)，CPU模塊采用CPU224模塊，該模塊采用交流220V供電。這個(gè)控制系統(tǒng)的輸入有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和液位開關(guān)（共3個(gè)）共5個(gè)輸入點(diǎn)；輸出有3個(gè)進(jìn)水電磁閥，1個(gè)排水電磁閥，攪拌電機(jī)共5個(gè)輸出點(diǎn)。因此CPU224自帶的14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)完全滿足本文所設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[6]，所以不需要另外的電源模塊以及數(shù)字量輸入和輸出模塊。

表1.I/O分配

輸入設(shè)備輸入點(diǎn)輸出設(shè)備輸出點(diǎn) 啟動(dòng)按鈕SB1I0.0電磁閥Y1Q0.0 L1液位傳感器I0.1電磁閥Y2Q0.1 L2液位傳感器I0.2電磁閥Y3Q0.2 L3液位傳感器I0.3攪拌機(jī)MQ0.3 停止按鈕SB2I0.4電磁閥Y4Q0.4

4.2梯形圖程序設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，按啟動(dòng)按鈕后，執(zhí)行第一步即電磁閥Y1打開，液體A流進(jìn)液體灌；當(dāng)液體A的高度超過(guò)液位傳感器L1時(shí)，將電磁閥Y1關(guān)閉，電磁閥Y2打開，液體B流進(jìn)液體灌；當(dāng)液體B的高度超過(guò)液位傳感器L2時(shí)，將電磁閥Y2關(guān)閉，電磁閥Y3打開，液體C流入液體罐；當(dāng)液體C的高度超過(guò)液位傳感器L3時(shí)，將電磁閥Y3關(guān)閉，攪拌機(jī)攪拌一分鐘；攪拌一分鐘后，電磁閥Y4打開釋放罐中液體，定時(shí)一分鐘后關(guān)閉Y4，然后進(jìn)入下一循環(huán)。程序流程圖如圖3所示。

圖3.程序流程圖

按照上述過(guò)程以及I/O分配設(shè)計(jì)梯形圖程序，初始狀態(tài)容器時(shí)，各個(gè)閥門的輸出Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3和Q0.4均為OFF，液位傳感器的輸出也均為OFF，電動(dòng)機(jī)FM的輸出為OFF。按下啟動(dòng)按鈕SB1后Y1閉合，此時(shí)，I0.0=ON，Q0.0=ON；液體A開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L1后Y1斷開，Y2閉合；此時(shí)I0.1=ON，Q0.1=ON，液體A斷流，液體B開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L2后，Y2斷開，Y3閉合；此時(shí)，I0.2=ON，Q0.2=ON，液體B斷流，液體C開始注入容器。當(dāng)液體到達(dá)L3時(shí)，Y3斷開，F(xiàn)M閉合；此時(shí)，攪拌機(jī)開始工作。定時(shí)一分鐘以后，Y4打開，此時(shí)液體流出，一分鐘以后，Y4關(guān)閉，完成整個(gè)過(guò)程。當(dāng)按下停止按鈕SB2，完成整個(gè)過(guò)程再停止。具體梯形圖如圖4所示。

圖4.梯形圖

5　仿　真

本設(shè)計(jì)通過(guò)西門子S7-200系列PLC仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行了仿真。

注入液體A的仿真結(jié)果如圖5所示。I0.1代表液位傳感器L1，Q0.1代表電磁閥Y2。此圖顯示當(dāng)I0.1=ON時(shí)，即液體A已經(jīng)到達(dá)液位傳感器L1的位置，此時(shí)Q0.1=ON，說(shuō)明液體A斷流，液體B開始注入液體灌內(nèi)。

圖5.仿真結(jié)果圖一

注入液體B的仿真結(jié)果圖如圖6所示，I0.2代表液位傳感器L2，Q0.2代表電磁閥Y3，此圖顯示當(dāng)I0.2=ON時(shí)，Q0.2=ON，說(shuō)明液體B已經(jīng)到達(dá)液位傳感器L2的位置。此時(shí)液體B斷流，液體C開始注入液體灌。

圖6.仿真結(jié)果圖二

注入液體C的仿真圖如圖7所示，I0.3代表液位傳感器L3，Q3代表攪拌機(jī)，如圖所示當(dāng)I0.3=ON時(shí)，Q0.3=ON，說(shuō)明液體已經(jīng)到達(dá)液位傳感器L3的位置。液體C斷流，攪拌機(jī)開始攪拌。

圖7.仿真結(jié)果圖三

通過(guò)仿真結(jié)果圖可以看出，注入三種不同液體時(shí)其仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，滿足了設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由PLC控制溶液任意比例的混合裝置，由于PLC本身具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境無(wú)要求和抗干擾性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)[7]，從而使得不需要操作人員在惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行操作。采用PLC控制溶液的混合，隨時(shí)可以修改溶液混合比例，滿足不同溶液混合的需求[8]。另外，本設(shè)計(jì)采用了定時(shí)器對(duì)攪拌時(shí)間進(jìn)行控制，準(zhǔn)確的控制了溶液混合程度及輸出時(shí)間。本設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和制藥領(lǐng)域。

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（責(zé)任編校：宮彥軍）

2016－03－26

永州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（永科發(fā)[2015]9號(hào)No.2）；湖南科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2014FJ3143)。

游珍珍（1983－），女，湖南省永州人，講師，碩士，研究方向?yàn)镻LC在工業(yè)與農(nóng)業(yè)控制中的應(yīng)用。

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1673-2219（2016）10-0036-03