摘要
液体自动混合加热控制系统按照A液体和B液体按照1:1的配方进行混合加热的工艺设计需求，对系统进行手动控制和自动控制设计，通过调试和仿真达到设计工艺的要求，满足设计的需求。系统主要通过可编程控制器控制方式进行设计，在分析该系统的工艺要求基础上，提出详尽的控制策略和总体设计思路。系统主要由西门子S7-1200可编程控制器、传感器检测单元、电动机执行机构、电磁阀以及加热器等组成，系统分为总体设计、硬件图纸设计、软件流程及程序设计以及程序仿真设计等。在总体设计中对系统工艺进行详细分析，并提出总体设计的思路；在硬件设计中重点对PLC及其他接线进行详细设计和分析；在软件设计中，重点对程序流程进行分析，并完成软件程序以及程序仿真设计。系统设计通过仿真设计和调试，达到了设计的基本控制要求，控制逻辑清晰，功能实现满足了工艺的需求。
关键词：液体混合加热；可编程控制器；仿真设计
Abstract
The liquid automatic mixed heating control system is mainly designed according to the process design requirements of a liquid and B liquid mixed heating according to the formula of 1:1. The system is designed for manual control and automatic control. Through debugging and simulation, it can meet the requirements of the design process and meet the design requirements. The system is mainly designed by PLC control mode. Based on the analysis of the process requirements of the system, the detailed control strategy and overall design idea are proposed. The system is mainly composed of Siemens s7-1200 PLC, sensor detection unit, motor actuator, solenoid valve and heater. The system is divided into general design, hardware drawing design, software flow and program design, and program simulation design. In the overall design, the system process is analyzed in detail, and the overall design idea is proposed; in the hardware design, the PLC and other wiring are mainly designed and analyzed in detail; in the software design, the program flow is mainly analyzed, and the software program and the program simulation design are completed. Through simulation design and debugging, the system design has achieved the basic control requirements of the design, the control logic is clear, and the function realization meets the process requirements.
Key words: liquid mixed heating; PLC; simulation design
目录
摘要 1
Abstract 2
1 绪论 4
1.1 课题研究目的及意义 4
1.2 课题研究目的及意义 4
1.3 课题研究的思路 5
2 液体混合加热控制的总体设计 6
2.1 液体混合加热控制的工艺要求 6
2.2 控制方案的比较选择 7
2.3 系统的方案确定 8
3 液体混合加热控制的硬件设计 10
3.1 可编程控制器的计算及选型 10
3.2 电动机的选型 11
3.3 电磁阀的选型 12
3.4 液位开关的选型 13
3.5 系统的I/O分配设计 13
3.6 可编程控制器的接线图 14
3.7 主电路的接线图 15
4 液体混合加热控制的软件设计 17
4.1 系统的功能图设计 17
4.2 博途V13软件的介绍 18
4.3 程序的设计 19
4.3.1 手动程序的设计 19
4.3.2 自动程序的设计 20
4.3.3 输出程序的设计 22
5 液体混合加热控制的仿真设计 25
5.1 液体混合加热的仿真步骤 25
5.2 仿真过程及结果 26
总结 29
致谢 30
参考文献 31
1绪论
1.1 课题研究目的及意义
液体混合加热在工业应用中比较广泛，传统的液体混合加热通过人为手动控制，此控制方式往往存在配方误差，并且加热时间不足或者过量，导致液体成分发生化学变化等，不能准确达到配方要求。因此通过电气自动化控制的方式实现液体混合加热成为研究的课题对象。本设计主要针对A液体和B液体按照固定的配方比例进行混合，并且按照固定的时间进行搅拌和加热，达到精确控制配方和加热搅拌时间的目的。
在现代化社会发展的进程中，往往需要将某工艺控制的人工控制采用电气自动化控制，用以提高控制精度和工作效率，实现自动化控制的目的。对于控制系统来说，主要通过控制单元实现自动化控制，市场上常用的控制单元包含可编程控制器和单片机。单片机功能很强大，能够对应用的控制系统实现各种功能，完成指定的工艺要求。但可编程控制器是为工业现场专门生产的控制单元，具有很强的抗干扰性能和稳定性能，可编程控制器可以按照现场的要求，通过各种扩展模块的添加实现现场的模拟量控制、通讯、高速计数等功能。本设计主要对液体混合加热控制系统进行研究，通过该设计的学习，对以往学习过的课程进行全面的复习和深入了解。特别是电气控制的理论知识和可编程控制器的应用知识进行详细的学习。对市场的应用产品和控制单元，以及各种控制样例进行掌握，有利于以后的社会实践，提升自己的工作能力。
1.2 课题研究目的及意义
本设计主要针对A液体和B液体进行混合加热控制，采用电磁阀控制A液体和B液体的进液控制，按照固定的1:1的配方进行液体的流入，当进液液体达到固定的液位后，停止进液，并开始进行搅拌和加热，搅拌和加热的时间控制为10分钟，当时间到后，进行液体的排液输出。系统设计主要分为硬件设计和软件设计。重点分析工艺，并提出控制方案，完成流程图的设计分析，达到设计的要求。
1.3 课题研究的思路
按照液体混合加热的控制设计内容，对液体混合加热进行系统的设计，系统设计主要包含了总体工艺分析设计，系统的硬件图纸设计以及软件设计，系统的调试设计等。
（1）在总体设计工艺分析中，对液体混合加热的控制工艺进行详细的分析，明确系统的控制对象，对系统的总体设计策略和方案进行设计，明确输入动作和输出动作，以及相关的控制要求。确定系统的设计方案，对系统采用的控制单元、检测部分和执行部分进行选型设计。
（2）在系统的硬件设计中，明确硬件设计的要求，对系统的电路进行分部设计，详细设计每个电路图，对线路部分的接线要求和原理进行明确分析。
（3）在系统的软件设计中，对系统的I/O分配进行详细设计，I/O分配的设计关系到系统设计的准确性和后期的调试使用。对系统的流程图进行分析，明确各种动作要求和动作规范性，对程序进行分部设计，完成程序的各种功能实现，分析程序的设计思路和注释。
（4）对系统的调试进行设计，系统调试作为系统开发设计必不可少的环节，主要验证系统是否满足设计的要求，按照调试的思路进行仿真调试。
（5）完成系统设计的总结，对本系统设计的优缺点进行分析，为后期的升级改造留有空间，并且进行设计的总结分析。
2 液体混合加热控制的总体设计
2.1 液体混合加热控制的工艺要求
本设计针对某车间的催化剂液体混合加热进行设计，该催化剂需要将A液体和B液体进行1:1的配方进行混合，并且进行加热，使催化剂混合液体的化学成分激活，增强催化剂的催化作用。按照此工艺要求，具体设计示意图如下：
图2-1 液体混合加热控制示意图
按照以上的示意图可知，系统分为进液阀一、进液阀二、混合搅拌罐、搅拌机、加热器、限位开关、出液阀一和出液阀二等。按照该示意图分析，具体的工艺如下：
（1）首先将A液的进液阀一打开，A液注入混合搅拌罐，当液位到达中限位的位置后，A液的进液阀一关闭，与此同时B液的进液阀二打开，开始注入B液，当混合罐液位到达上限位后，B液的进液阀二停止。
（2）当A液和B液按照1:1的配方进入混合搅拌罐后，开始启动搅拌机和加热器，搅拌机的作用是将A液和B液充分混合，加热器的作用是将该催化剂加热到一定温度后，增强催化剂的作用。搅拌机和加热器运行10分钟后，自动停止。
（3）当搅拌器和加热器运行10分钟后，开始进行排液处理，同时打开出液阀一和出液阀二，液体排出罐外，当液位碰触到低限位后，将关闭出液阀一和出液阀二。此时液体混合加热工作结束。
通过以上的工艺，确定合适的控制方案，实现液体混合加热的控制过程。
2.2 控制方案的比较选择
通过液体混合加热控制系统的设计要求，需要进行控制方案的设计和选择，控制方案的选择主要考虑现场的应用环境、系统的功能要求以及经济成本的投资考虑等进行分析。系统设计的要求务必做到控制稳定、适应现场工业环境、并且能够为后期升级改造提供空间。控制方案的选择直接关系到系统运行的稳定性，功能实现的完整性以及控制方便快捷，为后期的系统升级改造留有空间，并且能方便进行系统的改造升级。最主要的是系统控制方案直接关系到项目设计的成本和开发周期，下面对常用的系统控制方案进行优缺点的分析并进行比较，选择出适合本系统的控制方案。
（1）单片机系统方案
单片机的功能比较强大，能够应对现场各种控制功能，控制精度高，自动化程度也高，而且能够根据现场的工艺要求，实现各种功能，达到控制的工艺目的。单片机在进行研发设计时，首先进行硬件电路板的开发设计，其次进行软件程序的开发设计。特别在电路板硬件开发设计中，要求谨慎细微，稍有差错，该电路板设计将成为次品，因此单片机在开发过程中周期比较长，现场调试如果工艺发生较大改变，该已有的单片机电路板硬件有可能面临废弃，可能重新设计电路板。对于软件设计程序，一旦固化在存储器内，将难以进行改变。而且单片机系统方案对现场的抗干扰要求比较严格，扩展性能比较差，不能适应于作业恶劣的工业环境，后期系统升级困难。所以按照本系统的设计要求，需要为后期升级改造留有空间，因此单片机系统方案无法满足本系统的工艺要求，故此方案不作考虑。
（2）可编程控制器系统方案
可编程控制器的开发设计本身是针对工业控制环境的特定要求而研制，可编程控制器结合当前研究最新成果，特别是计算机的技术发展、通信技术发展、传感器应用发展等领域的研究，都可以通过可编程控制器的特定功能模块得以实现。面对复杂的工业环境，可编程控制器设计最初，就考虑抗干扰能力性能、高可靠性能、高稳定性能等，所以可编程控制器的应用比较广泛。可编程控制器可以通过模块扩展进行设计，按照现场的工艺要求以及功能，可以进行模块选择，我们根据现场的控制需要，选择相应的扩展模块，比如现场I/O点较多，可以根据I/O的点数，选择数字量扩展模块；比如现场需要模拟量的控制，可以根据模拟量控制的多少选择模拟量扩展模块；比如现场需要完成特定通讯协议的现场总线，需要选择适合该通讯协议的通信模块。在软件设计方面，可以根据PLC的品牌和型号，选择不同的程序设计软件。对常用的逻辑控制、数学计算、PID调节、通信设计等进行开发设计，当设计完程序，通过编程电缆进行程序下载即可。如果现场工艺发生改变，完全可以对程序进行修改和功能增加，二次开发比较容易，在硬件设计时，需要按照要求进行外部输入输出余量保留，为后期改造升级提供诸多方便。对于可编程控制器的大量普及和应用，本次设计就考虑采用可编程控制器作为总控制单元，进行该系统的工艺设计。
通过以上控制方案的比较和选择，按照液体混合加热控制系统设计的基本控制策略，选择采用可编程控制器的控制方案进行设计。在设计中分为系统的硬件图纸、可编程控制器的软件程序、仿真设计。通过三大分部设计，进行最终调试仿真，达到系统设计的基本要求。
2.3 系统的方案确定
按照液体混合加热的工艺要求和方案选择，采用可编程控制器进行设计。具体控制方案如下：
（1）系统设计分为手动控制和自动控制两种方式，通过外部的旋钮进行转换选择。当选择手动控制时，可以通过外部的按钮开关进行单独控制某电磁阀或者电动机等；当选择自动控制时，按照配方的要求和加热搅拌时间的工艺进行控制，通过液位开关控制电磁阀的通断。通过延时定时器控制加热搅拌的时间。
（2）系统输入部分主要包括系统的启停输入、手自动转换输入、手动开关输入、液位开关输入以及热继电器输入等。系统输出部分主要包括搅拌机电动机的输出、加热器的输出、电磁阀的输出以及指示灯的状态输出等。
（3）按照设计的要求，采用顺序控制的方法进行自动控制设计，通过置位复位指令和连锁控制等实现液体混合加热的控制工艺。
按照控制方案的要求，对系统进行硬件选型设计、软件流程设计及程序设计，通过程序的仿真调试，达到设计的要求。具体的控制方案如下图所示。
图2-2 系统控制方案示意图
3 液体混合加热控制的硬件设计
3.1 可编程控制器的计算及选型
在可编程控制器的选型中，有几个关键的参数需要计算和选择，主要包括可编程控制器的I/O点数计算、用户程序存储器的容量计算以及可编程控制器的工作电源选择等。市场上的可编程控制器，已经实现了系列化和模块化，为了能够选择合适的可编程控制器，而且便于控制系统设计的硬件成本，需要对外部的I/O数量进行估算，并且要考虑后期的模块扩展和系统改造升级，选择性价比较高的可编程控制器显得尤为重要。
按照本系统的设计，通过控制工艺要求功能分析和控制策略的分析，需要设计的外部数字量输入点数为13个，数字量输出点数为8个。对于后期的系统升级改造，对需要留有余量按照统计点数的20%考虑。进行外部的I/O点数计算和存储器的容量计算。
（1）I/O点数的计算
由于可编程控制器对外部的信号进行处理，需要通过外部I/O进行外部信号的输入和输出。对于I/O点数，通常指的是所有数字量输入输出的点数之和。在点数计算时，要考虑留有余量，以便于日后系统的升级改造，或者某外部I/O点损坏后，可以通过余量点进行代替。按照I/O点的估算方法，如下公式表示：
按照以上公式计算，需要设计的I/O点数为25个。
（2）存储器容量的计算
对于存储器的容量计算，主要是考虑到用户存储器的容量大小选择。根据资料显示说明，存储器容量的计算依靠外部的输入输出点进行估算。一般情况下，按照数字量输入输出点的10-15倍的容量进行考虑，如果系统设计存在模拟量输入输出，需要按照模拟量输入输出点数的100倍进行容量估算，在最终计算的结果，考虑到设备升级改造后期的容量，需要按照结果的百分之二十五进行余量的考虑，因此按照以上的经验资料说明，存储器的容量计算公式如下：
按照以上计算，系统存储器容量估算为375B。
（3）PLC电源的选择
可编程控制器需要供电才能运行，所以按照市场上的可编程控制器电源类型，一般为交流AC220V以及直流DC24V。本系统按照控制策略和后期的硬件设计成本考虑，选择交流AC220V电源为其供电，采用单独的断路器进行电源的通断。
按照系统的设计要求，采用西门子S7-1200 CPU1214可编程控制器作为系统的控制单元，完成系统的设计。该型号的可编程控制器可以实现本系统涉及的基本逻辑控制，能够对外部输入信号进行数据逻辑计算、特殊功能的使用，通过外部输出将连接外部的执行单元。通过端子计算和存储容量计算，本系统选择的CPU1214型号，外部输入端子为14个，外部输出端子为10个，采用的工作电源为DC24V，采用的编程软件为博途V13版本进行设计。产品如下所示。
图3-1 S7-1200可编程控制器
3.2 电动机的选型
在工业环境下，异步电动机的使用比较频繁，对现场的机械设备进行拖动，将电能转换为机械能的主要设备，是所有机械的动力来源。异步电动机的结构包含定子、转子和底座。主要工作原理是通过电动机内部的定子产生旋转磁场，通过该磁场感应，使转子绕组和定子磁场之间相互作用，使转子在磁场力的作用下进行旋转，产生电磁转矩。通常情况下，工业环境的负载类型比较多，主要包括风机泵类负载、恒转矩负载以及其他类型的负载，以上负载均可以使用异步电动机进行拖动。异步电动机的内部结构比较简单，工业制造的成本相对于直流电动机来说比较低，在使用过程中稳定可靠，故障率低，维修方便。
按照本设计的工艺分析以及控制策略，需要对执行机构的电动机进行型号选择，选择Y系列的异步电动机进行负载拖动，该Y系列异步电动机使用的转矩特性比较好，运行稳定可靠，寿命较长。成为工业电机拖动中的首选。按照负载的要求，选用的搅拌电机电动机型号为Y100L-4,电动机功率为0.75KW，额定转速为1475r/min，额定电压为380V，额定电流为1.42A。
图3-2搅拌用异步电动机
3.3 电磁阀的选型
按照本系统的工艺分析设计，本系统的介质为常用介质，无特殊性要求。所以查询产品手册，选择的国产生产的电磁阀，型号为3V210-80-NC。该电磁阀属于两位三通电磁阀，该电磁阀的接口一共有三个，分别为一个输入接口S，一个输出接口P和另一个输出接口N，在使用过程中，输出接口中N接口通过堵头堵住。当电磁阀通电后，将输入接口S和输出接口P之间通道导通，介质可以通过此通道进行流通。使用该电磁阀，可以将介质进行流通和截止的控制。线圈的工作电压为DC24V，可以通过可编程控制器的数字量输出进行控制。电磁阀的示意图如下图所示。
图3-3 电磁阀示意图
3.4 液位开关的选型
液位浮球阀是常用的液位开关，该工作原理是依赖浮球室中的浮球受液面作用的降低和升高，去控制一个阀门的开启或封闭。当水位下降时，浮漂也下降，连干又带动活塞垫开启。浮漂始终都要漂在水上，当水面上涨时，浮漂也随着上升。本系统的设计依据现场的安装要求，选用液位浮球阀的型号为YBLX-X1/111，产品为正泰电器生产，比较适合本系统的使用要求。
图3-4 液位开关示意图
3.5 系统的I/O分配设计
对于液体混合加热系统而言，电控系统设计需要按照规定的流程设计，通过工艺的分析和控制内容的设计，对液体混合加热系统进行I/O分配的设计，设计的目的是为了后期的PLC接线图设计和软件程序设计，都后期的程序仿真调试起到方便的作用。I/O分配在实际应用中，对于查询故障很有帮助，比如在运行过程中，如果某一输入点不动作，可以查询该输入点的名称和输入点的地址，通过程序的分析找到问题所在。对于输出点来说，如果某一元件不执行动作，将通过输出点的名称和地址，进行程序的分析，查询是否某一条件没有满足。I/O设计方便快捷的解决后续的维护保养问题，所以为系统设计的必不可少的环节。按照本系统的设计，具体的I/O分配如下表3-1所示。
表3-1 I/O分配设计
I点地址
功能
O点地址
功能
%I0.0
系统启动
%Q0.0
搅拌机运行
%I0.1
系统停止
%Q0.1
一号进液阀运行
%I0.2
手自动选择
%Q0.2
二号进液阀运行
%I0.3
进液阀一开关
%Q0.3
一号出液阀运行
%I0.4
进液阀二开关
%Q0.4
二号出液阀运行
%I0.5
搅拌机开关
%Q0.5
加热器运行
%I0.6
加热器开关
%Q0.6
自动指示
%I0.7
出液阀一开关
%Q0.7
运行指示
%I1.0
出液阀二开关
%I1.1
下液位
%I1.2
上液位
%I1.3
中液位
%I1.4
搅拌机热继电器
3.6 可编程控制器的接线图
可编程控制器的接线是系统硬件设计的重要部分，市场上各个品牌的可编程控制器接线原理基本相同，接线基本由电源接线部分、DI输入接线部分和DO输出接线部分三部分组成。本设计选用的可编程控制器为S7-1200 1214C按照液体混合加热控制系统的控制策略和总体设计方案，已经明确了可编程控制器的输入部分和输出部分，按照统计可知，系统的输入部分需要接入13个功能信号，输出部分需要接出8个执行信号，按照本系统的可编程控制器选型，选用的电源电压为AC220V,因此输入部分单元和输出部分单元的电压等级和电源电压等级相同，都为AC220V。按照硬件设计分析及可编程控制器电路设计规范，为后期系统的升级改造考虑，留有充足的输入备用部分和输出备用部分。断路器的主要作用是通断电源，PM1207为本设计的电源模块。本系统的硬件接线如下图3-5所示。
图3-5 可编程控制器接线图
3.7 主电路的接线图
本系统的主电路设计主要是对电动机的主电路进行接线设计，电动机主电路主要包括断路器、交流接触器以及热继电器。断路器的作用是通断电动机主电路回路，并且能够对电动机产生的过流故障进行保护，本系统选择的断路器为正泰电器生产的DZ47-60系列断路器。接触器的作用是通过线圈吸合和断开，对电动机进行通电和断电，达到电动机运行和停止的目的，本系统选择的接触器为正泰公司生产的CJX2系列接触器。继电器的作用是进行电动机的过载电流检测，当热继电器检测的过载电流大于设定的电
通过观察该输入输出状态外，也可以将程序进行在线监控，将点击监控，程序的运行状态可以显示出来，通过观察程序的运行状态，可以得知当前的逻辑关系，对问题的查找很有帮助。进行反复的修改和调试，使程序调试满足系统的所有工艺要求。在通过仿真软件进行调试过程中，需要不断的调试和修改程序，才能使程序达到工艺设计的基本要求。按照以上的动作监控图以及输入输出状态图。本系统调试准确无误，动作输出和程序设计流程图相符，系统运行灵活稳定，达到了设计的基本要求。
总 结
本系统设计的液体混合加热控制系统，主要的工艺为进行手动控制和自动控制的液体进行工艺设计和程序实现等。设计中主要对该系统进行了总体工艺分析和控制策略设计。按照设计的策略对可编程控制器、电动机以及检测元件进行了选型设计，并且完成了系统的总体设计方案。在硬件设计中，进行了I/O分配设计，完成了电动机电路和PLC电路的设计，在软件设计中，对系统的程序流程图进行了说明，完成了程序的设计和分析，通过仿真调试达到了设计的要求。通过系统的调试可知，系统设计还需要进一步完善，特别是自动化程度的提高和工艺的保护功能完善。
致 谢
经过毕业设计全部设计完成的努力，我在此过程中已经学习了不少东西，期间每一步，对我来说，都是一个很大的挑战，每次都是面对新的问题，这个设计是在在这大学学习的一个总结，是我目前为止真正完成的设计项目。这段时间里，经理了很多，最重要的是对大学所学知识进行了系统总结，同时也学会了新东西，尤其是论文写作，在老师的指导下，我受益匪浅。所以，我首先感谢我的指导老师。老师不仅给我的论文研究指明了方向，还在论文写作期间给与无尽的帮助，在此向老师说声：老师，您辛苦了！另外，我还要向陪伴我大学的挚友致以崇高的敬意，是他们在大学的陪伴，让我大学生活丰富多彩，在我在论文写作中体会了学习的快乐，尤其是我同宿舍的朋友们。谢谢你们，感谢你们一路的陪伴！
论文的设计离不开前辈的研究，正是你们先前的努力，才得以让我有据可查，通过阅读你们的文章，让确定了论文的总体方案，以此完成了整个设计。所以，谢谢你们！最后，向评阅我论文的老师致谢谢意，鉴于个人能力有限，论文尚有不足之处，恳请批评指正！
参考文献
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