基于PLC溶液混合控制系統的設計

游珍珍

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基于PLC溶液混合控制系統的設計

游珍珍

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

文章以西門子S7-200系列PLC為主要器件設計溶液混合控制系統，用PLC來控制電磁閥和攪拌機的通斷，從而控制混合液體的量以及攪拌機攪拌的時間，以達到所要求的混合液體的特性，并形成循環狀態。本文所設計的溶液混合控制系統無需人工在惡劣的環境中進行操作，大大提高了工作環境的安全性，同時也提高了工作的效率以及混合液體比例的準確性。

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，達到一定的量，然后利用攪拌機進行攪拌均勻混合。在化工、制藥等行業中，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，就不適合人工直接進行操作，因此，其生產采用自動化操作以確保整個混合溶液過程的混合精確、控制可靠。

隨著PLC技術的快速發展，PLC將計算機技術、自動控制技術和通訊技術融為一體，成為實現工廠自動化的核心設備，其具有可靠性高、抗干擾能力強、組合靈活、編程簡單、維修方便等諸多優點[1]。隨著技術的進步，其控制功能由簡單的邏輯控制、順序控制發展為復雜的連續控制和過程控制，成為自動化領域的三大技術支柱[2]。采用PLC控制溶液混合的裝置也取得了不斷的發展和完善，基本實現了自動化和智能化操作。這樣不僅改善了操作環境，減小了對人身體的傷害，增加了器件的使用壽命，同時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在煉油、化工、制藥等方面得到了廣泛的應用。從而，也促進了這些行業的快速發展。

2　溶液混合控制系統的結構框圖

基于PLC溶液混合控制系統的結構框圖以PLC為控制中心，通過液位傳感器感知容器中液體的量，然后將采樣信號傳給PLC，由PLC控制相應的開關進行動作，從而達到溶液混合所需要的要求。如圖1所示是基于PLC溶液混合控制系統的結構框圖。

圖1.基于PLC溶液混合控制系統框圖

3　硬件設計

3.1主體硬件結構圖

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

為了更好的控制混合液體的比例，首先對液體灌進行刻度。在相應的位置標示出其容積刻度。三個液體傳感器是可以移動的，不同比例的混合可以通過調節液位傳感器的位置來實現。

控制要求：（1）初始狀態溶液混合裝置是空的，各個電磁閥門Y1、Y2、Y3、Y4均為關閉狀態，液位傳感器L1、L2、L3均為關閉狀態，液體攪拌機M為關閉狀態。（2）按下啟動按鈕SB1后Y1=ON；液體A開始注入容器。當液體到達L1時L1=ON；使Y1=OFF，Y2=ON。此時，液體B開始注入容器。當液體到達L2時，L2=ON；使Y2=OFF，Y3=ON；此時，液體C開始注入容器。當液體到達L3時，Y3=OFF，M=ON；此時，攪拌機開始工作。定時一分鐘以后，Y4打開，此時液體流出，一分鐘以后，Y4關閉，完成整個過程。（3）按下停止按鈕SB2，完成整個過程后再停止。

圖2.主體硬件結構圖

從圖2中可以看到，該裝置可以實現液體A、液體B和液體C的混合攪拌。三個液位傳感器L1、L2、L3當液面淹沒時為ON狀態，電磁閥和攪拌機啟動，通過PLC控制整個液體混合過程從而達到預期的控制效果。

3.2器件選擇

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

基于PLC的溶液混合控制系統的設計需要非常精確的控制不同液體之間量的比例關系，由于LSF-2.5型液位傳感器是利用光的反射原理來檢測液面，具有很高的精確度。所以本設計采用LSF-2.5型液位傳感器。

3.2.2攪拌電機的選擇。EJ15系列電動機是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機，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系列電動機效率高、節能、轉矩高、噪音低、振動小，運行安全可靠[5]。因此本設計采用EJ15-3型電動機。

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、有機溶劑、化學試劑等酸堿性的液體作為介質，其功率為2.5kW，動作迅速、頻率高。由于液體攪拌機的工作環境比較惡劣，涉及許多化學藥品及腐蝕性的液體，為了考慮電磁閥的使用壽命等問題，選擇一種材質好，能用于比較惡劣環境的電磁閥，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，機電壽命為1000萬次，功率為2.5kW。本設計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確，從該角度出發選擇CJ20-10/CJ-16型接觸器更加合適。

4　軟件設計

4.1 PLC輸入輸出點分配

本設計采用西門子公司的S7-200系列PLC實現溶液混合控制系統，CPU模塊采用CPU224模塊，該模塊采用交流220V供電。這個控制系統的輸入有啟動按鈕、停止按鈕和液位開關（共3個）共5個輸入點；輸出有3個進水電磁閥，1個排水電磁閥，攪拌電機共5個輸出點。因此CPU224自帶的14個輸入點和10個輸出點完全滿足本文所設計的PLC控制系統的設計要求[6]，所以不需要另外的電源模塊以及數字量輸入和輸出模塊。

表1.I/O分配

輸入設備輸入點輸出設備輸出點 啟動按鈕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MQ0.3 停止按鈕SB2I0.4電磁閥Y4Q0.4

4.2梯形圖程序設計

根據本設計的要求，按啟動按鈕后，執行第一步即電磁閥Y1打開，液體A流進液體灌；當液體A的高度超過液位傳感器L1時，將電磁閥Y1關閉，電磁閥Y2打開，液體B流進液體灌；當液體B的高度超過液位傳感器L2時，將電磁閥Y2關閉，電磁閥Y3打開，液體C流入液體罐；當液體C的高度超過液位傳感器L3時，將電磁閥Y3關閉，攪拌機攪拌一分鐘；攪拌一分鐘后，電磁閥Y4打開釋放罐中液體，定時一分鐘后關閉Y4，然后進入下一循環。程序流程圖如圖3所示。

圖3.程序流程圖

按照上述過程以及I/O分配設計梯形圖程序，初始狀態容器時，各個閥門的輸出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，電動機FM的輸出為OFF。按下啟動按鈕SB1后Y1閉合，此時，I0.0=ON，Q0.0=ON；液體A開始注入容器。當液體到達L1后Y1斷開，Y2閉合；此時I0.1=ON，Q0.1=ON，液體A斷流，液體B開始注入容器。當液體到達L2后，Y2斷開，Y3閉合；此時，I0.2=ON，Q0.2=ON，液體B斷流，液體C開始注入容器。當液體到達L3時，Y3斷開，FM閉合；此時，攪拌機開始工作。定時一分鐘以后，Y4打開，此時液體流出，一分鐘以后，Y4關閉，完成整個過程。當按下停止按鈕SB2，完成整個過程再停止。具體梯形圖如圖4所示。

圖4.梯形圖

5　仿　真

本設計通過西門子S7-200系列PLC仿真軟件對所設計的程序進行了仿真。

注入液體A的仿真結果如圖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I0.1=ON時，即液體A已經到達液位傳感器L1的位置，此時Q0.1=ON，說明液體A斷流，液體B開始注入液體灌內。

圖5.仿真結果圖一

注入液體B的仿真結果圖如圖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I0.2=ON時，Q0.2=ON，說明液體B已經到達液位傳感器L2的位置。此時液體B斷流，液體C開始注入液體灌。

圖6.仿真結果圖二

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，如圖所示當I0.3=ON時，Q0.3=ON，說明液體已經到達液位傳感器L3的位置。液體C斷流，攪拌機開始攪拌。

圖7.仿真結果圖三

通過仿真結果圖可以看出，注入三種不同液體時其仿真結果驗證了設計的正確性，滿足了設計要求。

6　結束語

本設計實現了由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、對工作環境無要求和抗干擾性能好等諸多優點[7]，從而使得不需要操作人員在惡劣現場環境中進行操作。采用PLC控制溶液的混合，隨時可以修改溶液混合比例，滿足不同溶液混合的需求[8]。另外，本設計采用了定時器對攪拌時間進行控制，準確的控制了溶液混合程度及輸出時間。本設計可以廣泛應用于農業和制藥領域。

[1]操火森,王高潮,李娟.PLC在環衛壓縮站液壓系統中的應用[J].機械工程與自動化, 2010,(3):139-141 .

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[3]鄭新.智能電網與傳感器[J].電器工業,2015,(10):37-43.

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[5]黃建龍.高效電動機發展及推廣應用研究[J].科技廣場, 2015,(8):83-86.

[6]徐敏.DZ型電子液位器在工業液體混合控制系統中的應用[J].自動化應用,2015,(4):82-83.

[7]劉玉梅.多種液體混合自動控制系統設計[J].遼寧工學院學報,2000,(6):14-15.

[8]殷興光,孫瑜. PLC在液體混合裝置中的應用[J].機電一體化,200,(5):63-65.

（責任編校：宮彥軍）

2016－03－26

永州市科技計劃項目（永科發[2015]9號No.2）；湖南科學技術廳科技計劃項目(項目編號2014FJ3143)。

游珍珍（1983－），女，湖南省永州人，講師，碩士，研究方向為PLC在工業與農業控制中的應用。

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1673-2219（2016）10-0036-03