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　学

　 电气控制与PLC技术

　课程设计（论文）

　题目：基于S7-300的三种液体自动混合控制系统设计

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　课程设计（论文）任务及评语 院（系）：

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　课程设计（论文）题目 基于S7-300PLC的3种液体自动混合控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 工艺控制过程为：3种液体混合控制系统中，Y1、Y2、Y3、Y4分别为A、B、C三种液体的进料阀门和混合液体的出料阀门；当液位为0%、30%、60%、90%时，分别加入3种液体和搅拌混合液体；搅拌5s后放出混合液体；当液位重新达到0%时，延时3s关闭出料阀门。3种液体的进料、出料、搅拌等由PLC控制。

　设计任务及要求 1. 分析系统的工艺要求，确定系统设计方案； 2. 完成系统的硬件组态以及PLC、电源、输入和输出模块、传感器、电机等关键器件的选型； 3. 编写整个系统的符号表，绘制PLC外部接线图； 4. 规划程序结构，绘制程序流程图； 5. 编写并调试程序。OB1为主程序，负责调用FB1和FC1、FC2；FB1为3种液体控制程序，其背景数据块分别为DB1~DB3；FC1为搅拌控制；FC2为出料控制。程序在PLCSIM中仿真调试或者在实验室调试运行。

　6. 按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。

　技术参数 1. 液位变送器输出为0~10V； 2. 输入模拟量的精度为12位。

　进度计划 1. 布置任务，查阅资料，确定系统的方案（2天） 2. 完成硬件设计，包括主要元器件选型、硬件组态、硬件电路图（2天） 3. 规划程序结构，编写系统程序（3天） 4. 模拟仿真，或实验室调试程序（1天） 5. 撰写、打印设计说明书（1天） 6. 验收及答辩。（1天） 指导教师评语及成绩

　 平时：

　论文质量：

　答辩：

　总成绩：

　指导教师签字：

　 年

　月

　日 注：成绩：平时20%

　 论文质量60%

　 答辩20%

　以百分制计算 摘 要 在化工试剂和制药生产中,经常需要将三种或者更多种溶液按一定的比例进行混合,然后再做相应的后续处理和加工。在传统的继电器控制系统中,溶液的过程控制系统很难保证对混合中的各种成分的含量进行精确控制。采用西门子S7-300系列PLC来控制整个溶液混合过程控制系统,大大提高了各种成分含量的控制效率,提高了生产效率,同时自动化程序得到了很大的提高。

　本次课程设计的液体混合装置主要完成三种液体的自动混合搅拌。此装置需要控制三种液体的自动混合搅拌，通过压力变送器检测搅拌机内液位的变化在液位分别为0%、30%、60%、90%时分别加入三种液体并搅拌，达到混合液体自动混合的目的。3种液体的进料、出料、搅拌等由PLC控制。

　经过本次课程设计，可达到多种液体混合的效果，并且能够使液体混合均匀。若在工业中使用此设计则能够降低经济成本和保证操作人员的安全性。

　 关键词：液体混合；PLC；压力变送器 目 录 第1章 绪论 1 第2章 液体自动混合控制系统设计方案 2 2.1 概述 2 2.2 方案选择 2 2.3 总体设计框图 3 第3章 液体自动混合控制系统设计硬件设计 4 3.1 控制系统电源 4 3.2 控制系统CPU 5 3.3 控制系统信号模块 5 3.4 压力变送器 6 3.5 搅拌器 7 3.6 电磁阀 7 3.7 系统I/O分配表 8 3.8 系统外部接线图 9 第4章 液体自动混合控制系统软件设计 10 4.1 软件介绍 10 4.2 系统程序结构图 10 4.3 系统流程图 11 4.4 S7-300 硬件组态 12 4.5 系统符号表 13 4.6 系统梯形图程序 14 第5章 课程设计总结 19 参考文献 20

　第1章 绪论 在炼油、化工、制药等行业中多种液体混合是必不可少的程序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有配料精确、控制可靠的特点，这也是人工操作和半自动化控制所难实现的。所以为了帮助相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的目的，液体自动混合配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。随着计算机技术的发展，对原有液体混合装置进行技术改造，提出数据采集、自动控制、运行管理等多方面的要求。设计的多种液体混合装置利用可编程控制器是现在混合过程中精确控制，提高了液体混合比例的稳定性、运行稳定、自动化程度高，适合工业生产的需要。

　PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。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置。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。根据多种液体自动混合系统的要求与特点，本次课程设计采用的PLC具有高速度、高性能等特点，可编程逻辑控制器指令丰富，可以接各种输入输出扩展设备，能够方便地联网通信。

　通过论述可编程逻辑控制器的优点对基于S7-300三种液体混合装置的控制有了一个总体的认识。综合本次课程设计要求，进行了外部电路的连线和PLC程序设计，从部件的选择，流程的分析，程序顺序控制的设计方面，完成了本次设计任务。

　第2章 液体自动混合控制系统设计方案 2.1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识，设计基于S7-300PLC的3种液体自动混合控制系统设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“PLC”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握S7-300系统设计的基本方法。

　应用场合: 应用于多种液体混合 ，3种液体混合控制系统由压力变送器、S7-300模块、电磁阀、搅拌电机组成。通过压力变送器检测到液位的变化传送给PLC，通过模拟量转化为数字量和液位相比较后，使控制阀和电机得到控制。达到本次课程设计要求。

　系统功能介绍:3种液体混合控制系统实现的的是3种液体通过PLC控制器能过按照一定比例混合。液体混合装置通过PLC控制器调解输出，实现基本的多种液体混合。并且达到液位变送器输出为0~10V，输入模拟量的精度为12位。

　2.2 方案选择 方案一：使用液位传感器检测液位，检测到液位后传给控制器PLC，通过程序处理后使电磁阀和电机得到控制输出。

　方案二：使用压力变送器检测液位，通过压力变送器检测到液位的变化传送给PLC，通过模拟量转化为数字量和液位相比较后，使控制阀和电机得到控制。

　经过比较由于本次课程设计要求液位变送器输出为0~10V，由于液位传感器输出的为数字量而非模拟量，且PLC模拟量输入单元为0-24V所以无法达到课程设计要求。所以使用方案二实现本次课程设计。

　通过分析该液体混合系统的工艺流程，考虑各个被控对象动作的相互关联，决定采用顺序控制方案。在不同状态下，输出量有不同的输出。例如进料电磁阀A打开的前提是混料罐中的液位为0%，且进料阀B、C和出料阀关闭。这就要求系统启动前个输出量必须是初始状态。因此设计时可考虑采用一些中间状态寄存器来传送状态转换信息，完成系统的各个流程。

　2.3 总体设计框图 3中液体混合控制系统主要由S7-300控制器、上位机监控、压力变送器电路、流量调节阀、控制开关和搅拌电机等构成。系统结构图如图2.1所示。

　 图2.1 系统总体框图 控制系统启动后，A经过阀门进入混料罐中，随着进入混料罐中的液体不断增多，混料罐的液位不断增加，然后将这些实时检测到的数据送往主控制器PLC，PLC根据输入控制开关和现场采集到的数据进行多变量的运算，将运算结果输出控制各种输出开关符合要求则启动搅拌电机，搅拌三秒后出料阀打开，重复上述的过程。

　第3章 液体自动混合控制系统设计硬件设计 3.1 控制系统电源 PS307电源模块是用于S7-300/ET200M的负载电源，用于将市电电压转换为所需的24V/DC工作电压输出电流为2A、5A或10A，S7-300模块化微型PLC系统，满足中、小规模的性能要求各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务简单实用的分布式结构和多界面网络能力，应用十分灵活、方便用户和简易的无风扇设计当控制任务增加时，可自由扩展大量的集成功能使它功能非常强劲S7-300F。专用机床纺织机械包装机械通用机械工程控制器制造机床楼宇自动化电气与电子工业及相关产业。一系列具有不同功率范围的CPU，以及具有很多用户友好功能的一系列扩展模块。

　故障安全型自动化系统，满足工厂日益增加的安全需求基于S7-300 可以连接带有安全相关模块的ET200S和ET200M分布式I/O 站；采用PROFIsafe协议通过 PROFIBUS DP进行与安全相关的通讯。此外，还有用于与安全无关应用的标准模块。

　根据需要本设计电源模块选择PS 307/5A，因为CPU 314C-2 PN/DP工作时需要24V电压，该电源模块可以把负载电压120/230VAC线路电压转换到所所需的24V工作电压。还可以为外部的传感器和执行器供电。如图3.1所示：

　 图3.1 电源模块 3.2 控制系统CPU

　西门子S7-300系列PLC控制器，SIMATIC S7-300 是模块化的微型 PLC 系统，可满足中、低端的性能要求。模块化、无风扇设计、易于实现分布式结构以及方便的操作,使得 SIMATIC S7-300 成为中、低端应用中各种不同任务的经济、用户友好的解决方案。

　SIMATIC S7-300的应用领域包括：特殊机械，纺织机械，包装机械，一般机械设备制造，控制器制造，机床制造，安装系统，电气与电子工业及相关产业。

　其中中央控制单元选择CPU314-2PN/DP，西门子CPU 314C-2 PN/DP是一种紧凑型 CPU，用于对处理性能和响应速度要求很高的系统。通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。使用集成数字量和模拟量 I/O，可实现与过程的直接连接，工作电压为24V。CPU 314C-2 PN/DP是S7-300产品系列中最新型的紧凑型CPU。

　表3.1 CPU314C性能表 指标 CPU314C 工作存储区/KB 24 装载存储器（内部集成RAM）/KB 40 装载存储器（Flash EPROM）/KB 512 DI/DQ 512 AI/AQ 64 本机I/O点 -- 程序执行时间/ms 0.3 指标 CPU314 存储器标志位 2048 计数器/定时器 64/128 3.3 控制系统信号模块

　常称为I/O（输入/输出）模块。测量输入信号并控制输出设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于进行连接，如传感器和启动器的连接。信号模块用于数字量和模拟量输入/输出，又分DI/DO（数字量输入/输出）和AI/AO（模拟量输入/输出）模块。

　模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般都是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压，直流电流信号。  模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进 制补码来表示最高位为符号位。模拟量输入模块的模拟值与百分数表示的模拟量之间的对应关系为：双极性模拟量量程的上下限(100%和-100%)分别对应模拟值27648和-27648。单极性模拟量量程的上下限(100%和0%)分别对应于模拟值27648和0。

　S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入输出模块SM334和SM335。

　本次课程设计要求使用模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。

　3.4 压力变送器 压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过菲格瑞思隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

　本次课程设计要求输出电压为0-10V，因此选用HSL-3051型压力变送器，传感器是采用引进国外先进技术生产的高精度小型化智能传感器，在转换原理上利用数字化补偿技术对温度、静压进行补偿，提高了测量精度，降低了温度漂移。具有长期稳定性好，可靠性高，自诊断能力强等特点。压力变送器如图3.2所示：

　 图3.2 压力变送器 3.5 搅拌器 机械搅拌器主要包括三部分：电动机、大功率磁力搅拌器搅拌棒和搅拌密封装置。电动机是动力部分，大功率电动搅拌器固定在支架上，由调速器调节其转动快慢。大容量振荡器搅拌棒与电动机相连，当接通电源后，电动机就带动搅拌棒转动而进行搅拌，搅拌密封装置是搅拌棒与反应器连接的装置，它可以使反应在密封体系中进行。搅拌器的搅拌轴通常由电动机驱动。由于搅拌设备的转速一般都比较低,因而电动机绝大多数情况下都是与变速器组合在一起使用的,有时也采用变频器直接调速。为此,选用电动机时,应特别考虑与变速器匹配问题。

　搅拌机的搅拌轴通常由电动机驱动。由于搅拌设备的转速一般都比较低,因而电动机绝大多数情况下都是与变速器组合在一起使用的,有时也采用变频器直接调速。为此,选用电动机时,应特别考虑与变速器匹配问题。在很多场合,电动机与变速器一并配套供应,设计时可根据选定的变速器选用配套的电动机。

　本次课程设计选用的搅拌电机为三相可调电动机，这类电机频率较高，磁极对数多用一对（也就是二极电动机），最高转速可达10000多转。型号为：TOSHIBA 200V，200HZ，2P，1.5KW，其转速达到11750PRM。本次课程设计搅拌电动机实物如图3.3所示：

　 图3.3 搅拌电动机 3.6 电磁阀 电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

　电磁阀在液路系统中用来实现液路的通断或液流方向的改变，它一般具有一个可以在线圈电磁力驱动下滑动的阀芯，阀芯在不同的位置时，电磁阀的通路也就不同。阀芯的工作位置有几个，该电磁阀就叫几位电磁阀：阀体上的接口，也就是电磁阀的通路数，有几个通路口，该电磁阀就叫几通电磁阀。

　电磁阀安装后，一般所有接口都应该是连接好了的，所谓工作位置指的是阀芯的位置。阀芯在线圈不通电时处在甲位置，在线圈通电时处在乙位置，阀芯在不同位置时，对各接口起到或接通或封闭的作用。

　本次课程设计采用的电磁阀为液体电磁阀。

　3.7 系统I/O分配表 根据设计要求I/O分配图如表3.2所示：

　表3.2

　I/O分配表 序号 符号 I/O地址分配 说明 1 SB1 I0.0 系统启动按钮 2 SB2 I0.1 系统停止按钮 3 S1 I1.0 0%液位传感器 4 S2 I1.1 30%液位传感器 5 S3 I1.2 60%液位传感器 6 S4 I1.3 90%液位传感器 7 Y1 Q4.0 A进料电磁阀 8 Y2 Q4.1 B进料电磁阀 9 Y3 Q4.2 C进料电磁阀 10 KM Q1.4 搅拌电机启动 11 Y4 Q1.5 出料电磁阀

　设计系统由6个输入，5个输出组成由于实验室无输入输出接线，所以由中间继电器代替。

　3.8 系统外部接线图 I0.0为启动按钮输入地址，I0.1为停止按钮输入地址，I1.0-I1.3为压力传感器输入值输入地址。SB1和SB2分别为系统启动停止按钮，S1-S4分别为液位到0%、30%、60%、90%时压力变送器输出到PLC的信号，在此外部接线图中用常开开关表示。

　输入模块外部接线图3.4所示：

　 图3.4输入模块外部接线图 输出模块外部接线图3.5示：

　 图3.5输出外部接线图 Q4.0-Q4.1为三种液体进料阀输出地址,Q1.5为搅拌电机输出地址，Q1.4为混合液体出料阀的输出地址。Y1为A液体电磁阀，Y2为B液体电磁阀，Y3为C液体电磁阀，Y4为搅拌电机线圈，Y5为3种液体混合后出料阀。

　第4章 液体自动混合控制系统软件设计 4.1 软件介绍 本次课程设计应用软件为SETP7，STEP7编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。

　STEP 7是S7-300/400系列PLC应用设计软件包，所支持的PLC编程语言非常丰富。该软件的标准版支持STL（语句表）、LAD（梯形图）及FBD（功能块图）3种基本编程语言，并且在STEP 7中可以相互转换。专业版附加对GRAPH（顺序功能图）、SCL（结构化控制语言）、HiGraph（图形编程语言）、CFC（连续功能图）等编程语言的支持。不同的编程语言可供 不同知识背景的人员采用。

　4.2 系统程序结构图 按分布式编程方式设计控制程序。程序由5个逻辑块组成，其中OB1为主循环组织块，OB100为初始化输出量程序，FB1为液体混合控制子程序，FC1为搅拌器控制子程序，FC2为混合液体出料阀控制子程序。分布式控制程序结构如图4.1所示：

　 图4.1 系统程序结构图 4.3 系统流程图 系统流程图如图4.2所示：

　 图4.2 系统总体框图 3种液体混合控制系统中，Y1、Y2、Y3、Y4分别为A、B、C三种液体的进料阀门和混合液体的出料阀门；当液位为0%、30%、60%、90%时，分别加入3种液体和搅拌混合液体；搅拌5s后放出混合液体；当液位重新达到0%时，延时3s关闭出料阀门。3种液体的进料、出料、搅拌等由PLC控制。

　4.4 S7-300 硬件组态 单机架硬件组态最多配置8个扩展模块。机架模块如图4.3所示

　图4.3 机架模块图 按照设计的要求选择合适的器件经行硬件组态如图4.4所示。

　 图4.4 硬件组态图 硬件的组态中包括电源提供稳定的电压，CPU中央控制系统，以及串行接口模块ET200-S提供可使用的I/O地址。

　组态后形成ET200-S的I/O地址如下图4.5所示：

　 图4.5 ET200 SI/O 地址图 插槽1为电源模块配置，电源模块如果不选用西门子专用电源模块，插槽1配置为空。 插槽2为CPU模块配置。 插槽3为多机架扩展接口模块配置，在单机架配置时为空 2、扩展模块必须从插槽4开始配置。

　根据给出的I/O地址进行软件的编写程序，输入为5个，输出也为5个，符合设计中的I/O数量的分配。

　4.5 系统符号表 系统符号表如图4.6所示：

　 图4.6 系统符号表 4.6 系统梯形图程序 将三个模拟变为数字量的程序如图4.7所示：

　 图 4.7 参数变换程序 变量转换的程序是在OB1中的，因为OB1为主循环块，系统启动时会首先扫描OB1中程序，所以随着液位值的不断改变，传入到PLC中的数值也会不断改变，将变量转换放在OB1中可以实现控制系统的实时监控。

　主程序循环组织块OB1中程序如图4.8和图4.9所示：

　 图4.8 OB1程序

　图4.9 OB1程序 S7-300 CPU 的操作系统定期执行 OB1。执行 OB1 后，操作系统将再次启动它。完成启动后，将启动 OB1 的循环执行。可调用 OB1 中的其它功能块(FB、SFB)或功能(FC、SFC)。

　本次课程设计中的主循环快OB1中的程序包括数据转换，并调用了功能块FB1，功能FC1、FC2。

　功能块FB1程序如图4.10所示：

　 图4.10 FB1程序 功能块FB1中的程序为三种液体进料阀的控制即输入模拟量为0%，30%，60%，90%时进料阀输出线圈闭合。

　功能FC1程序如图4.11所示：

　图4.11 FC1程序 功能FC1控制的是当第三种液体液体加入到90%时开始搅拌，并利用定时器T1定时搅拌5S，即搅拌电机运行5S。

　功能FC2程序如图4.12所示：

　图4.12 FC2程序图 建立背景数据块如图4.13所示：

　图4.13 系统背景数据块 系统背景数据块在主程序循环OB1中被调用。

　第5章 课程设计总结 通过这次课程设计，学到了有关的专业知识方面的知识，更要扎实的掌握基于S7-300PLC的3种液体自动混合控制系统设计原理，对西门子S7-300技术有了更深入的了解。本文对3种液体自动混合控制系统进行了详细的分析研究，并通过STEP7编写了设计系统程序，并对多种液体自动混合装置进行了深入的分析探讨，且对STEP7中定时器计时时间进行了详细的计算更深入的了解了此次课程设计的内容。本论文在深入探讨分析液体自动混合控制原理基础上设计了一套基于S7-300PLC控制之下得3种液体混合控制系统，通过阅读大量相关文献，对当前3种液体自动混合控制控制技术有了比较深入的了解，并在此基础上进行了硬件选型和软件系统的设计，分析及验证了设计方案的可行性。

　设计系统采用西门子S7-300PLC为中心器件来设计3种液体自动混合控制系统，实现了能根据实际混料罐中的液位通过PLC控制使3种液体混合成都达到课程设计要求。系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。

　通过这次课程设计，我得到了一次用所学知识与技能分析和解决问题的可贵锻炼机会，使我深刻领会了S7-300PLC的基本原理和STEP7应用系统开发的过程。在常用编程设计思路技巧掌握方面都向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

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