基于PLC的多種液體混合加熱攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 川

(江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的多種液體混合加熱攪拌生產(chǎn)場(chǎng)合有很多，如煉油生產(chǎn)中的多種化工溶液混合攪拌、飲料加工中的多種原液混合除菌加熱攪拌等。目前，上述作業(yè)過程主要依賴“繼電器-接觸器”電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化操作，相較于傳統(tǒng)的人工手動(dòng)操作模式而言，自動(dòng)化水平得到了一些提升，但仍存在全自動(dòng)控制程度偏低、程序化控制性能不足、誤差率較高等問題，不利于多種液體混合加熱攪拌生產(chǎn)能效的提升。西門子S7-200型PLC是一種為工業(yè)自動(dòng)化控制而研發(fā)的可編程邏輯控制處理器，能夠通過編訂梯形圖控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的全自動(dòng)化控制，具有控制性能優(yōu)越、執(zhí)行誤差率低、編程語言簡(jiǎn)潔等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。本文應(yīng)用西門子S7-200型PLC設(shè)計(jì)一種多種液體混合加熱攪拌的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以期解決目前工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)應(yīng)用中存在的問題。

1 整體設(shè)計(jì)及控制要求

1.1 整體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的多種液體混合加熱攪拌自動(dòng)控制系統(tǒng)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)3種或3種以上制備成品原液或者加熱工藝的需求。通過PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)程序，內(nèi)部安裝液位傳感器、攪拌電機(jī)、加熱絲、溫度傳感器、報(bào)警傳感器、指示燈、喇叭、液體開關(guān)控制閥、混液攪拌容器等元件。實(shí)際工作時(shí)，操作人員按下啟動(dòng)按鈕，液體的輸送閥門在定時(shí)器、液位傳感器的控制下按照一定順序開閉，可完成多種液體流入混合自動(dòng)操作，之后攪拌電機(jī)和加熱絲啟動(dòng)，對(duì)多種液體進(jìn)行加熱攪拌，當(dāng)混合溶液的純度、濃度、密度達(dá)到工藝需求后，系統(tǒng)自動(dòng)放出液體，并自動(dòng)開始下一輪混合加熱作業(yè)。該系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 多種液體混合加熱攪拌自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種工業(yè)生產(chǎn)用液體混合加熱攪拌的自動(dòng)控制，具體的功能性控制要求如下。

1)啟動(dòng)后排空殘液控制功能。設(shè)置啟動(dòng)開關(guān)SB1，當(dāng)按下SB1后，A、B、C三種溶液的進(jìn)液閥門YV1、YV2、YV3先關(guān)閉，同時(shí)排液閥門YV4自動(dòng)打開，延時(shí)3 s，將容器中的液體摻雜排空。

2)多種溶液自動(dòng)混合控制功能。以三種液體混合作業(yè)為例，當(dāng)殘液排空后，YV1閥門自動(dòng)打開，液體A流入容器，當(dāng)液位傳感器SL3檢測(cè)到A液體時(shí)，YV1閥門自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)YV2閥門打開，液體B開始流入容器，當(dāng)液位傳感器SL2檢測(cè)到AB混合液體時(shí)，YV2閥門自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)YV3閥門打開，液體C開始流入容器，當(dāng)液位傳感器SL1檢測(cè)到ABC混合液體時(shí)，YV3閥門自動(dòng)關(guān)閉。

3)攪拌加熱控制功能。當(dāng)所有液體進(jìn)入容器并達(dá)到預(yù)設(shè)容量時(shí)，攪拌電機(jī)YKM啟動(dòng)，對(duì)混合液進(jìn)行勻速攪拌，同時(shí)加熱絲H自動(dòng)開啟加熱功能。如果混合溶液在5 s內(nèi)達(dá)到工藝預(yù)設(shè)溫度，滿足生產(chǎn)加工要求，則加熱絲H停止加熱，攪拌電機(jī)YKM繼續(xù)工作3 s后停止攪拌；如果混合溶液在5 s內(nèi)沒有達(dá)到工藝預(yù)設(shè)溫度，加熱絲H則繼續(xù)加熱，只有混合溶液達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，加熱器H才停止加熱，同時(shí)攪拌電機(jī)YKM停止攪拌。

4)自動(dòng)排液控制功能。當(dāng)攪拌加熱結(jié)束后，排液閥門YV4自動(dòng)打開，開始排放混合成液，當(dāng)液面下降到液位傳感器SL3時(shí)，開始延時(shí)3 s，之后容器中的成液排空，排液閥門YV4關(guān)閉，系統(tǒng)開始下一周期循環(huán)作業(yè)。

5)停止作業(yè)控制功能。按下停止開關(guān)BD，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前混合液處理完畢后才停止作業(yè)。

2 硬件及軟件模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

①系統(tǒng)啟停模塊。選用常規(guī)的輕觸式開關(guān)，通過外接基本開關(guān)電路構(gòu)成啟停模塊，開關(guān)耐受電壓為DC24V+。②多種液體混合模塊。由定時(shí)器模塊和液面?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成，其中，閥門開關(guān)通過打開、關(guān)閉操作控制多種液體的流入；定時(shí)器由PLC內(nèi)置模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種液體混合作業(yè)節(jié)奏的控制；液面?zhèn)鞲衅鬟x用非接觸電容液位傳感器。③加熱攪拌模塊。由攪拌直流電機(jī)、加熱器、溫度傳感器構(gòu)成，其中攪拌直流電機(jī)選用大功率無刷直流電機(jī)D110BLD500-24A-30 s，該電機(jī)額定功率500 W，額定電壓DC+24 V；選用常規(guī)加熱器作為混合溶液加熱裝置；選用PT100溫度傳感器聯(lián)合外圍采集電流構(gòu)成溫度傳感模塊。④閥門控制模塊。YV1-YV4為該系統(tǒng)輸放混合溶液的閥門，選用CZ40H-100型閥門。 此外，系統(tǒng)各硬件模塊安裝完畢后，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的漏電保護(hù)、過壓保護(hù)、漏液檢測(cè)等調(diào)試工作，確保系統(tǒng)的安全可靠性，避免實(shí)際加作業(yè)可能出現(xiàn)的安全事故。⑤故障報(bào)警模塊。由報(bào)警指示燈和喇叭主持，選用常規(guī)的LED指示燈和喇叭組成，額定電壓為DC+24 V即可。

2.2 PLC控制地址分配

基于硬件設(shè)計(jì)方案和控制要求，選用西門子S7-200 CPU226型PLC作為中央核心處理器構(gòu)建電氣系統(tǒng)，具體的I/O地址分配方案如下。①輸入地址分配方案。I0.0-SB1-啟動(dòng)開關(guān)，I0.1-BD-停止開關(guān)，I0.2-SL1-液位傳感器SL1，常開，I0.3-SL2-液位傳感器SL2，常開，I0.3-SL3-液位傳感器SL3，常開，I0.4-T-溫度傳感器傳感器，常開。②輸出地址分配方案。Q 0.0-YV1-進(jìn)液閥門A，常開，Q 0.1-YV2-進(jìn)液閥門B，常開，Q 0.2-YV3-進(jìn)液閥門C，常開，Q 0.3-YV4-排液閥門，常開，Q 0.4-YKM-攪拌無刷直流電機(jī)，Q 0.5-H-加熱器，Q 0.6-HL1-報(bào)警指示燈，Q 0.7-SD-報(bào)警喇叭。

2.3 程序思路設(shè)計(jì)

以多種液體混合加熱攪拌控制要求為依據(jù)，應(yīng)用梯形圖語言設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的程序，可采用置位復(fù)位法或移位步序法兩種思路設(shè)計(jì)具體控制程序，以置位復(fù)位法為例，闡述程序設(shè)計(jì)思路。①啟動(dòng)。設(shè)計(jì)常開觸點(diǎn)I0.0、置位線圈M1.0構(gòu)成啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)按下導(dǎo)通時(shí)，M1.0置位，系統(tǒng)啟動(dòng)。②排空殘液。設(shè)計(jì)常開觸點(diǎn)M1.0、Q 0.0-Q 0.3線圈構(gòu)成排空殘液網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)常開觸點(diǎn)M1.0導(dǎo)通時(shí)，Q 0.0-Q 0.2線圈被復(fù)位，ABC三個(gè)進(jìn)液閥門關(guān)閉，同時(shí)Q 0.3線圈置位，排液閥門打開進(jìn)行排液，定時(shí)器T37啟動(dòng)延時(shí)5 s，延時(shí)時(shí)間到后，T37常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，Q 0.3線圈復(fù)位，停止排液，同時(shí)Q 0.0置位，輸液閥門A打開進(jìn)液。③混合加熱攪拌。SL1-SL3、溫度傳感器T 按照地址分配表設(shè)置對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)，以步進(jìn)控制編程思想，當(dāng)容器中液位上升到SL1時(shí)，對(duì)應(yīng)的液位傳感器置位，同時(shí)加熱和攪拌線圈被置位?；旌霞訜釘嚢枳鳂I(yè)中，若有傳感器出現(xiàn)故障，Q 0.6、Q 0.7被置位。④排液及停止系統(tǒng)。加熱攪拌作業(yè)完成后，Q 0.3置位進(jìn)行排液，當(dāng)液位下降到SL3位置時(shí)，T38定時(shí)器啟動(dòng)，延時(shí)3 s后，容器中成液排空，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)作業(yè)循環(huán)。

3 結(jié)語

該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)化的多種液體混合加熱攪拌作業(yè)控制，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。下一步還可設(shè)計(jì)組態(tài)控制界面，應(yīng)用組態(tài)人機(jī)交互功能遠(yuǎn)程控制本系統(tǒng)作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合加熱攪拌過程的可視化監(jiān)控，不斷提升系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度。