基于PLC的多种液体混合加热搅拌控制系统设计

刘 川

(江西工业职业技术学院，江西 南昌 330000)

0 引言

现代工业领域的多种液体混合加热搅拌生产场合有很多，如炼油生产中的多种化工溶液混合搅拌、饮料加工中的多种原液混合除菌加热搅拌等。目前，上述作业过程主要依赖“继电器-接触器”电路系统实现半自动化操作，相较于传统的人工手动操作模式而言，自动化水平得到了一些提升，但仍存在全自动控制程度偏低、程序化控制性能不足、误差率较高等问题，不利于多种液体混合加热搅拌生产能效的提升。西门子S7-200型PLC是一种为工业自动化控制而研发的可编程逻辑控制处理器，能够通过编订梯形图控制程序实现对控制对象的全自动化控制，具有控制性能优越、执行误差率低、编程语言简洁等优势，被广泛应用在现代工业自动化生产现场。本文应用西门子S7-200型PLC设计一种多种液体混合加热搅拌的自动控制系统，以期解决目前工业生产现场相关应用中存在的问题。

1 整体设计及控制要求

1.1 整体设计

该设计的多种液体混合加热搅拌自动控制系统可以满足工业生产现场3种或3种以上制备成品原液或者加热工艺的需求。通过PLC设计自动控制实现程序，内部安装液位传感器、搅拌电机、加热丝、温度传感器、报警传感器、指示灯、喇叭、液体开关控制阀、混液搅拌容器等元件。实际工作时，操作人员按下启动按钮，液体的输送阀门在定时器、液位传感器的控制下按照一定顺序开闭，可完成多种液体流入混合自动操作，之后搅拌电机和加热丝启动，对多种液体进行加热搅拌，当混合溶液的纯度、浓度、密度达到工艺需求后，系统自动放出液体，并自动开始下一轮混合加热作业。该系统的装置结构图设计如图1所示。

图1 多种液体混合加热搅拌自动控制装置设计图

1.2 系统功能

该系统能够实现多种工业生产用液体混合加热搅拌的自动控制，具体的功能性控制要求如下。

1)启动后排空残液控制功能。设置启动开关SB1，当按下SB1后，A、B、C三种溶液的进液阀门YV1、YV2、YV3先关闭，同时排液阀门YV4自动打开，延时3 s，将容器中的液体掺杂排空。

2)多种溶液自动混合控制功能。以三种液体混合作业为例，当残液排空后，YV1阀门自动打开，液体A流入容器，当液位传感器SL3检测到A液体时，YV1阀门自动关闭，同时YV2阀门打开，液体B开始流入容器，当液位传感器SL2检测到AB混合液体时，YV2阀门自动关闭，同时YV3阀门打开，液体C开始流入容器，当液位传感器SL1检测到ABC混合液体时，YV3阀门自动关闭。

3)搅拌加热控制功能。当所有液体进入容器并达到预设容量时，搅拌电机YKM启动，对混合液进行匀速搅拌，同时加热丝H自动开启加热功能。如果混合溶液在5 s内达到工艺预设温度，满足生产加工要求，则加热丝H停止加热，搅拌电机YKM继续工作3 s后停止搅拌；如果混合溶液在5 s内没有达到工艺预设温度，加热丝H则继续加热，只有混合溶液达到预设温度后，加热器H才停止加热，同时搅拌电机YKM停止搅拌。

4)自动排液控制功能。当搅拌加热结束后，排液阀门YV4自动打开，开始排放混合成液，当液面下降到液位传感器SL3时，开始延时3 s，之后容器中的成液排空，排液阀门YV4关闭，系统开始下一周期循环作业。

5)停止作业控制功能。按下停止开关BD，系统会将当前混合液处理完毕后才停止作业。

2 硬件及软件模块设计

2.1 硬件模块设计

①系统启停模块。选用常规的轻触式开关，通过外接基本开关电路构成启停模块，开关耐受电压为DC24V+。②多种液体混合模块。由定时器模块和液面传感器构成，其中，阀门开关通过打开、关闭操作控制多种液体的流入；定时器由PLC内置模块构成，实现对多种液体混合作业节奏的控制；液面传感器选用非接触电容液位传感器。③加热搅拌模块。由搅拌直流电机、加热器、温度传感器构成，其中搅拌直流电机选用大功率无刷直流电机D110BLD500-24A-30 s，该电机额定功率500 W，额定电压DC+24 V；选用常规加热器作为混合溶液加热装置；选用PT100温度传感器联合外围采集电流构成温度传感模块。④阀门控制模块。YV1-YV4为该系统输放混合溶液的阀门，选用CZ40H-100型阀门。 此外，系统各硬件模块安装完毕后，应在现场进行必要的漏电保护、过压保护、漏液检测等调试工作，确保系统的安全可靠性，避免实际加作业可能出现的安全事故。⑤故障报警模块。由报警指示灯和喇叭主持，选用常规的LED指示灯和喇叭组成，额定电压为DC+24 V即可。

2.2 PLC控制地址分配

基于硬件设计方案和控制要求，选用西门子S7-200 CPU226型PLC作为中央核心处理器构建电气系统，具体的I/O地址分配方案如下。①输入地址分配方案。I0.0-SB1-启动开关，I0.1-BD-停止开关，I0.2-SL1-液位传感器SL1，常开，I0.3-SL2-液位传感器SL2，常开，I0.3-SL3-液位传感器SL3，常开，I0.4-T-温度传感器传感器，常开。②输出地址分配方案。Q 0.0-YV1-进液阀门A，常开，Q 0.1-YV2-进液阀门B，常开，Q 0.2-YV3-进液阀门C，常开，Q 0.3-YV4-排液阀门，常开，Q 0.4-YKM-搅拌无刷直流电机，Q 0.5-H-加热器，Q 0.6-HL1-报警指示灯，Q 0.7-SD-报警喇叭。

2.3 程序思路设计

以多种液体混合加热搅拌控制要求为依据，应用梯形图语言设计本系统的程序，可采用置位复位法或移位步序法两种思路设计具体控制程序，以置位复位法为例，阐述程序设计思路。①启动。设计常开触点I0.0、置位线圈M1.0构成启动网络，当启动开关按下导通时，M1.0置位，系统启动。②排空残液。设计常开触点M1.0、Q 0.0-Q 0.3线圈构成排空残液网络，当常开触点M1.0导通时，Q 0.0-Q 0.2线圈被复位，ABC三个进液阀门关闭，同时Q 0.3线圈置位，排液阀门打开进行排液，定时器T37启动延时5 s，延时时间到后，T37常开触点导通，Q 0.3线圈复位，停止排液，同时Q 0.0置位，输液阀门A打开进液。③混合加热搅拌。SL1-SL3、温度传感器T 按照地址分配表设置对应的常开触点，以步进控制编程思想，当容器中液位上升到SL1时，对应的液位传感器置位，同时加热和搅拌线圈被置位。混合加热搅拌作业中，若有传感器出现故障，Q 0.6、Q 0.7被置位。④排液及停止系统。加热搅拌作业完成后，Q 0.3置位进行排液，当液位下降到SL3位置时，T38定时器启动，延时3 s后，容器中成液排空，自动进入下一个作业循环。

3 结语

该控制系统能够实现工业生产现场全自动化的多种液体混合加热搅拌作业控制，具有一定的应用推广价值。下一步还可设计组态控制界面，应用组态人机交互功能远程控制本系统作业，并实现对液体混合加热搅拌过程的可视化监控，不断提升系统的自动化和智能化程度。