液体混合装置控制毕业论文.doc

液体混合装置控制目录摘要引言第1章 可编程序控制器（PLC1.1 PLC的概述1.11 PLC的发展历程1.12 PLC的发展趋势1.13 PLC的应用1.2 PLC的硬件结构1.3 PLC的工作原理1.4 本章总结第2章 液体混合控制装置和控制要求1. 液体混合装置2. 装置潜在故障的分析2.1 传感器故障2.2 输液管阀门故障2.3 搅拌机构故障2.4上下单元的影响3. 装置控制要求3.1 正常工作进程的控制要求3.2 故障的检测要求3.2.1 第一工作进程的故障检测3.2.2 第二工作进程的故障检测3.2.3 第三工作进程的故障检测3.2.4 第四工作进程的故障检测3.2.5 整个工作流程的故障检测4. 工作进程的分析第3章 控制程序的编制与仿真调试1. I/O接口分配2. 外部接线图3. 功能图3.1 正常工作进程功能图3.2 实时跟踪故障自检功能图3.3 出现故障自动报警功能图3.4 全局功能图4. 梯形图5. 程序的仿真调试第4章 控制装置与控制系统的改进参考资料内容摘要当前，PLC（可编程控制器）控制系统已成为实现工业自动化的重要手段之一。在很多的生产过程中，不同液体的混合都是不可缺少的关键环节。如何利用PLC自动控制系统来对两种不同液体混合的环节进行自动的、循环的、稳定的、精确的、安全的控制呢？这有赖于控制装置和程序设计的合理性、全面性和稳定性，后者占有核心的地位，所以对程序的设计就显得更为重要了。根据液体混合装置的具体控制要求，利用PLC的程序设计方法和基本的指令系统编制应用程序是本论文的主要设计目的与内容，而应用程序的可行性、全面性和稳定性则是本论文的设计目标。引言这是一篇毕业设计，按照学院和教育政策的指示，我将严格自主完成。本论文主要论述利用PLC针对两种不同液体混合装置的控制编制应用程序。首先，要对液体混合装置有所了解，此装置由混合池、输液管、出液管、阀门、液面检测器、转速传感器、搅拌机构和电动机等组成，上接不同液体的输送单元，下接混合液体的接受单元。其次了解控制要求，对液体的送入采用不同时依次输送，先送完一种液体至混合池再送入另一种液体，输液完毕后开始进行搅拌，搅拌完毕后将混合液体送出，利用液位信号实现控制逻辑。同时对液体混合和装置性能的状态也采取了监控措施，实时报告错误并中断进程以保护生产和督促检修。由此，控制系统的稳定性和安全性方能得到保障。最后设计流程和编制程序，选择具有代表性的FX2系列PLC的步进指令和编程方法作为工具，FX2系列的PLC除了采用梯形图以外，还可以采用SFC顺序功能图语言进行编制程序，利用SFC能较容易编写出复杂的顺序控制程序，此种图形简单而直观，对程序的调试也很方便，适宜用于编制液体混合装置的控制程序。根据绘制的顺序功能图，采用以转换条件为中心的编程方式来设计PLC梯形图程序。这些编程的方式和思想都是较为常用的，在实际应用中也是很普遍的。在本论文的最后部分，笔者还对控制装置和控制系统提出了一些改进的方面和可行途径，期望能另生产过程更为合理和安全，效果更高。对于在程序的设计和编制过程中出现的各种问题和波折，本论文不再详细讲述。提纲的安排，详细请看目录编排。 第1章 可编程程序控制器（PLC）1.1 PLC概述可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种.小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能.简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。1.11 PLC的发展历程在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：19701980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。19801990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。19902000年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。1.12 PLC的发展趋势从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。可编程序控制器在我国的发展状况如下： (1) 我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段： 可编程序控制器的初级认识阶段（70 年代后期到 80 年代初期）国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器。这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80 年代初期到90年代初期）80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。 可编程序控制器的广泛发展阶段（90 年代初期到现在） 进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：(2) 政府重视可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。1.13 PLC的应用1 PLC的应用领域PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。（3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。（4）数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。（5）通信网络 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。2 PLC在我国的应用 虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。  在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：  微型：32 I/O 小型：256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O 在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。1.2 PLC的硬件结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。图2-1 PLC的结构图1.3 PLC的工作原理PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。PLC的扫描工作过程如图2-2、图2-3所示 用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新1.4本章小结本章介绍的是PLC的产生、发展及应用，通过这些基础知识，更好地理解PLC的控制，基于PLC在交通灯控制系统上应用这一范畴，使下一步PLC的程序设计开发和实际需要有机地融合在一起。第2章 液体混合控制装置和控制要求1.液体混合装置液体的混合装置（如图1所示）分为液体输送、数据检测和液体混合三部分，液体的输送由两支输液管及控制阀门、一支出液管及控制阀门组成，输液管A、B负责将两种不同液体依次送入混合池，搅拌结束后出液管负责将混合液体送入下一单元，均由控制阀门来控制管路的开闭；数据检测部分有四只液位传感器和一只转速传感器组成，液体传感器分别检测四个不同的液位信号，转速传感器则对搅拌勺的转动情况进行检测；液体混合部分由混合池和搅拌装置（搅拌电动机、传动机构和搅拌勺）组成，这是两种不同液体混合搅拌的场所。至下一单元液面检测器3液面检测器2液面检测器1液面检测器4转速传感器阀门阀门出液管搅拌池搅拌勺传动杆搅拌电动机加液管A加液管B 图1 液体混合装置示意图2.装置潜在故障的分析2.1 传感器故障传感器故障主要是传感器的损坏或者检测电路故障导致，在装置的工作过程中此类故障（液面检测器4故障除外）一旦出现，将会对上下单元产生影响。所以必须采取必要措施预防此类故障的出现。一种做法是采用双套传感器系统，以降低装置故障出现的几率，保证生产过程的正常运转，此方法需要投入额外硬件，增加了生产成本，而且因为其中一套传感器系统的任何一只或几只传感器损坏时对装置的正常工作无影响，所以只有到装置不正常工作时才能提醒传感器故障的出现；另一种做法是采用编制软件自动跟踪检测并警报故障的方法来预防，此方法无需投入额外硬件，节省成本，而且有故障警报，对故障的检测和维修就更为方便了，选择此方法更为适宜。2.2 输液管阀门故障输液管阀门故障一般出现在阀门的开闭问题，属于硬件故障；另一可能是电磁继电器不能工作，失去了对阀门开闭控制，属于软件故障，此类故障会导致液体无法送入或送出，上下单元的工作也只能被迫终止，所以输液管阀门故障必须得有检测系统进行实时的检测警报，一旦故障出现可以及时督促维修，保证生产。2.3搅拌机构故障搅拌机构故障有搅拌传动机构故障和搅拌电动机故障，将引起搅拌勺不正常的搅拌动作，导致液体没有充分混合，影响产品的质量。预防此故障，采用的方法是安装转速传感器检测搅拌勺，当搅拌勺正常动作搅拌时，输出信号，当搅拌勺不动作时，不输出信号，再利用信号的有无来辨别故障的产生与否，编制合理的程序便可对其进行实时监控警报了，以提醒工作人员搅拌活动的情况。2.4上下单元的影响在装置的正常运转过程中，上下单元的不正常工作也会影响到本装置的正常工作。上一单元无液体提供给本单元，或者下一单元不接受本单元的液体送出的话，本单元必须终止工作，以免引起本单元的故障出现。解决此问题的方法是利用软件进行检测，如果整个流程时间超出正常工作时间的三分之一，则自动终止本单元的所有进程，再结合上下单元自身的故障检测系统，此问题便可以得到很好地解决。3.装置控制要求3.1 正常工作进程的控制要求液体混合装置正常工作流程如下图所示：输液管A往混合池送入液体输液管B往混合池送入液体输液管A往混合池送入液体出液管送出液体至下一单元搅拌混合液体启动液位升至检测器21min搅拌结束混合液送出完毕，暂停或进入下一流程液位升至检测器3 图2 混合装置正常工作流程图启动后，输液管A的控制阀门打开，液体送入混合池；液位上升至液位检测器2时，输液管A的控制阀门关闭，同时输液管B的控制阀门打开，另一种液体自B管流入混合池；当液位上升至液位检测器3时，输液管B的控制阀门关闭；液体送入结束，同时搅拌电动机启动进行液体搅拌；一分钟后，搅拌停止，出液管控制阀门打开，将混合好的液体送至下一单元；液体全部送出后，一次工作流程结束，输液管A控制阀门接着重新打开，下一次工作流程开始。由于实际生产过程中，人工介入是经常的，很多时候也是必须的，所以在每一次工作流程结束后，应具有暂停功能，以便工作人员介入进行必要的操作，人工介入完成后解除暂停，启动继续进行下一次工作流程。3.2 故障的检测要求3.2.1 第一工作进程的故障检测第一工作进程中可能出现的故障有控制系统接收不到检测器1或检测器2的信号、输液管A控制阀门失控、上一单元无液体送来等。无液位信号1会导致无法启动或进入下一进程，无液位信号2会导致液体A送入超过额定量，引起控制程序紊乱失调；阀门失控和无液体送来会引起工作进程无法进行。所以需要编制合理的程序检测预防此类故障的发生。3.2.2 第二工作进程的故障检测第二工作进程中可能出现的故障有控制系统接收不到检测器3的信号、输液管B控制阀门失控、上一单元无液体送来等。此类故障会导致液体溢出混合池并无法进入下一进程。所以需要采取安装液位传感器4和编制合理的程序检测预防此类故障的发生。3.2.3 第三工作进程的故障检测第三工作进程中可能出现的故障有搅拌电动机或传动机构无法正常工作，将会导致搅拌动作错误，液体不能充分混合，所以需要采取安装转速检测器并编制合理的程序检测预防此类故障的发生。3.2.4 第四工作进程的故障检测第四工作进程中可能出现的故障有出液管控制阀门失控引起混合液无法送至下一单元，所以也需要编制合理的程序来对它进行检测预防。3.2.5 整个工作流程的故障检测在每一个工作进程的故障出现后，应该发出声光警报以督促工作人员检修，维修人员可以随时解除警报并令系统中断整个流程返回到初始状态，以便故障维修完毕后可以继续启动，重新开始工作流程，保证生产。在装置无故障出现，但出现了其它突发情况需要立即终止生产时，为保护生产应该设置一个具有任意时刻终止所有进程并返回初始状态的控制端口。4.正常工作进程的分析所有工作进程中各器件的工作波形图如图3所示：在混合池无液体的时候，按下启动按钮，加液管A阀门接收信号开启，第一种液体自A管流入，液体到达混合池底部时，液面检测器1才检测液位信号，所以在启动的瞬间，液面检测器1无信号输出，得等得片刻才有，除了这等待的片刻之外，在整个流程中的其余任何时刻液面检测器1都是有信号输出的。在液面上升至液面检测器2的位置时，液面检测器2开始有信号输出，同时加液管A阀门失去信号关闭，加液管B阀门接收信号开启，在液面上升至液面检测器3的位置时，加液管A阀门失去信号关闭，同时搅拌电动机接收信号启动，由于惯性，转速传感器有信号输出的时间会比电动机启动有短暂的滞后，一分钟后，搅拌电动机失去信号关闭，转速传感器信号输出停止，出液管阀门接收信号开启，液面位置下降到液面检测器3的位置以下时，液面检测器3信号输出停止，液面位置下降到液面检测器2的位置以下时，液面检测器1信号输出停止，液体送出完毕后，液面检测器1信号输出接着停止。第四进程第三进程第二进程第一进程液面检测器1液面检测器2液面检测器3加液管A阀门加液管B阀门液面检测器1出液管阀门液面检测器1搅拌电动机转速传感器 图3 所有进程中各器件的工作波形图第3章 控制程序的编制与仿真调试1. I/O接口分配 I/O接口分配如下表：输入输出符（序）号代号名称符（序）号代号名称X0S0启动按钮Y0KM1加液管A阀门控制继电器X1V1液面检测器1的信号Y1KM2加液管B阀门控制继电器X2V2液面检测器2的信号Y2KM3出液管阀门控制继电器X3V3液面检测器3的信号Y3KM4搅拌电动机控制继电器X4V4液面检测器4的信号Y4KM5声光警报1控制继电器X5V5转速传感器的信号Y5KM6声光警报2控制继电器X6S1解除警报、任意时刻中断返回S0步按钮Y6KM7声光警报3控制继电器X7S2一次流程后暂停开关Y7KM8声光警报4控制继电器X0、X6都是按钮，为系统提供一个脉冲信号，执行相应的控制。X1、X2、X3、X4都是液面检测器的信号，这些信号都是经过放大滤波和模/数转换处理的。X5是转速传感器的信号，同样是经过放大滤波和模/数转换处理的，所不同的是只要被测件转动则X5输入高电平，不转动时无输入（处于低电平）。X7是一个开关信号，与X0、X6的按钮脉冲信号不同，装置正常工作时X7处于断开状态，需要人工介入的话，X7就保持处于闭合状态，所以X7也是一种具有硬件自锁功能的按钮。2.外部接线图系统的I/O对应、输入输出外部接线图如图4所示：输入部分：S0为整个控制系统的启动按钮，S1为整个系统的故障警报解除和任意时刻中断返回按钮，S2是一次流程完成后暂停开关，V1-V5为传感器的数字信号输入。输出部分：KM1-KM4对应于控制系统进程的M1-M4，控制系统的正常运行，KM5-KM8对应于系统进程M1-M4的故障警报控制。V5V4V3V2V1KM7KM6KM5KM4KM3KM2KM1KM8CLPCOMY7COMS2S1S0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0X7X6X5X4X3X2X1X0 图4 外部接线图3. 功能图 3.1 装置正常工作进程功能图M8002M0X1·X0Y0M1X2X1·X7Y1M2X3X1·X7T0Y3M3T0Y2M4 图5 装置正常工作进程功能图上图中，M8002将M1-M4均复位，同时也将M0置位。按下启动按钮S0，X0导通，因为混合池中无液体滞留，所以液位检测器1无信号输出，X1处于闭合状态，此时M1变为活动步，Y0有输出，输液管A阀门打开，A液体流入混合池；液位上升到液位检测器2的位置时，液位传感器2有输出，X2导通，M2变为活动步，M1复位，Y0无输出，A阀门闭合，输液管B的控制阀门打开，B液体自B管流入混合池；当混合池液位上升到液位传感器3的位置时，液位传感器3有输出，X3导通，M3变为活动步，M2复位，B珐门闭合，液体停止输送，同时Y3有输出，搅拌电动机启动对液体进行搅拌，定时器T0也同时开始计时，一分钟后，T0导通，M4变为活动步，M3复位，搅拌停止，同时Y2有输出，出液管珐门打开，将混合液自出液管输送到下一单元。因为从混合池开始有液体时，液位检测器1便开始有输出，X1断开，直到液体全部输送出混合池时，X1闭合，M4复位，出液管阀门闭合，同时M1重新变为活动步，本次工作流程结束，下一次工作流程开始。若想在本次工作流程结束后暂停或停止，则在本次流程进行时，将S2闭合，待M4步进程完成时，M0变位活动步，M4复位，系统处于等待状态，人工介入完成后，断开S2，按下S0则系统又开始重新工作。 3.2 实时跟踪故障自检功能图（图6所示）M8002M0X1·X0T1M1X2T1T2Y2M5M2X1X3X4+T2T4Y4T3Y3T0M6M3T4·X5T0M7M4T3M8X6 图6 实时跟踪故障自检功能图假设通过测试得出：M1进程（输液管A往混合池加液）需要的平均工作时间为1min；M2进程（输液管B往混合池加液）需要的平均工作时间为1min；M3进程（液体搅拌）中，转速检测器自M3进程开始时到检测到速度信号的平均滞后时间不超过1s，M4进程（将混合液体送往下一单元）需要的平均工作时间为1min。按照实际生产的控制需要和控制精度，将各平均工作时间的三分之一作为故障断定的时间裕量，则各进程中的定时器需要的设定时间为相应的平均时间加上各时间裕量。那么T1、T2、T3设定的时间均为80s(1+1/3min)；T4设定的时间为2s。确定故障的方法为：当活动进程实际工作时间超过定时器设定的时间则视为进程涉及的器件出现故障。从图6所示可以看出，实时跟踪故障自检是建立在正常工作进程的基础上的。分别在M1、M2、M3、M4进程里加入定时器T1、T2、T4、T3，进程开始则定时器开始计时，如果在定时器设定的时间内，活动进程还没有结束，则进入相应的故障确定进程。比如，在M1为活动步时，80s后（M1的平均工作时间为60s）M1还是活动步，则T1导通，M5变为活动步，确定故障出现；在80s前进程结束，则M2变为活动步，工作进程正常无故障。如果M5（或M6、M7、M8）变为活动步，那么系统就确定了相应进程M1（或M2、M3、M4）出现故障，相应的故障可依据第一部分的故障检测要求分析的情况进行人工判定维修。3.3 出现故障自动报警功能图（图7）T3Y7M8M7T4·X5Y6T1Y5M5Y4M2M3M4M1X4+T2M6X6 图7 故障自动报警功能图检测到系统故障时，控制系统自动进入故障确定进程M5（或M6、M7、M8），在相应的进程里输出Y4（或Y5、Y6、Y7）控制报警外电路发出声光警报。发现警报后，维修人员可按下按钮S1（X6）解除警报，控制系统自动返回到初始步等待。 3.4 全局功能图通过对系统正常工作进程、自动跟踪故障自检和自动报警功能图的分析，可以知道，后两个功能图依赖于第一个功能图，所以可以将三个功能图合并成一个全局功能图（如图8所示），此功能图包含了系统正常工作和自动跟踪故障自检报警的程序。结合装置的实际工作过程，在M5进程里，只有当液面检测器2（X2）损坏，同时A管控制阀门也无法关闭，且混合池液面上升到液面检测器4的位置，工作人员没有及时解除警报时，M6才可以作为M5的后续步成为活动步，则Y4警报自动解除，Y5警报开始。这种警报就预示了更为严重的故障了。除此之外，M6只能作为M2的后续步。M7只能作为M3的后续步而没有条件作为M6的后续步；M8只能作为M4的后续步，而没有条件作为M7的后续步。S2（X6）按钮是作为在系统正常工作时的特殊情况任意时刻急停和故障警报解除使用，按下之后，控制系统自动返回初始步等待。X1·X7X6X1·X0T4·X5X4+T2T0T3T1M8002X2X3M2M1M4M3Y0Y1.Y3Y2T1T2Y2T4Y4T3Y3M6M5M8M7Y4Y5Y6Y7T0M0X1·X7 图8 全局功能图4. 梯形图由全局功能图可以转换成梯形图（如图9所示）。以转换条件为中心的编程方法与转换实现的基本原则间有着严格的对应关系，利用转换规则可以对梯形图实现轻松的转换，对程序的检查分析也很容易清晰。读梯形图和读功能图类似，相差不大，不再赘述。T4T4K20X7M2M1M3M4M6M5M8M7T1M2X5X4X2X3T0X7X1X1X1T3X6X0M4M4M0M8002M2M1M4M3M1M3T2M2M1M4M3M6M5M8M7Y0Y1Y3Y2Y4Y5Y6Y7T2K800T2K800T3K800T0K600SETM0RSTM1SETM2RSTM1SETM5RSTM2SETM3RSTM3SETM4RSTM4SETM1RSTM4SETM0RSTM2SETM6RSTM3SETM7SETRSTM0SETM0RSTM4SETM8SETM1ENDRSTM2RSTM3RSTM4RSTM5RSTM6RSTM7RSTM8RSTM1 图9 液体混合装置控制梯形图5. 程序的仿真调试