西门子S7-200SMART—两种液体混合控制案例分析！

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PLC及相关元件选型
两种液体混合控制系统采用西门子S7-200SMART PLC，CPU SR20模块+EM AE04模拟量输入模块。


输入信号有11个，9个为开关量，其中2个为模拟量。9开关量输入，3个由操作按钮提供，3个由液位开关提供，最后3个由选择开关提供;模拟量输入有2路:输出信号有6个；本控制系统采用西门子CPUSR20模块十EMAE04模拟量输入模块完全可以，输入、输出点都有裕量。


由于各个元器件由用户提供，因此这里只给选型参数，不给具体料单。


硬件设计
两种液体混合控制的I/O分配，如表7-7所示，硬件设计的主回路、控制回路、PLC输入输出回路及开孔图纸，如图7-23所示。

硬件组态
两种液体混合控制硬件组态，如图7-24所示。

程序设计
两种液体混合控制主程序如图7-25所示，当对应条件满足时，系统将执行相应的子程序。


子程序主要包括公共程序、手动程序、自动程序和模拟量程序4大部分。

(1)公共程序
两种液体混合控制公共程序如图7-26所示。系统初始状态容器为空，阀A~阀C均为 OFF，液位开关L1~L3均为OFF，搅拌电动机M为OFF，加热管不加热；故将这些量的常闭点串联作为M1.1为ON的条件，即原点条件。其中有一个量不满足，那么M1.1都不会为ON。

系统在原点位置，当处于手动或初始化状态时，初始步M0.0都会被置位，此时为执行自动程序做好准备;若此时M1.1为OFF，则M0.0会被复位，初始步变为不活动步，即使此时按下启动按钮，自动程序也不会转换到下一步，因此禁止了自动工作方式的运行。


当手动、自动2种工作方式相互切换时，自动程序可能会有两步被同时激活，为了防止误动作，因此在手动状态下，辅助继电器M0.1~M0.6要被复位。


在非连续工作方式下，I0.7常闭触点闭合，辅助继电器M1.2被复位，系统不能执行连续程序。


(2)手动程序
两种液体混合控制手动程序如图7-27所示。此处设置阀C手动，意在当系统有故障时，可以顺利将混合液放出。

(3)自动程序
两种液体混合控制系统的顺序功能图，如图7-28所示，根据工作流程的要求，显然1个工作周期有“阀A开→阀B开→搅拌→加热→阀C开→等待10s”这6步，再加上初始步，因此共7步(从M0.0~M0.6);在M0.6后应设置分支，考虑到单周和连续的工作方式，


一条分支转换到初始步，另一分支转换到M0.1步。

两种液体混合控制系统的自动程序，如图7-29所示。


设计自动程序时，采用置位复位指令编程法，其中M0.0~M0.6为中间编程元件，连续、单周2种工作方式用连续标志M1.2加以区别。

当常开触点I0.7闭合，此时处于连续方式状态;若原点条件满足，在初始步为活动步时，按下启动按钮I0.0，线圈M0.1被置位，同时M0.0被复位，程序进入阀A控制步，线圈Q0.0接通，阀A打开注入液体A；当液体到达中限位时，中限位开关I0.2为ON，程序转换到阀B控制步M0.2，同时阀A控制步M0.1停止，线圈Q0.1接通，阀B打开，注入液体 B;以后各步转换以此类推，这里不再重复。


单周与连续原理相似，不同之处在于在单周的工作方式下，连续标志条件不满足(即线圈M1.2不得电)，当程序执行到M0.6步时，满足的转换条件为M1.2·T38，因此系统将返回到初始步M0.0，系统停止工作。


(4)模拟量程序
两种液体混合控制模拟量程序，如图7-30所示。


该程序分为两个部分，第1部分为模拟量信号采集程序，第2部分为报警程序。


模拟量信号采集程序，根据控制要求，当温度传感器检测到液体的温度为75℃时，加热管停止；阀C打开放出混合液体；此问题关键点用PLC语言表达出实际物理量与PLC内部数字量之间的对应关系，即T=100X(AIW16-5530)/(27648-5530)，其中T表示温度；之后由比较指令进行比较，如实际温度大于或等于75℃(取大于或等于，好实现；仅等于，由于误差，可能捕捉不到此点。)，则驱动线圈M9.0作为下一步的转换条件。报警程序编写过程和信号采集程序的编写过程类似，这里不再赘述。


用电位器模拟压力变送器4~20mA信号电位器模拟压力变送器信号的等效电路，如图7-31所示。


在模拟量通道中，S7-200SMART PLC模拟量输入模块内部电压往往在DC1~5V，当模拟量通道外部没有任何电阻时，此时电流最大即20mA，此时的电压为5V，故此时内部电阻R=5V/20mA=250Ω.


电位器可以替代变送器模拟4~20mA的标准信号，至于模拟电位器阻值应为多大？


计算过程如下。当模拟量通道内部电压最小时，即1V，此时电位器分来的电压最大，即(24-1)V=23V;此时电流最小为4mA，故此时W1=23V/4mA=5.75kΩ。5.75kΩ是理论值，市面上有5.6kΩ多圈精密电阻，有10圈的，有20圈的，20圈的模拟出来的信号精度高些。若无特殊要求，一般10圈就够用了。

需要指出的是，此电位器不同于普通的电位器，其内部结构为多圈电阻，故可以非常精确地模拟出4~20mA的标准信号，这种性能是普通电位器所无法比拟的。


用电位器模拟标准信号，如果将电位器旋至最小电阻处，即W1=0，此时DC24V电压就完全加在了模拟量通道内部电阻R上，这样超出了内部电路的载流能力，很可能将此路模拟量通道烧毁，故此在电位器的一端需串上R1电阻，用于分流。


R1具体为多少？计算如下。

此时模拟量通道内部电压为5V，因此，R1两端的电压为(24-5)V=19V，此时的电流为20mA，故此，R1-19V/20mA=950Ω.


Am模拟量信号最大值
重点提示:
①在实际工程中，编写模拟量程序的关键在于找出实际物理量与模拟量模块内部数字量的对应关系，找对应关系的依据是输入或输出特性曲线;写模拟量程序实际上就是用 PLC 的语言表达出这种对应关系。


② 两个实用公式:

Ao一模拟量信号最小值、Dm一数字量最大值、Do数字量最小值；以上量都需代入实际值。


A一模拟量信号时时值、D数字量信号时时值；这两个属于未知量。

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