在制药、食品加工、化工行业等工业领域, 多种液体混合是一种非常典型的工艺流程, 并且也是流程工业生产中非常重要的组成部分。而在很多混合液体加工生产过程中, 除了一些常规的生产工序外, 往往还需要对混合液体物料的液位、温度、流量、压力等参数进行监测与控制, 这样就使得液体混合生产过程的控制要求非常高, 低质量的控制过程将造成残次品的出现和生产原料的浪费。另一方面, 在某些危险液体的工业生产中, 由于生产物料的易燃、易爆、腐蚀特点, 更加需要自动化程度高的液体混合系统^[1]。依靠传统继电器和接触器控制的液体混合系统, 存在着中间继电器冗杂、控制迟缓、控制精度低下、稳定系数小、故障率高等问题, 并且还存在操作复杂、容易造成原料浪费等缺点。本文设计的基于西门子PLC的液体混合控制系统, 通过构建一个由数字量和模拟量传感器和执行器组成的闭环控制系统, 通过PLC和此闭环控制系统来实现液体混合流程的执行, 根据混合量和配方执行混合工艺, 并且还可以通过触摸屏对液体混合生产系统进行参数设置、过程监控, 满足了设计中的自动化、精细化等要求。

1 液体混合工艺

一种液体混合加工过程系统的管道仪表流程图(PI图)如图 1所示。

1.1 总体控制要求

液体混合控制系统由一个带数字量和模拟量传感器和执行器的闭环控制系统组成^[2]。图 1为液体混合控制系统的管道仪表流程图(PI图)。液体原料通过X201输入口进入混合控制系统, 电磁阀V201打开, 液体原料首先进入计量罐B201, 同时, 混合控制系统将三个计量罐B201、B202、B203中不同的液体原料根据配方进行配制。混合后的液体抽入主水箱B204, 其中电容式接近传感器LS+201、LS-202、LS-203、LS-204、LS+205、LS-206用于监测液位。浮动开关LA+210, LA+211、LA+212、LA+213监测罐中上升的液体并用作溢流保护。双通球阀V201、V202、V203分别负责使液体均匀分布, 并将空气从管道系统中排出。FI202可变面积流量传感器显示流量, FIC叶轮流量传感器记录液体的流量, V204、V205、V206、V207、V208、V209、V210、V211为电磁阀。P201、P202为装有24V直流电机的配比泵, 液体通过配比泵P201从计量罐泵入主罐, 通过配比泵P202输出到出口或下一工作站。X201和X202分别为液体混合系统的输入和输出。

1.2 初始状态

1) 计量罐B201、B203、B202必须装满液体(所有下部电容式接近传感器均已启动)。

2) 主水箱B204必须为空(下部接近传感器未启动)。

3) 执行器关闭(紧急停止位置)。

1.3 混合过程的顺序描述

1) 选择配方。选择混合量1~2 L, 选择配方(A, B, C)。配方比例如表 1所示。

2) 系统开始运行。

3) 只要第一个计量罐没有装满, 就不会分配工作站。

4) 如果第一个计量罐已满(约2.7 L), 则触发上限位开关, 打开配比泵和水箱B201的阀门, 直到配方计时器计时时间到。

5) 关闭水箱1的阀门, 打开水箱2的阀门，直到配方计时器计时时间到。关闭水箱2的阀门, 打开水箱3的阀门，直到配方计时器计时时间到。关闭水箱3的阀门, 关闭水泵。

6) 配方“准备好”消息。

7) 继续1。

利用“STOP”功能可随时关闭执行器。

1.4 测量和控制

三种液体原料在混合系统中进行混合。通过一个带叶轮的电子流量传感器记录流量, 并通过可变面积流量计显示流量。流量传感器的输出信号转换成0~10 V的标准信号^[3]。

2 系统硬件设计

系统使用PLC作为控制中心, 触摸屏作为上位机, 液位传感器和浮动开关作为测量装置, 电磁阀、配比阀、双通球阀作为控制对象。控制单元选用西门子公司的ET200SP系列CPU中的CPU1512SP F-1 PN型PLC为主控制器。并且集成了DI、DO数字量输入输出模块, AI、AO模拟量输入输出模块^[4]。

根据液体混合系统的设计, 具体的输入输出分配如表 2所示。

3 系统PLC设计

本文设计的液体混合控制系统使用西门子集成化软件博途V15软件编写, 同时, 上位机触摸屏画面设计也是在博途软件中完成的。图 2为混合控制系统的程序设计组图。采用系统块的方式组织本系统的程序设计。

4 触摸屏界面设计

本文设计的混合系统触摸屏采用西门子TP700紧凑型触摸屏。TP700紧凑型触摸屏属于西门子HMI系列, 用于高要求应用。触摸面板FED120 COL的分辨率为320×240像素^[5]。

4.1 操作和显示

首先将所有组件连接到系统。检查PLC是否正常工作程序已下载。如果不是, 则该系统发信号通知“没有站识别”触摸屏。重启PLC, 如图 3所示。

4.2 主菜单

如果所有组件都起作用, 则主菜单将显示在触摸面板上，如图 4所示。

1) 首先通过四个标志选择语言符号。

2) 选择四种操作模式之一：自动模式, 手动模式, 配置控制器，趋势显示^[6]。

可通过“STOP”按钮关闭执行器——自动模式终止。

4.3 自动模式

1) 首先通过四个标志选择语言符号。

2) 选择四种操作模式之一：自动模式, 手动模式, 配置控制器，趋势显示(如图 5所示)。

3) 按下主菜单中的“自动”按钮。

4) 按下其中一个按钮, 将混合控制系统作为单个系统进行操作。

5) 在下一个屏幕上选择配方。程序显示存储的温度和搅拌时间。使用箭头键, 选择全部混合物。

6) 在“配置控制器”检查控制器参数^[7]。

7) 按下“开始”按钮, 处理配方。

8) 按“返回”按钮返回主菜单。

如果多个容器为空, 则“站未准备好”消息(2B4+2B5+N.2B6)显示在状态行(MMM---)中。

如果仅B201为空, 则显示消息“填充容器B201”。如果配方准备就绪, 则会显示消息“配方就绪”。

4.4 手动操作

1) 首先通过四个标志选择语言符号。

2) 选择四种操作模式之一：自动模式, 手动模式, 配置控制器，趋势显示^[8]。

3) 按下主菜单中的“手动”按钮。

4) 流程图显示所有颜色的执行器和传感器。传感器“绿色”代表启动并发出信号, “红色”代表未启动。执行器“绿色”代表操作中, “灰色”代表未运行。如图 6所示。

5) 所有执行器都可以在屏幕上启动。在执行器的情况下模拟值默认值, 显示新屏幕以进行其他设置^[9]。

6) 通过箭头键设置调节变量值。读取来自显示器的流量实际值。

7) 按“返回”按钮，返回主菜单。

4.5 配置控制器

1) 首先通过四个标志选择语言符号。

2) 选择四种操作模式之一：自动模式, 手动模式, 配置控制器，趋势显示。

3) 按下主菜单中的“配置控制器”按钮。

4) 使用箭头键设置比例系数KP, 复位时间的值TI和衍生物作用时间TV。

4.6 趋势

1) 选择四种操作模式之一：自动模式, 手动模式, 配置控制器，趋势显示。

2) 按下主菜单中的“趋势”按钮。

3) 在趋势窗口中, 可显示调节变量值, 实际值并设定流量的值。

4) 按下“返回”按钮，返回主菜单。

如图 7所示。

5 结论

提出了一种基于西门子PLC的液体混合控制系统, 该液体混合控制系统由一个带数字量和模拟量传感器和执行器的闭环控制系统组成, 通过PLC和闭环控制器操作一个流量控制系统，根据混合数量和配方的选择来执行混合操作^[10]。实际运行证明此液体混合控制系统具有可行性, 值得研究和推广。