电气控制与PLC应用项目11液体混合装置控制

项目11液体混合装置控制【学习目标】1.掌握算术运算指令、转换指令和字逻辑运算指令特点及正确使用。2.掌握模拟量输入/输出模块的正确安装、设置、调试。3.会使用算术运算指令、转换指令和字逻辑运算指令编写简单的程序。4.能独立完成简单模拟量控制系统（如液体混合控制装置、炉温控制系统）的硬件配置及安装、硬件组态及程序编写。11.1项目简述多种液体按一定比例混合在很多生产过程中是不可缺少的关键环节，液体混合控制的可靠性是非常重要的。图11-1所示为一液体混合控制装置，由一个模拟量液位传感器-变送器（输出为4～20mA）来检测液位的高低。对A和B两种液体原料按比例混合，控制要求如下：（1）按下启动按钮SB1，液体A阀门打开，液体A流入容器。（2）当液位达到30%后，则关闭液体A阀门，打开液体B阀门，开始加入液体B。（3）当液位达到100%后，则关闭液体B阀门，搅拌电动机开始搅匀。（4）搅拌电动机工作10s后停止搅动，混合液阀门打开，开始放出混合液体。（5）当液体放空后，延时5s后关闭混合液阀门。按停止按钮，系统应立即停止运行。用PLC实现对两种液体混合装置的控制。本项目涉及对模拟量信号的处理，因此应该对模拟量输入模块、模拟量输出模块以及对模拟信号的处理进行相关内容的准备。模拟信号的处理一般都用到算术运算指令、转换指令和字逻辑运算指令。M液位传感器-变送器Y3混合液阀门液体A液体BY2Y1图11-1液体混合控制装置搅拌器11.2相关知识在生产过程中，有许多过程变量的值是随时间连续变化的（如温度、压力、流量等），称为模拟量。为了实现对这些物理量的控制，首先需要经测量传感器将物理量转换为电量（如电压、电流、电阻、电荷等），然后再经变送器将测量结果转换为标准的直流电压和直流电流信号（如±1000mV、±10V、4～20mA等），再将标准的模拟电信号送入模拟量输入模块进行A/D转换，变成CPU能够接收的数字量信号后送入CPU进行处理，PLC处理后的二进制电平信号再送给模拟量输出模块进行D/A转换，转换成模拟量信号后去驱动相应的执行器。11.2.1模拟量的处理1.模拟量输入模块测量方法和测量范围的设置模拟量输入模块的输入信号的种类和测量范围用安装在模块侧面的量程卡（或称量程模块）来设置。量程卡安装在模拟量输入模块的一侧，每两个通道为一组，共用一个量程卡，图11-2中的模块共有8个通道，因此有4个量程卡。量程模板可以设定为以下位置：“A”、“B”、“C”和“D”。其中，“A”为热电阻、热电偶测量，测量范围为±1000mV；“B”为电压测量，测量范围为±10V；“C”为四线变送器测量，传感器电源线与信号线分开，测量范围为4～20mA；“D”为两线变送器测量，传感器电源线与信号线并用，传感器的电源通过模拟量输入模块供给，测量范围为4～20mA。使用STEP7中的硬件组态功能可以进一步确定测量范围。模块出厂时量程卡预设在B位置，如果需要的话，必须重新插入量程模板，以更改测量方法和测量范围。各种测量方法和测量范围的设定都打印在模拟量模板上。设置量程卡时先使用改锥将量程卡从模拟量输入模块中松开，如图11-2所示；根据要设置的量程，确定量程卡的位置，并按标记方向将量程卡插入模拟量输入模块中，如图11-3所示。图11-2将量程卡从模拟量输入模块中松开图11-3将量程卡插入模拟量输入模块如果没有正确的设置量程卡，将会损坏模拟量输入模块。在STEP7中，对模拟量模块进行参数化设置时，所选测量传感器类型必须与模块上量程卡设定的类型相匹配；否则，模块上的SF指示灯将指示模块故障。2.传感器与模拟量输入模块连接根据测量方法的不同，可以将电压和电流传感器以及电阻器等不同类型的传感器连接到模拟量输入模块。为了减少电子干扰，对于模拟信号应使用双绞线屏蔽电缆。模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电位连接电流，造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一点接地。（1）带隔离的模拟量输入模板对于带隔离的模拟量输入模板，在CPU的M端和测量电流MANA的参考点之间没有电气连接。如果测量电流MANA参考点和CPU的M端存在一个电位差UISO，必须选用隔离型模拟输入模块。通过在MANA端子和CPU的M端子之间使用一根等电位连接导线，可以确保UISO不会超过允许值。（2）不带隔离的模拟量输入模块对于不带隔离的模拟量输入模块，在CPU的M端和测量电流MANA的参考点之间，必须建立电气连接。为此，应连接MANA端子与CPU的M端子以及IM153的M端子。MANA和CPU的M端子及IM153之间的电位差会造成模拟信号的中断。（3）有限电位差UCM在输入通道的测量线M-和测量电路的参考点MANA之间只会发生有限电位差UCM（共模电压）。为了防止超过允许值，可以根据传感器的电线连接情况，采取不同的措施。3.连接带隔离的传感器带隔离的传感器不能与本地接地电线连接（本地接地）。带隔离的传感器应无电势运行。对于带隔离的传感器，在不同传感器之间会引起电位差，这些电位差可能是由于干扰或传感器的本地布置情况造成的。L+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离隔离传感器（热电偶）推荐连接UISOMANA接地母线图11-4连接带隔离的传感器至带隔离的模拟量输入模块CPUM内部L+M为了防止在具有强烈电磁干扰的环境中运行时超过UCM的允许值，建议将M-与MANA连接。在连接用于电流测量的双线变送器和阻性传感器时，禁止将M-连接至MANA。连接电路如图11-4和图11-5所示。在图11-4至图11-11中所用的缩写词和助记符具有以下含义。M+：测量导线（正）M-：测量导线（负）MANA：模拟测量电路的参考电压M：接地端子L+：24VDC电源端子UCM：MANA测量电路的输入和参考电位之间的电位差UISO：MANA和CPU的M端子之间的电位差图11-5连接带隔离的传感器至不带隔离的模拟量输入模块CPUM内部L+ML+MM+M-M+M-ADC背板总线逻辑光电隔离隔离传感器（热电偶）推荐连接MANA接地母线4.不带隔离的传感器不带隔离的传感器可以与本地接地电线连接（本地接地）。如果使用的是不带隔离的传感器，必须将MANA连接至本地接地。由于本地条件或干扰，在本地分布的各个测量点之间会造成电位差UCM（静态或动态）。如果电位差UCM超过允许值，在测量点之间必须使用等电位连接导线。如果将不带隔离的传感器连接到光隔离的模块，CPU既可以在接地模式（参见图11-6）下运行，也可以在未接地模式下运行。如果将不带隔离的传感器连接到不带隔离的模板，CPU只能在接地模式下运行，如图11-7所示。图11-6连接不带隔离的传感器至带隔离的模拟量输入模块CPUM内部L+ML+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离隔离传感器（热电偶）UISOMANA等电位连接导线UCM接地母线图11-7连接不带隔离的传感器至不带隔离的模拟输入模块CPUM内部L+ML+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离非隔离传感器（热电偶）MANA等电位连接导线UCM接地母线5.连接电压传感器电压传感器与模拟量输入模块之间的连接如图11-8所示。图11-8连接电压传感器至带隔离的模拟量输入模块L+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离隔离传感器（热电偶）MANAUU+-+-6.连接二线变送器二线变送器可通过模拟量输入模块的端子进行短路保护供电，并将所测得的变量转换为电流，二线变送器必须是一个带隔离的传感器，连接参考电路如图11-9所示。图11-9连接二线变送器至带隔离的模拟量输入模块L+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA压力传感器二线变送器+-二线变送器+-压力传感器PP二线变送器的供电电源L+也可以从模块馈入，连接参考电路如图11-10所示。这种方式必须使用STEP7将二线变送器作为四线变送器进行参数赋值。图11-10连接从L+供电的二线变送器至带隔离的模拟量输入模块L+MM+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA压力传感器二线变送器+-P7.连接四线变送器四线变送器与模拟量输入模块的连接电路如图11-11所示。图11-11连接四线变送器至带隔离的模拟量输入模块L+MM+M-M+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA压力传感器+-压力传感器PP四线变送器ML++-8.连接热敏电阻和普通电阻热敏电阻/普通电阻可以使用两线制、三线制或四线制端子进行接线。对于四线端子和三线端子，模块可以通过端子IC+和IC-提供恒定电流，以补偿测量电缆中产生的电压降。如果使用四位或三位端子进行测量，由于可以补偿两位端子的测量，测量结果将更精确。在带有4个端子的模块上连接二线电缆时，需在热敏电阻上将IC+和M+短接，IC-和M-短接，如图11-12所示。在带有4个端子的模块上连接三线电缆时，一般必须短接M-和IC-，并确保所连接电缆IC+和M+都直接连接到了热敏电阻，其连接电路如图11-13所示。但SM331×RTD例外，其连接电路如图11-14所示，必须确保IC-和M-电缆直接连接到热敏电阻上。图11-12和图11-18中所用的缩写词和助记符具有以下含义：IC+：恒定电流导线（正）IC-：恒定电流导线（负）M+：测量导线（正）M-：测量导线（负）MANA：模拟测量电路的参考电压M：接地端子L+：24VDC电源端子S-：检测头（负）图11-12热敏电阻与隔离的AI之间的两线连接L+MM+M-IC+IC-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANAt图11-13热敏电阻与隔离的AI之间的三线连接L+MM+M-IC+IC-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA热敏电阻ICt在带有4个端子的模块上连接四线电缆时，可以通过M+和M-端子测量热敏电阻所产生的电压。在连接时，在热敏电阻上IC+与M+短接，IC-与M-短接。在连接时，应确保所连接电缆IC+和M+以及电缆IC-和M-都直接连接到了热敏电阻，如图11-15所示。图11-14热敏电阻与SM331AI8×RTD之间的三线连接L+MM+M-IC+IC-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA热敏电阻t图11-15热敏电阻与隔离的AI之间的四线连接L+MM+M-IC+IC-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA热敏电阻ICt在带有3个端子模块（如SM331AI8×13位）上连接二线电缆时，需短接模块的M-和S-端子，连接电路如图11-16所示。三线连接电路如图11-17所示。在带有3个端子模块上连接四线电缆时，电缆的第4条线必须悬空，连接电路如图11-18所示。图11-16热敏电阻与SM331AI8×13位之间的两线连接L+MM+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离MANA热敏电阻S-t热电偶与模拟量输入模块之间的连接有多种方式，可以直接连接，也可以使用补偿导线连接，且每一个通道组都可以使用一个模拟量模块所支持的热电偶，与其他通道组无关。具体连接电路请参考S7-300PLC可编程控制器模板规范参考手册。图11-17热敏电阻与SM331AI8×13位之间的三线连接L+MM+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离热敏电阻S-t图11-18热敏电阻与SM331AI8×13位之间的四线连接L+MM+M-ADC逻辑背板总线光电隔离光电隔离热敏电阻S-第4条线悬空t9.连接负载/执行器至模拟量输出模块模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压，对于模拟信号，应使用屏蔽电缆和双绞电缆。电缆QV和S+、MANA和S-应分别绞接在一起，由此可降低干扰。应将电缆两端的模拟电缆屏蔽层接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电位连接电流，造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一点接地。对于带隔离的模拟量输出模块，在CPU的M端和测量电流MANA的参考点之间没有电气连接。如