论文
摘要
本设计针对化工厂生产的现状和设计要求，将可编程序控制器（PLC）应用于防冻液生产线，以触摸屏为人机界面，通过串行总线读取反应罐的重量数据，根据设置，控制设备完成防冻液的生产过程的控制。通过合理的选择和设计，不但提高了生产效率、可维护性以及灵活性，并且提高了控制水平，使防冻液生产达到较为理想的控制效果。本文设计的控制系统与传统的继电器控制系统相比，简化了复杂的继电器控制电路、操作具有较高的灵活性，操作员可根据要求设计工作表，生产不同配方的防冻液，并且中间过程中无需人工操作，实现自动生产。
在介绍防冻液生产线的基本结构基础上，分析了研究的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，分析称重仪的通信协议，设计了PLC与仪表数据通讯程序，设计控制系统的硬件接线图、PLC程序、和触摸屏人机界面。研究提出了基于PLC 防冻液生产线的控制系统设计的实现方案。
关键词：可编程控制器；自动生产；防冻液
The reaction tank automatic feed system design based on PLC
Abstract
In view of the situation of chemical production, the design of programmable controller (PLC) was applied to antifreeze production line, with touch screen as human-computer interface, reading the weight data of the reaction tank through serial bus. System controls the equipments to complete the production process according the parameters set on the HMI. By reasonable selection and design, it not only improves the production efficiency, maintainability and flexibility, and improve the control level, the production of antifreeze achieve ideal control effect. In this paper, design of control system is compared with the traditional relay control system, simplify the complicated relay control circuit, the operation has high flexibility, the operator can design according to the working table, antifreeze manufacture different formula, and the middle process without manual operation, realizing automatic production.
Antifreeze production line is introduced, based on the basic structure of the analysis of the research work, this paper expounds the advantages and characteristics of PLC, analyzes the communication protocol of the weighing instrument, design the PLC and the instrument data communication program, designed the hardware wiring diagram of the control system, PLC program, and touch screen man-machine interface. Research and put forward the antifreeze production line based on PLC control system design scheme.
Keywords: Programmable controller; Automatic production；Antifreeze
目录
第一章绪论 (1)
1.1 发展现状 (1)
1.2 可编程序控制器 (1)
1.3 研究的主要内容 (3)
第二章方案论证 (4)
2.1 系统的设计要求 (4)
2.2 系统的解决方案 (4)
2.3 控制系统技术方案 (6)
2.3.1系统构成 (6)
2.3.2系统工作方式 (6)
第三章硬件设计 (7)
3.1 控制器S7-200 (7)
3.2 EM235模拟量模块 (9)
3.3 电动机频率控制 (12)
3.4 QDI-01C称重显示仪 (13)
3.5 HMI人机界面 (13)
3.6 控制回路与供电主回路 (14)
3.7 进料阀 (15)
3.8 PLC接线及点位分配 (16)
第四章触摸屏设计 (18)
4.1 触摸屏技术 (18)
4.2 WinCCflexible (18)
4.3 组态画面简介 (20)
第五章 PLC软件设计 (24)
5.1 STEP7-Micro/WIN32 (24)
5.2 PLC通讯 (24)
5.3 称重仪数据解析 (27)
5.4 模拟量转化（变频器频率控制）转化原理 (29)
5.5 自动控制 (32)
总结 (36)
致谢 (37)
参考文献........................................... 错误！未定义书签。附录系统接线图 (41)
第一章绪论
1.1 发展现状
现在的防冻液生产线主要依靠人工操作，操作员根据配方的要求，依次打开手动阀放进原料，观察称重仪显示的重量，控制各种原料的目标重量；当各种原料达到目标要求后，打开循环泵，进行固定时间的搅拌。这种方式耗时、耗力，生产效率低。对操作员的控制有较高的要求，避免影响防冻液的品质。随着科学技术的进步和迅猛发展，可编程序控制器技术广泛应用于各行业自动化控制领域，已经在现代工业企业的生产、加工与制造过程中起到十分重要的作用[1]。这种单靠人工的操作已经不能满足于目前的生产制造业前景，也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象，为了提高生产效率、企业形象，迫使生产线进行改造。
1.2 可编程序控制器
可编程控制器最先出现在美国，1968年，美国的通用汽车公司(GM)提出研制一种新型控制器的要求，并从用户角度出发提出新一代控制器应具备以下条件：
（1）编程简单，可以在现场修改程序；
（2）维护方便，最好是插件式；
（3）可靠性高于继电器控制柜；
（4）体积小于继电器控制柜；
（5）可将数据直接送入管理计算机；
（6）在成本上可与继电器控制柜竞争；
（7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）；
（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；
（9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
当时条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并将其应用于通用汽车公司的生产线上。目的是用来取代继电器，执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
可编程序控制器是基于自动控制技术、微计算机技术和通讯技术发展起来的新一代工业控制装置，目前已经被广泛应用于各个领域。早期的可编程序控制器被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，由于当时的可编程序控制器只能用来进行计算、定时以及开关量的逻辑控制。后来，可
编程序控制器采用微处理器为作为其控制核心，它的功能已经远远超过逻辑控制的范畴，于是人们将其称为Programmable Controller，简称PC，所以为了避免混淆，可编程序控制器仍被称为PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）在可编程序控制器国际标准草案第三稿中，对可编程序控制器进行如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过模拟式、数字式的输入和输出控制各种机械或生产过程。与可编程序控制器有关外部扩展设备，都可以与工业控制系统联成一个整体。易于扩充其功能的原则设计PLC是生产力发展的必然方向。20世纪60年代初，竞争激烈的美国的汽车制造业，产品更新换代的周期越来越短，生产线也必须随之频繁的变更，传统的继电器控制已经很不适应频繁变动的生产线，人们也随之对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修[2]。
自从1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上的第一台PLC，并在美国GM公司的汽车自动装配生产线上获得试用成功以来，由于PLC优越的性能，自动控制技术得到了飞跃的发展。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。
20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其与可编程逻辑控制器相结合，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。在个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS 系统。为了推广PLC的应用，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，还在模拟量的闭环控制，数字量的智能控制，数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面得到了广泛的应用。如今大中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A 转换及算数功能，有的还有PID功能，这些功能使PLC的应用具有了硬件基础。另外还具有较强的通讯功能，可与计算机或其它智能装置进行通讯和联网，从而方便的实现集散控制。目前，世界上一些著名的电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短，为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制[3]。
1.3 研究的主要内容
研究为防冻液生产线的控制系统。防冻液原料有A、B、C、D四种，进入的种类和比例不同，可生产不同品牌的防冻液。改造采用PLC为控制核心设计稳定的控制系统，完成PLC与设备电气回路之间的接线，PLC与称重仪表之间的通信，上位机操作画面。实现反应罐的原料按照要求进入、搅拌、循环等控制，并且能完成自动控制，除去不必要的人工操作。
第二章方案论证
2.1 系统的设计要求
控制部件：A、B、C、D四种原料的电磁阀、搅拌机、循环泵。
1、系统分为自动模式和手动模式
2、具有重量显示功能、控制功能、各个部分监视功能
3、手动模式下可以对任意原料阀、搅拌泵、循环泵频率进行控制
4、自动模式具有配方功能，可以对任意原料进行组合，一旦进入自动控制系统自行完成原料的按比例进入（原料总重量误差不大于5KG）、原料进入完成后打开循环泵，进行定时搅拌、
5、自动模式具有管理员权限限制，管理员输入密码进入后，可以对配方进行修改，实现自动控制
6、搅拌罐具有超高液位报警，一旦报警立即停止向罐内注料
2.2 系统的解决方案
化工产内环境相对复杂，稳定的控制器尤为重要，项目考虑控制器可以较稳定的工作于环境相对恶劣的条件下，拟定用PLC作为控制器：第一可靠性高、抗干扰能力强，平均无故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施，第二，编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接收。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适用于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性价格比高[4]。使用S7200PLC作为主控制器，西门子S7200PLC梯形图语言编辑，该语言最贴近工程设计和易懂，编程软件采用STEP7-MICRO/WIN V32[5].本系统整个程序采用模块化结构设计，分为主程序、通讯初始化程序、模拟量采集程序、模拟量输出程序、数据转换程序、警报程序、使用配方、生成工作表、自动运行、取工作表条目等程序。设计人机界面监视各个部分的运行状态，触摸屏和CPU226之间由RS485(PPI通讯协议)通讯，通过变量数据存储器VW来进行数据交换和控制。称重仪控制器之间进行自由通讯传递数据，控制器将传递的数据进行解析显示到触摸屏上。控制器通过输出点控制具有一定负载能力的中间继电器带动各个执行部件。
生产过程中，各种原料的比例直接影响着防冻液的品质，反应罐体积较大为
了提高效率进料管道进料速度也相对较大，使用流量计监测原料会因原料阀关闭不及时，出现误差，所以设计中用重量来监测原料的比例，搅拌罐下放有称重仪控制器监视着所需原料的重量，每种原料分为粗、细两个调节阀，当原料快要达到目标重量时关闭粗阀，改用细阀，接近临界值时关闭，这样很好的控制了误差不大于5KG。
使用通用触摸屏设备作为人机界面，操作人员直接进人开发状态，节省时间。组态软件带有丰富的图形控件和工况图库，既可以提供所需的组件，又可以为界面制作提供向导，丰富的作图工具，设计者可以随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。通过其强大的界面显示组态功能，模仿系统生产的工作流程，将显示、控制于一体。这样简便了硬件电路的复杂程度，还方便操作员的工作，设计将系统组态分为自动控制和手动控制两种控制方式，在手动模式下操作员可以自行控制进料阀、搅拌泵、循环泵；用户选择自动控制模式具有管理权限，管理员输入密码可以修改各种产品的配方，设定待产的任意产品X，重量，搅拌时间等参数，系统进行自动注料，根据搅拌罐的重量自动完成A、B、C、D注料。系统注料时具有超高限位(搅拌罐内超设定重量上限)的声光报警，一旦报警停止向罐内注料。
系统对搅拌的转速也有要求，EM235扩展模块是新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA(通过250欧姆电阻转换成1～5V或通过500欧姆电阻转换DC2～10V)恒流标准信号[6]。它与变频器组合，构成一个单闭环控制系统控制搅拌机的转速，不但保证搅拌机的转速而且可以进行不同转速之间的变换。结构如图2-1所示：
PLC
图2-1系统结构示意图
2.3 控制系统技术方案
2.3.1系统构成
系统由触摸屏、电磁阀、PLC、变频器、电控柜（电源指示灯、启动按钮、急停按钮、液位最低最高限位声光报警器、中间继电器）、浮动液位控制器、搅拌机（已有）、循环泵（已有）、阀门（机械已有）称重仪、管路等构成。
以PLC为系统核心，PLC与变频器，电气回路，电磁阀之间以结点形式接口，与触摸屏和称重仪表之间通过PPI和485总线进行通信交换数据。
触摸屏作为人机界面，实时显示设备工作状态和反应罐数量数据，提供参数设置、设备单独操作和自动操作入口。
称重仪用来实时测量反应罐重量，并通过串行总线将数据传递给PLC，作为PLC进行控制的依据。
变频器用来控制搅拌器和循环泵的出力，人工设定工作频率。
2.3.2系统工作方式
系统有自动和手动两种模式。
首先选择哪种模式，然后进行选哪种产品，产量。
（一）、有权限（操作口令）的管理员可以通过上位机设定：
自动操作：
1）选择配方设定，确定任意一种待生产产品X的原料A、B、C、D重量或比例。
2）设定修改准备生产X产品的产量
3）搅拌时间的设定（变频器的频率设定）
4）自动运行
手动操作：
操作员根据配方自行选择需要的原料、进料顺序打开进料阀，进料的重量显示在显示屏上，操作员根据规定的配方，当重量到达后关闭进料阀。当所需原料全部进入后，打开循环泵，设定搅拌时间和搅拌频率。
第三章硬件设计
3.1 控制器S7-200
可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用的而设计的控制装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、和算数运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。由于它的可靠性高、抗干扰能力强、灵活、易学易用、功能强大、体积小等优点点现已广泛用于各个行业中[7]。从其产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通讯设备会更好的适应工业控制场合。可编程序控制器基本构成：电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通讯模块。工作原理：当可编程序控制器投入运行后，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。完成上述阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU 仪一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式读入所有的输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。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 映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变，如果保证在任何情况下，该输入均能被读入，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期。
用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按照由上而下的顺序依次的扫描用户程序。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描图左边的有各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对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存储区对应的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映像区对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只要输入点在I/O映像区内的状态和数据不发生变化，而其它输出点和软件设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，且排在上面的梯形图，其结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据色梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使
使用I/O指令的话，输入过程映像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程映像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后。可编程逻辑控制器进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，在经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程控制器真正输出。
功能特点：
（1）使用方便，编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
（2）功能强，性能价格比高
一台小型的PLC内有很多编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同的功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过联网通信，实现分散控制，集中管理。
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速的适应工艺条件的变化。
（4）可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10—1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采用了一系列硬件和软件抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
（5）系统设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、计数器等器件，是控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计来设计，这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计功能图的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关量来模拟，通过PLC上
的发光二极管可观察输出的信号状态。完成了系统的安装金额接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般可以通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少的多。
（6）维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自我诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信号迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障[8]。
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元。如表3-1所示：
表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
由于S7-200系列的PLC就能够完成所以本设计采用的是CPU226.它是具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节数据存储空间。6个独立的30KHz 高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排很容易的整体拆卸，用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适用于一些复杂的中小型控制系统。
3.2 EM235模拟量模块
EM235模拟量模块是将强功率精密线性电流互感器、意法半导体(ST)单片机和集成变送器ASIC芯片组合于一体的新一代交流电流隔离变送器模块。它可以直接将被测回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA(通过250欧姆电阻转换成1～5V或通过500欧姆电阻转换DC2～10V)恒流标准信号，连续输送到接收装置，它可以实现4路模拟量采集和1路模拟量输出。
如图3-1显示模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按照正、负直接接入X+和X-；对于电流信号，将RX和X+短路后接入电流信号的“+”端；没有连接传感器的通道要将X+和X-短接。
图3-1 EM235扩展模块的接线图
使用DIP开关设置EM235扩展模块，使用开关1到6 可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。如表3-2所示：
3-2 DIP开关表
由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON 时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择[9]。
根据6个DIP的开关功能进行排列组合设置如表3-3所示：
EM235在项目设计中接收变频器反馈的电流信号所以应将DIP开关设置为单极性、满量程输入为0-20mA。同时EM235还一路输出信号，为变频器提供频率控制信号。变频器硬件接线图3-2所示：
图3-2 变频器频率控制部分硬件接线图
3.3 电动机频率控制
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。这种系统与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电机进行调速控制有许多的优点，节电、容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现电机转速的精确控制[10]。进料罐在相应的完成规定的进料后，需要将原料进行充分搅拌，电动机在搅拌时需要按照一定的频率搅拌一段时间，在控制搅拌电机频率控制方面，本设计选择用ABB 系列ACS550变频器进行控制。变频器的基本特点如下。
多功能型，一般负载适用
简易磁通矢量控制方式，实现3Hz时输出转矩达120％
采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行
内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能
内置独立的RS485通讯口
使用长寿命元器件
内置噪声滤波器
带有节能监控功能，节能效果明显
EM235发送AO信号给变频器，控制变频器的频率，同时EM235采集变频器返回的4-20mA的频率反馈信号，进行频率校正。操作员可在组态屏中设置相应的频率和时间即可完成搅拌部分的操作。变频器的硬件接线图，如图3-3所示：
图3-3 变频器硬件接线图
3.4 QDI-01C称重显示仪
QDI-01C称重显示仪表，低价格高性能，带有0.8”超高亮LED显示屏，清晰明亮。内部集成的智能A/D转换器以及设计的数字滤波技术，使得该仪表读数快而稳定，抗干扰能力强，具有手动累计及多种方式累计打印功能，掉电保护功能，标准的并行打印接口，可以连接打印设备。仪表采用标准的RS-232串行通讯接口，可实现与计算机通讯，也可以接大屏幕显示器。由于采用三定值继电器输出，及电流4-20mA模拟量输出，所以能广泛使用于各种场合，是各种台秤、地上衡、料斗秤的首选仪表。
控制器采集重量的方式是通过仪表的串口直接将仪表解析的重量数据传送给PLC，PLC接收数据后，解析传输的数据就可以得到的当前的重量。由于PLC 上RS-484串行通讯方式，所以仪表在使用串口通讯时，需将标准的RS232串行通讯经过转换器变成标准的RS485串行通讯，与PLC进行通讯。控制器在解析数据后对系统进行相应的控制操作。
RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。
3.5 HMI人机界面
本项目选用西门子SMART LINE 系列的10’’触摸屏作为人机界面，采用触摸屏可以将控制和显示一体化，节约控制单元，触摸屏中带有组态功能，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字，按照用户需求对系统的工作流程进行组态，这样减化了硬件的结构以及软件的复杂程度，触摸屏可以简化人机界面，提高了精确度，消除了操作员的误操作可能性，提供的用户选项的菜单设置非常明确；取代了鼠标和键盘；结实耐用，可以承受恶劣环境；通过触摸屏可以快速访问所有类型的数字媒体，不会受到文本界面的妨碍；底座更小，保证空间不会被浪费，输入设备已完全整合到显示器中。本项目中所选择的触摸屏型号为:Smart700 IE,该触摸屏的基本特点如下:
（1）高分辨率宽屏显示，使得画面更清晰
（2）LED背光，节能降耗
LED较之CCFL，背光板厚度降低一般左右，使精彩系列面板更轻巧。同时操作屏亮度更高，色彩更均匀，变现力更强。可视范围提高到140度；LED背光可以降低设备能耗，结合屏保功能最大程度的延长操作屏的使用寿命。
（3）强大且丰富的通讯能力
PPI通讯协议确保精彩系列面板与S7-200建立高速无缝的连接，与S7-200组成完美的小型自动化解决方案；集成的RS-422/485通讯口精彩系列面板的通讯能力更加灵活，可以和市场的主流小型PLC建立稳定可靠的通讯连接。采用PPI通讯时通讯速度高达187.5kb/s。
（4）高性能处理器、高速外部总线及64M DDR内存
高端的ARM处理器，主频达到400MHz，使数据处理更快，画面显示更流畅；高速的外部总线充分发挥处理器的强大性能；增强的64M DDR内存使得画面切换速度更快。
（5）可靠的电源设计
内置的24V电子自恢复反接保护，避免因误接而导致的产品损坏损坏，供电电源范围可达到正负20％。
3.6 控制回路与供电主回路
改造前的硬件部分电路比较复杂，全部由接触器，继电器搭建而成，线路复杂、稳定性差，维护起来不方便。使用PLC控制器后，简化了中间电路的复杂程度，节省了一定部分的线路，可靠性高、为稳定性能好。改造后的系统结构为设备供电主回路通过接触器连接,PLC控制接触器的线圈部分,完成设备的起停控制。这样的结构，将供电回路与控制回路分开，结构清晰，利于维护，并减少了大量的中间器件。下面介绍中间电路中的主要元件：
接触器、热继电器：
在电工学上，接触器因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁的接通和关断大电流的控制电路，所以经常将电机作为控制对象，也可用作控制工厂设备、热电器、工作机和各种各样电机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低压释放保护作用，由于接触器的控制容量大，所以可以适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要原件。接触器当线圈通电后，线圈电流会产生电磁场，产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动接触器触点动作，当断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原。在本次设计中接触器主要在电力主回路中为搅拌泵、进料泵和循环泵供电。
热继电器中热元件在流入的电流作用下产生热量，导致不同膨胀系数的双金属片发生形变，当金属片的形变达到一定距离时，推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电机的过载保护，继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到广泛应用。中间继电器：
继电器也称电驿，是一种控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路，它实际上是用较小的电流
去控制较大的电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用[11]。
由于PLC触点负载能力较小，所以一般情况下，PLC的开关量输出直接驱动中间继电器，再由中间继电器的结点连接到设备的控制回路中完成设备的控制。实现用较小的电流去控制较大的电流，同时PLC与控制回路的隔离。控制回路，如图3-4所示，供电主回路图3-5所示：
图3-4 控制回路
图3-5 供电主回路电路图
3.7 进料阀
在进料方面，原有的全部为手动阀，需要人工操作，耗人力且不容易控制原料精度。改造后替换为电磁阀且对结构进行了设计，如图1所显示，料上面有4个独立的进料管道，分别代表不同的原料，根据配方设定进入的先后顺序，分别
打开/关闭，控制进入重的多少和进料阀怎样动作，根据配方所需要原料的重量而定。在进入原料时，保证原料的精度是很重要的，可能会影响防冻液的品质，设计要求各个原料的误差不大于5KG。下图为进料阀的简易图。如图所示，一种原料分为大小两个阀门，分别为粗调、细调，应用这种方法是为了提高进料的精准度。称重仪的重量在传到控制器时，中间需要一段时间，在这段时间内，一直开大阀门原料误差很大，所以根据注料的时间和产品重量的关系计算出当前管道的流速与压力比例关系。在充分考虑管路中原料的流速（压力、惯性）接近设定配料的重量范围开始先关闭粗路电磁阀，启动旁路细路电磁阀进行注料。接近临界值时关闭。保证注料总重量的误差不大于正负5kg。进料阀的简图，图如3-6所示：
图3-6 控制阀简图
3.8 PLC接线及点位分配
接线图，如图3-7所示：
图3-7 PLC的接线图
点位分配表，如表3-4所示：
系统以PLC为控制核心，PLC与变频器，电气回路，电磁阀之间以结点形式接口，与触摸屏和称重仪表之间通过PPI和485总线进行通信，实现交换数据。称重仪用来实时测量反应罐重量，并通过串行总线将数据传递给PLC，作为PLC 进行控制的依据。变频器用来控制搅拌器和循环泵的出力，保证搅拌机运行的工作频率。