污水处理控制系统设计.doc

机床电气与PLC课程设计污水处理控制系统设计 专业 机械设计制造及其自动化 班级 081016 学号 叉叉 组别 03 姓名 叉叉 指导教师 叉叉叉 日期 2011.06.1 成绩 前言4摘要6第一部分 PLC概述7PLC的基本概念7一、PLC内部运作方式7二、 PLC从何处来？8三、PLC的基本结构91.中央控制单元CPU92.I/O模块93.编程器设备 （或称编程终端）94电源10四、 PLC的工作原理101、PLC替换102、PLC的工作原理分析103.输入/输出滞后时间10五、PLC的特点111工作可靠:112使用方便:113.经济合算：11六、PLC的应用领域111用于顺序控制112.用于过程控制123.用于运动控制124.用于信息控制125用于远程控制12七、PLC的类型121按生产厂家分有：122.按结构特点分:123.按其它特点分：12设计任务书13一 、课程设计题目：13污水处理控制系统设计131、控制要求：152、工作原理15第二部分16一、 污水处理控制系统选择16二、 方案及控制过程171、I/O分配图172、原理接线图183、流程图194.梯形图20三、语句表25总结28参考文献：29 前言 在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则指通过控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的曾加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。 摘要可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。在日常生活中全自动洗衣机是必不可少的，在本次设计中使用的是德国SIEMENX公司生产的S7-200PLC小型可编程控制器来实现自动控制。 第一部分 PLC概述PLC的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为PLC工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大一、PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。4、 步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。二、 PLC从何处来？ 可编程控制器的10项招标指标1968年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：工装基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，希望用新的控制装置来取代继电器控制装置，并提出了以下10项招标指标： 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。 所有的系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行； 装置的体积应小于原继电器控制柜的体积，它的能耗也应较小； 必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115V(注：美国电网电压为115V，我们中国是AC220V)； 输出的驱动信号都必须能驱动以交流运行的电动机驱动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有交流115V，2A以下容量的电磁阀等负载设备。 具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以最小的系统变动及最短的更换、停顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即有高的性价比。 用户存储器容量至少在4KB1以上（根据当时汽车装配厂的要求）三、PLC的基本结构 PLC主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM或ROM或 ）输入输出模块（I/O）部分、电源和编程设备组成，有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务。术语“体系结构”是指PLC的硬件，或软件，或者二者的结合。开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家的设备和程序兼容。封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。目前，大多数PLC系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件和软件与所使用的PLC是兼容的。1.中央控制单元CPU CPU是PLC的“大脑”，通常由一个微处理器和一个存储器组成。微处理器实现逻辑处理和控制各模块间通信的功能，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存由微处理器完成的逻辑操作的结果（程序产生的数据）。 2.I/O模块 I/O系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。3.编程器设备 （或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。4电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V，12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 （ 关于PLC的硬件结构和软件体系敬请参阅第二讲内容。）四、 PLC的工作原理1、PLC替换 PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“欺继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。2、PLC的工作原理分析 它的工作有两个要点：入出信息变换、可靠物理实现。入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。既有系统程序（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户程序。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。可靠物理实现主要通过输入（I， INPUT）及输出（O， OUTPUT）电路。 简单地说，PLC工作过程是：输入刷新-运行用户程序-输出刷新，再输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行此外，PLC上电后，也要进行系统自检及内存的初始化工作，为PLC的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称扫描方式工作。3.输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时问，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。五、PLC的特点从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复重用，重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。归纳起来，除了功能丰富，PLC还有以下特点：1工作可靠: 用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施。2使用方便: 用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多!其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的箱体或模块。而且，这些箱体或模块是配套的，已实现了系列化与规格化。3.经济合算： 高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。六、PLC的应用领域基于PLC的特点，PLC已得到广泛的应用。目前主要是：1用于顺序控制 顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所要求的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。2.用于过程控制 过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。3.用于运动控制 运动控制主要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。4.用于信息控制 信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。5用于远程控制 远程控制是指，对系统的远程部分的行为及其效果实施检测与控制。PLC有多种通讯接口，有很强的联网、通讯能力，并不断有新的联网的模块与结构推出。七、PLC的类型 1按生产厂家分有： 德国的西门子公司、美国的AB（Allen-Bradley）公司（现已被美国的Rockwell公司收购），美国GE公司与日本FANAC合资的GE-FANAC公司、法国的施耐德公司（原美国MODICON公司已被其收购）以及日本的欧姆龙（OMRON）公司、三菱公司、松下公司、东芝公司、富士公司、光洋公司、日立公司等等。德国西门子公司：主流产品为 S7系列机，有S7200（小型）、S7300（中型）及S7400机（大型）。性能比S5大有提高。此外，还推出微型机Logo。2.按结构特点分: 可分为箱体式与模块式。近期还出现有内插板式。箱体式的PLC：把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就是一台完整的PLC，就可用以实现控制。微型、小型机多为箱体式。3.按其它特点分：如按电源分有：用直流24伏的，交流220/110伏的。交流也还有宽幅，有的称任意的（从80到240伏均可）与非宽幅（220、110伏可选）。 设计任务书一 、课程设计题目： 污水处理控制系统设计 污水净化示意图滤水工艺流程图1、控制要求：系统有三套子系统。每个子系统组成如图所示。1滤水时，打开进水阀和出水阀，污水流经磁滤器中通电的电磁铁，则污水中的氧化铁杂质会附在磁铁上，从水箱流出净化水，实现滤水；2一段时间后，断开电磁铁，关闭进水阀和出水阀，打开排污阀和空气压缩阀，压缩空气将水箱的水打入磁滤器内，冲洗磁铁，污水由排污管流入污水池，进行二次处理，实现反洗。3三套子系统同时工作。4可以实现手动和自动净化示意图和滤水工艺流程如下图所示。2、工作原理污水净化示意图如上所示，系统有三套子系统，每个系统工作均相同，该系统的用途是把待除水中的氧化铁杂质过滤出去，来实现污水氧化的作用。污水净化系统的控制过程：1初始放空：在系统通电初始时，所有的闸门均断开，磁滤器也断开。2净化过程按下启动按钮，净化系统按下，规律循环工作。接通磁滤器电源2s，是磁滤器的磁性达到额定值。2s后接通出水阀，和进水阀，进行滤水工作40min.40min后断开进水阀和出水阀。5s后，断开磁滤器电源。2s后，进行反洗工艺，接通排污阀，空压阀，将氧化铁冲洗倒排污池。1min断开空压阀，排污阀和响铃，反洗结束。5s后在进行滤洗工作，如此循环。按下停止按钮，执行完本次循环结束。按下手动开关，执行手动部分，然后分别按下单步开关进行动作。 第二部分1、 污水处理控制系统选择 1、PLC主机：选欧姆龙系列 CPM1A PLC作为污水处理控制系统的控制主机。 2、电磁铁：用于控制磁滤器的接通与否。 3、启动按钮SB0：进入初始上电工作。 自动启动按钮SA1：自动部分初始上电。 自动断开按钮SB1:断开自动控制部分。 手动启动按钮SA2:手动控制初始上电。 单步开关SB2、SB3、SB4,SB5、SB6:手动单步控制各个部分。 4、出水阀YV2、YV8、YV14：用于控制出水阀的接通与否； 5、进水阀YV3、YV9、YV15：用于控制进水阀的接通与否； 6、排污阀YV4、YV10、YV16：用于控制排污阀的接通与否； 7、空压阀YV5、YV11、YV17：用于控制空压阀的接通与否； 8、响铃YV6、YV12、YV18：用于控制反洗工作响铃的接通与否；2、 方案及控制过程 1、I/O分配图输入输出 启动 SB0 00001自动启动 SA1 00002自动断开 SB1 00004手动启动 SA2 00003单步开关 SB2 00005单步开关 SB3 00006单步开关 SB4 00007单步开关 SB5 00008单步开关 SB6 000091#电磁铁 YV1 10.01 1#出水阀 YV2 10.021#进水阀 YV3 10.031#排污阀 YV4 10.041#空压阀 YV5 10.051#响铃 YV6 10,062#电磁铁 YV7 10.072#出水阀 YV8 10.08 2#进水阀 YV9 10.092#排污阀 YV10 10.102#空压阀 YV11 10.112#响铃 YV12 10.123#电磁铁 YV13 10.133#出水阀 YV14 10.143#进水阀 YV15 10.153#排污阀 YV16 11.013#空压阀 YV17 11.023#响铃 YV18 11.03空气压缩机 YV19 11.04 2、原理接线图 3、流程图 4.梯形图三、语句表 主程序：LD 20007AND 00004OR 25315OR 20000OR 00001AND NOT 20001AND NOT 20011OUT 20000LD 20000AND 00002OR 20001ANT NOT 20002OUT 20001LD 20001AND TIM001OR 20002AND NOT 20003OUT 20002LD 20002AND CNT002OR 20003AND NOT 20004OUT 20003LD 20003AND TIM003OR 20004AND NOT 20005OUT 20004LD 20004AND TIM005OR 20005AND NOT 20006OUT 20005LD 20005AND TIM005OR 20006AND NOT 20007OUT 20005LD 20005AND TIM005OR 20006AND NOT 20007OUT 20006LD 20006AND TIM006OR 20007AND NOT 20000AND NOT 20008OUT 20007LD 20007AND 00004AND 20008OUT 20008LD 20000AND 00003OR 20011AND NOT 20012OUT 20011LD 20011AND 00005OR 20012AND NOT 20013OUT 20012LD 20012AND 00006OR 20013AND NOT 20014OUT 20013LD 20013AND 00007OR 20014AND NOT 20015OUT 20014LD 20014AND 00008OR 20015AND NOT 20010OUT 20015LD 20015AND 00009OR 20010OUT 20010LD 20001OUT 01001OUT 01007OUT 01013TIM 001 #0020LD 20002OUT 01002OUT 01008OUT 01014OUT 01003OUT 01009OUT 01015LD 25502LD 25315OR CNT001CNT 001 #0040LD CNT001LD 25315CNT 002 #0060LD 20003NOT OUT 01002NOT OUT 01008NOT OUT 01014NOT OUT 01003NOT OUT 01009NOT OUT 01015TIM 003 #0050LD 20004NOT OUT 01001NOT OUT 01007NOT OUT 01013TIM 004 #0020LD 20005OUT 01004OUT 01005OUT 01006OUT 01011OUT 01012OUT 01101OUT 01102OUT 01103OUT 01104TIM 005 #0600LD 20006NOT OUT 01004NOT OUT 01005NOT OUT 01006NOT OUT 01010NOT OUT 01011NOT OUT 01012NOT OUT 01101NOT OUT 01102NOT OUT 01103NOT OUT 01104TIM 005 #0050LD 20011OUT 01001OUT 01007OUT 01013LD 20012OUT 01002OUT 01008OUT 01014OUT 01003OU