电气控制与PLC课程设计-采用PLC控制的自动定时搅拌系统.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书电气工程学院课程设计任务书课程名称： 电气控制与PLC 基层教学单位： 仪器科学与工程系 指导教师：学号学生姓名（专业）班级10检测一班设计题目采用PLC控制的自动定时搅拌系统设计技术参数1. 设计内容见附页（9）2. 使用组态王实现上位控制3. 公共实践（四层电梯）4. 公共实践（邮件分拣）（选作）5. 查阅资料（变频器）设计要求采用PLC进行设计。画出系统图，采用梯形图编程，并给出相应的组态控制工程（附主画面）。结合公共实践部分，完成设计说明书。参考资料“电气控制”类图书及论文资料“可编程控制器”类图书及论文资料周次19周应完成内容分析设计要求、查资料、确定方案，设计梯形图、设计上位组态撰写课程设计说明书，答辩指导教师签字张立国基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科目 录第一章 摘要3第二章 引言3第三章 PLC相关知识33.1 可编程逻辑控制器的定义33.2工作原理 33.3 基本结构43.4功能特点 5第四章 四层电梯的PLC控制（公共实践）54.1 四层电梯设计要求 54.2设计思想及功能说明64.3 输入输出分配表 74.4 四层电梯PLC设计步进梯形图8第五章 采用PLC控制的自动定时搅拌系统115.1 组态王简介 115.2 控制要求125.3 组态王的实现 135、5 数据字典 155.6 画面命令语言 15第六章 变频器相关知识 186.1 通用变频器的发展 196.2 变频器的定义 196.3 变频器的工作原理 204.3 变频器的控制方式 20第七章 课设总结22参考文献 23第一章 摘要 本文介绍一种以PLC为核心，利用三菱FX1S系列单片机设计了四层电梯自动控制程序并且进行了仿真实验，利用组态王软件设计了机械手臂搬运加工流程控制的控制人机界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。第二章 引言 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。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。，PLC可以灵活而方便地应用于生产实践，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务，但PLC还是有其最适合的应用场所。PLC最适合的控制对象是：工作环境较差，对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业自动控制系统或装置。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。第三章 PLC的相关知识3.1可编程逻辑控制器的定义 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。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人和输出，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按照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。3.2工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个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以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一、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依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象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映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二、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由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。并按先左后右、先上后下的顺序对由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存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 三、输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。3.3 基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器及其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 一、电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 二、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。执行完毕之后各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 三、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 四、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 五、功能模块 如计数、定位等功能模块。 六、通信模块 3.4 功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的综合自动化。 二、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，因此系统开发周期短，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。 三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。四、维护方便，采用插件式结构。第四章 四层电梯的PLC控制（公共实践）4.1 四层电梯的设计要求 如电梯模拟实验台结构所示，其动作要求如下：1 电梯上行： 当电梯停于1楼(1F)或2F、3F时，4楼呼叫则上行到4楼碰行程开关后停止。 电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止。 电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止。 电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，停5秒种，继续上行到3F停止。 电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。 电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停止 电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。 电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停5秒，继续上行到4F停止。2 电梯下行： 电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止。 电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止。 电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止。 电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停止 电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到1F停止 电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停5秒，继续下行到1F停止。 电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停5秒，继续下行到lF停止。3 各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。4 电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。5 设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。（上下同时呼叫时，采取先上后下的原则）4.2设计思想及功能说明 本设计中电梯控制模型如下图所示： 图1 电梯控制模型示意图本电梯设计采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，指示灯Q2.2，反转为下降指示灯Q2.1。一层有上升呼叫按钮IN.3，二层有上升呼叫按钮IN.2以及下降呼叫按钮IN.4，三层有上升呼叫按钮IN.1以及下降呼叫按钮IN.5，四层有下降呼叫按钮IN.0。一至四层有到位行程开关I1.1I1.4。一层至四层外部有指示灯，用数码管显示楼层，分别为Q0.0Q0.6.将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待5秒后进入该层的行进状态中。主体流程图如下，假设电梯在一层：根据限位开关确定楼层,进入响应状态一层等待子程序二层行进子程序二层是否被呼叫?二层等待子程序阿二层行进子程序三层是否被呼叫? 4.3 输入输出分配表输入输出主机实验模块注释主机实验模块注释X1LAY1一楼行程开关Y0DJB电机下行X2LAY2二楼行程开关Y1DJA电机上行X3LAY3三楼行程开关LED COMGNDX4LAY4四楼行程开关COM224VX122DN二层下呼Y6A数码管段码X133DN三层下呼Y7BX144DN四层下呼Y10CX111UP一层上呼Y11DX122UP二层上呼Y12EX133UP三层上呼Y13FY14GX0RST复位COM024VCOM124VX5IN1一层内选按钮24V24VX6IN2二层内选按钮GNDGNDX7IN3三层内选按钮L0Y21层指示灯X10IN4四层内选按钮L1Y32层指示灯COMCOMGNDL2Y43层指示灯L3Y54层指示灯4.4四层电梯PLC设计步进梯形图电梯设计中有两个关键的部分电梯上下行判断流程和行进子程序.（1.）电梯上下行判断流程Lay1Lay4是四个楼层的限位开关，对应输入X1X4，四个楼层的呼叫信号对应输入X11X14，对应中间继电器M11M14，将四个开关量作为一个整体K1X1、K1M11，然后进行比较，如果K1X1K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层下面，因此电梯下行；相反的，如果K1X1K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层上面，因此电梯上行。对应的子流程图如下：（2）行进子程序：（3）总梯形图第五章 采用PLC控制的自动定时搅拌系统5.1 组态王简介5.1.1组态王简介组态王是一款开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。5.2.2 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本步骤：(1)图形界面的设计(2)构造数据库，定义变量(3)建立动画连接(4)运行和调试5.2.3 使用组态王软件开发具有以下几个特点(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的 特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果5.2 控制要求自动搅拌系统如图所示，该搅拌系统的动作过程如下：初始状态是出料阀门A关闭，然后进料阀门B打开，开始进料，液面开始上升。当液面传感器L1的触点接通后，搅拌机开始搅拌。搅拌5min后，停止搅拌，打开出料阀门A。当液面下降到传感器L2的触点断开时，关闭出料阀门A，又重新打开进料阀门B，开始进料，重复上述过程。图2. 定时搅拌系统5.3组态王的实现 5.3.1、组态王设计主画面图3 组态王设计主画面5.3.2工作状态 1. 起始状态图4 初试状态仿真图工作状态 图 5.进料状态仿真图图6. 搅拌过程仿真图5.4数据字典5.5 画面命令语言if(本站点电源开关=1)本站点电源指示灯=1;else本站点电源指示灯=0;if(本站点启动开关=1&本站点电源开关=1)本站点启动指示灯=1;else本站点启动指示灯=0;if (本站点启动开关=1&本站点电源开关=1&本站点进料阀门=1 & 本站点贮液罐2液位6) 本站点叶片旋转状态=0;if(本站点时间=5)本站点发动机=0;本站点搅拌机=0;本站点搅拌指示灯=0;本站点出料阀门=1;本站点出料指示灯=1;if(本站点贮液罐2液位=10&本站点启动开关=1&本站点电源开关=1)本站点出料阀门=0;本站点下限指示灯=1;本站点出料指示灯=0;本站点时间=0;本站点进料阀门=1;if(本站点启动开关=0|本站点电源开关=0)本站点进料阀门=0;本站点出料阀门=0;本站点进料指示灯=0;本站点出料指示灯=0;本站点搅拌指示灯=0;第六章 变频器的相关知识为了控制交流电梯，提高电能利用率，使自动电梯的运行更加安全稳定，须配合变频器对自动电梯进行控制。6.1 通用变频器的发展 上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。 A、容量不断扩大 80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了b00KVA,400KVA以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量己达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。 B、结构的小型化 变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”(Intelligent Module,IPM)这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。 C、应用领域不断扩大 通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。 6.2 变频器的定义变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。6.3 变频器的工作原理变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型、电流型。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。6.4变频器的控制方式低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。一、非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 (4) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩。 (5) 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 (6) 其他非智能控制方式 在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结