PLC综合课程设计-谷物烘干机自动控制.doc

PLC综合课程设计：谷物烘干机自动控制 目 录第一章：绪论- 2 -第二章：PLC简介- 3 -2.1 西门子PLC的介绍- 3 -2.2 PLC的的发展历程- 3 -2.3 PLC的特点- 4 -第三章：谷物烘干机- 5 -3.1 概述- 5 -3.2 国内外先进谷物干燥技术- 5 -3.3 干燥技术有以下几种：- 6 -3.4 谷物干燥机的设备与组成- 7 -第四章：自动控制系统设计- 8 -4.1 谷物烘干工艺流程- 8 -4.2 系统软件设计- 8 -4.2.1程序框图- 8 -4.2.2系统梯形图设计- 10 -4.2.3 系统STL语句- 11 -4.2.4 元素清单- 13 -第五章：硬件设备- 14 -5.1 PLC的构成- 14 -5.2 CPU的构成- 14 -5.3 I/O模块- 15 -5.4 统机型选择与配置- 16 -5.5 电源模块- 17 -5.6 底板或机架- 18 -5.7 PLC系统的其它设备- 18 -5.8 PLC的通信联网- 18 -收获与结论- 19 -参考文献- 20 -第一章：绪论我国是世界上最大的粮食生产国和消费国，年总产粮食约5亿t。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输、加工、消费等过程中的损失高达18左右，远远超过了联合国粮农组织规定的5的标准。在这些损失中，每年因气候原因，谷物来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5，若按年产5亿t粮食计算，相当于2500万t粮食，若每人每天食用500g粮食，可供68万人食用1年。这数字是惊人的，把收到手的谷物损失降低到最低点，从这一意义上说，我们需要使用新技术来降低损失。它便是由PLC程序编写控制的谷物烘干机。随着我国农业产业化进程的推进, 农业机械化自动化水平不断提高, 各种形式谷物烘干机源源不断地推向市场。谷物烘干机的自动控制可用传统的电器控制, 也可用单片机控制, 还可用控制。谷物干燥同时也是农业生产中重要的步骤，也是农业生产中的关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。谷物干燥机械化技术是以机械为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害谷物品质的前提下，降低谷物中含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。本文主要探讨用对燃油循环式谷物烘千机进行自动控制, 实现谷物烘干全过程即进粮、循环烘干、出粮的自动控制。其系统结构简单, 运行稳定可靠。关键词：PLC；谷物烘干机；自动控制；程序设计；梯形图；STL语句表；PBD图表文件第二章：PLC简介2.1 西门子PLC的介绍Programmable Logic Controller 简称为PLC，即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。由定义可知，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。2.2 PLC的的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable|.Logic.Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。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，PLC逐渐进入过程控制领域，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。2.3 PLC的特点 1 ) 高可靠性、抗干扰能力强（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高2) 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3) 配套齐全、功能完善、适用性强PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 4) 系统的设计、工作量小、维护方便、容易改造PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。5) 体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm ，重量小于150g 耗电仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想设备。第三章：谷物烘干机3.1 概述谷物干燥是农业生产中重要的步骤，也是农业生产中的关键环节，是实现粮食生产全程机械化的重要组成部分。谷物干燥机械化技术是以机械为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害谷物品质的前提下，降低谷物中含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。我国是世界上最大的粮食生产国和消费国，年总产粮食约5亿t。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输、加工、消费等过程中的损失高达18左右，远远超过了联合国粮农组织规定的5的标准。在这些损失中，每年因气候原因，谷物来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5，若按年产5亿t粮食计算，相当于2500万t粮食，若每人每天食用500g粮食，可供68万人食用1年。这数字是惊人的，把收到手的谷物损失降低到最低点，从这一意义上说，谷物干燥的机械化比田间作业的机械化更为重要，它是谷物丰产、丰收的重要保障条件。3.2 国内外先进谷物干燥技术干燥谷物的方法有日晒干燥和机械化干燥。日晒干燥是我国几千年来采用的老方法。机械化干燥是通过专业干燥机对谷物进行机械自动化干燥。现代人在马路上晒谷不但危害交通，也污染谷物；用晒谷场晒谷，又浪费宝贵的土地资源。人工晒谷耗费大量人力，成本高，稻谷质量无法掌控。遇到梅雨天就无法晒谷，无法将收成掌握在自己手中，很不科学。我国粮食产区特别是南方地区，稻麦收获期常常出现阴雨梅雨天气。农民最担心谷物收获期遇上阴雨霉雨天气，因为这种天候收获的谷物含水率都是非常高，造成湿谷来不及晒干或无法达到安全水份，因而产生霉变发芽。湿谷没有抢鲜干燥，除了经济上的损失，谷物会产生黄曲霉，黄曲霉的毒性非常强，可引起肝的癌变,严重危害人民的健康。所有谷物只要含水率过高，都有可能会产生黄曲霉。如果可以马上进行干燥，就能抢救谷物免于霉变发芽，杜绝黄曲霉产生，所以抢鲜将谷物干燥到安全的含水率是储粮安全的首要条件。由于人工晒谷的局限性，无法解决及时干燥谷物和保证谷物高质量的问题，难以面对国内对谷物质量的需求及国外市场的竞争。据估计我国农户收割后及储粮损失率在8%10%，每年损失粮食超过150亿公斤，损失高达300-600亿元。相对于人工晒谷，机械化干燥不但不怕阴雨天，整个干燥过程的质量都是科学化自动监控的。全面推广干燥机械化，配合低温均匀干燥的技术，生产出的优质米就可高价外销世界各地，创收外汇。不但不用担心进口大米的竞争，还可享受出口优质大米带来的收益。现今欧、美、日等发达国家都全面采用干燥机械化，谷物质量都很高，所以谷物干燥机械化是必走之路。3.3 干燥技术有以下几种：1 、对流干燥法对流干燥法作为最常用的谷物干燥方法，它是将加热的空气或气流与冷空气的混合气以对流的方式接触物料，从而进行执交换。蒸发出来的水分则被干燥介质（空气等）带走。这种方法的主要特点是干燥介质的温度和湿度容易被控制，可避免物料发生过热现象（过干燥）而降低其品质。国内外企业中，上海的三久公司和日本的金子公司生产的干燥设备大多是采用对流干燥方法。2、吸收干燥法吸收干燥法是利用常温接触的干燥工艺进行干燥的方法。它一般采用两种方法，一是湿的谷物和谷糠（含水率2%-3%）进行混合贮存，实现对湿谷的干燥；另一种方法是湿谷和干谷（含干率为12%-14%）进行混合贮存，然后再对谷物进行通风，实现对谷物的干燥。吸收干燥法的优点明显，用这种方法进行干燥时不需要谷物临时贮藏设备及配备大型风机，不用加热谷物，而且，每一次接触干燥，湿谷中的水分向谷糠中转移的过程大约需6小时左右完成，节省了干燥时间。3、仓式干燥法这种干燥方法是一种经济、有效地处理各种高水分谷物的科学手段。它不仅可以改善工作条件，克服外界环境的制约，同时具有设备简单、投资少、可与现有仓储机械通风系统联网配套使用，干燥粮食品质好，处理费用低等优点。4、联合作业干燥法联合作业干燥法是把传统的干燥方法进行纵使考虑，联合作业进行干燥的方法。这种方法是通过控制谷物的干燥速度和通风的气流的速度进行干燥。美国福特斯公司采用烘干通风干燥法对谷物进行干燥。用顺流逆流组合干燥方法对谷物进行干燥在德国广泛应用。5、微波干燥法如果物料的初始含水率很高，物料内部的压力非常快地升高，则水分可能在压力梯度的作用下从物料中排除。微波干燥过程中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件，当然要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内向外的干燥特点。即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就克服了在常规干燥中因物料外层首先于干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的特点。6、红外干燥法它是利用物料吸收有一定穿透性的远红外线使内部自身发热、湿度升高导致失水，具有保质、干燥快和节能等特点。但由于远红外干燥作业靠较高温度的远红外辐射板辐身大量远红外线来工作，整个干燥室必存在温度和物料失水的不一致，易导致箱体内各处温度分布、物料水分含量差异进行研究，其结论将对远红外干燥设计、干燥工艺参数选择具有指导意义。3.4 谷物干燥机的设备与组成谷物干燥设备有很多种，他们的原理和操作方法各不相同，用途也有所差异。这里我们先来介绍两种应用不同方式进行谷物干燥的干燥机。1、箱式通风干燥机箱式通风干燥机，属于静置式干燥机。它由燃烧室和干燥室组成。其中，燃烧室包括控制箱，热风机，油箱。干燥室包括热风室，网板，箱板。箱式通风干燥机结构简单，价格相对比较低，并且操作简单，是一种通用型的干燥机。适合用来干燥谷物的种子和各种颗粒状物品，如花生，辣椒，蒜头，咖啡等。2、循环式干燥机循环式干燥机，是日本、东南亚以及我国最广泛使用的干燥机。循环干燥机主要由大漏斗，热风机，油箱，电脑水份计，升降机，排风机，仓库层，出谷管组成。第四章：自动控制系统设计4.1 谷物烘干工艺流程谷物水分达标打包高水分谷物排粮管谷物水分不达标干燥仓调质仓提升机进料斗上绞龙 排粮轮下绞龙图3.1（谷物烘干工艺流程） 说明：谷物从进料斗进入后，在提升机里面由水分检测仪，如果水分检测仪监测没有达标，则通过提升机进入到上绞龙，调质仓，进入干燥仓烘干，再通过排粮轮和下绞龙进入提升机，再次检测，如还不达标，则继续循环，反之则进入排粮管后打包，流程结束。 4.2 系统软件设计4.2.1程序框图PLC梯形图是根据继电器控制电路图来设计的, 它与电气原理图相对应。助记符评议, 也称为命令语句表达, 与汇编语言非常近似, 每个控制功能由一个或多个语句组成的用户程序来执行, 每条语句是规定CPU如何动作的指令,其作用和微机的指令一样, 而且PLC的语句也是由操作码和操作数组成的。PLC是以扫描方式从左到右, 从上到下的顺序执行用户程序, 扫描过程按梯形图梯级顺序执行, 上一个梯级的结果是下一梯级的条件。一个工程问题可分解成多个相对独立的小问题, 最后形成一个完整的系统。谷物烘干机的热风循环自动控制部分的程序框图, 如图所示。系统主要有谷物水分检测和燃烧机的控制。水分检测每隔一定时间要进行, 将检测到的谷物水分与给定值比较,如果检测谷物水分不大于谷物水分给定值, 则控制燃烧机熄火, 反之则控制燃烧机点火燃烧。启动上绞龙，提升机启动风机启动下绞龙启动不小于给定值谷物水分给定值燃烧机点启动火 燃烧机熄火启动结束图3.3（ 热风循环自动控制部分程序框图） 4.2.2系统梯形图设计图3.4（梯形图）图3.5 （梯形图续图1）4.2.3 系统STL语句图3.7（STL语句）图3.8（STL语句续）4.2.4 元素清单 图3.12（元素清单）第五章：硬件设备5.1 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 5.2 CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在这里我们将系统选择为CPU224（14入/10出继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM235(4AI/IAO)。整个PLC系统的配置如图2.2所示。 主机单元CPU224AC/DC继电器模拟量单元EM 2354AI/IAO 图5.1(CPU配置图) 所有输入点用24V电源公用一个公共点（0V点），且无须外部提供24V电源。对继电器输出分别提供4个公共点，各个公共点间相互独立，提供4个独立的输出通道，对应有隔离要求的输出控制。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 5.3 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 PLC 对输入/输出定义号采用分别编号的原则进行定义号分配，输入信号点用I 表示，输出信号用Q表示，其中输入从I0开始依次分配，见表1，输出从Q0开始依次分配，见表5.2。 表5.1（输入信号分配表）编号输入定义号输入信号1I0.0进料按钮2I0.1通风循环按钮3I0.2热风循环按钮4I0.3急停按钮5I0.4提升机，上绞龙启动按钮6I0.5风机启动否7I0.6下绞龙启动否8I0.7排粮轮启动否9I1.0谷物水分检测10I1.1表5.2（输出信号分配表）编号输出定义号输出信号1Q0.0提升机，上绞龙启动2Q0.1风机启动3Q0.2下绞龙启动4Q0.3排粮轮启动5Q0.4燃烧机（点火）启动6Q0.5谷物水分达标报警5.4 统机型选择与配置系统选用SM-16R PLC，其中10点DC24V输出，6点继电器输出，AC85V-264V电源，如图2所示。ABFG+24V0VI1.1I1.0I0.7I0.6I0.5I0.4I0.3I0.2I0.1I0.0SM-16RAc1Ac2FGQ0.5Q0.4Q0.3C3Q0.2C2Q0.1C1Q0.0C0图5.2（ SM-16R端子台分配表） 所有输入点用24V电源共用一个公共点（0V点），且无需外部提供24V电源。对继电器分别提供4个公共点，公共点间相互独立，提供4个独立的输出通道，对应有隔离要求的输出控制。每台故去烘干机有1只水分检测器，1只数显表。总的输入点为开关量9点，模拟量1点，输出点为开关量6点。其电路及接口如下：1. 主控制电路图5.3（谷物烘干机主电路图）2.系统控制电路图5.4（系统控制电路图）3.PLC外围设备连接图5.5（外围设备接口）5.5 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 5.6 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 5.7 PLC系统的其它设备 1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 5.8 PLC的通信联网 依*先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显着，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。收获与结论这次PLC课程设计历时两个 多星期，在整整两个多星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对PLC的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在编写顶层文件的程序时，遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，以及信号的定义，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里终于舒了一口气。在波形仿真时，也遇到了一点困难,想要的结果不能在波形上得到正确的显示:在设定输入的时钟信号后，计时器开始计数，但是始终得不到想要的结果。后来，在多次的调试之后，才发现是因为输入的时钟信号对于器件的延迟时间来说太长