毕业论文基于PLC脱盐水控制系统的设计与实现.doc

沈阳理工大学应用技术学院毕业设计 题 目： 基于PLC脱盐水控制系统的设计与实现 院 系： 信息与控制学院 专 业： 自动化 班级学号： 10303135 学生姓名： 魏佳 指导教师： 成 绩： 年 月 日目 录1 系统方案设计11.1 设计任务要求11.2 硬件方案设计21.3 软件方案选择22 脱盐水系统控制部分设计32.1 脱盐水控制系统的硬件选择32.1.1 PLC选型42.1.2 基于PLC的脱盐水控制系统的外围设备选型42.2 基于PLC的脱盐水控制系统的控制电路设计52.2.1 基于PLC的脱盐水控制系统原理图52.2.2 I/O地址分配6 2.2.3 控制系统流程图.63 脱盐水控制系统软件设计83.1 基于PLC的脱盐水系统控制程序设计83.2 基于PLC的脱盐水系统组态监控设计103.3 基于PLC的脱盐水系统组态通信12参考文献15附录A PLC程序图16附录B 组态画面19附录C 组态程序.23沈阳理工大学应用技术学院本科毕业设计1 系统方案设计 脱盐水系统现在被广泛应用于发电、医药、化工等工业生产系统。脱盐水站的环境一般比较恶劣、较潮湿、操作比较分散。以前，采用的是手动操作操作麻烦，出现故障不易及时被发现;给工业生产带来了很多麻烦，影响生产的安全性和统筹性。现代社会，会使用性能比较高的PLC和稳定性比较强的监控软件组成控制系统，做为信息的采集、控制回路、自动化运行以及运算的主要设备可以实现脱盐水处理工艺流程的实时检测、控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求1。1.1 设计任务要求 开始时，脱盐水系统处于停止状态。 当按下启动按钮时，启动灯应亮起，原水箱开始放水。 经管道进入预处理系统，预处理进行，预处理进行粗过滤。预处理结束后，水自动流入保安过滤器，保安过滤器开始工作，去除水中浮沉等漂浮物。 保安过滤器工作结束后，一级泵自动打开，将水导入阳床，阳床工作去除水中阴离子。 阳床工作完成后，水进入阴床进行反应，去除水中阳离子。 阴床反应结束后，二级泵自动打开，将水导入混床进行终极反渗透处理。 混床处理结束后，水自动流入终端水箱，脱盐水处理结束，等待下一批水处理。1.2 硬件方案设计 脱盐水自动控制系统的电源采用了380V的三相电源来驱动一级水泵和二级水泵的运转，其中KM为接触器，FU可以避免电路发生短路或者过载现象，使电路可以通电和断开。根据脱盐水控制系统的要求，选用合适的硬件和外网设备，按照要求画出以下原理图。如图1.1。 图1.1 脱盐水系统拖动图1.3 软件方案选择 高可靠性是电气控制设备的最重要性能。 现代的PLC采用了大规模的集成电路，生产技术的制造是非常严格的，它的内部电路用的是全球最先进的抗干扰技术。例如三菱公司生产的F系列的PLC，它的无故障时间平均可以达到30万小时。从PLC的外部电路看，采用PLC构成控制系统，与同等规模的继电接触器系统相比，电路的接线与开关可以缩减数百倍，系统故障率也就会大大减少。而且，PLC有硬件故障自我检测功能，出现故障的时候会立即发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了2。 配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小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，现代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。近年来PLC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。 易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，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。采用的梯形图电路表示方法和继电器电路图是非常近似的，简单明了，它采用少量的元器件就可以实现继电器电路的全部功能。 系统的设计、建造工作量小，维护方便。PLC采用的是存储逻辑，这样从很多方面都会减少设备外部的线路，从而系统的设计建造就会缩短时间，同时维护也非常简单。同一设备只要经过改变程序就可以改变生产过程已经实现。这很适合多品种、小批量的生产场合3。对于系统的显示监控方面，本次设计选用了组态，组态王是亚态公司的产品，它是一种非常常用的工业自动化软件。经过了多年的真是环境考验和现场运行，现在的组态王已经成为国内组态软件的客户的首选，广泛应用于各大领域。它具有工程管理、画面制作系统、报警报表系统、全面支出OPC标准。可以与PLC进行同步通信和模拟，是通用组态软件开发的程序，当用户需求发生变化时，不需要大量工程就可以方便快捷的进行维护升级，具有良好的延续性和可扩充性。对于用户来说，不需要掌握很多编程语言技术就能很好完成工程所要求的功能，具有良好的易学易用性。组态王具有强大的通讯能力，可以与常用的I/O设备直接进行通讯，包括：PLC、智能模块、板卡、智能仪表等。也可运行在EtherNET网络结构和TCP网络协议上。PC机可以直接有效的参与现场控制作为网络服务器，其他站点作为客户机，可共享服务器中的数据4。2 脱盐水系统控制部分设计2.1 脱盐水控制系统的硬件选择2.1.1 脱盐水控制系统的PLC选型欧姆龙公司的PLC产品门类齐、型号种类多、适应范围广、功能强大。他结构比较灵活，不会受到一些外在环境的限制，可以扩展接入端口的数量，使资源得到了有效的利用。而且欧姆龙的PLC的传输质量比较高，带宽非常稳定，它的14Mbps足以保证信息稳定流畅的传输。而且可以接入因特网，也可以接受电视频道的节目。成本比较低，可以充分的运用低压配电网络，节省人力时间资源，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性非常强。在一般的工业控制系统中，小型PLC机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC都能够满足需求。依据本设计要求需要12个输入，16个输出，考虑到日本欧姆龙公司在中国小型PLC领域的领先优势以及经济因素等原因，在本设计中的控制系统，选择欧姆龙公司生产的CP1H-XA40DR-A型PLC进行设计。CP1H机型在工作速度、功能扩展能力、高速计数器功能、高速脉冲输出控制功能、快速响应功能、通信连网功能等方面都有大幅提升。通常PLC的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入PLC。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC自身的电源提供5。2.1.2 脱盐水控制系统的外围设备选型 通讯模块：欧姆龙CP1H PLC和上位PC机采用USB端口连接， 欧姆龙CP1H PLC的串行通信口RS-232C/RS-422A/485选件板可以与组态王之间实现同步通信要求，从而对系统可以进行实时监控。 水泵电机：采用华翔Y76三相异步电机，功率为18.5KW，启动力矩相对较小，采用了通过改变拖动电机转速的方法来调节水泵与风机流量大小。本次设计将其安装在一级泵和二级泵上面，在保安过滤器工作完成后将粗过滤的水引入阳床，将一级水箱的水引入混床，高效节能，可大幅的提高系统运行效率，降低成本6。 液位传感器：采用PY201液位传感器，本产品采用进口的扩散硅感压芯片，先进贴片工艺，抗冲击、耐疲劳、可靠性高，量程为0-0.5M，而且结构小巧，安装方便。本次设计，将其分别安装在阳床、阴床、混床的再生液罐上，测量再生液是否够用，如果页面下降，传感器立刻启动反洗开关进行反洗和配置新再生液。2.2 脱盐水控制系统的控制电路设计2.2.1 脱盐水控制系统原理图根据了脱盐水自动控制系统的画出脱盐水控制系统的原理图，PLC的电源为220V的交流电源，启动停止按钮和各个开关采用24V直流电源接入PLC输入端，使系统可以清晰体现出脱盐水的各个输入输出接点。PLC的控制系统原理图如图2.1所示7。 图2.1 PLC控制系统原理图 2.2.2 I/O地址分配 PLC I/O就是指I/O接口芯片通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，简单得说，就是CPU分配I/O接口地址，当I/O接口有中断命令时再传给CPU进行相应控制，这次的设计含有7个输入点，12个输出点，根据系统的输入/输出点数的总和和PLC的性能决定使用的为CP1H-XA40DR-A型PLC，I/O分配地址如2.1所示。 表2.1 系统I/O分配表序号输入地址序号输出地址1启动0.001启动灯100.002停止0.012预处理100.013预处理完成0.023保安过滤器100.024保安过滤器完成0.034一级泵100.035阳床工作完成0.045阳床工作100.046阴床工作完成0.056阴床工作100.057混床工作完成0.067一级水箱储水100.068二级泵100.079混床工作101.0010终端水箱储水101.0311反洗101.0112配再生液101.022.2.3 控制系统流程图 根据设计要求，绘制工作流程图如图2.3所示。图2.3 脱盐水流程图3 基于PLC的脱盐水控制系统软件设计根据工业脱盐水系统的实际运行过程进行程序的编写，在此程序中脱盐水系统的运行顺序必须和工业生产实际过程一致，保证设计的软件程序在运行中不能出现任何错误，程序的每一个步骤都必须和工业生产的步骤一一对应，准确无误。 软件程序设计时的基本原则为以下几点： 系统软件程序应该简单明确，减少冗长的语句，实现生产要求，降低成本，便于维护。 程序编写执行在时间上要求和工艺生产严格一致，不能有丝毫的延迟。 工业生产的每一步骤都应完全实现，紧急停止系统应该完善。3.1 基于PLC的脱盐水系统控制程序设计 图3.1 脱盐水运行梯形图 当系统开始工作时按下开始按钮0.00时，开始灯辅助继电器w0.00通电，开始灯辅助继电器w0.00通电后会带动开始灯100.00亮，将会显示在PLC控制柜上。开始灯辅助继电器w0.00通电后也使得预处理辅助继电器w0.01和定时器0000通电，定时器0000计时5s后T0000通电，T0000通电带动预处理辅助继电器w0.01和预处理100.01断电，这时保安过滤器辅助继电器w0.02和计时器0001则被通电，保安过滤器辅助继电器w0.02带动保安过滤器100.02通电，系统进行保安过滤。计时器0001计时满5s后T0001通电，保安过滤器辅助继电器w0.02和保安过滤器100.02断电，一级泵辅助继电器w0.03通电，带动一级泵100.03工作，即系统开始通过一级泵向阳床送水，同时阳床辅助继电器w0.04通电，计时器0002开始计时，阳床处于去除水中阴离子工作状态。如图3.1所示。 图3.2 脱盐水运行梯形图T0002带电，使阳床辅助继电器w0.04和阳床工作100.04停止工作。带动反洗继电器w0.05通电和反洗101.01通电，计时器开始计时，5s后，反洗计时器T0003通电，则反洗继电器w0.05和反洗101.01断电，同时配再生液继电器w0.06和配再生液101.02通电，计时器开始计时，3s后，配再生液计时器T0004通电，则配再生液继电器w0.06和配再生液101.02断电。T0002通电使得阴床辅助继电器w0.07通电，计时器0005开始计时，阴床处于去除水中阳离子工作状态。如图3.2所示。 图3.3 脱盐水运行梯形图 当T0010通电后，带动反洗继电器w0.14通电和反洗101.01通电，计时器开始计时，5s后，反洗计时器T0011通电，则反洗继电器w0.14和反洗101.01断电，同时配再生液继电器w0.15和配再生液101.02通电，计时器开始计时，3s后，配再生液计时器T0012通电，则配再生液继电器w0.15和配再生液101.02断电。终端水箱储水辅助继电器w0.16和终端水箱储水101.00通电，系统工作完成。如图3.3所示。3.2 基于PLC的脱盐水控制系统组态监控设计图3.4 脱盐水组态运行图 当试验按下模拟组态的启动按钮时，组态中脱盐水的会亮起启动灯，表示系统已进入运行状态，同时组态中的其它设备元件处于初始准备状态。之后预处理系统会对原水箱的水进行预处理，然后保安过滤器会进行过滤，一级泵会将过滤后的水导入阳床阳床进行对水质去除阴离子。如图3.4所示。图3.5 脱盐水组态运行图 当系统中二级泵将一级水箱的水经过管道导入混床中，之后混床开始工作，进行去除水中混合离子，对水质进行最后的深度处理工作状态。如图3.5所示。3.3 基于PLC的脱盐水控制系统组态通信 对于脱盐水控制系统完成了PLC的程序设计和组态的运行设计之后，要将两者的运行步骤和时间完全一一对应，然后才能将PLC和组态进行同步通信，达到生产工艺要求。分为以下几步：1、新建PLC程序新建PLC程序时，选择PLC的网络类型中设定参数为SYSMAC WAY。如图3.6所示。 图3.6 组态通信PLC设置图2、新建组态王设备选择新设备为欧姆龙生产的CJ1，通讯方式选为HostLink。如图3.7所示。 图3.7 组态通信设备安装向导设置图3、组态王串口的参数的设置设置串口COM1波特率为9600，奇偶校验为偶校验，通信方式为RS232。如图3.8所示。 图3.8 组态通信串口设置图 4、新建I/O变量 在组态王中选择I/O变量的新建，查看效果8。 参考文献1冯敏现代水处理技术M北京：化学工业出版社，2006，03：4-52苏淦万提高PLC可靠性抗干扰措施J能源与环境，2004，04：62-643廖常初可编程序控制器的编程方法与工程应用M重庆：重庆大学出版社，2001，06：22-254李红萍工控组态技术及应用M西安电子科技大学出版社，2011，08：12-145刘洪涛PLC应用开发从基础到实践M北京：电子工业出版社，2007，05：08-126叶英齐工艺用水处理技术M上海科学普及出版社，2004，03：22-257李福勤工艺用水处理设施设计计算J黑龙江科技信息，2008，26：2378韩晓新从基础到实践-PLC与组态王M机械工业出版社，2011，8：239附录A PLC程序图附录B 组态画面图B1 组态脱盐水初始状态图图B2 组态脱盐水预处理图图B3 组态脱盐水保安过滤器图图B4 组态脱盐水阳床工作图图B5 组态脱盐水阴床工作图 图B6 组态脱盐水一级水箱储水图图B7 组态脱盐水混床工作图图B8 组态脱盐水终端水箱储水图附录C 组态程序if(本站点开关=1)if(本站点水箱原0)本站点水箱原=本站点水箱原-10;本站点流动1=1;if(本站点水箱原=0&本站点a10)本站点流动1=0;本站点预处理=1;本站点a=本站点a+1;if(本站点a=10&本站点b10)本站点预处理=0;本站点流动2=1;本站点保安过滤器1=1;本站点b=本站点b+1;if(本站点b=10&本站点c50)本站点流动2=0;本站点保安过滤器1=0;本站点泵1=1;本站点阳床=1;本站点阳床酸液量度=本站点阳床酸液量度-5;本站点c=本站点c+1;if(本站点c=10&本站点d10&本站点阳床酸液量度=50)if(本站点f10)本站点阳床=0;本站点泵1=0;本站点流动4=1;本站点d=本站点d+1;本站点阴床=1;本站点阳床反洗阀门1=1;本站点f=本站点f+1;本站点阴床酸液量度=本站点阴床酸液量度-5;if(本站点f=10)本站点阳床反洗阀门1=0;本站点阳床酸液量度=本站点阳床酸液量度+10;if(本站点d=10&本站点一级水箱10