PLC在化学水处理系统中的应用设计.doc

I 摘 要 可编程序控制器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 对提高设备的运转率起到了重要作用 随着时间的推移 PLC 已经不再 局限于最初世纪的逻辑和顺序控制领域 越来越多的 PLC 产品向着满足更多更复 杂的控制要求迈进 随着现场总线和工业以太网技术出现和推广 可编程序控制 器的应用日益普及 PLC 在电厂锅炉控制系统中的应用也比较广泛 如 PLC 在化 学水处理系统中的应用 PLC 在锅炉定期排污系统中的应用 PLC 在汽轮机凝汽 器胶球清洗系统的应用 PLC 在给水泵起 停控制中的应用 PLC 在炉膛安全保 护监控系统中的应用 随着 PLC 的生产和发展及其显而易见的优点 电厂化学水 处理系统成了电厂中应用 PLC 进行程序控制最早 最广泛的辅助系统 电厂化学 水处理包括锅炉补给水处理 凝结水处理和废水处理 其目的在于预防热力设备 结垢 腐蚀和结盐 确保可靠生产 并尽量做到节水和控制环境污染 考虑到锅 炉补给水处理和凝结水处理的工艺流程大致相似 本课题就主要针对 PLC 在锅炉 补给水系统中的应用设计 以实现对化学水处理的自动化控制 降低生产成本提 高生产效率 关键词 电厂水处理 锅炉补给水处理 凝结水处理 controllogixPLC II ABSTRACT The programmable controller is designs the manufacture for the industrial control application the special purpose computer control device to raised equipment s service factor to play the influential role With the lapse of time PLC already no longer limited to initial century logic and the sequential control domain more and more PLC products turn toward satisfy the more complex control requests to make great strides forward Appears along with the field bus and the industry ethernet technology and promotes more powerful promotion PLC product in industrial field widespread use PLC is also quite widespread in the power plant boiler control system s application like PLC in boiler regular pollution discharge system s application PLC in chemistry water disposal system s application PLC in steam turbine water recovery condenser rubber ball clean system s application PLC in the feed pump gets up stops in the control the application PLC in chamber safekeeping of security supervisory system s application Along with the PLC production and the development and the obvious merit the power plant chemistry water disposal system became in the power plant to carry on the programmed control using PLC most early the most widespread servosystem The power plant chemistry water treatment including the boiler supplies water treatment the congealment water treatment and the wastewater disposal its goal lies in the prevention thermal energy equipment scaling the corrosion and ties the salt guarantees the reliable production and achieves saving water and the control environmental pollution as far as possible Considered the boiler supplies water treatment and the congealment water treatment s technical process is approximately similar this topic mainly aims at PLC in the boiler supplies aqueous system s application design Realizes to chemistry water treatment automated control cuts the production cost enhancement production efficiency Key words water treatment of electric power plant boiler supply water and condensed water treatment controllogixPLC 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1 1 绪论绪论 1 1 11 1 序言序言 1 1 21 2 PLCPLC 的国内外状况及未来展望的国内外状况及未来展望 1 1 2 1 PLC 的国内外状况 1 1 2 2 PLC 的未来展望 2 1 31 3 化学水处理工艺流程简介化学水处理工艺流程简介 3 1 41 4 罗克韦尔罗克韦尔 PLCPLC 概述及其特点概述及其特点 4 1 4 1 罗克韦尔 PLC 概述 4 1 4 2 罗克韦尔 PLC 的特点 4 1 51 5 电厂化学水里的发展趋势电厂化学水里的发展趋势 5 2 2 工艺控制工艺控制 7 2 12 1 PLCPLC 在锅炉补给水系统中的应用在锅炉补给水系统中的应用 7 2 1 1 工艺流程 7 2 1 2 控制要求 10 2 1 3 程序设计 11 3 3 PLCPLC 硬件设计硬件设计 12 3 13 1 PLCPLC 机型的选择机型的选择 12 3 23 2 PLCPLC 机架的选择机架的选择 13 3 33 3 PLCPLC 的的 CPUCPU 选择选择 13 3 43 4 电源模块的选择电源模块的选择 14 3 53 5 I OI O 模块的选择模块的选择 15 4 4 PLCPLC 软件设计软件设计 17 4 14 1 编程软件选择编程软件选择 17 4 1 1 选择编程软件 17 4 1 2 rslogix5000 编程软件硬件配置 17 4 24 2 CONTROLLOGIXCONTROLLOGIX PLCPLC 系统编程软件系统编程软件 17 4 2 1 rslogix5000 编程软件功能简述 17 4 2 2 rslogix5000 软件的安装步骤及操作界面介绍 18 4 2 3 题目设计用的主要指令介绍 19 4 34 3 程序框图的设计程序框图的设计 20 4 44 4 编写程序 见附录编写程序 见附录 A A 26 结结 论论 27 参参 考考 文文 献献 28 附录附录 A A 锅炉补给水处理系统的设计程序 锅炉补给水处理系统的设计程序 29 附录附录 B B 锅炉补给水处理系统的锅炉补给水处理系统的 I OI O 地址分配表地址分配表 42 致致 谢谢 44 1 1 绪论 1 1 序言 随着科学技术的发展 电气控制技术在各领域中得到越来越广泛的应用 可 编程控制器 PLC 的应用使电气控制技术发生了根本的变化 PLC 是以微处理器 为基础 综合了计算机技术 半导体技术 自动控制技术 数字技术和网络通信 技术发展起来的一种通用工业自动控制装置 PLC 以其可靠性高 灵活性强 使 用方便的优越性 迅速占领了工业控制领域 从运动控制到过程控制 从单机自 动化到生产线自动化乃至工厂自动化 从工业机器人 数控设备到柔性制造系统 FMS 从集中控制系统到大型集散控制系统 PLC 均充当着重要角色 并展现 出了强劲的态势 PLC 作为先进的 应用势头最强的工业控制器风靡全球 PLC 技术是电气控制技术中的一朵奇葩 经过 30 多年的发展 PLC 已形成了 完整的工业控制器产品系列 其功能从最初的主要用于替代继电 接触器控制的 简单功能 发展到目前的具有接近于计算机的强有力软硬件功能 PLC 用于包括 逻辑运算 数值运算 数据传送 过程控制 位置控制 高速计数 中断控制 人机对话 网络通信等功能的控制领域 罗克韦尔PLC即是由罗克韦尔公司自主研发的可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置 罗克韦尔 PLC因为有其广泛的兼容性 在工业控制领域中已经得到了广泛应用 由于PLC在 顺序控制中有着其自身的优点 同时加快了实现工业生产中自动化控制的进程 1 2 PLC 的国内外状况及未来展望 1 2 1 PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司 DEC 研制的 限于当 时的元器件条件及计算机发展水平 早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成 电路组成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20世纪70年代初出现了 微处理器 人们很快将其引入可编程控制器 使PLC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 为了方便熟悉继电器 接触器系统的工程技术人员使用 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形 图作为主要编程语言 并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名 此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 20世纪70年代中末期 可编程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 2 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 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛 应用 这个时期可编程控制器发展的特点是大规模 高速度 高性能 产品系列 化 这个阶段的另一个特点是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世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 从控 制规模上来说 这个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了 各种各样的特殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配套能力来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控 制器的工业控制设备的配套更加容易 目前 可编程控制器在机械制造 石油化 工 冶金钢铁 汽车 轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 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 1 2 2 PLC 的未来展望 21 世纪 PLC 会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多地 应用于可编程控制器的设计和制造上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能 更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展 从产 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 通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从市场上看 各国各自生产多 品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会出现少数几个品牌垄断国际市 场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程控制器 和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向 目前的计算机集散控制系统 DCS Distributed Control System 中已有大量的 可编程控制器应用 伴随着计算机网络的发展 可编程控制器作为自动化控制网 络和国际通用网络的重要组成部分 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越 大的作用 3 1 3 化学水处理工艺流程简介 电厂化学水处理包括锅炉补给水处理 凝结水处理和废水处理 其目的在于 预防热力设备结垢 腐蚀和结盐 确保可靠生产 并尽量做到节水和控制环境污 染 化学水处理的方法主要是离子交换法 即利用离子交换树脂将水中溶盐的离 子吸收 经过一定时间的运行以后 离子交换树脂会失效 这时就需要停止运行 对树脂进行再生 还原 以便使树脂可以重新使用 为了保证不间断地供水 电厂的化学水处理车间设有多组离子交换器 轮流进行再生 锅炉补给水系统的 意图如图1所示 该系统由两系列的阳床 阳离子交换器 除碳器中间水箱 阴床 阴离子交换器 混床 混合离子交换器 除盐水箱等大小20多台设备 组成 化学水处理系统流程为 自来水 蓄水池 升压泵 单流式过滤器 活性 炭过滤器 阳离子交换器 除二氧化碳器 中间水箱 中间水泵 阴离子交换器 混合离子交换器 除盐水箱 除盐水泵 程控系统控制工艺流程中的各个阀门 水泵和风机 根据运行时间选择 1系列或 2系列运行 在工艺模拟图板上显示出 工艺流程的实际流向 并反映阀门 水泵和风机的运行状态 锅炉补给水和凝结 水处理和废水处理的工艺流程大致相似 这里介绍PLC在锅炉补给水系统中的应 用 1 系统程序流程框图 图 1 锅炉补给水系统的示意图 1 系列 2 程控装置的控制范围和运行方式 4 根据运行要求 程控装置需控制两个系列的阳床 阴床 混床的投运 停运 和再生 其运行方式分为 1 系列运行 2 系列再生和 2 系列再生和 2 系列运行 1 系列再生 点动时按编制的程序进行操作 用点动按钮进行转步 自动时 按 操作人员发出的启动指令 由事先设定的时间自动转步 全部程序执行完毕后 装置自动复零 1 4 罗克韦尔 PLC 概述及其特点 1 4 1 罗克韦尔PLC概述 罗克韦尔PLC即是由罗克韦尔公司自主研发的可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置 在1987年国 际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的PLC标准草案中 对PLC做了如下定义 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 1 4 2 罗克韦尔PLC的特点 基于contrllogix平台的logix5550处理器模块可以为工业控制提供一种最新 的而且具灵活性的完整控制方案 1 完美结合 Contrllogix系统与现有基于plc系统之间完美结合 与现有网络完美结合并 可以实现信息的透明化 与其他网络上的处理器之间完美结合 2 模块化 Contrllogix系统的模块化的I O 内存及通讯接口为用户提供了一种既可以 根据需要灵配置所需的I O数量 内存容量以及通讯网络 以后当用户需要进一 步扩展系统时 可随时添加I O 内存及通讯接口 3 可带电插拔 Contrllogix系统允许用户带电插拔系统中的任何模块 而不对模块造成损 坏 这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块 4 高速传送 Contrllogix系统可以在网络之间 网络的链路之间以及通过背板之间实现 信息的高速传送 5 高强度工业环境平台 Contrllogix系统采用特殊设计的高强度工业硬件平台 从而可以耐受震动 5 高温以及各种工业环境下的电气干扰 6 小型化 硬件采取小型化设计适用于有限的配电盘空间 7 多个logix5550处理器模块共存 Controllogix允许多个logix5550处理器模块插在同一块背板上 高速度的 背板使每个处理器都可以轻而易举的访问其他处理器的数据 从而实现I O数据 及其他信息的共享 8 分布式处理 通过Ethernet Contronet 和devicenet网络将处理器连接起来 可以实现分 布式处理 9 分布式I O 通过Contronet 和devicenet以及普通的RemoteI O链路既可以将远离处理 器的分布式I O连接起来 10 运动控制 logix5550处理器具有完整的运动控制功能 通过高速的背板 处理器可与 伺服接口模块进行通讯 从而实现高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制 logix5550处理器内部含有运动命令 这些命令支持各种运动功能 从简单的点 对 点运动到复杂的齿轮运动 同样的RSlogix5000编程软件除了为顺序控制提供 梯形图编程外 还可以为运动提供完整的编程及调试支持 这种方法可大大加快 开发和集成速度 并使得启动和故障诊断更容易 1 5 电厂化学水里的发展趋势 电厂化学水处理包括锅炉补给水处理 凝结水处理和废水处理 其目的在于 预防热力设备结垢 腐蚀和结盐 确保可靠生产 并尽量做到节水和控制环境污 染 化学水处理的工艺流程十分复杂 以往都采用继电器进行程序控制 因安装 接线复杂 程序修改困难 维护量大 以及设备老化等原因 使得其可靠性差 投运率较低 为了改善上述利用继电器控制存在的缺陷 应用PLC进行程序控制 PLC具有高可靠性 编程方便 易于使用 环境要求低 与其他装置的配置连接 方便 鉴于PLC有上述优点 所以PLC用于化学水处理系统中 可以有效地解决上 述存在的问题 锅炉补给水控制系统的发展趋势是纳入辅助DCS行列 众所周知 一个电厂 有10几个辅助车间 每个车间都设一个控制室 采用PLC实现顺序控制 值班人 员多达100 200人 不少电厂辅助车间实际达到的自动化水平不高 随着大中型 国营企业改革逐步到位 许多企业己经意识到 一年就可以减少近千万元的支出 6 目前新建工程已经迅速朝这个方向发展 对于老电厂 他们在自动化改造时 除 少数电厂外 目前大多还只在提高单元机组自动化水平上下功夫 辅助车间自动 化改 造还没有提到议事日程上来 这主要是因为它将引起更大规模的下岗压力 相信 我国大中型国营企业改革基本完成之日 必将是老厂辅助车间进行上述自动化改 造之时 补给水控制系统作为辅助车间的一部分 也必将加入辅助车间高度集中控制 的行列 实现水处理 输煤 除灰 渣 尘 空调和环保监测等辅助车间及辅助 系统以及远动和网络控制的计算机化和网络化 随着FCS 现场总线控制系统 逐 渐成熟和推广应用 顺控系统结构 功能和应用范围也会发生变革 因此机遇和 挑战并存 把握机遇并采取积极 谨慎的态度 积极吸收和利用现有的新技术 新软件 就能使大型火电机组辅助车间顺控系统的改进和完善走出新路子 使机 组控制的自动化水平达到一个新的高度 7 2 工艺控制 2 1 PLC 在锅炉补给水系统中的应用 火力发电厂热力系统水汽循环过程中 由于各种水汽损失 必须向锅炉补给 水 凝汽式电厂的锅炉补给率较低 向用户供热的热电厂的补给率较高 锅炉补 给水的水源大多为淡水 如江河 湖泊和水库的地表水或井 泉的地下水 进人 20 世纪 80 年代以来 由于水资源短缺 海水和市政 工厂的废水成为新增的两 种水源 并日益受到重视 无论采用上述哪种水源 由于都含有各类杂质 在进 人热力系统前 必须进行水处理 锅炉补给水处理方式的选择与锅炉参数 受热 面的热强度 原水水质和出水水质要求等因素有关 高参 数机组的锅炉补给水 几乎都采用各种组合的化学除盐方式 制备成高纯水 中 低压锅炉的补给水多 采用 各种离子交换或其它方法处理的软化水 水在进人离子交换设备前 都要 进行预处理 去除原水中的悬浮物 和有机物等 电厂化学水处理又包括锅炉补给水处理 凝结水处理和废水处理 电厂锅炉 补给水通常要求较高的水质 常用的工艺处理方法是通过一定的预处理去除水中 的悬浮物 胶体 有机物等 在通过离子交换的方法去除水中的盐离子 由于 PLC 的高可靠性 灵活性强 使用方便等优点 目前已在该领域得到广泛应用 2 1 1 工艺流程 水处理系统工艺流程如下 自来水 原水箱 原水泵 单流式过滤器 阳离子交换器 除二氧化碳器 中间水箱 中间水泵 阴离子交换器 混合离子交换器 除盐水箱 除盐水泵 1 单流式过滤器 单流式过滤器的工艺流程图如图 2 1 所示 运行是水经上部进水阀进入过滤 过滤后的水从下部送出 当过滤器出水压差超过给定值时 过滤器停运 进行反 冲洗 进行反冲洗操作时 将过滤器内部的水排放到虑层为止 首先用压缩空气 气压 0 6 1 0MPa 吹洗 3 至 5min 然后用水和压缩空气混合冲洗 2 3min 在反洗 1 1 5min 最后正洗至水质合格后投运或备用 8 2 逆流再生阳离子交换器 逆流再生阳离子交换器工艺流程如图 2 2 所示 运行过程中 当出水 pNa 超 过规定值时必须进行再生 再生主要有反洗 排水 顶压 再生 置换 正洗等 工艺步骤 反洗又分为小反洗和大反洗两种 一般经过 10 20 个制水周期后进 行一次大反洗 由于大反洗后进行再生时 再生剂的用量应比平时增加 20 50 故控制程序中增加一个补充再生工步 3 顺流再生阴离子交换器 图 2 1 单流式过滤器的工艺流程图 图 2 2 逆流再生阳离子交换器工艺流程如图 9 顺流再生阴离子交换器工艺流程如图 2 3 所示 其工艺过程壳分为制水 反洗 进再生液 置换 正洗等步骤 当出水导电虑大于 10us cm 时 自动进行 再生程序 4 混床的运行工艺比较复杂 工艺步序较多 体内再生混床的外部管路 系统如图 2 4 所示 当导电率 0 2us cm 或 SiO2ug L 时需要经过反洗分层 沉降 放水 预防喷射 进再生剂 置换 清洗 排水 混合 灌水 正洗等工 艺步骤 该化学水处理设备为两组 每组各有一台过滤器 一台阳床 一台阴床 一 台混床及一些辅助设备 正常工况下一组制水运行 另一组停备或进行冲洗 再 图 2 3 顺流再生阴离子交换器工艺流程 图 2 4 体内再生混床的外部管路系统 10 生 也可以两组同时制水运行 2 1 2 控制要求 l 程控设置 程控启动 按钮及 程控准备 程控运行 指示灯 需要制水时 由操作人员操作 程控启动 按钮即可 2 程控设置 再生 按钮及相应的 再生 指示灯 当阳床制水运行一 段时间后 阳离子交换树脂失效 需进行一次大反洗再生 也可由操作人员视情 况灵活掌握何时进行大反洗再生 3 程控设置 中断 按钮 中断程控时 所有已开后或正在开启的一组 水处理装置停止运行 程控中断后 可以使用 中断复位 按钮复位 4 为了提高设备运行的可靠性 在设计控制程序时应根据具体设备的特 点考虑许多问题 反馈信号处理 没执行一个工艺步序 延时一段时间 考虑执行机构的动作时间 后 将执 行机构如阀门等的反馈信号通过输入模块读入 PLC 由程序判断反馈信号 即执 行机构的动作情况 和该工序的控制要求是否一致 如不一致则发出报警信号 同时程序停止运行 等待运行操作人员进行处理等 联锁 利用联锁 可以提高设备运行的安全性和可靠性 在设计程序时 应充分考 虑系统的联锁问题 如 1 投运与再生联锁 当设备处于备用 投运或投运前窜洗 正洗等状态时 不允许手动进行再生 当设备处于再生状态时 不允许手动进行投运等操作 2 再生安全联锁 酸计量箱出口阀 碱计量箱出口阀分别与相应的喷射水 阀联锁 只有当相应的喷射水阀打开时才允许酸计量或碱计量箱出口阀打开 3 仪表取样与再生联锁 进入水质监测仪表的取样管上应安装控制阀门 当系统进入再生状态时由程序关闭此阀门 以免再生废液污染测量仪表仪表的传 感器 当再生过程进行到正洗或串洗工序时 在打开取样阀门 故障报警 除了利用 PLC 监控程序本身的诊断急报警功能外 程序还应对出现的各种故 障做出判断 指出出现故障的位置 一方便操作人员及时处理 方便工艺参数的修改 便于系统调试 除了设置必要的可由人工干预系统运行的操作按钮外 还应考虑各工艺步序 的延时时间的修改 应设置相应的程序来显示各工艺步序的执行时间 是操作人 员能方便的根据具体设备的工艺参数修改有关参数 而不必用编程器读出控制程 序进行修改 另外 还应考虑系统现场调试的方便性等问题 如设计系统调试按 11 钮 使调试和正常运行时程序的执行速度不同 当按下调试按钮 程序快速运行 以缩短系统调试时间 2 1 3 程序设计 下面采用 Rockwell 系列 PLC 来实现上述控制要求 l I O 点分配 输入信号 在罗克韦尔中的位置 Local 1 I Data 0 Local 1 I Data 23 在选择的 罗克韦尔输入模块中 32 位的输入模块一个 用掉 24 个点 预留 8 个作为输入 余量 输出信号 考虑到数值输出点数有 53 个 故选用两个 32 位的数字输出模块 并且保留 了 11 个数值输出余量 比较合理 在罗克韦尔中的对应的位置安排为 Local 2 O Data 0 Local 2 O Data 31 Local 3 O Data 0 Local 3 O Data 20 12 3 PLC 硬件设计 在 PLC 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 PLC 工程设计 选型 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 PLC 及有关设备应是 集成的 标准的 按照易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原 则选型 所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩 成熟可靠的系统 PLC 的 系统硬件 软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应 熟悉可编程序控制 器 功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间 因此 工程设计选型和估 算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制任务和范围 确定所需 的操作和动作 然后根据控制要求 估算输人输出点数 所需存储器容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的 控制系统 3 1 PLC 机型的选择 机型的选择主要考察 PLC 的 CPU 的能力 能够支持的最大 I O 点数 响应速 度及指令系统等指标 PLC 机型选择的基本原则是 在功能满足要求的前提下 选择最可靠 维护 使用最方便以及性能价格比的最优化机型 在工艺过程比较固定 环境条件较好 维修量较小 的场合 建议选用整体 式结构的 PLC 其它情况则最好选用模块式结构的 PLC 对于开关量控制以及以开关量控制为主 带少量模拟量控制的工程项目中 一般其控制速度无须考虑 因此 选用带 A D 转换 D A 转换 加减运算 数据 传送功能的低档机就能满足要求 而在控制比较复杂 控制功能要求比较高的工程项目中 如要实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等 可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机 其中 高档机主要用于大规模过程控制 全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动 化等 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 生产设备或生产过程 的工 艺要求 以提高生产效率和产品质量 因次 在设计 PLC 控制系统时 应遵循一 些基本原则 PLC 的选择除了应满足技术指标的要求外 还应重点考虑该公司产品的技 术支持和售后服务的情况 一般在国内应选择在所设计系统本地有着较方便的技 术服务机构或较有势力的代理机构的公司产品 同时应尽量选择主流机型 13 最大限度的满足被控对象的开展要求 设计前 应深入进行时常调查研究 搜集资料 并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合 共同拟定电气控 制方案 协同解决设计中出现的问题 在满足控制要求的前提下 力求使控制系统 经济 使用及维修方便 保证控制系统的安全可靠 当然对于不同的用户要求的侧重点有所不同 设计的原则应有所区别 如果 以提高产品的质量和安全为目标 则应将系统可靠性放在设计的重点 甚至考虑 采用冗全控制系统 如果要求系统改善信息管理 则应将系统通信能力与总线网 络设计加以强化 在考虑上述性能后 还要根据工程应用实际考虑其它一些因素 这些因素包 括 性能价格比 备品 备件的统一考虑 技术支持等 综合以上选择原则此系统选择的 PLC 是 美国罗克韦尔公司的 CONTROLLOGIX PLC 3 2 PLC 机架的选择 ControlLogix 系统需要用到 1756 I O 机架构成模块化系统 可在任意槽上放 置 1756 模块 背板在模块之间提供了高速的通讯通道 背板上多个控制器相互之间传递报 文 因背板上有多个通信接口模块 可通过链路将一条报文发送到某模块的端口 并通过背板从另一端的端口传递出来 然后沿着另一个链路发送到最终的目的地 考虑到模块的数量以及机架的容量 本设计题目选的的机架是本题采用机架 型号为 1756 A7 其具体参数如下 槽数 7 重量 1 1Kg 2 0 磅 机壳最小尺寸 700 507 203mm 24 20 8 英寸 安装类型 背板安装 3 3 PLC 的 CPU 选择 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 设计阶段 由于用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 14 需在程序调试之后才知道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用 存储器容量的估算来替代 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体上都是按数字量 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 以此 数为内存的总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 Logix5000 控制器可提供系统规模可变化的控制器解决方案 可以访问大量 的 I O 端点 数字量 I O 最多为 1280000 个 模拟量 I O 最多为 4000 个 控制 器既可以控制本地 I O 有可以通过 ControlNet 网 DeviceNet 网以及远程 I O 网控 制远程 I O 你可以在一个 ControlLogix 机架内放置多个 Logix5000 控制器 多个控制器 可以从所有的输入接口中读取输入数值 每个控制器可以与机架上的多个通讯模 块进行通讯 而且多个控制器也可以与同一个通讯模块进行通讯 控制器存储器容量估算 用以下等式为一个控制器所需存储器大小的估计值 每个数值包括用户相关程序的一个粗略估计 你可以根据应用的复杂程度添加存 储器 操作系统基本要求 43000 字节 控制器任务 4000 A 字节 数字量 I O 点 400 B 字节 模拟量 I O 点 2600 C 字节 通讯模块 2000 D 字节 控制运动轴 8000 E 字节 总的字节数 43000 A B C D E 本系统现在的控制器是本题采用控制器型号为 1756 L1 controllogix 5000 cotroller 其具体参数如下 用户存储器 160K 字节 背板电流 5V DC 时为 0 65A 24V DC 时为 0 02A 电力耗散 10 2BTU 小时 热耗散 3 0W 工作温度 0 60 32 140 设计电缆 1756 CP3 或 1747 CP3 串口电缆 3 类 电池 1756 BA1 PROMARK ELECTRONICS 94194821 0 59g 锂电池 3 4 电源模块的选择 15 1756 机架上的 CcontroLogix 电源模块给机架背板提供 1 2V 3 3V 5V 和 24V 直流电源 电源模块安装在机架左侧 电源要求以及变压器的规格计算 当交流电源电压降到低限以下时 背板上电源产生关机信号 而电源电压回 升到发低限电压时 关机信号则回移去 该关机信号可确保只有有效的数据才存 入内存中 直 交流电源电路内的输入电容只从交流电压波形的峰值吸收功率 因此外 部变压器的额定值 VA 必须大雨其供给电压模块的有功功率 如果变压器的额 定电压太低 则正弦波的波峰回被截断 该情形下 即使变压器的输入电压在低 限电压以上 电压模块一旦检测到这种削波波形 则将其当作其低限电压 因此 供给机架上所以模块的电源将被永久切断 下图所示出了背板电源负载 选择电源的原则具体有以下三点要做 根据有工功率值 决定机柜内安装散热装置的数量 根据视在功率值 估计电源消耗 根据计算变压器负载和所有其它负载之和 确定所需要的变压器的规格大 小 综上考虑到电源的最大负载和最大电流 本设计我们选择的电源是 1756 PA72 其具体参数如下 额定输入电压 120V AC 或 220V AC 输入电压范围 85 132V AC 或 170 265V AC 最大实际输入功率 95 W 3 5 I O 模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一 例如对输入模块 应考虑信 号电平 信号传输距离 信号隔离 信号供电方式等应用要求 对输出模块 应 考虑选用的输出模块类型 通常继电器输出模块具有价格低 使用电压范围广 寿命短 响应时间较长等特点 可控硅输出模块适用于开关频繁 电感性低功率 因数负荷场合 但价格较贵 过载能力较差 输出模块还有直流输出 交流输出 和模拟量输出等 与应用要求应一致 要先弄清楚控制系统的 I O 总点数 再按实际所需总点数的 20 30 留出备 用量 为系统的改造等留有余地 后确定所需 PLC 的点数 PLC 的输出点可分为 共点式 分组式和隔离式几种接法 1756 数值模块的特点 16 支持带电插拔 支持生产者 客户模式通信 支持模块级故障报考和现场诊断检测 支持时间数据标记 支持可选的直接连接和机架优先连接 其 I O 模块选择如下 数字量直流输入接口模块 1756 IB32 A 其具体参数如下 输入点数 32 每组 16 点 一组 电压类型 24V 源流负载 工作电压 10 31 2V 直流 背板负载电流 150 mA 5V 2 mA 24V 0 81W 由于 PLC 在电厂锅炉补给水处理系统中的 DI 点为 27 个 所以将要选择 1 个 数字量输入模块 在创建模块时 我们分别把数字输入模块 1756 IB32 A DI01 设计在 2 号槽内 用到其 27 个点 数字量直流输出接口模块 1756 OB32 其具体参数如下 输出点数 32 2 组 每组 16 点 电压类型 12 24V 源流负载 工作电压 10 31 2V 直流 背板负载电流 300mA 5V 2 5mA 24V 1 58W 由于 PLC 在电厂锅炉补给水处理系统中的 DO 点为 53 个 所以将要选择 2 个 数字量输出模块 在创建模块时 我们把数字输出模块 1756 OB32 DO1 1756 OB32 DO2 设计在 3 4 号槽 用到其 53 个点 锅炉补给水处理系统的 I O 地址分配表见附录 B 为了清晰了解 PLC 的硬件配置 将该课题的 PLC 各部分的硬件配置统计如表 3 1 表 3 1 该课题的 PLC 硬件配置 17 4 PLC 软件设计 4 1 编程软件选择 4 1 1 选择编程软件 rslogix5000 编程软件支持 ControlLogix 系统以及 logix5000 控制器 它运行 于 Windows NT 32 位的操作系统 其性能优越 节省项目开发的时间 提高生产 率 rslogix5000 是 rslogix 系列编程软件产品的最新成员 提供了同样可靠的通信 功能及诊断特性 主要特性有 通用的用户界面和特性设置 灵活 易操作的编辑器 通用的梯形图指令集 点击可进行 I O 组态 可靠的通信功能 rslogix5000 编程软件还包括运动控制的轴组态和编程 根据需要选择硬件和 软件平台 可进行顺序控制和 运动控制 4 1 2 rslogix5000 编程软件硬件配置 个人计算机 IBM PC 或兼容机 奔腾 100MHz 或以上 操作系统 微软 Windows NT 版本 4 0 内存 最少 32M 推荐 64M 硬盘 硬盘自由空间 24M 根据实际需要选择更高 显示卡 16 色 VGA 图形卡 分辨率 640 480 或更高 最好效果至少为 254 色 800 600 4 2 CONTROLLOGIX PLC 系统编程软件 为了达到生产工艺的要求 方便和快捷地实现系统的功能 本次设计选用了 与 controllogix 系统 PLC 相应的 Rslogix5000 软件 Rslogix5000 软件是梯形图逻 辑编程软件包 它为梯形逻辑编程提供了灵活性 可靠性 并提高生产率 其运 行环境是 Microsoft Windows 98 和 Windows NT 4 2 1 rslogix5000 编程软件功能简述 强有力的工程校验器 用户可用其创建错误清单 从而可以在方便的时候 进行修改 拖放式功能 使用户能够在数据文件之间快速移动数据表元素 在子程序 18 或工程之间快速移动梯级 或者在一个工程内部的梯级与梯级之间快速移动 指令 查询和替换功能 能够快速改变特定地地址或符号的值 工程目录为点击式界面 用户可访问包含在工程目录内的所有文件夹和文 件 用户数据监控器功能 可同时显示独立的数据文件元素以观察它们之间的 相互作用 它在任何 Rockwell Software 编程软件产品中都是通用的 4 2 2 rslogix5000 软件的安装步骤及操作界面介绍 启动 PC 机 启动 Windows 98 或 Windows NT 系统 启动 Windows 98 或 Windows NT 系统后 将 Rslogix5000 安装盘的 CD ROM 插入驱动器 单击开始 Start 然后点击运行 Run Run 对话框出现 在打开 Open 编辑框内键入 drive steup drive 然后点击 OK 按照出现在屏幕上的指导说明进行安装 选择在本地 PC 机上安装 Rslogix5000 Rslogix5000 编程界面如图 3 3 图 4 1 典型配置图 菜单工程目录绘图工具栏 I O 槽配置 状态栏梯形图显示窗口 19 图 4 2 TON 指令示意图 图 4 3 CTU 指令示意图 菜单 用户点击菜单然后显示其功能 工程目录 包含用户工程文件内的所有的文件夹和文件 绘图工具栏 显示所有指令和助记符 梯形图显示窗口 可同时显示几个文件和子文件 状态栏 用户使用软件时显示当前信息或提示信息 I O 配置槽 配置所需模块的位置 本设计中 数字输入模块放在 2 3 号槽 上 数字输出模块放在 4 5 号槽上 4 2 3 题目设计用的主要指令介绍 通计时指令 TON 说明 TON 是一条非保持的计时器指令 当该指令被使能累计时间 计时器 的时间基总是 1 毫秒 例如 对于一个 2 秒的计时器 其预置值 PRE 应该输 入 2000 当指令被使能时 TON 计时器指令累计直到发生下列事件 1 TON 指 令被禁止 2 累加值 ACC 预置值 PRE 当 TON 指令被禁止时 清零累 加值 ACC 计数器 CTU 说明 CTU 时一条输出指令 指令向上计数 如果指令被使能时计数使能位 CU 是清零状态 则 CTU 指令是计数器加 1 如果指令被使能时加计数使能位 CU 是置位状态 或指令被禁止 CTU 指令保持它的累加值 ACC 上升沿触发指令 OSR 说明 OSR 指令根据存储位的状态置位或清零输出位 如果指令被使能时存 储位置零 则 OSR 指令置位输出位 如果使能时存储位置位或禁止 则 OSR 指令 清零输出位 20 4 3 程序框图的设计 PLC 在电厂锅炉补给水处理系统中可分为过滤器水处理 逆流再生阳离子交 换水处理 顺流再生阴离子交换水处理 混床再生离子交换水里四个主要过程 21 图 4 4 单流式过滤器程序流程图 22 23 图 4 5 逆流再生阳离子交换器程序流程图 24 图 4 6 顺流再生阴离子交换器程序流程图 25 26 4 4 编写程序 见附录 A 针对该课题的实际考虑 所以主要编写 PLC 在电厂化学锅炉补给水处理中的 程序 并在附录 A 中对程序做了详细的说明 为了便于更好的理解 图 4 7 混合离子交换器程序流程图 27 结 论 这次我做的是 PLC 在电厂锅炉控制中的应用设计 通过这次毕业设计 我对 PLC 有了深入的理解 基本上了解 PLC 的最新发展状况 以及电厂化学水处理中 锅炉补给水的基本工艺 了解 PLC 的工作原理 PLC 的选择 熟悉了 CONTROLLOGIX 系统 I O 模块的选择和 I O 表的配置 还有 rslogix5000 编程软 件 李老师 我和其他同学一起进行课题分析 查资料 进行设计 到最后完成 整个设计 作为大学阶段一次重要的学习经历我感觉自己受益非浅 同时深深的 感觉的自己的学习能力在不断提高 时间就这样匆匆的过去了 经过指导老师的 指导 我们顺利完成了任务 通过此次毕业设计使我对 PLC 的应用了新的认识 也更加系统化了 全面运 用了自己所学的专业知识 也增强了我理论联系实际 系统分析问题 工程计算 以及独立工作的能力 树立了工程观点 社会主义市场经济观点 初步掌握了 PLC 在工程运用中的基本流程 同时也让我对 PLC 的设计步骤有了清晰化 初步 具有对 PLC 的工作原理分析 PLC 的选型 I O 模块的选择 I O 表的配置 PLC 的硬件和软件设计能力 以及分析和解决问题的能力 对李老师的关心和指导 我感激于心 这次设计对我们的锻炼是多方面的 除了对设计过程熟悉外 我还 学到了运用 rslogix5000 和 Microsoft Visio 两种软件 对各种信息进行分析 以及对 W