PLC在电沉积生产过程中的应用课程设计.doc

江西理工大学应用科学学院课程设计西门子PLC课程设计题目： PLC在电沉积生产过程中的应用 姓名： 班级： 学号： 报告格式（20分）设计说明（20分）设计图纸（20分）科技文献分析（20分）其它（10分）平时10分总评（100分） 目录绪论3第一章 设计任务及目的4 1.设计与需求分析4 2.工艺流程4第二章 系统的控制要求5 1.主程序流程5 2.电机控制6第三章 总体设计方案7 1.控制系统的I/O点及地址分配7 2.PLC系统选型 7 3.元件布置图8 4.电气控制系统原理图9 5.系统程序设计11 6.元器件清单11参考文献17附录一 18附录二 24绪论可编程序控制器(PLC)是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC 在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。我国在七十年代末期开始对PLC 进行研究、生产和应用。在近十年来，取得了非常好的成绩。特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC 已经渗透到了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250 台PLC，二期工程中有采用了180 台。再如，总部坐落在北京的神华集团，其下属神东公司，其优质煤的日产量在世界首屈一指，所使用的采煤设备是当前世界最好的三家公司的最新产品，因而大量地使用PLC 等先进技术。还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC 控制。现在PLC 不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的拌和；日常生活中的电梯、车库的自动化管理等、货物存取等；商业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。以前PLC 应用得比较少时，只需要有较少的技术人员掌握即可满足生产要求，但是随着PLC 应用范围的扩展、功能的日益强大，同时PLC 在生产中的地位越来越重要，只有少数专业技术人员懂得PLC 的现状再也不能满足企业控制技术发展的要求了。现在招聘维修电工不但基本技术要扎实，还要懂得PLC 技术、变频技术及微机技术的原理和故障鉴别等。而对于在生产线上的普通操作也应该懂得一些关于PLC、变频器等方面的基本知识，这样既可便于生产操作，又可以对生产和维修有很多帮助，如帮助维修人员明确故障的范围和现象，缩短故障维修时间，更好的保证生产的顺利进行。这也正好符合PLC 当初的设计初衷，即：是操作人员使用方便，不存在计算机与传统电气控制间的专业“鸿沟”。早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969 年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70 年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC 的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O 模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。目前，世界上有200 多厂家生产300 多品种PLC 产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。.第一章 设计任务和目的 1需求与设计分析随着计算机技术及大规模的集成电路的发展，各种工业设备都在向着功能完善，计算机化，智能化，高可靠性的方向发展，可编程控制器(plc)凭其自身所具有的一系列特点在现代工业控制中的地位越来越重要。现在世界上各主要厂家推出的新型PLC 的主要特点是：功能强大，不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高和稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时间不问断运行，编程简单且维护工作量小还配有各类通讯接口或模块，可方便地和其他PLC或计算机相连，能解决控制、监测和通讯等问题。根据电沉积生产流程分析可知：在其生产过程中需要控制行车运行速度和烤箱温度高低等，其所需控制的方法复杂，人工控制已很难满足要求，利用PLC能方便的进行控制，节约成本，节约劳动力，提高生产效率。而且每条线路的当前状况都在PLC上有相应的显示，只要观察这些指示，就知道那条线路发生故障。因此在本设计中将利用PLC系统对电沉积生产过程进行控制。2工艺流程电沉积的工艺流程大致如下：在电动机的托动下，钢带缓慢的带有隔离子，铅离子的溶液槽和前后烤箱；在镉电极和铅电极电流的作用下，溶液槽中的隔离子和铅离子被镀在钢带上；通过前、后烤箱将钢带烤干。示意图如下图所示。电机1 电机2前烘箱后烘箱镉、铅离子溶液槽镉、铅电流控制钢带图1-1 工艺流程示意图第二章 系统的控制要求1主程序流程溶液温度和水温度通过控制制冷机的启停来控制，要求开优先，即只要溶液温度、水温有一个高于给定的上限，就开制冷机。钢带速度采用步进电动机驱动系统来控制，通过驱动电源控制步进电动机。走带步进电动机是一启动后就长期运行；而拉带步进电动机的启停则受上、下触点的控制：当钢带碰上触点时，则停拉步进电动机当钢带碰到下触点时，则走动拉步进电动机。为防止失步现象，步进电动机的启动采用分步启动的方式：先给一个较低的脉冲频率起动步进电动机，然后再让其逐步上升至期望频率。前烘箱温度、后烘箱的温度的控制是通过调功器采用通断比控制方法来实现：即通过控制在给定周期内，电阻丝上通电时间相对整个周期所占的比例来控制前烘箱和后烘箱的温度。系统主程序如下图。首次扫描初始化启动定时器给料控制报警电机控制显示输出输出量控制故障处理报警显示严重故障停机是是否否否结束启动图1-2 主程序流程图2电机控制电流的控制相对来说要复杂得多。因为电流时快速变化的参数，而且镉电流、铅电流之间存在相互影响，其中之一电流变化将会引起另一个电流波动，溶液温度的变化也会引起电流的波动。为防止引起时电流出现过大的超调，对给定值采用指数的形式，为保证镉电流、铅电流之间的同步，两者的指数给定比例不一样；为防止积分饱和，对积分输出进行限幅处理。由于控制对象本身反映剧烈，对于不同的电流给定值，PID参数也要做相应的变化才能达到最佳控制效果。系统将电流给定值分为几个阶段，并选取相应的PID参数。电机控制程序流程图如下图开始镉，铅镉采样镉溶液镉量稳定控制算法 积分输出输出控制量结束铅采样 铅溶液 铅量稳定 控制算法 积分输出输出量控制铅电流控制镉电流控制图1-3 电机控制程序流程图第三章 总体设计方案1控制系统的I/O点及地址分配控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编码如表表1.1 输入/输出信号的名称、代码及地址编码名 称代 码地址编码输 入 信 号制冷机启动按钮SB1I1.0走带电机启动按钮SB2I1.3走带电机停止按钮SB3I1.4拉带电机启动按钮SB4I1.5电机左限位开关SQ2I1.1电机右限位开关SQ3I1.2输 出 信 号水温正常指示灯HL1Q1.0液温正常指示灯HL2Q1.1液温水温报警灯HL3Q1.2走带电机启动指示灯HL4Q1.3拉带电机启动指示灯HL5Q1.4走带电机启动指示灯HL6Q1.52PLC系统选型1）方案的选取根据电沉积的工艺流程, 控制系统的被控系数有福电极电流、铅电极电流、钢带走带速度前后烘箱温度、溶液温度等。考虑到现场工作环境比较恶劣等情况, 本系统采用德国西门子公司推出的S7200系列可编程控制器(PLC)的CPU22为核心，配以扩展模块外部接口及驱动单元组成电沉积生产过程自动控制系统 这样作具有明显的优点：(1)可靠性高。 (2)操作简单，使用方便。(3)性能优良，价格适中。(4)故障发生率小,维护简单。2）系统硬件的组成系统的硬件结构如图所示PLCDOX11DOX12TD200PC机EMS235EMS235EMS235调压器调压器信号转换、放入装置信号采样装置驱动电源调压器制冷机电机电阻丝图1-4 系统的硬件结构图该系统可在自动、手动两种方式下运行。在自动方式运行时，只要将PLC设置为RUN方式，可以通过TD-2O0上的F1和F8键来控制系统的运行。按F1键则系统进入正常工作，按F8键则PLC系统照常进行采样、计算，但是计算得到的控制量并不输出。通过TD-200修改后的参数存放在PLC的EEPR0M 中，即便停电亦不会遗失。当有故障出现时，系统会有多种安全保护措施，如：PLC模板上输入输出相应的故障线路的指示灯会有指示，报警指示灯会不停闪烁，报警喇叭会鸣叫，TD-200的显示屏上会有故障发生的原因的显示，如故障严重则会自动停输出，以防造成破坏。3. 元件布置图4电气控制系统原理图电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及PLC外围接线图。1）主电路图如图1-5所示为电气控制系统主电路。四台电机分别为M1、M2、M3、M4。接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行，FU为主电路的熔断器，QS为主电路的断路器。M1、M2、M3、M4分别为走带电机、制冷机1、制冷机2和拉带电机。图1-5 电控系统主电路2）控制电路图如图1-6所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的位置为自动控制状态。手动状态运行时，可用按钮SB1SB4控制电机的启停；自动状态运行时，系统在PLC程序控制下运行。图1-6 电控系统控制电路3）PLC外围接线图图1-7PLC及扩展模块外围接线图5. 元器件清单序号 符 号 名 称 型 号 单 位 数 量 单 价 总 价1CPU222XPPLC6es7212-1bb23-0xb8 台19009002SB按钮开关la19-11d 个42.610.43SQ行程开关lx19k-b 个2364QS刀开关hs11f-200/38 个190905FR热继电器jr36-20/3 个88.971.26FU熔断器rm10 个33.911.77KM接触器cjx2-0901 个8201608M电机yct112-4a 台475930369比较器lm339n 个10.80.810HL指示灯ad16-22 个61.37.86系统程序设计1）温度设计烤箱温度设计原理：通过电压加热电热丝产生温度，温度在通过温度变送器变送为电压。加热电热丝时根据时间的长短可产生不一样的热能，这就需用到脉冲。输入电压不同就能产生不一样的脉宽，输入电压越大，脉宽越宽，通电时间越长，热能越大，温度越高，输出电压就越高。PID闭环控制：通过PLC+A/D+D/A实现PID闭环控制，接线图与原理图如下。比例，积分，微分系数取得合适系统就容易稳定，这些都可以通过PLC软件编程实现。2）溶液温度与水温的设计主要通过控制制冷机的启停来控制其温度的高低。要求开优先，即只要溶液温度和水温有一个高于上限值80度，就开制冷. 3）钢带速度控制钢带速度采用步进电机驱动系统来控制，通过驱动电源控制步进电动机。走带步进电动机是一启动就长期运行，而拉带不仅步进电动机的启停受上下限位开关的控制；当钢带碰到上限位开关就停止，碰到下限位开关就走动拉步进电机。为防止失步现象，步进电机采用分步启动的方式先给一个较低的脉冲启动频率起动步进电机，然后在让其逐步上升到期望频率。4）电流控制电流控制相对比较复杂，主要控制镉电流与铅电流的大小，但他们间会相互影响，其溶液温度的变化也会影响电流的变化。可以采用PID控制，镉电流和铅电流采用不同的给定值。为防止积分饱和，对积分进行限幅处理。由于控制对象本身反应剧烈，对于不同的电流给定值，PID参数也要做相应的变化才能达到最佳的控制效果。5）系统程序设计：本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。子程序有烤箱温度程序设计，溶液和水温程序设计，钢带速度控制程序设计，电流控制程序设计。烤箱温度和电流控制程序主要采用PID控制，其中对于烤箱温度程序设计确定的增益和时间常数如下：增益Kc=0.8s；采样时间Ts=0.6s积分时间Ti=50min；对于电流控制程序的设计确定的增益和时间常数如下：镉电流的初始设定值=0.50；铅电流的初始设定值=0.50；增益Kc=0.8s；采样时间Ts=0.6s； 积分时间Ti=50min。 系统程序如下： 主程序LD SM0.1CALL SBR_0:SBR0LD SM0.1CALL SBR_1:SBR1LD SM0.1CALL SBR_2:SBR2LD SM0.1CALL SBR_3:SBR3子程序：烤箱温度：SBR_0LD SM0.0MOVR 0.5, VD106MOVR 0.5, VD114MOVR 0.5, VD118MOVR 20, VD122MOVR 0.0, VD126MOVB 100, SMB34ATCH INT_0:INT0, 10ENI电流控制：SBR_1LD SM0.0MOVR 0.7, VD106MOVR 0.7, VD108MOVR 0.7, VD114MOVR 0.7, VD118MOVR 40, VD212MOVR 0.0, VD126MOVB 100, SMB34ATCH INT_0:INT0, 10ENI溶液和水温控制：SBR_2LD I1.0O M1.0O M1.1AN M1.2= M1.0 = M1.1 LD M8.0O M 8.1AD= VD108, 80= M1.2= Q1.2LD M8.0O M8.1SHRB M1.0, M1.1, 4电机控制：SBR_3LD I1.3O M1.4AN I1.4= M1.4= Q1.3LD I1.5O M1.5A I1.1AN M1.6AN I1.2= Q1.4= M1.5LDN I1.1A I1.2= M1.6= Q1.5中断程序INT0_0:LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R 32000.0, AC0MOVR AC0, VD100LD SM0.0PID VB100, 0LD SM0.0MOVR VD110, AC0*R 32000.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0MOVW AC0, AQW0中断程序INT0_1:LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R 32000.0, AC0MOVR AC0, VD102LD SM0.0PID VB100, 0LD SM0.0MOVR VD110, AC0*R 32000.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0MOVW AC0, AQW0参考文献1 肖清等.西门子PLC课程设计指导书.赣州:江西理工大学应用科学学院,2010.2张万忠等电气与PLC控制技术.北京:化学工业出版社,2008.3 西门子公司SIMATIC S7-200系统手册,2002.4 张扬等.S7-200PLC原理与应用系统设计.北京:机械工业出版社,2007.5 贾德胜等.PLC应用开发实用子程序.北京:人民邮电出版社,2006.6 陈立定等.电气控制及可编程控制器.广州:华南理工大学出版社,2001.附录一：用PLC实现分段液位的控制 2011-05-11来源： The Application of PLC in Control by Multiplex Liquid金彦平（常州工程职业技术学院 常州 213004）摘要：本文主要介绍如何使用PLC实现多段液位的设定、显示、报警和液位的自动控制。关键词： PLC 液位 监控在众多生产领域中，经常需要对贮槽、贮罐、水池等容器中的液位进行监控，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高，目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对液位进行监控的一种方法，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），监控系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，适用于多段液位监控场合。1控制要求控制系统可以根据生产的需要将液位分为多段来设定，并分段显示，当液位为最低限时自动启动料泵加液，液位到达设定值时发出声光报警，并停泵；操作人员可通过确认按钮解除音响报警信号，闪烁灯光转平光；系统具有手动/自动两种控制方式，并设有试验功能。2PLC选型目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。本文介绍以四段液位控制对象为例，据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用日本立石（OMRON）公司C20P型PLC。3系统硬件配置为实现液位的手动/自动控制，需要输入口12点，输出口8点，选用C20P 20点I/O单元的PLC，输入光电隔离，输出继电器隔离，负载能力强；液位检测采用干簧管传感器，手动/自动转换、运行/试验转换和液位设定采用双位旋钮，手动启泵、停泵和确认、试验采用常开按钮；输出选用电子音响报警器和24V直流指示灯、继电器。参见图一系统硬件配置图。图一 系统硬件配置图为节省输入口数量，节省投资，本系统运行/试验功能的转换采用了对I/O模块接线的优化，使PLC输入模块中1个输入节点起到2个输入节点的作用，完成PLC工作在两种方式下的I/O功能。参见图二I/O模块接线的优化。图二 I/O模块接线的优化系统正常运行时，运行/试验转换旋钮S接通1-3接点，各试验按钮不起作用，液位信号由各干簧管传感器传输给PLC；系统处于试验状态时，S接通1-2接点，各传感器输入信号不起作用，此时可用各试验按钮模拟各段液位信号传输给PLC。两种控制方式下的两个信号共用一个输入节点，成倍提高I/O端口的利用率，节省I/O点数。4系统软件设计41 控制程序流程图图三 系统流程图42 编程说明= 1 * GB3 本系统为液位的双位控制系统。液位可分四段设定和显示，在最低液位时自动启泵，当液位到达设定值时自动停泵。= 2 * GB3 采用IL/ILC分支指令，通过0008旋钮实现手动/自动两种功能的选择，当0008旋钮闭合时，自动指示灯亮，系统执行IL/ILC分支内程序，完成自动监控；当0008旋钮打开时，手动指示灯亮，系统执行分支外程序，通过0010、0011旋钮实现手动启泵、停泵。= 3 * GB3 液位由00040007旋钮分最低、较低、较高、最高四段设定，系统设置由低到高的优先权，即当多个设定旋钮同时闭合时，低液位设定优先。= 4 * GB3 采用干簧管检测液位时，当液位到达检测点时其触点闭合，指示灯点亮；液位离开检测点时其触点打开，为保证相应测量段指示灯不立即熄灭及不受液位波动的影响，每段指示灯的控制均采用KEEP保持指令，只有当液位上升或下降到相邻段时指示灯才熄灭。= 5 * GB3 当液位到达检测点时，液位指示灯闪烁，灯光闪烁因子采用内部闪烁内标1902，以1S为周期闪烁；若液位到达设定值时，自动停泵，并设置电子音响报警，报警声设计为响3S停2S，循环30S后自停，或在30S内按0009确认按钮停音响，指示灯传平光。电子音响报警和泵的启停同样考虑液位的波动影响，设计时采用KEEP保持指令和DIFU微分指令联合使用。= 6 * GB