工业蒸汽锅炉过程控制系统设计

1 电电气气信信息息学学院院 课课程程设设计计任任务务书书 课题名称工业自动清洗机的控制系统设计 姓 名专业班级学号 指导老师 课程设计时间 一 任务及要求 设计任务 以 PLC 为核心 设计一个工业自动清洗机的控制系统 为此要求完成以下设计任 务 1 根据工艺过程和控制要求 确定控制方案 2 配置电器元件 选择 PLC 型号 3 绘制工业自动清洗机的控制线路原理图和 PLC I O 接线图 设计 PLC 梯形图程 序 列出指令程序清单 4 上机调试程序 5 编写设计说明书 设计要求 1 一般要求 1 所选控制方案应合理 所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求 并且技术先进 安全可靠 操作方便 2 所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的 GB4728 84 电气图用图形符号 GB6988 87 电气制图 和 GB7159 87 电气技术中的文字符号制定通则 的有关 规定 3 所编写的设计说明书应语句通顺 用词准确 层次清楚 条理分明 重点突 出 2 具体要求 1 课题简介 在工业现场有一种自动清洗机 工作时将需要清洗的部件放在小车上 按启动按 2 钮后小车自动进入清洗池指定位置 A 首先加入酸性洗料 小车再继续前行到另一位 置 B 然后返回到位置 A 打开排酸阀门将酸性洗料放出 完成一次酸洗后 再加入碱 性洗料 清洗过程同酸洗 等碱性洗料完全放出后 小车从位置 A 回到起始位置 等 待下次启动信号 2 控制要求 该清洗设备的小车前进后退通过电动机的正反转控制 酸性洗料和碱性洗料通过 两个泵分别注入 通过打开电磁阀排放洗料 在这里洗料的注入和放出都通过时间控 制 实际的清洗也可以用液位开关控制 二 进度安排 1 第一周星期一 布置课程设计任务 讲解设计思路和要求 查阅设计资料 2 第一周星期二 星期四 详细了解清洗机的基本组成结构 工艺过程和控制要 求 确定控制方案 配置电器元件 选择 PLC 型号 绘制清洗机的控制线路原理图和 PLC I O 接线图 设计 PLC 梯形图程序 列出指令程序清单 4 第一周星期五 上机调试程序 5 第二周星期二 星期四 编写设计说明书 6 第二周星期五 答辩 3 目 录 第 1 章 PLC 的概述 4 第 2 章 控制方案设计 5 2 1 设计目的 5 2 2 控制要求及设计方案 5 2 3 确定输入 输出及 PLC 机型 5 第 3 章 控制系统硬件设计 6 3 1 I O 接口地址分配 6 3 2 PLC 的外部硬件接线图 7 3 3 顺序功能图 8 3 4 梯形图 9 第 4 章 PLC 程序调试 13 4 1 调试规则 13 4 2 调试方法与结果 14 第 5 章 设计心得与体会 15 4 第 1 章 PLC 的概述 可编程控制器 Programmable Logical Controller 简称PLC 是一种以微处理器 为基础 综合了现代计算机技术 自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工 业自动控制装置 它是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的 从最初的逻辑控制 顺序控制 发展为具有逻辑判断 定时 计数 记忆和算术运算 数据处理 联网通 信及PID回路调节等功能的现代PLC 它具有可靠性高 模块化组合灵活 功能强 编 程方便 适应工业环境 安装维护简单以及运行速度快等特点 由于它具有体积小 功能强 程序设计简单 维护方便等优点 特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的 高可靠性 使它的应用越来越广泛 已经被称为现代工业的三大支柱 即PLC 机器人 和CAD CAM 之一 PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的 它既不同于普通的计算机 又 不同于一般的计算机控制系统 作为一种特殊形式的计算机控制装置 它在系统结构 硬件组成 软件结构以及多通道用户界面等许多方面都有其特殊性 从原理上说 可 编程控制器和计算机是一致的 为了和工业控制相适应 PLC采用扫描原理来工作 之 所以采用这样的工作方式 是因为PLC是由继电器控制发展而来的 而CPU扫描用户程 序的时间远远短于继电器的动作时间 只要采用循环扫描的方法就可以解决其中的矛 盾 循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面 虽然各种PLC的组成各不相同 但是在结构上是基本相同的 一般由CPU 存储器 输入输出设备 I O 和其他可选部件组成 其他的可选部件包括编程器 外存储器 模 拟I O盘 通信接口 扩展接口等 CPU是PLC的核心 它用于输入各种指令 完成预定 的任务起到了大脑的作用 存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM 通常将程序 以及所有的指定参数同化在ROM中 RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间 变量的空间 输入输出系统 I O 使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信 号输出的通道 这些通道可以有模拟量输入 模拟量输出 开关量输入 脉冲量输入 等 使PLC的应用十分广泛 5 第 2 章 控制方案设计 2 1 设计目的 通过试验了解和熟悉 FX 系列 PLC 的结构和外部接线方法 了解实际程序的调试 方法 断电保持辅助继电器的应用 了解 PLC 的几种编程 明白 PLC 的特点 知道自 己学习的不足 2 2 分析控制要求 确定设计方案 1 动作顺序 装完需要清洗的工件 按下启动按钮 小车前进进入清洗池 到达 A 位置加入酸性 洗料 5 秒钟 小车继续前进 到达 B 位置后小车后退 当到达 A 位置放出酸性洗料 5 秒钟 再加入碱性洗料 5 秒钟 小车又前进到达 B 位置 然后小车后退至 A 位置 放 出碱性洗料 5 秒钟 小车后退至起始位置 完成一个清洗周期 2 动作要求 该清洗设备的小车前进后退通过电机正反转控制 酸性洗料和碱性洗料通过两个 泵分别注入 通过打开电磁阀排放洗料 在这里洗料的注入和放出都是通过时间控制 的 3 经过分析本程序为单序列运行程序 确定用以转换为中心的编程方法设计 2 3 确定输入 输出及 PLC 机型 1 输入 6 个 分别为启动按钮 A 点限位开关 B 点限位开关 放酸阀开关 放碱阀开 关 回到起始按钮位置 2 输出 6 个 电动机正转 电动机反转 加酸泵工作 放酸泵工作 加碱泵工作 放 碱泵工作 6 第 3 章 控制系统硬件设计 3 1 I O 地址分配 确定系统的输入设备和输出设备 进行 PLC 的 I O 分配 画出 I O 口地址分配表 7 3 2 PLC 的外部硬件接线图 了解和熟悉被控制设备的工艺控制和机械的动作情况 根据继电器电路图分析和 掌握控制系统的工作原理 这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数 在分析 PLC 控制系统的功能时 可以将他想像成一个继电器控制系统中的控制系统 其外捕 接线图描述了这个控制箱的外部接线 画出 PLC 的外部接线图后 同时也确定了 PLC 的个输入信号和输出负载对应的输入继电器和输出继电器的元件号 8 3 3 顺序功能图 顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制是按照生产工艺预先规定的顺序 在各个 输入信号的作用下 根据内部状态和时间的顺序 在生产过程中各个执行机构自动地 有秩序地进行操作 9 3 4 设计梯形图程序 梯形图是这个控制箱的内部 线路图 梯形图中的输入继电器和输出继电器是 这个控制箱与外部世界联系的 接口继电器 这样就可以用分析继电器电路图的方 法来分析 PLC 控制系统 根据上述的对应关系 将继电器电路图 翻译 成对应的 梯形图 再根据梯形图的编程规则将 梯形图 转换成结构合理的梯形图 对于 复杂的控制电路可划整为零 先进行局部的转换 最后再综合起来 写出以下的完整 梯形图 10 11 12 13 第 4 章 PLC 程序调试 4 1 调试规则 系统调试应首先按控制要求将电源 外部电路与输入 输出端子连接好 然后将控 制程序送入可编程控制器中 并使 PLC 处于运行状太 然后即可对整个系统进行运行 调试 具体方法和过程如下 1 对每个现场信号和控制量作单独测试 对于一个系统说 现场信号和控制量 一般不只一个 但可以人为地使各现场信号或控制量一个一个单独满足要求 当一个 现场信号或控制量满足要求时 观察可编程控制器输出端和相应驱动的外部设备的运 行情况是否正确 当接线准确时再检查程序 修改控制程序不妥之处 直到对每一个 现场信号和控制量单独作用时均满足要求为止 2 对现场信号和控制量作模拟实况组合测试 通过现场信号和控制量的不同组 合来调试系统 即人为地使两个或多个现场信号或控制量同时满足要求 以此来观察 可编程控制器输出端和外部设备的运行情况是否满足系统的控制要求 一旦出现问题 此时的故障基本上是属于控制程序的问题 请仔细检查控制程序并加以修改 直到满 足系统要求为止 3 系统整体综合调试 整个系统的综合调试是对各现场信号和控制量按实际控 制要求进行模拟运行 以观察整个系统的运行状况和性能是否符合系统的控制要求 若控制规律古符合要求 绝大多数是因为控制程序有问题 应仔细检查并修改程序 若性能指标不满足要求 应该从硬件和软件两个方面加以分析 调节硬件参数 优化 程序 使系统达到理想要求 用于工业控制的可编程控制器系统要求有很高的可靠性 为提高可编程控制器本身的可靠性和抗干扰能力 4 软硬件调试 接通电源 检查三菱 FX2N 16EX 可编程控制器是否可以正常工 作 接头是否件调试 按要求输入梯形图 转换成指令表 并进行语法的检查 正确 后设置正确的通信口 将指令读入到指定的可编程控制器 ROM 中 进行下一步的调试 运行调试 在硬件调试和软件调试正确的基础上 打开三菱 FX2N 16EX 可编程控制器 的 RUN 开关进行调试 观察运行的情况 看是否是随时按下停止按钮可以停止系统 运行 或者等待 100 个脉冲后 系统是否停止运行 根据以上的调试情况 本彩灯循 环点亮的 PLC 控制系统设计符合要求 14 4 2 调试方法与结果 1 酸洗步骤 将清洗部件放在小车上 此时小车处于起始位置 按下启动按钮 I0 0 继电器 Q0 0 动作 电机正转 小车前进 到达 A 点后 闭合 A 点限位开关 I0 0 继电器 Q0 1 动 作 打开加酸阀门加入酸性洗料并计时 5 分钟 计时 5 分钟后 继电器 Q0 0 动作 电 机正转 小车继续前进 到达 B 点后 闭合 B 点限位开关 继电器 Q0 2 动作 电机反 转 小车后退 回到 A 点后 闭合 A 点限位开关 继电器 Q0 3 动作 打开排酸阀门将 酸性洗料放出并计时 5 分钟 完成一次酸洗 2 碱洗步骤 完成酸洗后 此时小车仍处于位置 A 继电器 Q0 4 动作 打开加碱阀门加入碱性 洗料并计时 5 分钟 计时 5 分钟 继电器 Q0 0 动作 电机正转 小车继续前进 到达 B 点后 闭合 B 点限位开关 继电器 Q0 2 动作 电机反转 小车后退 回到 A 点后 闭合 A 点限位开关 继电器 Q0 5 动作 打开排碱阀门将碱性洗料放出并计时 5 分钟 完成一次碱洗 计时 5 分钟 小车回到起始位置 15 第 5 章 设计心得与体会 通过这次对工业自动清洗机系统的 PLC 控制的试验 让我了解了 PLC 梯形图 指 令表 外部接线图有了更好的了解 也让我了解了关于 PLC 设计原理 有很多设计理 念来源于实际 从中找出最适合的设计方法 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺 自己要学习的东西还太多 以前老是觉得自己什么东西都会 什么东西都懂 有点眼高手低 通过这次课程设计 我才明白学习是一个长期积累的过程 在以后的工作 生活中都应该不断的学习 努 力提高自己知识 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了 同学之间互相 帮助 有什么不懂的大家在一起商量 听听不同的看法对我们更好的理解知识 所以 在这里非常感谢帮助我的同学 在此要感谢我们的指导老师沈细群对我们悉心的指导 感谢老师们给我们的帮助 在设计过程中 我通过查阅大量有关资料 与同学交流经验和自学 并向老师请教等 方式 使自己学到了不少知识 也经历了不少艰辛 但收获同样巨大 在整个设计中 我懂得了许多东西 也培养了我独立工作的能力 树立了对自己工作能力的信心 相 信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响 而且大大提高了动手的能力 使我充 分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦 另外 该自动清洗机 PLC 自动控制系统经过安装与调试 运行情况良好 基本达 到预期要求 本系统充分发挥了 PLC 自动控制系统运行可靠 控制灵活 维护方便等 优点 此次设计让我进一步了解懂得了可编程自动控制技术 让我更深一步的了解了 PLC 的性能和作用 为以后的使用作了铺垫 16 参考资料 1 刘星平 PLC 原理及工程应用 M 北京 中国电力出版社 2014 年 2 廖常初 S7