牛卡纸机备浆流送部控制系统

牛卡纸备浆流送部控制系统设计I 牛卡纸机备浆流送部控制系统设计 摘 要 备浆流送部是抄纸过程的一个重要工段 涵盖从纸浆车间的成浆池到网部的流浆 箱唇口之一段 是制浆工段和抄纸工段的连接枢纽 属于抄纸过程的准备阶段 其主 要功能包括纸料的输送 筛选 稀释 冲浆上网等 在制浆造纸过程中 这一阶段的 控制往往作为纸机 DCS 控制系统的一个独立子系统 其主要任务包括浆料的浓度调节 流量调节 浆池液位调节 流浆箱的控制相关泵的联锁控制等 本设计首先对备浆流送工段的工艺做了介绍 并明确了控制对象和控制参量 之 后根据工艺的要求 设计了适合工艺的控制系统 并对照工艺流程图进行了控制点的 配置 I O 点数的统计 模块的选择和相关仪表的选型 本文中详述了工艺流程 因为 工艺流程是控制方案选定的基础和前提 之后对控制方案进行了详述 并对控制系统 的硬件进行了选型和配置 随后介绍了西门子 PLC 控制系统和 WinCC 组态软件 本次设计的难点是流浆箱的液位和总压的耦合问题以及四段除砂器浆泵及阀门的 连锁和时序启停问题 针对上述问题 本文中给出了相应的解决方案 关键词 备浆流送 控制系统 PLC 硬件组态 II Control System Design of Preparing and Flowing Section for Kraft Paper Machine ABSTRACT Preparing and flowing section is important in paper making process It covers sections from the pulp slurry pool to the workshop of the head box lip which belongs to the paper making process preparation stage is the connection hub of pulping and paper making section Its main function includes conveying screening dilution slurry punching network In papermaking process the DCS control system for this stage of paper machine is often used as an independent sub system Its main tasks include pulp concentration regulation flow control plasma pool level adjustment head box control and pump interlock control This design introduced the process of preparing and flowing at first and clearly described the control object and control parameter then according to the process requirements design the process control system and the control process flow chart for the control point configuration I O point statistics module selection and the selection of instruments This design introduces the technological process detailedly because the process is the basis and premise of control program then explain the control scheme the control system hardware for the selection and configuration in detail Subsequently introduced Siemens control system PLC and WinCC configuration software This difficulty in this design the head box level and total pressure s coupling problem and issues of pump and valve linkage and sequential start stop for four sections of the desander in view of the above problems this paper presents corresponding solutions KEY WORDS Preparing and Flowing Control system PLC Hardware Configuration 牛卡纸机备浆流送部控制系统设计III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 本课题的背景 目的及意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 课题目的 1 1 1 3 课题意义 1 1 2 备浆流送部控制在国内外的现状 1 1 3 本课题的主要工作和任务安排 2 1 3 1 本次设计的主要工作 2 1 3 2 本次设计的内容安排 2 2 1 备浆流送部的定义及其主要功能 3 2 1 1 备浆流送部的定义 3 2 1 2 流送系统的主要功能 3 2 2 备浆流送的工艺 3 2 2 1 浆量的调节 4 2 2 2 液位控制 4 2 2 3 浆料的稀释 4 2 2 4 浆料的除气 5 2 2 5 纸浆的筛选和净化 5 2 3 备浆流送系统的典型设备简介 6 2 3 1 流浆箱 6 2 3 2 旋翼筛 7 2 3 3 锥形除渣器 8 3 PLC 介绍 9 3 1 PLC 的定义 特点及功能 9 3 1 1 PLC 的定义 9 3 1 2 PLC 的优点 9 3 1 3 PLC 的主要功能 9 3 2 PLC 的硬件组成和工作原理 10 3 3 PLC 的工作原理 12 3 4 PLC 的 I O 模块和外围设备 14 3 4 1 数字量输入模块 14 IV 3 4 2 数字量输出模块 15 3 4 3 模拟量输入模块 15 3 4 4 模拟量输出模块 17 3 5 CPU 模块 17 3 6 电源模块 18 3 7 其他模块 18 3 8 本章总结 18 4 备浆流送部控制方案设计 19 4 1 控制方案的设计 19 4 1 1 控制原理 19 4 1 2 控制回路分析及控制点配置 19 4 2 控制回路设计 21 4 3 备浆流送的仪表和执行器 22 4 3 1 压力测量仪表 22 4 3 2 流量检测仪表 22 4 3 3 液位测量仪表 23 4 3 4 浓度测量仪表 23 4 4 控制回路执行器和仪表的选型 23 4 5 控制系统硬件选型及组态 23 4 5 1 控制点数统计 23 4 5 2 控制系统硬件选择 24 4 5 3 控制系统硬件组态 25 5 STEP 7 及 WinCC 软件简介 27 5 1 西门子 PLC 编程软件 STEP 7 27 5 2 WinCC 组态软件 28 5 3 组态软件设计结构 28 5 4 组态过程 28 5 5 现场调试 29 6 总结 30 致谢 31 参考文献 32 牛卡纸机备浆流送部控制系统设计1 1 绪论 1 1 本课题的背景 目的及意义 1 1 1 课题背景 现代造纸工业是世界上居电信制造行业和汽车工业之后的第三大加工工业 属于 集中度高 资金 技术 能源密集型的大型现代化产业 随着国民经济尤其是人民生 活水平及现代文化和信息产业的发展 造纸工业的位置越显重要 已经成了衡量一个 国家发展水平的重要依据 与国民经济息息相关 现代造纸工业的显著特点 设备的大型化 高速化和自动化 而现代化的设备 先进的生产工艺以及先进的自动控制技术的相互结合 是实现制浆造纸生产过程高产 量 高效率 低成本 低污染的根本保证 备浆流送部作为纸页抄造过程中的一个重要工段 它包括的从纸浆车间的成浆池 到流浆箱唇口这一过程 是连接制浆工段和抄纸工段的枢纽 属于纸页抄造过程的准 备工段 备浆流送部的主要作用是纸浆成份的混合 稀释 纸浆的除渣以及稳定浓度 和流量 备浆流送系统的流程和设备的选择对造纸机的产品质量和造纸机运行的连续 性 稳定性有很大影响 1 1 1 2 课题目的 考虑到备浆流送部在造纸工程中的重要性 工艺上的控制要求 工人工作环境的 改善以及对环境的影响等一系列因素 所以实现备浆流送部进行自动控制将会很有意 义 备浆流送部的主要控制任务包括浆料的浓度控制 流量控制 绝干浆量调节 浆 池液位显示控制 流浆箱控制以及泵和筛的联锁控制等 由于备浆流送部的控制质量 对于纸页的抄造和成纸质量有决定性的作用 所以备浆流送部的控制质量显得尤为重 要 所以我们应致力于提高自动控制的质量 1 1 3 课题意义 实现了备浆流送部良好的自动控制不仅可以改善工作环境 更重要的是可以提高 纸页生产效率和产品质量 节约成本 同时 结合自己所学到的专业知识 对课题进 行认真完整的设计 以检验和巩固所学知识 进一步扩展自己的知识 提高自己的独 立思考和设计能力 1 2 备浆流送部控制在国内外的现状 制浆造纸过程是一个复杂的工业过程 具有高度不确定性 非线性 关联性 大 滞后和状态不完全性等特点 制浆造纸生产的自动控制 过去的应用范围十分有限 2 主要集中在制浆过程的局部简单仪表控制和纸机的电气传动控制方面 大量的控制内 容是通过人工调整实现的 改革开放以来 通过国外先进技术产品的引进 以及借鉴 相关行业自动控制方面的经验 自动控制在造纸生产中逐步得到了应用 正朝着整厂 集中控制的方向发展 2 我国的造纸工业自动控制经过多年的发展也短变得成熟和完善 从最初的仪表控 制系统和继电器逻辑控制系统的结合发展到现在 PLC DCS 及 FCS 目前 国内造 纸行业的自动化水平总的来说还属落后 对同一个工艺过程 国内的控制点相对较少 相关仪表和执行器的质量也相对落后 但从控制算法及策略上讲 与国外的水平基本 持平 1 3 本课题的主要工作和任务安排 1 3 1 本次设计的主要工作 1 针对所选课题进行分析 调查 并广泛的搜集整理与本次课题相关的资料文献 2 分析整合资料 首先搞清楚备浆流送工段的工艺流程及相关设备 统计需要控 制工艺的参数 并分析控制的要点 难点 3 对自动控制系统做一简要介绍 4 备浆流送段控制系统的控制方案的设计 绘制出带控制点的工艺流程图 并进 行仪表阀门的选型 对 I O 点数进行统计及控制系统的硬件组态 5 绘制控制回路接线图 并用 WinCC 做控制监视界面 1 3 2 本次设计的内容安排 1 第一章概述备浆流送系统的现状和设计要求 2 第二章介绍了西门子 PLC 3 第三章阐述了备浆流送工艺流程及其主要设备 4 第四章说明了备浆流送控制系统的设计 5 第五章简单的介绍了西门子编程软件 Step7 和 WinCC 组态软件 牛卡纸备浆流送部控制系统设计3 2 备浆流送部工艺及设备 2 1 备浆流送部的定义及其主要功能 2 1 1 备浆流送部的定义 经典的备浆流送系统是指从成浆池到压力筛的工艺流程 一般由锥形除渣器 浆 泵和浆筛等组成 是纸机的重要组成部分 本次的设计将流浆箱要包括进去 一直到 流浆箱唇口结束 2 1 2 流送系统的主要功能 1 将浆料和化学品以各种比例在流送系统中与白水进行均匀混合 13 2 有效地除去由浆料 填料 化学品等材料带入系统的杂质 提高浆料上网的洁 净度 3 尽可能有效地除去系统中的空气 4 浆料通过系统后获得良好的分散 除去纤维束及絮聚物等 5 保证进入流浆箱上网浆料浓度 流量 压力的稳定 尽可能降低由于设备 泵 筛 性能所产生的脉冲作用 6 尽可能缩短由于改变品种和调整工艺后系统达到稳定所需的时间 2 2 备浆流送的工艺 在备浆流送部中 纸浆经过配浆 加填和净化以后 基本具备了适于抄纸性能的 浆料 然后在抄前池前后进行浓度调节 使浆料获得能满足纸种质量和定量要求的浓 度 浓度稳定的浆料进入抄前池 然后由上浆泵打入高位箱以使浆料稳定 高位箱中 的浆料自然落下基本贯穿机外白水槽 在机外白水槽添加必要的助剂 经过除砂器除 去重质渣 再经过除气 然后由冲浆泵打入压力筛精筛 借助余压将纸料直接送入流 浆箱 在流浆箱里 纸料经过匀浆辊匀浆和气垫式或者水力式增压 对浆流进行分布 和匀整以后 均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上 10 备浆流送的工艺流程 简图如图 1 1 所示 本次的对象为单长网牛卡纸机 其备浆流送部主要的工艺处理包括 浆量的调节 浆料稀释调浓浆量调节净化 除气 浆料稀释浆料筛选流浆箱流送 图 1 1 备浆流送工艺简图 4 浆料的稀释 浆料除渣 浆料除气 浆池液位控制 流浆箱控制 下面主要介绍这些 工艺处理的作用及方法 2 2 1 浆量的调节 浆量调节主要是为了稳定上网纸浆流量 以便达到抄造出的纸页定量均一 合适 的目的 浆量调节一般是通过调节浆浓度和浆流量来完成的 1 浓度控制 浓度是流送系统比较重要的控制量 系统采用两级调浓进行浓度调节 纸浆在成 浆池出口首先进行一次调浓 选取美卓的浓度计作为浓度变送器 执行器采用电动阀 通过调节白水管上的电动阀来控制白水流量从而调节浆料浓度 纸浆从抄前池出来后 由上浆泵抽送到高位箱 在抄前池出口要对纸浆进行第二次调浓 调节的方法和一次 调浓相同 8 2 流量控制 纸张的定量决定于供给纸料的数量 在浆料浓度不许变的情况下 若纸机车速不 变而要改变定量 就必须改变纸料的供给量 若定量不变而要改变纸机车速 同样也 需要调节纸料的供给量 因此 按纸机车速和纸张定量要求调解供浆量 这是纸机操 作的一项重要内容 一般的 纸浆从高位箱下来进入白水箱 在下管段中进行流量的 控制 流量是流送系统比较难控制的量 影响流量检测值波动的因素有很多 主要是 纸浆的性质和高位箱上的液位波动 2 2 2 液位控制 1 抄前池液位控制 在纸机前贮存一定的浆量 可以使打浆部分送来的纸料 在经过配浆调料后进行 充分的搅拌和混合 使其质量稳定 同时使打浆部分的间歇供料变成连续供料 或在 连续打浆偶然停机时不致影响生产 从而保证在一定的时间内连续 稳定地向纸机供 料 2 高位箱液位控制 高位箱内浆料液位的稳定对会影响到浆料流量的稳定 因此需要对高位箱的液位 进行控制 控制方法与抄前池液位的控制方法相同 3 流浆箱内液位控制 流浆箱的控制方法将在后文中讲到 2 2 3 浆料的稀释 稀释的目的和作用 成浆池来的浆料浓度一般为 2 5 3 5 为了下一步的精选和 有利于纸料的上网成形 应稀释到 0 1 1 3 因此 稀释的目的就是满足精选和抄纸 牛卡纸备浆流送部控制系统设计5 的基本要求 8 纸料稀释后 有利于纤维均匀的分散在水中 是纤维较长时间保持悬浮状态 避 免纤维絮聚成团 改善纸页匀度 纸料在纸机网部成形是 从网部滤出的的水称为白 水 其中含有少量细小纤维 填料 胶料 色料等 为了节约清水 减少废水排放量 回收其中的少量物料 改善纸页匀度 是角度和色度 一般采用白水来稀释纸料 这 种稀释纸料的操作也称为冲浆 纸料稀释的方法主要利用高位冲浆箱 地下冲浆池和冲浆泵三种方法 本次设计 采用冲浆本对纸料进行稀释 因为冲浆泵稀释一般用于长网纸机 其稀释度主要由浆 量控制阀控制 稀释装置为白水塔 2 2 4 浆料的除气 在造纸过程中 一些不适当的机械处理和其他一些因素能使空气保留在纸料中形 成成泡沫 这些气泡的存在会对纸页的抄造的过程产生不良影响 纸料中的空气以两种状态存在 一种是游离状态的空气 它以气态形式聚集着悬 浮于纸料中 也有的存在于纤维的细胞腔中 另一种是结合状态的空气 它溶解于水 中或纤维上 这两种状态的空气在一定条件下是可以相互转化的 一般来说 结合状 态的空气对纸料的性质不大 游离态的空气对纸机的抄造过程和纸张质量均有不良影 响 纸浆中的空气含量虽然很少 一般含量为 0 4 6 以体积计 但对抄纸过程的 各个环节影响很大 为了改善纸浆的性质和质量 故需使用脱气设备脱除纸浆中的空 气 脱气方法可分为化学法和机械法两大类 a 化学法 采用消泡剂可除去纸料中 80 85 以上的空气 优点是不用改变原来 的工艺流程和设备 且节省投资 缺点是可能对施胶产生影响 b 机械法 分为离心法和真空法 其工作原理是基于真空和物理力结合的作用 把纸料中的空气泡破坏脱除 这种方法也可除去浆料中 80 85 以上的空气 常用的 脱气设备有涡旋除渣脱气管和脱气罐 脱气管用于小型工厂 脱气罐则用于大中型工 厂 1 2 2 5 纸浆的筛选和净化 纸料中常常含有尘埃及各种杂质对抄纸生产 纸机部件姐成纸质量均有不良影响 生产中需要有效地除去这些杂质 纸浆中尽管存在着各种性质不同的不溶性的杂质 但分选这些杂质一般采用两种 作用原理 一类是按其尺寸大小和形状与纤维不同 用过筛的方式迸行分离 这个过程 称为纸浆的筛选 另一类是按其杂质的比重较纤维大 用重力沉降或离心分离的方式进 6 行的过程 称为净化 在实际生产过程中 往往是两种方式结合构成纸浆的筛选和净 化的工艺流程 筛选的设备一般采用压力筛 净化的工艺方法如下 芬兰奥斯龙 AHLSTROM 公司生产的纸机流送设备具有 除渣率高 上网均匀 无须停机清洗等优点 在国际造纸业中有较大的市场占有率 所以本设计采用奥斯龙除渣系统 奥斯龙的除渣系统一般由四段锥形除渣器 浆泵和调节阀等组成 锥形除渣器利 用流体旋涡运动所产生的离心作用对浆料中不同比重的悬浮物进行分离 从而有效地 除去不必要的杂质 细砂等 四段除渣器呈梯级串联 主浆水经过白水塔稀释后先送 往一段除渣器 进行一次除渣后 良浆进入一段筛 压力筛 尾浆进入二段除渣器 二段良浆作为外循环进入白水塔 尾浆进入三段除渣器 三段良浆返回二段除渣器进 浆端 尾浆进入四段除渣器 四段良浆返回三段除渣器 尾浆作为浆渣排掉 一至三 段除渣器的稀释水来至白水塔 这样做一则维持了低纤维损失 二则提高了效益 14 至此 牛卡单长网纸机备浆流送部的工艺流程已经确定 工艺流程图如 1 2 所示 大图见附图 1 2 3 备浆流送系统的典型设备简介 2 3 1 流浆箱 作为造纸机的关键部分 流浆箱的基本任务是 为纸页成形提供良好的前提条件 即沿着造纸机横幅方向均匀的分布纸料 保证压力均布 速度均布 流量均布 浓度 图 1 2 备浆流送系统工艺流程图 牛卡纸备浆流送部控制系统设计7 均布以及纤维的定向的可控性和均匀性 有效地分散纤维 防止纤维絮聚 并按照工艺要求 提供持续稳定的上浆压头和浆网速比 1 流浆箱的基本结构组成 1 流浆箱由布浆器 纸浆的分布装置 堰池 纸浆的整流装置 堰板 上网装置 等三个主要部分组成 任何一种形式流浆箱的功能都是由布浆器 整流部 纸料上网 装置这三大部分具体承担 相互协调实现的 这三大部分的功能分别为 布浆器 根据流体动力学原理 利用有规律的变截面 将上网纸料沿着造纸机的 幅宽方向以一定的压力 速度 流量均匀分布 整流部 利用整流元件和湍流发生器产生适当规模和强度的湍动 有效的分散纤 维 防止纤维絮聚 尽可能保持纤维的无定向排列 使上网纸料流中的纤维处于均匀 分散状态 纸料上网装置 使纸料均匀地 以一定角度和喷浆速度喷射到网上的预定着网点 并提供纸机幅宽方向的定量 水分的微细调节和浆流的湍动 絮聚规模的控制调节 以保证获得所需求质量的纸页 2 流浆箱的发展历程 流浆箱不管其结构如何都是通过完成纸浆流送和均匀分布并喷到网案上的过程来 实现其作用的 应用的区别在于完成流送过程的效果质量以及能适应的车速 纸种的 不同 流浆箱的主要类型如下 a 敞开式流浆箱 其特点是结构简单 用调箱内液位的高低来控制上网的浆速 目前仍用于车速低于 250 min 的低速造纸机上 b 气垫式流浆箱 特点是堰池是封闭的 上浆压力可以采通过气垫来调解并可以 消除微小的压力波动 适用于中高速造纸 c 満流式流浆箱 其特点是浆流充满较小的箱体 配有用于产生高强微湍动的整 流元件 能确保纤维分散 无转动的部分 靠上浆泵或高位箱的压力来产生上浆压力 适用于高速长网纸机 夹网纸机 也可用于圆网造纸机 d 满流气垫结合式流浆箱 其特点是综合了气垫式流浆箱和満流式流浆箱的优点 消除了満流式流浆箱无回流 不能消除气泡的缺点 适用于高速长网造纸机 夹网纸 机 e 水力式流浆箱 其特点是采用高效水力布浆整流元件 重视稳浆室的作用 采 用狭长流道以产生可控的微细湍流 一次布浆整流 采用稀释水浓度控制技术 适用 于新开发的高速夹网纸机 f 多层成形流浆箱或多流道流浆箱 其特点是可以实现优化浆料配置和纸页性质 已从单一的纸板品种逐步扩张到薄页纸 卫生纸的生产中 8 3 流浆箱的选型 次设计采用气垫式双匀浆辊流浆箱 其主要需要控制流浆箱内的液位和流浆箱的 总压 以保证浆流稳定 均一的喷射上网成形 2 3 2 旋翼筛 本次筛选设备选用压力筛 压力筛又称旋翼筛 有内流式与外流式 单鼓式与双 鼓式之分 使用较多的是单鼓外流式压力筛 压力筛的最大特点是密封操作 避免了 腐浆和泡沫的影响 且不用喷水 纸料的浓度稳定 易于管理 其次是排渣率可调 从而可使筛选效率得到一定的控制 此外 高速旋转地旋翼可使部分纤维絮聚物分散 因此压力筛是一种较理想的纸浆筛选设备 旋翼筛工作时 浆料以一定的压力由切线方向进人筛框内 由于浆料进出口压差 使良浆通过筛孔 筛板上聚积的纤维层 则由流线型的旋翼在旋转过程形成的压力脉 神来冲刷按旋转方向 旋翼的前部分与筛板间隙很小迫使浆料压向筛板外 而旋翼的 后部分由于间隙渐大 形成局部压力减小 筛板外侧的浆液则反向冲进筛框 使聚积 的纤维层定时破坏 起到清洗筛孔的作用 8 2 3 3 锥形除渣器 锥形除渣器是广泛应用于浆料净化的设备 浆料由除渣器的上部以切线方向进人 后 沿圆筒内壁产生涡旋运动 因克服浆料内部的摩擦力 离心力逐渐减小 故除渣 器下部做成锥形以减小涡旋半径 增加离心力 保持对杂质有足够的分离作用 影响净化的因素 a 压力差 影响除渣器净化效率的主要因素是浆料进出口压力差 它是产生涡漩 运动的推动力 也是使杂质分离的动力 如果压力差太大 消耗动力增加 若压差不足 则净化效率降低 b 进浆浓度 在压差一定的情况下 进桨浓度产生波动时 净化效率随进做浓度增加而下降 当进浆浓度增加 排渣浓度也增加 纤维损失也随之增大 一般进浆浓度在 0 3 0 9 左右二若进浆浓度太低 则设备生产能力下降 动力消耗增加 也是不经济的 c 通过量 每种型号的除渣器 都有一额定的生产能力 除渣系统中每段除渣器的个数 即 依据每个除渣器的能力进行确定 在生产过程中 若单位时间的通过量低于额定的生 产能力 可以减少除渣器的个数 或者采用细浆回流的方法 保证每个除渣器能在满 载下运行 否则将影响除渣效率和纤维流失 d 排渣口一定型号的除渣器 其排渣口和锥角都有一定的规定数值 排渣口太小 除渣效率低 而且容易堵塞 排渣口大 虽可提高净化效率 但排渣量大 纤维损失多 牛卡纸备浆流送部控制系统设计9 因此除渣器在使用中如磨损很大 必须注意排渣口的尺寸变化 即时更换新的排渣口 8 10 3 PLC 介绍 3 1 PLC 的定义 特点及功能 3 1 1 PLC 的定义 可编程控制器 Programmable Logic Controller 简称为 PLC 它以微处理器为基础的 高度集成化的新型工业控制装置 是计算机技术和工业控制技术相结合的产品 国际电工委员会对可编程控制器的定义是 可编程控制是一种进行数字运算的电 子系统 是专为在工艺环境下的应用而设计的工业控制器 它采用可编程的存储器来 存储指令 实现逻辑运算 顺序控制 定时 计数 及算术运算等操作 并通过数字 式或模拟式的输入输出 控制各种机械的生产过程 3 1 2 PLC 的优点 PLC 有以下几个主要特点 a 可靠性极高 抗干扰能力强 b 编程简单 使用方便 c 功能齐全 通用性强 灵活性好 d 设计 安装容易 维护工作量小 e 体积小 能耗低 便于机电一体化 f 联网方便 便于系统集成 性价比高 目前 PLC 在国内外己广泛应用于钢铁 石油 化工 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保以及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格比地不断提高 其应用范围不断扩大 3 3 1 3 PLC 的主要功能 PLC 具有以下功能 a 开关量逻辑控制 这是 PLC 最基本 应用最广泛的功能 它用来取代继电器控制 机电式顺序控制 等所有的开关量控制系统 b 模拟量控制 PLC 具有 A D 转换 D A 转换及算术运算功能 可以实现诸如温度 压力 流量 电流 电压等连续变化量的模拟控制 而且 PLC 大都具有 PID 闭环控制功能 c 数字量控制 PLC 能和机械加工中的数字控制及计算机数控组成一体 实现数字控制 d 机器人控制 牛卡纸备浆流送部控制系统设计11 电源 输 入 单 元 输 出 单 元 中央处理单元 CPU 存储器 用户程序 存储器 系统程序 存储器 现场输入设备 现场输出设备 图 3 1 PLC 基本结构图 随着工业自动化的发展 使用的机器人越来越多 很多工厂也选用 PLC 来控制机 器人 自动的执行它的各种机械动作 e 分布式控制系统 现代的 PLC 具有较强的通信联网功能 PLC 与 PLC PLC 与远程 I O PLC 与上 位计算机之间可以通信 从而构成 集中管理 分散控制 的分布式控制系统 f 监控功能 PLC 能对系统异常情况进行识别 记忆 或在发生异常情况是自动终止运行 操 作员也可通过监控命令监视有关部分的运行状态 可调整定时 技术等设定值 g 其他功能 其他功能主要指显示 打印 报警以及对数据和程序的拷贝等功能 3 3 2 PLC 的硬件组成和工作原理 目前 PLC 的品种繁多 不同型号的 PLC 的结构也各不相同能够 但它们的基本结 构和工作原理却大致相同 3 从广义上讲 PLC 是一种特殊的工业控制计算机 只不过比一般的计算机具有更 强与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言 PLC 的基本组成 PLC 的基本组成由以下四个部分组成 a 中央处理单元 CPU b 存储器 RAM ROM c 输入输出单元 I O 接口 d 电源 开关式稳压电源 其结构图如图 3 1 所示 12 电源 输 入 单 元 输 出 单 元 中央处理单元 CPU 存储器 用户程 序存储 器 系统程 序存储 器 现场输入设备 现场输出设备 图 3 2 整体式 PLC 结构示意 图 外设接口 I O 扩展接口 现场输入输出设备 编程器 其他 PLC 上位机 打印机 I O 扩展单元 特殊功能单 元 整体式和模块式 PLC 的组成 根据物理结构形式 PLC 可分为整体式和模块式两类其组成示意图分别如图 3 2 和图 3 3 所示 a 中央处理器 CPU CPU 模块 电源模块 输入模块 输出模块 智 能 I O 模 块 通信模块 接收 现场 信号 CPU 存储器 对外接口 编程器接收 现场 信号 PLC 上位 机 系统总线 BUS 图 3 3 模块式 PLC 结构示意图 牛卡纸备浆流送部控制系统设计13 CPU 是 PLC 的核心部件 包括微处理器和控制接口电路两大部分 微处理器主要进 各种运算 协调系统内的各部分电路的运行 控制接口电路是连接微处理器与其他部 件的 桥梁 她具有信号匹配 数据缓冲 中断管理等功能 4 CPU 芯片的性能关系到 PLC 的处理控制信息的能力和速度 CPU 位数越高 运算速 度越快 系统性能越好 为了进一步提高 PLC 的可靠性 近年来对大型 PLC 还采用了 双 CPU 构成的冗余系统 或采用三 CPU 的表决式系统 b 存储器 存储器用来存放程序代码和数据 可分为只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 两种 ROM 主要存放系统程序和用户程序 RAM 主要用来存储数据 包括输入输出数据 逻辑 部件参数 中间变量等 c 输入 输出部件 输入输 出部件也称为 I O 单元 它是 PLC 与工业现场设备相联系的部件 PLC 从输入部件得到控制命令 被控对象或生产过程中的各种参数 输入部件一般 具有信号隔离 滤波 电平转换等处理电路 为了与现场信号连接 输入部件上设有 输入接线端子排 PLC 通过输出部件控制现场设备进行工作 d I O 扩展接口 对于整体式 PLC 而言 当本机的 I O 数量不能满足要求时 通过 I O 扩展接口 可以扩展一定数量的 I O 对模块式而言 各模块通过总线连接 总线相当于 I O 扩展 接口 e 通信 外设接口 通信接口是实现人机对话 机机对话的通道 也是常用外设接口 常用的通信接 口是 RS 485 的串行通信接口 同时与现场的总线兼容 通信接口可以实现 PLC 也上位 计算机 PLC 编程器 彩色图形显示器 打印机等外部设备的连接 f 电源 PLC 一般采用 AC220V 电源或 DC24V 电源 电源单元包系统的电源及后备电池 PLC 内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源 小型 PLC 可以为输入电路和 外部的传感器提供 DC024V 电源 驱动 PLC 负载的直流电源一般由用户提供 在整个系 统中起着十分重要的作用 PLC 有整体式和模块式两种结构 整体式 PLC 的所有部件都装在同一个机壳内 模块式 PLC 的各功能部件独立封装 其各部件称为模块或模板 各模块通过总线连接 安装在机架或导轨上 3 3 PLC 的工作原理 PLC 在运行是 采用循环扫描的工作方式 如图 3 4 所示 PLC 按照一定的顺序 14 RUN 方式 内部处理 开始 通信 输入采样 执行用户程序 输出刷新 图 3 4 PLC 循换扫描工作流程图 否 执行各种任务 一个循环过程叫一个扫描周期 4 PLC 每次上电后 首先进行初始化操作 扫描周期不包括初始化操作部分 在一个扫描周期中 PLC 完成下面的操作 系统自检 系统程序检测 PLC 的主要部件及 用户程序 如有错误则发出提示信息 并进行 相应的处理 输入输出刷新 PLC 采样输入信号 刷新 输入映像存储器的数据 执行用户程序 逐条执行用户程序的指令 计算 处理相关数据 随着持续的执行 不断 更新输出状态 执行完用户程序后的结果是最 终的输出结果 外设请求处理 外设请求是指其他硬件设 备的中断请求 或者是操作员的命令输入 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们存 入 I O 映象区中的相应的单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶 段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O 映象区中的相应单元的状态 和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个 扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路 并按 先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻辑运 算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈 在 I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入点在 I O 映象区内的状态和数据不会发生变化 而其他输出点和软设备在 I O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生 变化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或 数据的梯形图起作用 相反 排在下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据 只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用 3 输出刷新阶段 牛卡纸备浆流送部控制系统设计15 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映 象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外设 这时 才是 PLC 的真正输出 3 4 PLC 的 I O 模块和外围设备 PLC 对外是通过各类 I O 接口模块的外接线 来完成对工业设备或生产过程的检 测与控制 为了适应各种各样输入 输出的过程信号需要 相应有许多种 I O 接口模块 这里主要从应用的角度对 PLC 常用的 I O 接口模块的功能 类型 原理电路及其外接 线进行介绍 为正确选用各种 I O 接口模块奠定基础 3 4 1 数字量输入模块 数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转成内部电平 数字量输入模块 的输入方式有直流输入和交流输入方式两种 输入信号进入模块后 一般都经过光电 隔离滤波 然后才送入缓冲器等待 CPU 的采样 采样时 信号经过背部总线进入到输 入映像区 SM321 数字量输入模块是用来将现场送过来的数字信号电平转化成内部信号电平 它有四种型号可以选择 即直流 16 点输入 直流 32 点输入 交流 16 点输入 交流 8 点输入 其中 SM321 DI 32 24VDC 它具有 32 个输入点 带隔离 16 点为一组 额定输入 电压为 24VDC 适用于开关和 2 3 4 线 BERO 接近开关 可接非屏蔽电缆长度最长为 600m 屏蔽电缆长度为 1000m 通道与背板之间以及每组通道之间有光电隔离 从背 板总线输出最大 15mA 电流 SM321 DI 16 24VDC 它是 16 点输入 带隔离 16 点为一组 额定输入电压为 24VDC 适用于开关和 2 3 4 线 BERO 接近开关 通道与背板总线之间有光隔 SM321 DI 16 24VDC 带硬件和诊断中断 它是 16 点输入 带隔离 16 点为一组 额定输入电压为 24VDC 适用于开关和 2 3 4 线 BERO 接近开关 对传感器可使用外 部冗余电源 组故障 LED 可编程的诊断 可编程的诊断中断 可组态的硬件中断 可编程的输入延迟 这是几种常用的模块 他们的主要参数见表 3 1 表 3 1 M321 数字输入模块主要参数表 SM321 数字输入模块直流 16 点输入模块直流 32 点输入模块 输入点数1632 额定负载电压 L 24VDC 24VDC 负载电压范围20 4 28 8V 20 4 28 8V 额定输入电压 24VDC 24VDC 16 图 3 5 数字量直流输入模块内部电路及外部接线 图 背板总线 M int M S7 300 L 24V 输入电压 1 范围 13 30V 13 30V 输入电压 0 范围 3 5 3 5V 模块的每一个输入点有一个绿色发光二极管显示输入状态 输入开关闭合即有输 入电压时 二极管亮 直流输入模块 外接直流 12 24 48V 电源 交流输入模块 外接交流 110 20V 电源 交 直流输入模块 外接交直流电源 即交直流电源都能用 无源输入模块 由 PLC 内部提供电源 无需外接电源 图 3 5 是西门子 S7 300 型 PLC 的数字量直流输入模块内部电路及其外接线图 3 4 2 数字量输出模块 SM332 数字量输出模块将 S7 300 内部的信号电平转换成过程所要求的外部信号电 平 可直接用于驱动电磁阀 接触器 小型电动机 灯和电动机的启动等 继电器输出 交 直流输出模块 输出电流大 交直流两用 适应性强 但 动作速度慢 工作频率低 晶体管输出 直流输出模块 外接直流电源 动作速度快 工作频率高 但 输出电流较小 晶闸管 双向的 或固态继电器输出 交流输出模块 外接交流电源 输出 电流大 工作频率高 S7 系列的 PLC 所具有的数字量输出模块中 SM322 DO32 24VDC 0 5A 此模块为 32 点输出带隔离 8 点为一组输出 0 5A 电流 24V 额定负载电压 适用于电磁阀 直 流接触器和指示灯 3 4 3 模拟量输入模块 牛卡纸备浆流送部控制系统设计17 AI 是用来将模拟量信号转换成 PLC 所能接收的数字信号 即进行 A D 转换 将 模拟量输入的采样值转换成二进制数 然后再把输入通道号及其它信息一起送到系统 的内部总线上 1 主要性能指标 输入通道数 4 路 8 路 16 路 输入信号 电压 10 10V 1 5V 电流 4 20 A A D 转换位数 8 位 10 位 12 位或 14 位 均为二进制 转换精度 0 01 0 05 线性质 满量程 0 05 环境温度 25 转换时间 50 S 2 主要组成 主要由 A D 转换部件 模拟切换开关 补偿电路 恒流源 光电隔离部件 逻辑 电路等组成 A D 转换一般采用积分法 积分时间直接影响 A D 转换精度一般有如下 对应关系 积分时间 2 5ms 16 7ms 20ms 100ms 对应精度 9 位 12 位 最佳噪声抑制 400Hz 60Hz 50Hz 10Hz 基本转换时间 3ms 17ms 22ms 102ms 电阻测量的附加转换时间为 1ms 断线监视附加转换时间为 10ms 电阻测量和断 线监视都有的附加转换时间为 16ms AI 模块循环时间 某一通道从开始转换模拟量输入值起 一直持续到再次开始转 换的时间 它是模块中所有的活动的模拟量输入通道的转换时间的总和 是对外部模 拟量信号的采样间隔 为了缩短循环时间 应屏蔽掉不用的模拟量通道 使其不占用循环时间 SM331 每两个输入通道构成一个输入通道组 可以按通道组任意选择测量方法和 测量范围 模拟量输入模块 SM331 目前有两种规格型号 一种是 8 12 位模块 另一种是 2 12 位的模块 前面的是 8 个通道的模块 后面的是 2 个通道的模块 两个模块除了 通道的数目不一样外 其他的工作原理 性能 参数设置等各方面都完全一样 SM331 模拟量输入模块主要由 A D 转换器 模拟量切换开关 补偿电路 恒流源 光电隔离部件 逻辑电路等组成 通过设置 SM331 的测量参数可以选择测量的方法和 测量的范围 但必须保证 SM331 的硬件结构与之相适应 模拟量模块都装有量程模块 调整量程模块的插入方位可以改变模块的硬件结构 两个模拟量通道配有一个量程块 量程块是一个正方形的小块 在上方有 A B C D 四个标记想对应 18 A 电压 1000 电阻 热电偶 N E J K 各型热电偶的各种测量方法 B电压 10V电压 10V C电流 20mA 电流 4 线制变送器 D 电流 4 20maA电流 2 线制变送器 3 4 4 模拟量输出模块 SM332 有 2 12 bit 4 12 bit 4 16 bit 和 8 12 bit 四种形式的模块 除了通道数 不同外 模块的工作原理 特性 参数等大致一样 模拟量输出模块的转换时间包括内部存储器传送数字输出值的时间和数模转换的 时间 模拟量输出各通道的转换是顺序进行的 模块的循环时间是活动的模拟量输出 通道的转换时间的总和 模块的响应时间是一个重要的指标 响应时间就是在内部存 储器中出现数字量输出值开始到模拟量输出到达规定值所须时间的总和 它与负载特 性有关 负载不同 响应时间不同 a 模拟输出电流范围 典型值 单极性 模拟电压输出范围 1 10V 双极性 10 10V b 模拟输出电流范围 典型值 0 20mA 4 20 mA 3 5 CPU 模块 与普通计算机一样 PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 是由大 规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成 主要完成运算和控制任务 每台 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 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 还有外围芯片 总线接口及有关电路 它确定了进行控制的规模 工作速度 内存容量等 内存主要用于存储程序及数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 19 CPU 模块的外部表现就是它的工作状态的显示 接口及设定或控制开关 一般讲 CPU 模块总要有相应的状态指示灯 如电源显示 运行显示 故障显示等 箱体式 PLC 的主箱体也有这些显示 它的总线接口 用于接 I O 模板或底板 有内存接口 用于安装内存 有外设口 用于接外部设备 有的还有通讯口用于进行通讯 CPU 模 块上还有许多设定开关 用以对 PLC 作设定 如设定起始工作方式 内存区等 CPU 有几种不同的型号 他们分别是 牛卡纸备浆流送部控制系统设计19 CPU312IFM CPU314 CPU315 CPU315 2DP CPU 有四种工作方式 他们分别是 3 a RUN P 可编程运行方式 CPU 扫描用户程序 即可以用编程装置从 CPU 中 读出 也可以由编程装置装入 CPU 中 用编程装置可监控程序的运行 在此位置钥匙 不能拔出 b RUN 运行方式 CPU 扫描用户程序 可以用编程装置读出并监控 PLC CPU 中的程序 但不能改变装载存储器中的程序 在此位置钥匙可以拔出 以防止程序在 正常的运行时被改变操作方式 c STOP 停机方式 CPU 不扫描用户程序 可以通过编程装置从 CPU 中读出 也可以下载程序到 CPU 在此位置钥匙可以拔出 d MRES 该位置瞬时接通 用于清出 CPU 的存储器 CPU 还有一些 LED 指示灯 显示运行状态和故障 3 6 电源模块 电源模块可以为 CPU 和信号模块 传感器和执行器供电 以西门子公司的 PS307 为例 PS307 是为 S7 300 专配的 24VDC 电源 S7 300 的模块使用的电流是 由 S7 300 背部总线提供 一些模块还需要从外部负载电源供电 在组建S7 300 系 统是 考虑到每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的 所有S7 300 每块使 用的从 S7 300 背部总线提供的电流不超过 1 2A 如选用 CPU312IFM 则不超过 0 8A 各模块从 S7 300 背部总线吸取的电流是各个模块电流总和 从 24V 负载电 源吸取的电流有各个之和 功耗也和上面的一样 3 7 其他模块 其他模块有 功能模块 通信模块 接口模块等在此不作介绍 3 8 本章总结 本章主要介绍了 PLC 的工作原理及硬件组成以及各种模块 至于 PLC 的硬件 结构配置健在下一章中讲到 20 4 备浆流送部控制方案设计 4 1 控制方案的设计 4 1 1