药品制粒干燥机PLC控制系统设计.doc

四川职业技术学院毕业设计 第 1 页 共 30 页 四川职业技术学院四川职业技术学院 毕业设计毕业设计 题目 药品制粒干燥机题目 药品制粒干燥机 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 系系 别 别 电子电气工程系电子电气工程系 专专 业 业 机电一体化机电一体化 班班 级 级 0808 机电机电 2 2 班班 姓姓 名 名 王王 佳佳 学学 号 号 081052012006081052012006 指导教师 指导教师 谢大川谢大川 完成时间 完成时间 20102010 年年 1212 月月 四川职业技术学院毕业设计 第 2 页 共 30 页 摘要 摘要 可编程序控制器 PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置 是以 微型处理器为基础 结合计算机技术 自动控制技术和通信技术 用面向控制 过程 面向用户的 自然语言 编程 是一种简单易懂 操作方便 可靠性高 的新一代通用工业控制装置 本文介绍了药品制粒干燥机 以下简称干燥机 加工的基本原理以及系统 控制的设计方法 从系统的整体设计方案和实际需求分析开始 紧密的联系实 际生活的需要 力求做到使系统运行稳定 操作简便 解决实际中问题 保证 加工安全 快捷 可靠 引风机恒压供风控制系统保证了产品的质量 以 PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能 提高了系统的可靠性 关键词关键词 药品制粒干燥机 PLC 变频器 恒压供风 四川职业技术学院毕业设计 第 3 页 共 30 页 目录目录 引言 5 第一章 PLC 控制系统设计 6 1 1 PLC 的特点 6 1 2 PLC 控制系统设计的基本原则 7 1 3 PLC I O 模块的选择步骤与原则 7 1 3 1 开关量 I O 模块的选择 7 1 3 2 模拟量 I O 模块的选择 9 1 3 3 特殊功能模块的选择 9 第二章 药品制粒干燥机系统PLC 硬件设计 10 2 1 药品制粒干燥机生产过程控制电路 11 2 2 PLC 控制系统设计与调试 13 2 3 加工过程输入 输出分配 13 2 3 1 系统的输入 输出设备 13 2 3 2 控制系统 PLC 的输入 输出接口分配表 14 2 4 引风机的自动控制分析 14 2 4 1 变频器控制的优点 15 2 4 2 引风机负压控制变频器闭环控制 15 第三章 药品制粒干燥机系统PLC 软件 19 3 1PLC 控制系统程序分析 19 四川职业技术学院毕业设计 第 4 页 共 30 页 3 2 梯形图 21 3 3 药品制粒干燥机控制系统梯形图对应的指令表 23 第四章 抗干扰设计 25 4 1 抑制干扰源 25 4 2 PLC 的接地 27 4 3 应用灭弧器 提高抗干扰能力 27 4 4 软件抗干扰设计 27 结论 28 致谢 29 参考文献 30 四川职业技术学院毕业设计 第 5 页 共 30 页 引言 引言 药品制粒干燥机 以下简称干燥机 是用于实验室或小批量生产小丸颗粒 的制药设备 由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和 PLC 故其硬件均已老化 性能下降 在运行的过程中经常出现死机 黑屏 重启动 甚至某些画面参数不能修改 同时由于无相应的 PLC 编程器 编程软件和人机 界面软件 因此可维修性也差 为了解决这些问题 本文采用 PLC 和负压变频器闭环控制方案对干燥机的 控制系统进行改造 从而实现生产过程的自动控制 使用此方法进行的控制系 统设计可改进现有技术的不足 简化结构 有利于降低成本和提高可靠性 解 决了原有系统的缺点 改进后的系统既可以制粒又可快速干燥 制粒 混合 干燥在同一个密闭的室内完成 防止与外界接触而引起污染 确保药物颗粒内 在质量上符合 GMP 的要求 四川职业技术学院毕业设计 第 6 页 共 30 页 第一章第一章 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 1 11 1 PLCPLC 的特点的特点 可编程序控制器 PLC 是采用微机技术的通用工业自动化装置 近几年来 在国内已得到迅速推广普及 PLC 正改变着工厂自动控制的面貌 对传统产业 的技术改造 发展新型工业具有重大的意义 1 1 11 1 1 编程方法简单易学 深受工程技术人员欢迎编程方法简单易学 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 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门 1 1 21 1 2 配套齐全 功能完善 适用性强配套齐全 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 1 1 31 1 3 可靠性高 抗干扰能力强可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来 说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及 开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有 硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 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 这样使整个系统具有了极高的可靠性 1 1 41 1 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制 系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产 场合 四川职业技术学院毕业设计 第 7 页 共 30 页 1 1 51 1 5 体积小 重量轻 能耗低体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理 想控制设备 1 21 2 PLCPLC 控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求 以提高生产效率和 产品质量 因此 在设计 PLC 控制系统时 应遵循以下基本原则 1 2 11 2 1 最大限度地满足被控对象的控制要求最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能 最大限度地满足被控对象的控制要求 是设计 PLC 控制系统的首要前提 这也是设计中最重要的一条原则 这就要求设计人员在 设计前就要深入现场进行调查研究 收集控制现场的资料 收集相关先进的国 内 国外资料 同时要注意和现场的工程管理人员 工程技术人员 现场操作 人员紧密配合 拟定控制方案 共同解决设计中的重点问题和疑难问题 1 2 21 2 2 保证保证 PLCPLC 控制系统安全可靠控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全 可靠 稳定运行 是设计控制系统的重 要原则 这就要求设计者在系统设计 元器件选择 软件编程上要全面考虑 以确保控制系统安全可靠 例如 应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行 而且在非正常情况下 如突然掉电再上电 按钮按错等 也能正常工作 1 2 31 2 3 力求简单 经济 使用及维修方便力求简单 经济 使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量 带来巨大的经济效益和 社会效益 但新工程的投入 技术的培训 设备的维护也将导致运行资金的增 加 因此 在满足控制要求的前提下 一方面要注意不断地扩大工程的效益 另一方面也要注意不断地降低工程的成本 这就要求设计者不仅应该使控制系 统简单 经济 而且要使控制系统的使用和维护方便 成本低 不宜盲目追求 自动化和高指标 1 2 41 2 4 适应发展的需要适应发展的需要 由于技术的不断发展 控制系统的要求也将会不断地提高 设计时要适当 考虑到今后控制系统发展和完善的需要 这就要求在选择 PLC 输入 输出模块 I O 点数和内存容量时 要适当留有裕量 以满足今后生产的发展和工艺的改 进 1 31 3 PLCPLC I OI O 模块的选择步骤与原则模块的选择步骤与原则 一般 I O 模块的价格占 PLC 价格的一半以上 PLC 的 I O 模块有开关量 I O 模块 模拟量 I O 模块及各种特殊功能模块等 不同的 I O 模块 其电 路及功能也不同 直接影响 PLC 的应用范围和价格 应当根据实际需要加以选 择 1 3 11 3 1 开关量开关量 I I O O 模块的选择模块的选择 1 开关量输入模块的选择 四川职业技术学院毕业设计 第 8 页 共 30 页 开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号 将信号转换为 PLC 内部接受的低电压信号 并实现 PLC 内 外信号的电气隔离 选择时主要应考 虑以下几个方面 1 输入信号的类型及电压等级 开关量输入模块有直流输入 交流输入和交流 直流输入三种类型 选择 时主要根据现场输入信号和周围环境因素等 直流输入模块的延迟时间较短 还可以直接与接近开关 光电开关等电子输入设备连接 交流输入模块可靠性 好 适合于有油雾 粉尘的恶劣环境下使用 开关量输入模块的输入信号的电压等级有 直流 5V 12V 24V 48V 60V 等 交流 110V 220V 等 选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离 来考虑 一般 5V 12V 24V 用于传输距离较近场合 如 5V 输入模块最远不得 超过 10 米 距离较远的应选用输入电压等级较高的模块 2 输入接线方式 开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式 a 汇点式输入 b 分组式输入 汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端 COM 而分组式的 开关量输入模块是将输入点分成若干组 每一组 几个输入点 有一个公共端 各组之间是分隔的 分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高 如果输入信 号之间不需要分隔 一般选用汇点式的 3 注意同时接通的输入点数量 对于选用高密度的输入模块 如 32 点 48 点等 应考虑该模块同时接通 的点数一般不要超过输入点数的 60 4 输入门槛电平 为了提高系统的可靠性 必须考虑输入门槛电平的大小 门槛电平越高 抗干扰能力越强 传输距离也越远 具体可参阅 PLC 说明书 2 开关量输出模块的选择 开关量输出模块是将 PLC 内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关 信号 并实现 PLC 内外信号的电气隔离 选择时主要应考虑以下几个方面 1 输出方式 开关量输出模块有继电器输出 晶闸管输出和晶体管输出三种方式 继电器输出的价格便宜 既可以用于驱动交流负载 又可用于直流负载 而且适用的电压大小范围较宽 导通压降小 同时承受瞬时过电压和过电流的 能力较强 但其属于有触点元件 动作速度较慢 驱动感性负载时 触点动作 频率不得超过 1HZ 寿命较短 可靠性较差 只能适用于不频繁通断的场合 对于频繁通断的负载 应该选用晶闸管输出或晶体管输出 它们属于无触 点元件 但晶闸管输出只能用于交流负载 而晶体管输出只能用于直流负载 2 输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式 a 分组式输出 b 分隔式输出 分组式输出是几个输出点为一组 一组有一个公共端 各组之间是分隔的 可分别用于驱动不同电源的外部输出设备 分隔式输出是每一个输出点就有一 个公共端 各输出点之间相互隔离 选择时主要根据 PLC 输出设备的电源类型 四川职业技术学院毕业设计 第 9 页 共 30 页 和电压等级的多少而定 一般整体式 PLC 既有分组式输出 也有分隔式输出 3 驱动能力 开关量输出模块的输出电流 驱动能力 必须大于 PLC 外接输出设备的额定 电流 用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流 如果 实际输出设备的电流较大 输出模块无法直接驱动 可增加中间放大环节 4 注意同时接通的输出点数量 选择开关量输出模块时 还应考虑能同时接通的输出点数量 同时接通输 出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值 如一个 220V 2A 的 8 点输出模块 每个输出点可承受 2A 的电流 但输出公共端允许通过的电流 并不是 16A 8 2A 通常要比此值小得多 一般来讲 同时接通的点数不要超 出同一公共端输出点数的 60 5 5 输出的最大电流与负载类型 环境温度等因素有关 开关量输出模块的技术指标 它与不同的负载类型密切相关 特别是输出 的最大电流 另外 晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低 在实际使 用中也应注意 1 3 21 3 2 模拟量模拟量 I I O O 模块的选择模块的选择 模拟量 I O 模块的主要功能是数据转换 并与 PLC 内部总线相连 同时为 了安全也有电气隔离功能 模拟量输入 A D 模块是将现场由传感器检测而 产生的连续的模拟量信号转换成 PLC 内部可接受的数字量 模拟量输出 D A 模块是将 PLC 内部的数字量转换为模拟量信号输出 典型模拟量 I O 模块的量程为 10V 10V 0 10V 4 20mA 等 可根 据实际需要选用 同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素 一些 PLC 制造厂家还提供特殊模拟量输入模块 可用来直接接收低电平信 号 如 RTD 热电偶等信号 1 3 31 3 3 特殊功能模块的选择特殊功能模块的选择 目前 PLC 制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的 I O 模块 有的还 推出了自带 CPU 的智能型 I O 模块 如高速计数器 凸轮模拟器 位置控制模 块 PID 控制模块 通信模块等 四川职业技术学院毕业设计 第 10 页 共 30 页 第二章第二章 药品制粒干燥机系统药品制粒干燥机系统 PLCPLC 硬件设计硬件设计 图 2 1 药品制粒干燥机示意图 四川职业技术学院毕业设计 第 11 页 共 30 页 2 12 1 药品制粒干燥机生产过程药品制粒干燥机生产过程主主电路电路 图 2 2 主电路 部分硬件的选择 1 交流接触器 接触器是应用非常广泛的电磁式电器 可以频繁的接通和分断交 直流主 电路 并可以实现远距离控制 主要用来控制电动机 其选择方式如下 1 根据负载的性质 控制交流选择交流接触器 控制直流选择直流接触 器 2 接触器的工作任务类别应与负载的类别相一致 3 主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压 4 主触点的额定工作电流应大于或等于负载的电流 接触器主触点的额 定工作电流 按经验公式 I 计算 其中 K 1 1 4 是在规定条件 额 N N N KU p 3 10 定工作电压 使用类别 操作频率等 下能正常工作的直流值 电动机主触点电流 I 7 5 1 4 220 24 35A N 3 10 根据 电器控制与 PLC 选用 CJ20 25 220V 2 按钮 四川职业技术学院毕业设计 第 12 页 共 30 页 选择按钮主要考虑按钮的结构形式 操作方式 触点对数等要求 本设计 中有 8 个控制按钮 不需要指示灯 按钮的主要参数有额定电压 380V AC 220V DC 和额定电流 5A 所以选择 LA2 11 型号的按钮 3 电动机 电动机是一种根据电磁感应原理将电能转变为旋转的机械能并输出机械转 矩的动力设备 可分为交流电动机和直流电动机 交流电动机又分为同步电动 机和异步电动机 接法 3KW 及以下为 Y 接法 4KW 及以上为 接法 根据 电 机维修与拆装技术 选用电动机型号为 Y132S 4 4 导线 导线是用来连接主电路和控制电路的元件 导线的种类很多 本设计中电 动机功率是7 5KW 额定电压380V 对于三相平衡电路而言 三相电机功率的计 算公式是 P 1 732UIcos 式中cos 0 8 推出 I P 1 732Ucos 14 24A 由于电机的起动电流很大 是工作电流的4到7倍 所以还应考虑电机的起动 5 熔断器 熔断器的选择主要是选择熔断器的类型 额定电压和熔体的额定电流等 额定电压应大于或等于实际电路的工作电压 熔体额定电流的计算原则有 1 对于照明电路或电阻炉等没有冲击性的电流的负载 熔体的额定电流 I 应大于或等于电路的工作电流 I fN 2 保护一台异步电动机时 考虑电动机起动冲击电流的影响 熔体的额定 电流按公式 I 1 5 2 5 I计算 由经验公式 fN N I 2P 2 7 5 15A I 1 5 2 5 I 1 5 2 5 15 22 5 37 5A 根据 电 N fN N 器控制与 PLC 选用 RT18 63 6 热继电器 热继电器是用来对连续运行的电动机进行过载保护的保护电器 以防止电 动机因过热而烧毁 热继电器的整定值一般按电动机额定电流的 0 95 1 05 倍 选用 即 I 0 95 1 05 I 0 95 1 05 15 14 25 15 75A 根据 电器 N 控制与 PLC 选用 JR36 20 3 整定值 15 7 变频器 根据电动机额定功率为 7 5kw 额定电压 380v 工作时间 15 30min 引风 机的负载特性 电动机额定功率 环境温度和年工作天数等工作条件以及 PLC 的型号选用艾默生公司产品 p 型变频器 型号为 EV2000 4T0075G 8 元件明细表 表 2 1 元件明细表 代号名 称型 号数量作用 M 电动机 Y132S 41 输出机械转矩 QS 组合开关 HZ10 25 3 380v1 不频繁接通主电路 FU 熔断器 RT18 63 3 短路保护 KM 交流接触器 CJ20 25 220V3 频繁通断主电路 四川职业技术学院毕业设计 第 13 页 共 30 页 FR 热继电器 JR36 20 31 过载保护 JX 端子板 TB 25 21 软硬线间的转换连接 SB 按钮 LA2 11 4 发布控制命令 BV 单股铜硬线 6mm 2 若干连接控制电路 BLV 单股铝硬线 10mm 2 若干连接主电路 BVR 多股铜芯软导线 2 5 mm 2 若干连接按钮盒 PLC 可编程序控制器 FX 20MR s0 1 VVVF 变频器 EV2000 4T0075G1 2 22 2 PLCPLC 控制系统设计与调试控制系统设计与调试 1 药品制粒干燥机用来将粉末状的药剂及添加剂制成洗衣粉状的小颗粒 其示意图如图 2 1 引风机抽出热风 在干燥机内形成负压 使药剂和添加剂 悬浮于空中呈药品状 干燥机出口用隔离袋隔离 出口设左右两个闸门 一般 同时只打开一个闸门 经过一定时间后 隔离袋被粉末阻塞 需要启动抖动隔 离袋的电磁阀 将隔离袋上的粉末抖掉 抖动右隔离袋时 右阀门关闭 左阀 门打开 抖动左隔离袋时 左阀门关闭 右阀门打开 左右抖动结束后喷嘴喷 入添加剂 完成一次循环 2 药品制粒干燥机系统属于典型的时序控制系统 系统有手动和自动两种 工作方式 起动风机电机时先用星形接法运行 10s 然后改为三角形接法 如 果当时处于自动状态 15min 后进入循环工作流程 先左抖动 3min 左抖动时 左闸门电磁阀一直接通 左闸门关闭 左抖动电磁阀断开 3s 接通 2s 如此循 环至 3min 到 左抖动结束时开始右抖动 其工作方式同左抖动 然后进入喷 射工作状态 喷射电磁阀通电 3min 最后返回左抖动步 如此循环往复 直到 按下风机停止按钮 风机停转 设备停止工作 2 32 3 加工过程输入加工过程输入 输出分配输出分配 2 3 12 3 1 系统的输入系统的输入 输出设备输出设备 这是一个单体控制小系统 没有特殊的控制要求 它有 8 个开关量 开 关量输出触点有 8 个 输入 输出触点数共有 16 个 只需选用一般中小型控 制器即可 据此 可以对输入 输出点作出地址分配 干燥机 PLC 控制系统 的 I O 接线图如下 采用三菱公司的 FX 20MR 型微型可编程序控制器 s0 四川职业技术学院毕业设计 第 14 页 共 30 页 图 2 3 干燥机 PLC 控制系统的 I O 接线图 2 3 22 3 2 控制系统控制系统 PLCPLC 的输入的输入 输出接口分配表输出接口分配表 表 2 2 PLC 的输入 输出接口分配表 输入 继电器 输入变量名 输出 继电器 输出变量名 X0 引风机开 Y0 引风机起动 X1 引风机停 Y1 引风机星形 X2 自动 Y2 引风机三角形 X3 左抖动 Y3 左阀门电磁阀线圈 X4 右抖动 Y4 左抖动电磁阀线圈 X5 抖动停 Y5 右阀门电磁阀线圈 X6 喷射开 Y6 右抖动电磁阀线圈 X7 喷射停 Y7 喷射电磁阀线圈 X10 引风机过载 2 42 4 引风机的自动控制分析引风机的自动控制分析 引风机是热电厂重要的辅助设备之一 它也是干燥机料筒内空气的主要来 源 它是将燃烧产生的高温烟气经水磨除尘 静电除尘器 再经烟囱排出的动 力设备 制药时 负荷发生变化 为保证负压 烟气含氧量及相应气温 气压 的相对稳定 需要及时的调整引风机的吸风量 并靠挡板的开度来调节风量的 四川职业技术学院毕业设计 第 15 页 共 30 页 大小 2 4 12 4 1 变频器控制的优点变频器控制的优点 在选定引风机时常常受到产品规格分档的限制 而采用引风机容量往往 偏大 加之对引风机的调节是靠调节挡板来完成的 所以当风量变化时 引风 机系统会浪费大量的电能 而采用挡板进行风量控制存在许多问题 1 采用挡板控制风的流量时 大量的能量损耗在挡板的节流过程中 浪费 了大量的能源 2 烟气中的灰尘等对挡板的冲击比较大 易出现故障 由于烟气中的灰尘 经常在挡板上结垢 造成挡板卡死 增加了对挡板的检修维护 故障率较高 3 因挡板动作迟缓 执行机构长时间运行会出现越来越大的空行程 挡板 阀门的执行机构力矩大 易出现问题 而且不能长期频繁调节 其线性度不好 动态性也不好 构成闭环自动控制较难 调节挡板开度的执行机构由于挡板卡 死经常将其拐臂或底座拉断 以及开关不能到位等一系列问题 加大了对执行 器的维护量随着料筒内负荷的调整 引风机风量也因料筒内负荷变化而经常处 于一种低效率状态 大量的能量浪费在风道挡板上 从节能的观点来看 采用 变频调速的方法来控制风机转速从而实现控制风量的变化 采用交流变频调速有许多特性 调速时平滑性好 效率高 稳定性好 调 速范围较大 精度高 可实现软启 制动功能 起动电流低 节电效果明显 变频器体积小 便于安装 调试 维修 易于实现过程自动化 在恒转矩调速 时 低速段电动机的过载能力显著降低 变频器主要技术指标为 1 输入 电压 3 相 380v 20 50 hz 5 电压失衡率 3 2 输出 搅拌功率 0 0 55kw 3 保护功能 过电流保护 过电压保护 欠电压保护 过热保护 过载 保护 缺相保护 艾默生变频器运行性能稳定 尤其大功率变频器的可靠性更显得重要 变 频器接口齐全 多功能接线端子编程功能强大 可以很方便的实现自动 手动 控制 2 4 22 4 2 引风机负压控制变频器闭环控制引风机负压控制变频器闭环控制 使用手操器 差压变送器和变频器内置的 PID 调节器实现了引风机的闭环 自动控制 控制系统框图下图所示 四川职业技术学院毕业设计 第 16 页 共 30 页 图 2 4 控制系统框图 1 系统工作方式 电路中转换开关 SA 用于实现自动 手动控制方式的切换 配 电器 PD 的作用是将差压变送器输出的一路 4 20mA 负压信号变换成两路信号输 出 一路 4 0mA 信号 输入给控制台负压表显示负压值 另一路 0 10V 信号 作为反馈信号接入变频器 CCI 端子 实现闭环控制 手操器 SC 的输出接变频器 端子 VCI 作为手动控制时的转速给定信号 变频器端子 FM 输出的 4 20mA 转 速信号接入手操器的阀门位置反馈端子 手操器上的电流表 阀门开度表 指示 风机运行的转速 变频器主要参数设置如下图所示 变频器的其余参数保留出 厂值 初次起动时将转换开关 SA 转向 手动 操作位置 使用手操器调节引风机 的转速 满足干燥机生产的用风量 待料筒内风压稳定后 将转换开关 SA 转向 自动 位置 引风机进入变频自动控制状态 反复调整 F102 数字频率给定量 F111 比例增益 F112 积分时间 F113 采样周期和 F114 偏差极限等参数 使料 筒内负压稳定 电动机运行电流稳定 实现引风机在料筒内的负压闭环控制 在引风机闭环控制状态中 当调节送风机转速时 引风机会自动跟随调节仍然 保持料筒负压稳定在设定值上 需要从自动控制转向手动控制时 只要调节手操器使给定速度表指针接近 变频器输出速度表的指针相对位置 再转换 SA 到 自动 运行位置 就能实现 自动 手动 的无扰动切换 表 2 3 变频器主要参数 序号功能码设置功 能 说 明 1F00 2 运行频率模拟设定 2F02 1 运行命令外部端子控制有效 3F07 1 V F 曲线选择平方曲线 4F13 2 最小模拟输出量 2V 4 mA 5F14 0 最小模拟输入量对应的频率 0HZ 6F15 10 最大模拟输入量 10V 20mA 四川职业技术学院毕业设计 第 17 页 共 30 页 7F16 50 最大模拟输入对应频率 50HZ 8F19 93 电动机过载保护系数 93 9F100 1 选择模拟闭环控制有效 10F101 0 闭环给定量通道选择由键盘数字设定 11F102 30 给定量数字设定 3 3V 对应料筒负压 20Pa 12F103 0 反馈量接入 VCI 电流反馈 13F104 2 反馈量偏置电压 2V 14F107 1 反馈量极性选择负极性 15F111 200 比例增益初步设定 200 16F112 0 1 积分时间初步设定 0 1s 17F113 1 采样周期初步设定 1 0s 18F114 2 偏差极限设定 2 19F119 16 端子 X1 接入三线式运行控制 30F123 26 设定端子 X5 26 闭环运行与普通运行切换 2 电抗器 变频器柜设计时 在可选电器元件配置方面需要注意电抗器的合理配置 电抗器的作用是抑制变频器输入 输出电流中的高次谐波带来的不良影响 各 电抗器如下 1 输入电抗器 接在电源和变频器之间的电抗器称为输入电抗器 交流电抗器 使用输入 电抗器的主要目的是 改善功率因数 实现电源和负载间的功率匹配 当电源变 压器容量在 500kva 以上并且为变频器容量 10 倍以上时 应该考虑选用输入电 抗器 选用交流电抗器应考虑在变频器额定输出时 电抗器产生的电压损失要 小于额定电压的 2 5 接入交流电抗器能使综合功率因数提高到 0 75 0 85 2 直流电抗器 直流电抗器是串接变频器内整流桥和滤波电容器之间的电抗器 其结构简 单 体积小且滤波效果好 直流电抗器可以改善功率因数到 0 95 3 输出电抗器 安装在变频器和电动机之间的电抗器称作输出电抗器 输出电抗器的主要 作用是降低谐波电流的不良影响 安装输出电抗器可以减少电动机温升和噪声 抑制谐波在电动机绕组端部的电压重复峰值 降低对绕组绝缘的威胁 变压器额定容量 750kva 变频柜与配电柜连接电缆 vv 2x 3x150 75 长 度 35m 计算电压损失 4 76 综合考虑不设置输入电抗器 为了提高抑制谐 波和改善功率因数的效果 安装直流电抗器 由于变频器至电动机的电缆比较 长 在变频器输出回路设置输出电抗器 用以抑制谐波干扰和降低高次谐波行 波在电动机进线端电压叠加对绝缘的威胁 采用压力变速器 变频器 控制器 PID 调节器 引风机组成的压力闭环 回路 自动控制引风机的转速 使料筒内保持稳定的微分压 这样既提高了控 制精度 又节约了能源 使引风机控制具有一定的合理性 3 引风机故障保护 为了使引风机在变频器故障时也能够运行 变频器设置手动工频旁路功能 当变频器故障时使电机脱离变频器 引风机转到工频旁路状态继续运行 如下 四川职业技术学院毕业设计 第 18 页 共 30 页 图 图 2 5 电机故障旁路起动图 4 引风机闭环控制原理框图如下 图 2 6 原理框图 四川职业技术学院毕业设计 第 19 页 共 30 页 第三章第三章 药品制粒干燥机系统药品制粒干燥机系统 PLCPLC 软件软件 为了避免重复 本章节就不在介绍干燥机工作过程 请参照 2 2 PLC 系统 的设计与调试 3 1PLC3 1PLC 控制系统程序分析控制系统程序分析 程序为典型的三段式结构 如下药品制粒干燥机梯形图 公共程序用来处 理手动 自动都要执行的动作和手动 自动两种工作状态的相互转换 当自动 开关 X2 接通时 跳过手动程序 执行自动程序 当自动开关断开时 跳过自动 程序 执行手动程序 1 手动操作 手动操作主要用于设备的检修和调试 手动运行时 各种操作 左抖动 右抖动和喷射 可独立运行 同时只能执行一个动作 且与风机的开启和关闭 状态无关 各种操作之间的互锁是用分别与 Y3 Y7 的线圈串联的 Y3 Y5 和 Y7 的 常闭触电实现的 例如在左抖动或右抖动时 Y5 或 Y3 为 ON 它们的常闭触点 断开 Y7 的线圈不能 通电 不能进行手动喷射 实现了互锁 左 右抖动 分别用两个起动键和一个停止键操作 抖动电磁阀 2s ON 3s OFF 的振荡是用 公共程序中 T10 和 T11 组成的振荡电路实现的 2 公共程序 考虑到在自动和手动运行时都应能控制风机的起停 故将风机的控制程序 放入公共程序中 自动和手动都需要抖动操作 控制抖动的振荡电路放在公用程序中 其工 作原理如下 开始运行时 T11 的常闭触点闭合 T10 线圈通电 开始定时 3s 后 T10 的常开触点闭合 T11 开始定时 2s 后 T11 的常闭触点断开 T10 被复 位 复位后 T10 的常开触点断开 使 T11 复位 T11 的常闭触点闭合 T10 又开 始定时 如此重复不止 T10 的常开触点提供了接通 2s 断开 3s 的输出 将它 分别与自动 手动程序中 Y4 和 Y6 的线圈串联 实现了自动 手动时的左抖动 和右抖动操作 按风机起动按钮 X0 后 控制风机电源的输出继电器 Y0 和星形运行输出继 电器 Y1 ON 同时定时器 T0 开始定时 10s 后 T0 的常开触点使风机三角形运行 输出继电器 Y2 变为 ON 星形运行输出继电器 Y1 变为 OFF 风机电机改为三角 形接法运行 系统由手动转到自动时 X2 的常开触点接通 PLS 指令使 M0 接通一个扫描 周期 用区间复位指令 ZRST 使 Y3 Y7 复位 断开在手动操作时可能自保持的输 出 系统由自动转到手动时 X2 的常闭触点接通 PLS 指令使 M1 接通一个扫描 周期 用区间复位指令 ZRST 使 S21 S22 和 Y3 Y7 复位 同时使 S20 置位 为以 后由手动转到自动做好准备 如果此时不对 S20 之外的状态复位 回到自动状 态后可能出现两个状态同时 ON 的异常现象 不论是自动状态还是手动状态 关风机时都应同时断开当时可能正在进行 的操作 这一操作是在公共程序中用 Y0 的常闭触点驱动 ZRST 指令来实现的 四川职业技术学院毕业设计 第 20 页 共 30 页 3 自动程序 自动程序用 STL 指令编程 状态 S20 S22 分别代表左抖动 右抖动和喷射 这三步 如在开机时系统处于自动状态 风机改为三角形运行后 输出继电器 Y2 ON T1 延时 15min 后 PLS 指令使辅助继电器 M2 ON 一个扫描周期 S20 被 SET 指令置位 开始左抖动 同时定时器 T2 开始定时 3min 后 T2 定时时间到 其常开触点使 S21 置位 由左抖动进入右抖动 以后将这样一步一步顺序工作 下去 如果从自动程序进入手动程序 S20 被置位 再回到自动程序 将进行左 抖动步 开始循环工作 4 双线圈问题 在同一个程序中 如果同一元件的线圈使用了两次或多次 称为双线圈输 出 这时前面的输出无效 最后一次输出才是有效的 双线圈输出可能会使对 应的输出出现异常动作 一般不应出现双线圈输出 以下两种情况允许双线圈 输出 1 在跳步条件相反的两个程序段 如果自动程序和手动程序 中 允许 出现双线圈现象 即同一元件的线圈 如药品制粒干燥机梯形图中 Y3 Y7 的线 圈 可以在自动程序和手动程序中分别出现一次 实际上 CPU 只执行正在处理 的程序段中双线圈元件的 OUT 指令 2 同一编程元件的线圈可以在不同时执行的 STL 触点开始的电路块中分 别出现一次 CPU 只执行 STL 触点 ON 的那一个电路块 在一个扫描周期内 实 际上同一元件的两个或多个线圈对应的 OUT 指令只有一条被执行 如果没有并行序列 同时只有一个 STL 触点 ON 并行序列中的各条支路是 同时执行的 但是在并行序列的某一条支路中 各 STL 触点同时只有一个 ON 在处理双线圈输出时应考虑以上特点 5 Y 切换的处理 在药品制粒干燥机梯形图中的接触器 KM1 和 KM2 动作时 异步电动机运行 在星形状态 KM1 和 KM3 动作时 运行在三角形状态 从图中可以看出 如果 KM2 和 KM3 同时动作 将会造成三相电源短路 虽然图中控制 KM2 KM3 的 Y1 Y2 线圈串联了对方的常闭触点 实现了软件互锁 从梯形图可以看出 在由星形 运行切换到三角形运行时 Y2 ON 后 下一个扫描周期 Y1 才会 OFF Y1 和 Y2 有一个扫描周期是同时 ON 的 KM2 的主触点尚未断开 KM3 的主触点就闭合了 如果不采取必要的措施 实践表明将会因 KM2 和 KM3 同时动作 造成电源相间 短路 使熔断器熔断 下面介绍两种方法解决这一问题 1 除了在梯形图中使用 Y1 和 Y2 的软件互锁触点外 在可编程序控制器 外部用 KM2 和 KM3 的常闭触点实现硬件互锁 如图干燥机 PLC 控制系统的 I O 接线图 只有当 KM2 的主触点断开 它的辅助常闭触点闭合后 KM3 的线圈才 能通电 风机才能进行三角形运行状态 2 在梯形图中增设 Y 切换延时时 即切换时首先复位 Y1 使 KM2 的 线圈断电 同时用一个定时器来延时 延时时间到后再使 Y2 ON KM3 的线圈得 电进入三角形运行状态 如果接触器工作正常 Y 切换时的软件延时措施可以保证 KM2 和 KM3 不会 同时得电 如果因主电路电流过大或接触器质量不好 某一接触器的触点被断 电时产生的电弧熔焊而被粘结 其线圈断电后主触点仍然是接通的 这时如果 另一接触器的线圈通电 仍将造成三相电源短路故障 因此 为了确保系统的 四川职业技术学院毕业设计 第 21 页 共 30 页 可靠性 必须设置外部硬件互锁电路 同时可以选用软件延时措施 3 23 2 梯形图梯形图 四川职业技术学院毕业设计 第 22 页 共 30 页 四川职业技术学院毕业设计 第 23 页 共 30 页 图 3 1 药品制粒干燥机梯形图 3 33 3 药品制粒干燥机控制系统梯形图对应的指令表药品制粒干燥机控制系统梯形图对应的指令表 0 0 LDLD X2X2 5353 ANIANI X5X5 1 1 PLSPLS M0M0 5454 ANIANI Y3Y3 2 2 LDLD M0M0 5555 ANIANI Y7Y7 3 3 OROR M1M1 5656 OUTOUT Y5Y5 4 4 ORIORI YOYO 5757 ANDAND T10T10 5 5 FNCFNC 4040 5858 OUTOUT Y6Y6 7 7 Y3Y3 5959 LDLD X6X6 9 9 Y7Y7 6060 OROR Y7Y7 1010 LD1LD1 X2X2 6161 ANIANI X7X7 1111 PLSPLS M1M1 6262 ANIANI Y3Y3 1212 LDLD M1M1 6363 ANIANI Y5Y5 1313 FNCFNC 4040 6464 OUTOUT Y7Y7 1515 S21S21 6565 LDILDI X2X2 1717 S22S22 6666 ORIORI Y0Y0 1818 SETSET S20S20 6767 CJCJ P2P2 1919 LDLD X0X0 6868 LDLD Y2Y2 2020 OROR Y0Y0 6969 OUTOUT T1T1 2121 ANIANI X1X1 K K 90009000 2222 ANDAND X10X10 7171 LDLD T1T1 2323 MPSMPS 7272 PLSPLS M2M2 2424 OUTOUT Y0Y0 7373 LDLD M2M2 2525 OUTOUT T0T0 7474 SETSET S20S20 K K 100100 7575 STLSTL S20S20 2727 MPPMPP 7878 OUTOUT Y3Y3 2828 ANIANI Y2Y2 7979 OUTOUT T2T2 2929 OUTOUT YIYI K K 18001800 3030 LDLD T0T0 8181 LDLD T10T10 3131 OROR Y2Y2 8282 OUTOUT Y4Y4 四川职业技术学院毕业设计 第 24 页 共 30 页 3232 ANIANI X1X1 8383 LDLD T2T2 3333 ANDAND X10X10 8484 SETSET S21S21 3434 OUTOUT Y2Y2 8585 STLSTL S21S21 3535 LDILDI T11T11 8888 OUTOUT Y5Y5 3636 OUTOUT T10T10 8989 OUTOUT T3T3 K K 3030 K K 18001800 3838 LDLD T10T10 9191 LDLD T10T10 3939 OUTOUT T11T11 9292 OUTOUT Y6Y6 K K 2020 9393 LDLD T3T3 4141 LDLD X2X2 9494 SETSET S22S22 4242 CJCJ P1P1 9595 STLSTL S22S22 4343 LDLD X3X3 9898 OUTOUT Y7Y7 4444 OROR Y3Y3 9999 OUTOUT T4T4 4545 ANIANI X5X5 100100 LDLD T4T4 4646 ANIANI Y5Y5 101101 SETSET S20S20 4747 ANIANI Y7Y7 102102 RETRET 4848 OUTOUT Y3Y3 103103 ENDEND 4949 ANDAND T10T10 5050 OUTOUT Y4Y4 5151 LDLD X4X4 5252 OROR Y5Y5 四川职业技术学院毕业设计 第 25 页 共 30 页 第四章第四章 抗干扰设计抗干扰设计 PLC 是专门为工业生产环境设计的控制装置 一般不需要采取什么特殊措 施 就可以直接在工业环境中使用 但是 如果环境过于恶劣 电磁阀干扰特 别强烈 或者 PLC 的安装和使用方法不当 都可能对 PLC 的工作带来干扰 进 而给 PLC 的安全和可靠运行带来隐患 因此 在 PLC 控制系统设计中还要注意 系统的抗干扰设计问题 PLC 的抗干扰设计问题主要设计以下几个方面 抑制 干扰源的设计 系统接地设计 应用灭弧器 提高抗干扰能力 软件抗干扰设 计 4 14 1 抑制干扰源抑制干扰源 1 抑制电源系统引入的干扰 电源是 PLC 引入干扰的主要途径之一 PLC 应尽可能取用电压波动较小 波形畸变较小的电源 这对提到 PLC 的可靠性有很大帮助 PLC 的供电线路应 与其他大功率用电设备或强干扰设备 如高频炉 弧焊机等 分开 在干扰较 强或可靠性要求很高的场合 对 PLC 交流电源系统可采用的抗干扰措施 有以 下几种方法 1 在 PLC 电源的输入端加接隔离变压器 由隔离变压器的输出端直接向 PLC 供电 这样可抑制来自电网的干扰 隔离变压器的电压比可取 1 1 在一 次和二次绕组之间采用双屏蔽技术 一次屏蔽层用漆包线或铜线等非导磁材料 绕一层 注意电气上不能短路 并接到中性线 二次则采用双绞线 双绞线能 减少电源线间干扰 2 在 PLC 电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰 和高次谐波 在干扰严重场合 可同时使用隔离变压器和低通滤波器的方法 通常低通滤波器先于电源相接 低通滤波器输出再接隔离变压器 也可同时使 用带屏蔽层的电压扼电流和低通滤波器的方法 如下图 一种电源滤波电路 图中 RV 是压敏电阻 可选 471KJ 击穿电压为 220XX 1 5 2 V 击穿电压略2 高于电源正常工作时的最高电压 正常时相当于开路 有尖峰干扰脉冲通过时 RV 被击穿 干扰电压被 RV 钳位 尖峰干扰脉冲消失后 RV 可恢复正常 如电压 确实高于压敏电阻的击穿电压 压敏电阻导通 相当于电源短路 把熔丝熔断 电容 C1 C2 和扼流圈 L 组成低通滤波器 以滤除共模干扰 C3 C4 用来滤去 差模干扰信号 C1 C2 电容量可选 1uF L 电感量可选 1uH C3 C4 电容量可选 0 001 uF PLC 的电源和 PLC 输入 输出模块用电源应与被控系统动力部分 控制部分 分开配线 电源供电线的截面应有足够的余量 并采用双绞线 条件许可时 PLC 可采用单独的供电回路 以避免大容量设备的起停对 PLC 的干扰 系统的 动力线应足够粗 以降低大容量异步电动机起动时的线路电压降 且动力线要 远离 PLC 装置 20cm 以上 四川职业技术学院毕业设计 第 26 页 共 30 页 图 4 1 一种电源滤波电路 2 抑制输入 输出电路引入的干扰 为了抑制输入 输出信号传输线引入的干扰 一般应注意以下几点 1 开关量信号不易受外界干扰 可用普通单根导线传输 2 数字脉冲信号频率较高 传输过程中易受外界干扰 应选用屏蔽电缆传 输 3 模拟量信号是连续变化的信号 外界的各种干扰信号都会叠加在模拟信 号上造成干扰 因此要选用屏蔽的双绞线 如果模拟量 I O 信号距离 PLC 较远 应采用 4 20mA 或 0 10mA 的电流传输方式 而不容易受干扰的电压信号传输 对于功率较大的开关量输入 输出线最好与模拟量输入 输出线分开敷设 4 PLC 的输入 输出线要与动力线分开 距离应在 20cm 以上 如果不能 保证上述最小距离 可将这部分动力线穿套筒 并将管接地 绝对不允许把 PLC 的输入 输出线与动力线 高压线捆扎在一起 5 应尽量减小动力线与信号线平