(完整版)碳素阳极组装工艺的PLC设计毕业论文.doc

1、学科代码： *学号： *大 学（本科）毕业论文题目：碳素阳极组装工艺的PLC设计学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化年级： 20* 级姓名： *指导教师： *完成时间： *碳素阳极组装工艺的PLC设计摘 要随着生产自动化水平的提高，PLC的应用范围变广。本次设计是以西门子公司S7-300软件为基础， 编写程序设计出某铝厂碳素阳极组装PLC自动化控制系统。该系统主要是针对托盘小车的控制和轨道电机的控制，通过对控制系统各个系统设计和参数计算，初步确定控制系统完整的控制电气原理图以及流程图。根据组装阳极的生产工艺的要求，用STEP 7 编制了一套适用于该组装工艺的自动化控制系统。在这次设计过程

2、中有很多的开关量输入输出点，因此选用模块式结构PLC以提高系统的工作效率和灵活性。关键词：可编程控制器；自动控制系统；模块式结构AbstractProduction automation degree rising makes the application of PLC more andmore extensive and practical. This design is based on Siemens S7-300 programmablecontroller, the programming design of smelting anode assembly process auto

3、maticcontrol system of PLC control. The system is mainly aimed at pallet car motor controland orbit control, the process is the collection machine, electricity, liquid, gas in one ofthe large automated processing equipment. System is mainly composed of mechanicalpart of the motor, oil heater, hydrau

4、lic station, belt conveyor, mobile car motor andcontrol of the software part of the system. Through the control system of main circuit,control circuit design and parameter calculation, the initial control system completeelectricalprinciplediagramandflowchart.Accordingtothe requirementsofassembly of

5、anode production process with STEP 7 created a set of suitable for PLCcontrol system of the assembly process. This design that involved a lot in the processof switch input and output points, so choose flexible configuration of PLC modularstructure used to improve the practicability and efficiency of

6、 the system.Key words: programmable controller; Automatic control system; Modular structure目录摘 要.第一章绪论 .1.1课题的研究背景及意义 .1.2课题研究的内容及前景分析 .第二章设计任务、设计要求及设计参数 .2.1设计任务 .第三章系统方案设计 .3.1设计依据 .3.2各部分功能分述 .3.2.1 托盘小车上料过程 .3.3控制方案的比较、论证和确定 .第四章系统硬件设计 .4.1设计依据 .4.2主电路设计 .4.3元器件选型 .4.4变频器设计 .4.5系统控制电路设计 .4.5.1 设

7、计依据 .第五章系统软件设计 .5.1 软件设计分析.5.2 系统流程图.总 结.参考文献.附 录 1.错 误！未定义书签。附 录 2.错 误！未定义书签。附 录 3.错 误！未定义书签。附 录 4.错 误！未定义书签。附 录 5.错 误！未定义书签。第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义目前在国内碳素阳极组装工艺中比较先进的在贵铝，较之于国内的工艺发展，外国组装工艺的先进性较高。因为实际情况的不同，比如市场环境的差异，作业环境的不同，所有不能照搬国外的技术，而是有自己的技术特点，根据实际情况设计组装工艺，提高生产效率。碳素阳极的组装是电解铝生产的不可缺少的环节，随着国内铝业水平的提高，碳素

8、阳极的组装要求也随之提高。电解铝的过程当中对于碳素阳极的需求量特别大，并且碳素阳极的组装和拆卸量巨大，传统作业方式是使用人力，这会造成劳动力的大量使用，增加生产成本，影响作业效率，不利于扩大生产。在这样的背景下面急需改变行业现状，随着电气自动化行业的快速发展，自动化的应用领域不断扩大，国民经济的各行各业都能看到自动化发展带来的影响和推动。在碳素阳极组装工艺的发展过程当中，自动化随之应用到作业过程中，使得组装更加安全可靠，组装的结构变的更加简单合理，工作条件得到极大的改善，工作效率不断提升，设备运行自动化。1.2 课题研究的内容及前景分析阳极组装是生产系统的最后一个生产过程，研究的主要研究内容是

9、碳素阳极组装工艺的自动化设计，在设计的过程当中研究问题，分析问题，解决问题。利用 PLC 的编程功能进行程序设计， 实现碳素阳极的组装自动化，提高生产效率。自动化系统的设计包括阳极小车上料过程、夹具动作过程、阳极小车下料过程、翻转装置等，还有硬件的分析设计，整个过程包含硬件和软件的设计。自动化控制是未来的发展方向，技术成熟之后逐渐成为系统设计的主流。 目前使用的自动化系统是PLC 自动化控制系统。 在行业发展的先进之列中，自动化控制系统占有首要位置。第二章设计任务、设计要求及设计参数2.1 设计任务这次设计为自主设计，来自于铝厂阳极组装现场，根据新型铝厂电解铝的阳极组装工艺要求，完成阳极组装工

10、艺中小车、运输电机及夹钳动作控制系统的主电路、 PLC 控制电路设计和机械控制程序设计。自动控制系统由可编程控制控制柜、电机控制台、运输小车等控制系统组成, 。该系统以 PLC为主，加上电气控制、敏感的检测部分、电动机，液压阀等相互协调动作，实现碳素阳极组装过程的自动化控制。2.2 设计要求2.2.1 设计要求（1）控制小车的前后运行和停止，夹钳的上下、翻转等；（2）PLC控制变频器的起停，调速、制动使能转换、轨道电机启停；（3）完成 10 个电机起、停信号的检测、实现电机的自由起、停；（4）对小车和轨道电机各种信号的互锁和监控进行控制；（5）由轨道的运行情况，决定电机的起停和过载保护控制以及

11、故障处理；（6）控制系统具有电机过载、过流保护及短路保护等必要的保护环节；第三章系统方案设计3.1 设计依据系统设计的控制两部分包括小车的前后运动和电机启停，其中小车的结构包括夹钳和小车电机， 夹钳功能是由液压驱动来实现夹住和释放托盘。而小车电机将托盘运送到对面的轨道上，然后再次返回，即往返运动。为使小车在运动过程中防止盘子滑落，平稳运行，需要控制小车运行情况。轨道电机共有8 台，分别驱动 8 条轨道，分别由8 条轨道托运托盘。使用机械手夹具来让托盘从5#轨道向6#轨道完成夹紧、放松，上升、下降，翻转、复位和前进、后退等动作。于此同时通过变频器实现对小车移动电机的启动、变频调速、正反转等的控制

12、。对于电机的控制，每条轨道上都安装有一个传感器，可用来判断前后有无盘子并检测到位的盘子，发布命令进行调整。3.2 各部分功能分述本次设计主要完成轨道电机对托盘小车的运送和阳极小车夹具动作的PLC控制系统的设计，故用作业范围大，效率高且便于操作的PLC控制来完成铝锭生产过程的夹具动作过程。3.2.1 托盘小车上料过程本设计中的小车在实际生产上是生产线上的运送小车，设计中的托盘小车也称为碳素阳极小车，其运输过程分为上车过程和下车过程。每个过程有一个轨道，而且每个轨道又被分成4 段小轨道 , 每一段都由一个电动机驱动，整个运料系统中共有8 台轨道电机，分别拖动8 条轨道，由该 8条轨道托运托盘 ,

13、根据生产工艺要求：上车过程中的4#轨道和下车过程中的 7#轨道设计的比其他几段要长3 。小车上料的运输过程如下：1#轨道2#轨道3#轨道。4#轨道图 3.2.1托盘小车上料轨道示意图3.2.2 夹具动作过程夹具动作过程如下：图3.2.2夹具小车运动图3.2.3 阳极小车下料过程下料过程：6#轨道7#轨道8#轨道。9#轨道图 3.2.3托盘小车下料轨道示意图3.2.4 翻转装置按照碳素阳极组装工艺的要求，都必须按上述设计进行操作运行。3.3控制方案的比较、论证和确定3.3.1 方案的比较能够实现铝厂阳极组装工艺控制系统设计的方案有多种。单片机和工业计算机还有可编程控制器都行，下面比较三方面的内容

14、：（一）单片机由于单片机的所有器件均不是工业级的，抗扰性能差，系统硬件复杂多变，可能引起系统的不稳定。而且一旦单片机系统出现故障，很难快速诊断出故障元件， 不是专业人士不能很快找到故障原因，使用起来不方便，单片机选择不合理。图（一）单片机控制系统（二）工业计算机（ IPC）由于 IPC的主要器件都不是适用工业级的，抗干扰能力虽然有一定提高，系统不和变频器相适应，不稳定。一旦系统出现故障，非专业人士不能检查和维修。如果故障由于程序的设计不合理引起，且缺乏合适的调试工具，要找出故障原因很困难, 而且编程很难，虽然系统界面完整，但对于不熟悉计算机系统的人来说，还是不太方便。（三）可编程逻辑控制器(

15、简称 PLC)图（三）PLC 控制系统3.3.2 方案论证及确定通过对以上几种控制方案的比较发现采用PLC控制能够达到碳素阳极组装控制系统需要的要求。PLC 控制技术在工程实际应用中的时间较长，范围广，技术成熟，在工程技中有不可替代的地位。最重要的是PLC可根据电流保护的要求准确输出，完成保护动作。第四章系统硬件设计4.1 设计依据软件设计目的是实现怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个自动化控制系统的功能完整地实现，硬件的设计则主要是要能体现出整个控制系统的流程。硬件设计是软件设计的基础，软件设计是硬件设计功能的集中体现。在本章主要是硬件设计及器件选择。通过对系统的功能要求和性能指标的分析，整

16、个控制系统的硬件设计分为两个模块来完成：（1）主电路图设计 （2）系统控制图设计。硬件设计要考虑到供电。供电的设计直接影响到控制系统的适用性，故在设计硬件时是要按照以下几方面来设计：1. 输入电源电压在一定的允许范围内变化；3. 当控制系统不允许断电的场合，要考虑备用电源的使用；综合考虑以上几方面，可以把供电线路设计如下：供电使用电网提供的 380V 动力电。主电路设计中，给 PLC 供电时，应该注意对电能的质量进行控制。4.2主电路设计（ 1）电器总配线主电路图如下图4.2（ 1）所示：图 4.2（1）电器总配线主电路图图 3.2（ 2）阳极小车总配电图（ 3）轨道电机控制主电路图下图 4.

17、2（3）所示：图 4.2（ 3）轨道电机控制主电路图4.3 元器件选型4.3.1 断路器断路器又称为自动开关，功能包括有短路、过载和欠电压保护等。断路器型号选择：油泵电机选型号： DZ20-60液压站冷却电机选型号：DZ 15L 10皮带运输电机选型号为：DZ 15L 40小车移动电机选型号为：DZ 15L60 1# 10#轨道电机 DZ 15L 40加热器和 PLC选用型号： DZ 15L 10输入和输出模板断路器型号均选用：DZ 15L 104.3.2 熔断器熔断器时一种简单有效的保护电器。熔断器选型：油泵电机：FU1FU3熔断器选用型号为： RT14-63/1电源模块： FU4FU12熔

18、断器选用型号为： RC1A104.3.3 低压隔离器低压隔离器也称刀开关，主要用于电气线路中隔离电源之用，也可作为不频繁地接通和分断空载电路或小电流电路之用7 。选择刀开关选用型号为：HG1 63/314.3.4 接触器本设计选用CJ10 系列交流接触器。该系列交流接触器的功能强大，其辅助设备也很完备，主要用于交流电动机的起动和控制。（2）液压站冷却电机选型：由于该电动机虽然是经常启动；但是其不用正、反转工作，它们的功率也是很小。故选择型号： CJ10 10（3）油加热器选型：电阻炉选择AC1接触器即可以满足要求。故选择型号： CJ1010（ 4）皮带运输电机选型：由于该电动机是经常启动；但不

19、用使其正、反转。选择 AC3 类（降一级使用）的接触器可以满足要求。故选择型号： CJ10 10辅助触头数量 : 一常分（ 5）轨道电机故选择型号： CJ10 10（ 6）小车移动电机故选择型号： CJ10204.3.5 继电器本设计采用的电磁继电器选择电压型的继电器就可以满足系统的设计要求。选用型号：JT3-220VAC 触点：24VDC线圈：220V AC1. 时间继电器时间继电器种类很多。 本设计根据夹具的动作选用JS14A系列晶体管时间继电器。本设计选择型号为：JS14A5/380M其中：延时范围为： 0.5 5S2. 热继电器主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护及其他

20、电气设备发热状态的控制8 。对于频繁正反转和频繁起制动工作的电动机不宜采用热继电器来保护。查器件书选热继电器型号为：JR16B-60/3D3. 中间继电器4.3.6 接近开关本设计的接近开关主要是用于限位保护，采用LXJ6 系列电感式接近开关。选择接近开关型号为：LXJ6-4/224.3.7 电动机选择在这个设计的通用汽车，可以满足要求，所以我用Y 系列电机，鼠笼式三相异步电机系列电机，是我国统一设计的产品，具有效率高，节约电能，阻断高扭矩，低噪音，振动小，运行安全可靠等特点。4.3.8电流表和电流互感器电流表显示各台电动机工作时的电流，采用的电压表不能直接测量，应该串在电流互感器上使用，选择

21、的电流表的电流应该大于测量线路上的电流。本设计选用 LMK-0.5 系列的电流互感器，选择的型号：电流互感器：LMKB1-0.5100 5；电流表： 100-AC4.3.924V 直流电源PLC输入模块使用 24V/DC的电源可以从电源模块引出， 也可以从外界的供电系统中直接引入。我采用外电源直接引入；因为我使用的模板比较多，从电源模块上引入会引起PLC不正常工作。型号选择： CKK220V AC/24V DC4.3.10油加热器液压系统正常工作时油的温度一般不会太低，不使用加热器。一般是在整个系统启动前由于外界环境的影响，使得油温低，系统不能正常启动。加热器选择了一般的加热电阻丝。型号选择：

22、 RJK124.3.11光电传感器1. 控制按钮对于手动控制信号控制接触器，继电器，电磁起动器。作为远程起动器，接触器，继电器控制单元。控制按钮通常是由化合物，有一对常闭触点和常开触点。信号灯按钮，用于交流信号灯，在 6V 直流电压信号，对各种信号灯组件。设计选择模型： lw-612. 信号灯采用半导体信号灯，该信号灯适用于交流50HZ, 额定工作电压380V及以下或直流额定工作电压220V 及以下的控制电路中 .选用型号为： AD1622B/R DC24V4.4 变频器设计由于小车移动电机的负荷变化不大， 因小车电机容量为7.5kW,功率不大会有严重过载的情形， 故查变频器手册， 选用变频器

23、容量为12kVA，18A的变频器与其相匹配，4.5 系统控制电路设计4.5.1 设计依据为一个简短的描述。1 系统的大小首先应确定单一的PLC控制系统，由 PLC网络的计算机， PLC的输入，输出点，并根据点的实际需要，左边是在PLC的采购保证金（ 5%- 10%）。规模2 确定负载类型根据直流或交流负载型PLC的输出，是一个高电流和低电流，并对动作的频率点输出的PLC，从而确定继电器输出端子，输出晶体管或晶闸管输出。在不同负载下的输出选择，为系统的稳定运行是很重要的。3 存储容量和速度虽然 PLC产品的外国厂商都大致相同，但也有一定的差异。目前全兼容产品之间的公司还没有被发现。该公司的软件开

24、发也不尽相同，但存储容量和指令，用户程序执行速度的重要指标。一般存储容量越大，速度越快， PLC的价格较高，但应根据系统的大小选择合理的PLC产品。4.plc编程（ 1）一般的手持编程器编程这仅仅是商业要求语句表编程语言。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适合，体积小，调试方便，成本低。（ 2）图形程序员采用梯形图编程的程序员， 方便直观，一般的电气人员短期应用自如，但该编程器价格较高。（ 3） PC和 PLC软件编程这是最有效的方式，但大部分公司的PLC软件价格昂贵，而且不容易调试。4.5.2 S7-300系列 PLC。S7-300 是模块化的 PLC，主要由机架， CPU模

25、块，信号模块，功能模块，接口模块，电源模块，通信处理器和可编程器件，每个模块安装在框架。 MPI（多点接口的多点接口）直接与程序员，OP 的网络接口， S7PLC等操作面板。SIMATIC S7-300 PLC是通用的，适用于各种自动化工程中的应用，特别是模块化结构设计，可编程控制器，各种单独的模块可广泛用于扩展组合。 S7-300 PLC系统总线直接集成在每个模块中，他们使用的总线连接器模块的物理和电气连接。1.PLC 模块的选择接口模块是自我配置，不需要地址分配。0 号机架电源CPU接口输入输入输入输入输入输入输入输入模块模块模块输出输出输出输出输出输出输出输出模块模块模块模块模块模块模块

26、模块1 号机架电源接口输入输入输入输入输入输入输入输入模块模块输出输出输出输出输出输出输出输出模块模块模块模块模块模块模块模块2 CPU模块可编程控制器系统， CPU 模块相当于人的大脑，工作，阅读一个一个的从用户程序存储器中的指令，分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥和控制电路 11 。为了给主机提供PROFIBUS 接口，我所选择的设计是与CPU 接口直接选择模块；此外，当I/O 模块超过 8 时必须选择具有扩展功能的CPU 。有 20 种不同类型的 S7-300PLC CPU ，适合不同层次的控制要求。在本设计中我选择的是标准型的 cpu314； CPU 可以满足设计要求。

27、选择型号：CPU3146ES7 307-1EA00-0AA0MMC 微存储器卡64KB6ES7 953-8LF00-0AA0这种 CPU 占用 1 个槽，它自身不带有 I/O 点（所有的输入输出点都是通过扩展 I/O 模块来实现的）。规格： 128KB 主存储器， 24VDC 电源， MPI ； PROFIBUS DP 主站 /从站接口；需要MCC ；从 L+ 吸取的电流为 60mA。3数字量输入模块输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块（或开关）接触和电子传感器的机械的外部连接，如二型光电开关和接近开关。数字输入模块将数字信号从外部磁场的水平在PLC的信号电平， RC滤波电路一般配备

28、的输入电路，以防止由错误脉冲输入信号引起的触点抖动或外部干扰输入，输入电流一般是马的数量（约7毫安） 11 。输入接口电路设计采用光电隔离技术，有效隔离内部和外部的PLC电路系统之间的电气连接；采用滤波技术（如LC，II 型滤波电路）来消除或减弱工频和高频电磁干扰。输入信号通过输入接口模块连接器接入模块。的直流输入电路的延迟时间短，可直接装置和接近开关，光电开关等电子输入连接。如果信号线不是很长，PLC的物理环境较好，电磁干扰是轻的，应被视为首选的DC24V输入模块。在恶劣的使用环境中的油雾和粉尘适合于交流输入法。数字输入模块，可以直接连接到两线接近开关（接近开关），两线接近开关的输出信号 0

29、个，输出电流（漏电流）不0。在泄漏电流的选择是小于静态电流应确保输入模块允许两线式接近开关，否则将导致错误的号码输入。本设计选择：输入控制系统的设计是数字设计，利用信号线不是很长， PLC的物理环境（主要是放置在单独的控制室）好，电磁干扰，输入模块选用DC24V。选择模型：标准型 sm321；DI 16 * 24V直流； 321-1bh02-0aa0 6ES7从目前的抽回 25mAsm321；DI 16 * 24V直流数字输入模板具有以下特点：sm321 di16 * 24V（DC）与硬件中断和诊断，隔离16个输入点， 16个为一组，额定输入电压24V（DC），适用于开关； 2 / 3 / 4

30、线接近开关（接近开关），支持时钟操作，可编程中断诊断，诊断，硬件中断触发输入延时可设置。4数字量输出模块数字输出模块用于控制电磁阀接触器，指示灯，报警输出装置。sm322数字输出模块将S7 的内部信号电平300 需要控制过程的外部信号的水平，同时，和功率放大效应的分离。放大器件的输出功率模块具有高功率晶体管和场效应晶体管，驱动交流负载双向晶闸管或固态继电器驱动直流负载，小型继电器可以驱动交流负载和直流负载。输出电流典型值为0.5 2A ，负载功率由外部磁场。本设计选择：两部分：一个是显示部分（主要是灯）；二是在工作液压系统的电磁阀。电磁阀的驱动电流为0.5A； 2A 驱动电流输出模块的选择。S

31、M322； DO 16 24 DC 0.5A ；6ES7 322-1HH01-0AA0从背板吸取的电流为80mA；从 L+ 吸取的电流为 250mASM 322；DO 16 24 DC 继电器模板具有以下显著特性：输出点数为 16，带隔离， 16点为一组，输出电流 0.5A ，额定负载电压24-48 （直流 / 交流），适用于电磁阀、直流触点、电机启动器、电机和指示灯，可编程诊断，诊断中断，替换值输出。注意：当电源关闭时，电容器仍将储能约200ms。此时，用户程序仍可对继电器进行操作。5电源模块由电源模块工作电源系统，电源模块通过电缆连接到外部24VDCCPU模块与其它模块的输出，为他们提供工

32、作电流。24V 直流电源 - 300 和 SIMATIC S7 的传感器和执行器电源。在设计中选用 5A 电源模块，电力系统的左缘主要考虑。选择型号：PS307-5A；6ES7 307-1EA00-0AA06接口模块选择型号：标准型IM365 ；6ES7365-0BA01-0AA07其他装置的选择（ 2）编程设备4.5.2 硬件地址配置PLC 的 I/O 点确定输入输出点的实际系统为基础。选择I/O 点，应该有足够的保证第五章控制系统软件设计5.1 软件设计分析5.1.1 STEP7 概述SIMATIC工业软件包括：基于标准的 SIMATIC硬件编程工具。工程工具高级编程语言和基于软件过程在插

33、头的生产过程中使用的运行时软件和播放操作软件人机界面（ HMI）设计的操作员控制和可视化软件。5.2 系统流程图（一）托盘小车上料流程图如下图5.2（1）所示：图 5.2（1） 托盘阳极小车上料流程图（二） 托盘小车下料流程图如下图 5.2（ 2）所示：图 5.2（2）托盘小车下料流程图（三） 残阳极处理夹具小车运动流程图如下图5.2（3）所示：+图4.2.（3）残阳极处理夹具小车运动流程图总 结通过这次毕业设计使我对Microsoft word 的用法有了较大的提升，虽然这次毕业设计的整个过程中遇到了不少问题，例如对液压系统不熟悉等。但是在这个制作毕业设计的过程中中我学到了不少知识，积累了不少经验，对 PLC 有了更深的了解，锻炼了自己的独立研究问题和解决问题的能力和。但由于时间的仓促和专业水平的限制，本设计仍然存在着许多不足之处，尤其是硬件设计方面，忽略了很多设计环节，直接进行选型。和毕业论文设计是四年的学习，你的大学考试，是本科教育的重要环节，是衡量他们的识别标准研究。在我进行设计的全过程中，我始终抱着严谨务实的态度完成系统的总体方案的设计与实施，并清楚给出了系统的工作原理、控制任务、总体结构、工作流程以及完成系统所需要的相关硬件。毕业设计将我们这四年以来所学的知识都包含了进去，通过毕业设计，综合地运用四年内所学知识去分析、解决一个问题，而在做毕业论文的过程中，所学知