碳素阳极组装工艺的PLC设计论文

.24/32.******大学（本科）毕业论文题目：碳素阳极组装工艺的PLC设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名：日期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它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与流程图。根据组装阳极的生产工艺的要求，用STEP7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AbstractProductionautomationdegreerisingmakestheapplicationofPLCmoreandmoreextensiveandpractical.ThisdesignisbasedonSiemensS7-300programmablecontroller,theprogrammingdesignofsmeltinganodeassemblyprocessautomaticcontrolsystemofPLCcontrol.Thesystemismainlyaimedatpalletcarmotorcontrolandorbitcontrol,theprocessisthecollectionmachine,electricity,liquid,gasinoneofthelargeautomatedprocessingequipment.Systemismainlycomposedofmechanicalpartofthemotor,oilheater,hydraulicstation,beltconveyor,mobilecarmotorandcontrolofthesoftwarepartofthesystem.Throughthecontrolsystemofmaincircuit,controlcircuitdesignandparametercalculation,theinitialcontrolsystemcompleteelectricalprinciplediagramandflowchart.AccordingtotherequirementsofassemblyofanodeproductionprocesswithSTEP7createdasetofsuitableforPLCcontrolsystemoftheassemblyprocess.Thisdesignthatinvolvedalotintheprocessofswitchinputandoutputpoints,sochooseflexibleconfigurationofPLCmodularstructureusedtoimprovethepracticabilityandefficiencyofthesystem.Keywords:programmablecontroller;Automaticcontrolsystem;Modularstructure目录TOC\o"1-3"\h\u21007摘要I20268第一章绪论193221.1课题的研究背景与意义1239061.2课题研究的容与前景分析127925第二章设计任务、设计要求与设计参数282162.1设计任务227370第三章系统方案设计2873.1设计依据2148693.2各部分功能分述3193843.2.1托盘小车上料过程349713.3控制方案的比较、论证和确定523281第四章系统硬件设计8110514.1设计依据8322624.2主电路设计9212614.3元器件选型12252524.4变频器设计15249744.5系统控制电路设计1537604.5.1设计依据1512506第五章系统软件设计2261735.1软件设计分析22229785.2系统流程图2219574总结2713214参考文献2819914附录12910255附录2306100附录3318696附录43414236附录538第一章绪论1.1课题的研究背景与意义目前在国碳素阳极组装工艺中比较先进的在贵铝，较之于国的工艺发展，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，随着国铝业水平的提高，碳素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课题研究的容与前景分析阳极组装是生产系统的最后一个生产过程，研究的主要研究容是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、设计要求与设计参数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，完成阳极组装工艺中小车、运输电机与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与故障处理；（6）控制系统具有电机过载、过流保护与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。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,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：右移位置升上右移位置升上右移升上位置右移升上位置下降下降反反下降时间时间反上升反下降左移反上升反下降左移左移左移图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，下面比较三方面的容：（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(简称PLC)图（三）PLC控制系统3.3.2方案论证与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，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与器件选择。通过对系统的功能要求和性能指标的分析，整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围变化；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4.2（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：DZ15L—10皮带运输电机选型号为：DZ15L—40小车移动电机选型号为：DZ15L—601#－10#轨道电机DZ15L—40加热器和PLC选用型号：DZ15L—10输入和输出模板断路器型号均选用：DZ15L—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：FU1—FU3熔断器选用型号为：RT14-63/1电源模块：FU4—FU12熔断器选用型号为：RC1A—104.3.3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：CJ10—10（4）皮带运输电机选型：由于该电动机是经常启动；但不用使其正、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:一常分轨道电机故选择型号：CJ10—10（6）小车移动电机故选择型号：CJ10—204.3.5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：220VAC1.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：JS14A—5/380M其中：延时围为：0.5—5s2.热继电器主要用于电动机的过载保护、断相与电流不平衡运行的保护与其他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：CKK220VAC/24VDC4.3.10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：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与以下或直流额定工作电压220V与以下的控制电路中.选用型号为：AD16－22B/RDC24V4.4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一样，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。该公司的软件开发也不尽一样，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。4.5.2S7-300系列PLC。S7-300是模块化的PLC，主要由机架，CPU模块，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。SIMATICS7-300PLC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。S7-300PLC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号机架电源模块CPU模块接口模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块1号机架电源模块接口模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块输入输出模块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S7-300PLCCPU，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。选择型号：CPU3146ES7307-1EA00-0AA0MMC微存储器卡64KB6ES7953-8LF00-0AA0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；PROFIBUSDP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；DI16*24V直流；321-1bh02-0aa06ES7从目前的抽回25mAsm321；DI16*24V直流数字输入模板具有以下特点：sm321di16*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0.52A，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。SM322；DO16×24DC0.5A；6ES7322-1HH01-0AA0从背板吸取的电流为80mA；从L+吸取的电流为250mASM322；DO16×24DC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，为他们提供工作电流。24V直流电源-300和SIMATICS7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；6ES7307-1EA00-0AA06．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5.1.1STEP7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Microsoftw