【《基于PLC的烘干机加热恒温及传动控制系统设计》8500字（论文）】

控制系统的硬件选型分析及设计PLC控制系统设计的基本原则为了保障控制系统的稳定和高效，在设计时需要达到以下的设计要求：1、解决被控对象的基本工作要求2、保障PLC的安全性、可靠性和高效性3、有较高的的性价比，便于维护和方便使用4、可以适当的提升额外需要的功能PLC种类的选择PLC输出种类分析与选择PLC有晶体管和继电器这两种输出类型，下面的内容简单介绍了晶体管与继电器的不同点。表3.1晶体管和继电器在各方面的对比最后综合考虑选择用台达电子企业管理有限公司的系列型号为的DVP24ES00R的PLC。图3.1PLC及扩展模块展示图图3.2PLC产品外观图TOC\o"1-3"\h\u电气元件的选择和部分说明电机的选型图3.3电动机的构造当向三相\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"定子绕组中通入对称的\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"感应电动势（感应电动势的方向用\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"磁场中受到电磁力的作用（力的方向用\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"左手定则判定）。电磁力对转子轴产生\t"/item/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E5%BC%82%E6%AD%A5%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA/_blank"电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。表3.2三相异步电动电机参数电子式电动单座调节阀的选型本次设计我们选用品牌为HAISHENG型号为ZDLP的电子式电动单座调节阀，该型号的调节阀其所构成的部分中电动执行机构内有伺服系统，无需另配伺服放大器，有输入信号及电源即可控制阀门开度。调节阀利用阀输出端的反馈信号（压力、压差、温度）通过信号传递改变阀门的开度，达到调节压力、流量、温度的目的。当烘箱内的温度不能稳定在所设定的值时，从PLC输出一个标准的数字信号，通过PLC的扩展模块转换成模拟信号给调节阀，调节阀根据这个信号来自动控制调节阀的开度，从而使温度保持在设定的温度范围。图3.4调节阀实物图变频器种类的选择变频器在实际应用中出了可以使用在改变交流电源的频率，在我的设计中，可以通过增加一个电位器来改变传动电机的转速，传动电机的转速保证了传动带的速度，稳定整个传动控制设计的速度。综合已经设计好的控制系统，最后决定选用台达电子企业管理有限公司的系列型号为VFD-055的变频器。表3.3变频器部分性能参数型号VFD-055电压等级220v最大电机适用容量5.5kw额定输出容量9.5kVA额定输出电流25A图3.5变频器产品图图3.6变频器尺寸图中间继电器的选型中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路，也能用来直接控制小容量的电机或者其它的电气执行元件。它的结构和工作原理和交流接触器基本相同，实际上也是电压继电器的一种，中间继电器的触点很多，同时触点允许流过的电流较大，可以断开和接通较大电流的电路。中继可以用较小的电流控制较大的电流，在电路中也能起到继电保护的作用。表3.4中间继电器的规格表电磁品牌OMRON/欧姆龙型号MY2NJ/DC24V产品系列3RH12触点形式二开二闭额定电压DC24（V）电流性质直流外形小型功率负载小功率防护特征封闭式直流电阻50（Ω）吸合电流5（A）释放电流5（A）线圈功率0.9（W）额定工作频率50（Hz）图3.7中继实物图扩展模块的选型温度模块和模拟量模块在本课题是比较重要的组成部分，是实现PLC实时对恒温控制的重要途径。温度模块选用的是台达DVP系列产品型号为DVP04PT，模拟量模块选用是台达同系列产品型号为DVP06XA。由于课题的要求，温度若想要保持恒定，需要不断的读取当前的温度，不断地反馈到PLC，再由PLC输出信号去控制温度，因此所选用的模拟量模块为混合输入输出模块。图3.8扩展模块实物图表3.4烘干机电气元件清单序号内容型号规格数量备注1PLCDVP24ES00R1台达PLC2模拟输入/输出混合模块DVP06XA1扩展模块3温度测量模块DVP04PT1扩展模块4中间继电器24V8PLC输出中继5断路器3P40A5电机电源通断6断路器2p10A2PLC电源通断，比例阀电源通断7交流接触器380V40A311Kw风机+5.5Kw输送机8交流接触器380V20A22.2Kw风机9数字式热继电器1A~80A5创泰电子10三色指示灯24v1/11开关电源/1/12触摸屏Dop110cs1台达触摸屏13电位器//控制输送电机转速14急停按钮/1/15电源指示灯/1/16变频器VFD-0551台达变频器控制程序设计控制系统程序编程设计控制系统的对象和要求本次设计木材烘干机用于非原生木材的烘干。由比例调节阀对烘箱内温度进行调控和监测，通过大风机确保烘箱的热量均匀，尽量减小烘箱内的温度差，小风机在出口出快速降低出口木材的温度，提高出板效率。在木板的传送过程中，为了能有高效率的工作状态，要让控制系统快速精准地感应到木板的位置。使用变频器来调整电位器控制传动电机的转速，稳定了木材烘干的速度。控制系统工作原理控制系统主要由传动控制和恒温控制两部分组成。烘箱恒温控制系统主要由电子式电动单座调节阀、温度测量模块以及PT100温度传感器构成。传动主要由光电传感器、电气元件及主控PLC构成。主控PLC采用台达电子企业管理有限公司的系列型号为的DVP24ES00R可编程控制器和系列型号为Dop110cs的触摸屏。其工作原理为：（1）启动后检测温度，开始调节单座调节阀的开度值，开始加热，直到检测烘箱内的温度达到设定的数值为止。（2）风机开始启动，减小温度差，当温度恒定在设定值时，传送电机启动。（3）开始人工送料从进板侧将木板送入，通电位器调整传送带的速度。（4）一猜木板送完后，根据较短的时间间隔送料，保证烘干的效率。I/O分配表本次设计选用的台达公司的DVP24ES00R型的PLC，这款PLC拥有16个输入端口（大于13个输入端口）以及8个输出端口（大于7个输出端口）。在本次课题程序设计中，一共有13个输入端和7个输出端，选择此款PLC的目的是为了在最终去完善设计产品的功能时，从而保证有一定的余量去修改而不是重新选择。以下为本次设计的输入以及输出的分配表。表4.1PLC输入端口列表序号名称地址1传动电机故障X02风机11kw故障X13风机11kw故障X24风机2.2kw故障X35风机2.2kw故障X46急停开关X57压力开关X68进板侧急停X109出板侧急停X1110左跑限位X1211右跑限位X1312上网限位X1413下网限位X15表4.2PLC输出端口列表控制系统主电路PLC的主电路包含了一个电机和四个风机，电机的作用是传动电机，选择为三相异步电动机。四个风机由交流接触器KM1~4来保护风机，在突发情况下可以迅速切断电源，保护风机。图4.1控制系统主电路图图4.2控制系统电路图PLC接线图PLC的控制电路有输入端口、输出端口以及扩展模块，输入部分为主控按钮和传感信号，输出部分控制一台传送电，四台风机，一个正常运转灯以及一个故障信号灯，扩展模块为温度模块和模拟量模块。图4.3PLC接线图控制系统流程图PLC做为控制电路的系统，主要由输入端口和输出端口两个部分组成，输入信号为主控按钮和传感信号。输出部分控制一台传送电机、四台风机以及一台电子式电动单座调节阀。主要实现的功能有：开机启动进入初始化；计时器T27计时开始，风机1开始启动，T27计时到10秒时风机2启动，T27计时到15秒时风机3启动，T27计时到20秒后风机4启动。温度传感器开始测量烘箱内的温度，PLC控制调节阀的开度对烘箱开始加热。传感器检测温度的平均值达到设定值时，传送电机启动，工人开始送料。当进板侧或出板侧出现卡板或者影响传动时，可按下安放在进出板口的故障按钮，进出板侧故障信号灯亮起后，工人收到信号可将传动带急停。当传送带左右限位传感器感应到信号时，左右跑偏限位灯亮起，将传动带急停。当上下网限位灯亮起时，需要及时停止传动，尽快将气缸调整到合适的压力，使传动带张紧在合理工作的程度再启动。当限位故障解决时，按下解除警报按钮，烘干机将正常工作。图4.3过程的流程图控制系统程序以及触摸屏设计台达触摸屏的设计台达触摸屏正常启动界面接通电源后，控制面板中电源指示灯正常亮起，触摸屏进入初始化界面。图5.1初始界面的设计触摸屏的自动控制画面点击进入系统ENTER后，首先自动转跳到自动控制界面，点击一键启动，根据设定温度和当前温度的对比调整调节阀的开度后进入加热状态，风机启动平衡烘箱内的温度差。温度稳定在设定值后，按下传动电机启动按钮，传动电机运行开始工作。每当动作开始进行时，例如风机1正常工作时对应在后面的信号指示灯亮起，操作人员根据触摸屏上的故障指示灯去判断烘干机是否在正常工作以及警报时可以及时的停止工作防止造成更大的损失。如果要对烘干机进行调试和对机械进行维护时，在自动控制界面点击手动操作。自动转跳至手动控制画面。图5.2自动的控制画面触摸屏的手动控制画面跳转至手动控制画面后，负责控制触摸屏的工人可以单独控制加热状态的进行，传动电机和风机的启动停止，手动中还有自整定功能，使设备可以在短时间内达到最佳的工作状态。图5.3手动的控制画面PLC程序设计本课题设计中PLC的程序编写采用的是台达公司的PLC编程软件WPLSoft2.50，此编程软件在原理上和我们课程中所学的有相似之处，上手也较为容易一些。且该编程软件可以设置多级密码，具有良好的保密性。在进行PLC编程之前，进行了流程图的绘制。本设计的优势在于可以一键启动烘干机的运行，且利用了PLC自带的PID功能，无论在任何环境中，都可以通过自整定，从而使烘箱内的温度达到一个稳定的状态。控制程序中四台风机和传动电机在一键启动后依次启动，避免起动电流过大使电机烧毁。在进出口处安装两个故障报警按钮，在出现板料堆积搬运不及时的问题或者板材进料卡主时，工人可以及时按下故障按钮，及时停止传动电机防止对器械造成损害；传送带左右两侧安装传感器防止木材卡住，使用一个气缸对传送带进行张紧，避免意外事故的发生。通过软件编程对四台风机进行逐个启动，这样的目的是因为单个风机启动电流相对不大，逐个启动可以有效地减小启动电流，防止电路毁坏和风机的烧毁。优先启动两台11KW的大风机，在短时间内使烘箱内的各处温度差值减小，整体温度趋于平衡。两台2.2KW的风机使得出口处的热量散逸更快，加快降低已经烘干完的木材的温度，提高了出板的效率。程序启动的同时就开始不断的读取当前的转速信号值，通过编程调整信号将当前传动电机频率显示出来。在系统开始工作时，通过烘箱内的温度传感器接受两次当前实际的温度值,通过在烘箱两侧安装的两个传感器得到的值去取平均值，与预先设定的值不符，系统给调节阀一个信号，去调整比例调节阀的开度。当调节阀的开度调大后，蒸汽迅速涌入，加热状态开始。本设计中的自整定功能通过PID控制实现。PID控制是基于复杂的数学运算得到的，简单的说就是比例、积分、微分控制。在工业自动化中合理的设定PID值可以使自动化控制系统精确、稳定。但是由于被控对象的条件是不断地变化，加上自动化控制人员由于技术、经验的不同很难在短时间里将控制参数调到最佳。在这样的情况下就产生了自整定功能，这个功能就是根据多年来工控领域的经验，在被控对象不同的工作情况下收集的经验值，预先设定合理的PID值，放到一个特定的存储区里，当自动控制设备使用自整定功能时，设备会自动调出预先设定的值并且不断修正这些值，使设备在短时间里达到最佳工作状态，这就是自整定功能[16]。由于解释起来相当复杂，我根据课题设计制作了一张图，用来简单的解释自整定的重要和作用。系统启动后加热开始，由于调节阀内的机构类似于阀门一样去调整开度，以及外界温度散逸的不同，导致加热温度到达指定值使继续升温，调节阀开度调小。当实际温度已经低于设定温度时，又需要调节阀开度调大，通过几次这样的整定后，温度稳定在设定值，此时会得到一个比较精准的参数。上述表现出的功能叫做自整定功能。小结本篇论文讲述了烘干机的恒温控制和传动控制的设计，并着重对烘干机的恒温控制部分进行设计完善，首先我们要根据木材烘干机的市场需求和发展方向进行比较深度的考虑，根据企业的规定要求确定了本次课题设计的方案。方案主要包括传动控制设计和恒温控制设计这两个部分，传动控制采取PLC控制，恒温控制通过比例调节阀去完成。在确定完设计方案，在网上寻找符合设计要求的电气元件，并列出主要用到的清单。完成控制系统原理图和控制顺序流程图的绘制，最后进行PLC的编程和触摸屏的设计。传动控制通过变频器添加电位器控制传动电机的转速，通过控制传送带的速度保证木材得到充分的烘干。恒温控制由比例调节阀来调节，11KW风机在烘箱两侧使得内部温度不断循环，保持平衡，2.2KW风机在出板口加快热量散逸降低已烘干木材的温度。在设计时，考虑到实际的应用，烘干类的设备对温度的抗干扰能力很差，晴天和雨天、夏季和冬季所要烘干的条件各不相同，为此我们对烘干机增加的自整定功能，使得对温度抗干扰能力直线增加。综上所述，最终完成了本次设计论文的定稿。