基于PLC的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(共22頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上華 北 電 力 大 學(xué) 成 人 教 育 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)節(jié)閥在工業(yè)生產(chǎn)的控制過程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時對其性能和安全性等方面的要求也越來越高。眾所周知，PLC自從問世以來就在自動控制各個行業(yè)發(fā)揮著難以取代的核心控制作用。PLC具有運行穩(wěn)定可靠，控制功能強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點，成為工業(yè)控制應(yīng)用的主流。由于PLC的高穩(wěn)定性和對環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)能力，使得PLC在調(diào)節(jié)閥電機(jī)的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛。本文是利用西門子S7-200 PLC為調(diào)節(jié)閥電機(jī)設(shè)計的一套自動控制系統(tǒng)。首先對該系統(tǒng)基本情況、設(shè)備工作原理和控制任務(wù)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，

2、并在此基礎(chǔ)上擬定了控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。然后對該控制系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行了設(shè)計，對PLC的硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥由檢測到開啟、等待、關(guān)閉的過程，達(dá)到了調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定地控制下游區(qū)域介質(zhì)壓力的目的。在軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，按設(shè)計任務(wù)的要求，通過一系列的模擬試驗，得出符合設(shè)計任務(wù)要求的實驗結(jié)果。同時設(shè)計過程中給出的方法，對今后進(jìn)行同樣相關(guān)設(shè)計也有很大的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：PLC 調(diào)節(jié)閥 電機(jī) S7-200 目 錄··· 摘要··········

3、83;·················································

4、83;··················· 目錄······························

5、··················································

6、1 緒論·················································&#

7、183;·······························11.1 系統(tǒng)概述·················

8、;··················································

9、;·······11.1.1概述·········································

10、83;···································11.1.2 系統(tǒng)工作原理············&#

11、183;·················································&#

12、183;····11.2 工程概況············································

13、;·····························11.2.1 設(shè)備基本情況介紹 ··················&

14、#183;··········································11.2.2 設(shè)備控制要求 ·····

15、;··················································

16、;··········11.2.3 設(shè)計要求 ······································

17、;································21.3 控制系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定···············&

18、#183;·········································21.4 PLC介紹 ······&#

19、183;·················································&#

20、183;···············21.4.1 什么是PLC································&

21、#183;·····································21.4.1 PLC的特點··········

22、··················································

23、··········31.5 控制系統(tǒng)工作方式 ·····································

24、3;·························32 控制電路設(shè)計·······················&

25、#183;···············································42.1 主電路設(shè)計

26、83;·················································

27、83;····················42.2 控制電路設(shè)計···························

28、3;·········································42.3保護(hù)電路設(shè)計·······

29、··················································

30、·············52.3.1 短路保護(hù)設(shè)計···································

31、;································52.3.2 過載保護(hù)設(shè)計···············

32、3;·················································

33、3;·53 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 ··············································

34、83;····················63.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計基本原則··························

35、83;·····························6 3.2 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置 ·················&#

36、183;······································6 3.2.1控制要求分析·········&

37、#183;·················································&

38、#183;·······6 3.2.2 PLC選型 ········································

39、;·······························6 3.2.3 PLC的I/O地址分配···············

40、3;···········································7 3.2.4 I/O 接線圖設(shè)計····

41、;··················································

42、;··········73.2.5 元器件選擇······································

43、;·····························83.2.6 元器件布置···················

44、;················································9 3.2.7控制柜板

45、面布置·················································

46、83;·············10 3.2.8 電器互連圖··································&

47、#183;································10 3.3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計··············&

48、#183;············································113.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖···&

49、#183;·················································&

50、#183;·············12 3.3.2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖·································

51、83;····························123.3.3 PLC程序設(shè)計···················

52、··············································12 4 總結(jié)···

53、;··················································

54、;·························14 致謝 ························

55、;··················································

56、;···15 參考文獻(xiàn) ·············································

57、83;···························16附 錄·····················

58、3;·················································

59、3;·····161 緒論1.1 系統(tǒng)概述1.1.1 概述本次設(shè)計的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)及文本顯示器用于實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動控制。PLC將采集到的實際壓力值與用戶所給定的壓力基值不斷進(jìn)行比較和判斷，并根據(jù)比較結(jié)果判斷是否啟動電動機(jī)，是否啟動電動機(jī)正轉(zhuǎn)或啟動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，也即是開啟調(diào)節(jié)閥還是關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)閥下游區(qū)域介質(zhì)壓力的目的。在該系統(tǒng)中文本顯示器用于用戶設(shè)定壓力基值，同時也用于直觀了解系統(tǒng)運行過程中的實際壓力值和調(diào)節(jié)閥的開度值。1.1.2 系統(tǒng)工作原理調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的主要作用就是根據(jù)調(diào)節(jié)閥下游區(qū)域介質(zhì)所需要維持的某

60、一壓力值的要求，來自動調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度。用戶通過文本顯示器設(shè)定下游區(qū)域介質(zhì)所需要維持的壓力值，當(dāng)實際壓力值超出設(shè)定壓力值的上限值時，控制系統(tǒng)啟動電機(jī)關(guān)閥；當(dāng)實際壓力值低于設(shè)定的壓力值的下限值時，控制系統(tǒng)啟動電機(jī)開閥；當(dāng)實際壓力值在所給定的壓力值范圍內(nèi)時，電機(jī)不運轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)不停地采集實際壓力數(shù)據(jù)，與基值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果適時調(diào)節(jié)閥門開度，最終使調(diào)節(jié)閥下游區(qū)域的介質(zhì)壓力維持穩(wěn)定。1.2 工程概況1.2.1 設(shè)備基本情況介紹調(diào)節(jié)閥一臺，調(diào)節(jié)閥的閥體在一臺三相異步電機(jī)驅(qū)動下可前后移動，以此實現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉，調(diào)節(jié)流過閥體的介質(zhì)流量，從而維持調(diào)節(jié)閥下游區(qū)域介質(zhì)為某一穩(wěn)定壓力。文本顯示器一臺，用

61、于設(shè)置調(diào)節(jié)閥下游區(qū)域介質(zhì)的壓力，也用于顯示實際壓力值和閥門的開度值。電機(jī)功率2.1kW，供電電源為380V，頻率為50Hz。短時工作制。調(diào)節(jié)閥自配開、關(guān)限位及閥門開度傳感器。1.2.2 設(shè)備控制要求1、 電機(jī)全壓啟動，正、反方向運轉(zhuǎn)。2、 有自動和手動兩種控制方式。3、 當(dāng)介質(zhì)壓力超出或低于基值的上、下限范圍時，系統(tǒng)啟動電機(jī)運轉(zhuǎn)，自動調(diào)節(jié)閥門開度，使介質(zhì)壓力維持在基值上、下限范圍內(nèi)。4、 當(dāng)開限位、關(guān)限位、過力矩限位動作時，均能使電機(jī)立即停止。5、 電源、壓力、開度信號和限位信號均有指示。6、 用戶能設(shè)置介質(zhì)所需要維持的壓力參數(shù)。7、 有報警功能。8、 有必要的短路、過載保護(hù)。1.2.3 設(shè)計

62、要求在了解和熟悉設(shè)備基本情況及設(shè)備控制要求的情況下，對本次設(shè)計提出了如下要求：(1) 對空開、接觸器、過熱繼電器、指示燈等電器元件進(jìn)行配置和選型；(2) 對PLC硬件設(shè)備進(jìn)行配置和選型；(3) 繪制電氣原理圖，包括主回路圖和控制回路圖；(4) 分配出I/O表和內(nèi)存地址，繪制梯形圖程序；(5) 繪制安裝接線圖、電器互連圖等。1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定最早期的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)多采用繼電器控制方式。但是，由于繼電器控制系統(tǒng)本身的局限性，如控制功能只限于邏輯控制、定時、計數(shù)等一些簡單的控制，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計、布線、裝配和調(diào)試，而且繼電器控制系統(tǒng)布線繁瑣混亂，接點眾多，在

63、出現(xiàn)故障時查找故障點非常困難；同時，強(qiáng)電和弱電導(dǎo)線絞接在一起，使信號相互干擾嚴(yán)重等，繼電器控制系統(tǒng)已逐漸被替代。目前，調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制和PLC控制等兩種控制系統(tǒng)?，F(xiàn)時國內(nèi)，大部分調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)引進(jìn)國外控制系統(tǒng)，采用基于單片機(jī)的控制器控制，取得了較好的控制效果。但采用單片機(jī)控制軟件編程復(fù)雜，對操作人員要求較高，硬件可靠性較低，而且價格較貴。本設(shè)計采用PLC 控制系統(tǒng)，不僅簡單方便而且可靠性大大提高。1.4 PLC介紹1.4.1 什么是PLCPLC是一種以計算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置，目前已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。早期的PLC只能進(jìn)行開關(guān)量的邏輯控制，被稱

64、為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Congtroller），簡稱PLC?，F(xiàn)代PLC采用微處理器作為中央處理單元。其功能大大增強(qiáng)，它不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能，PLC這一名稱已不能準(zhǔn)確地反映它的特性，于是，人們將其稱為可編程序控制器（Programmable Controller），簡稱PC。但為了避免與后來出現(xiàn)的也簡稱PC的個人計算機(jī)（Personal Computer）相混淆，人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫1。國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器定義如下：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境

65、下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字、模擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程1 3。1.4.2 PLC的特點 與繼電器、單片機(jī)控制相比，PLC具有可靠性高、搞干擾能力強(qiáng)；編程簡單、使用方便；設(shè)計、安裝和接線簡單，維護(hù)工作量少；功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、重量輕、能耗低、性價比高等特點，PLC已成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種強(qiáng)有力的工具，在自動控制系統(tǒng)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用2 。1.5 控制系統(tǒng)工作方式本控制系統(tǒng)工作方式有手動和自動兩種方式。1）手動方式：當(dāng)操作人員選擇“手動”方式時，用戶可根據(jù)實際需要進(jìn)行介質(zhì)

66、壓力的調(diào)節(jié)。2）自動方式：當(dāng)操作人員選擇“自動”方式時，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的壓力基值范圍自動進(jìn)行壓力的調(diào)節(jié)。2 控制電路設(shè)計2.1 主電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，由于電機(jī)功率小，只有2.1 kW，因此可以采用直接啟動方式；另外，由于要實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的開和關(guān)，因此需要電機(jī)能正、反運轉(zhuǎn)4。綜上所述，主回路的控制方式可確定采用直接啟動的正、反轉(zhuǎn)控制方式，主電路圖如圖2.1所示。圖2.1 電機(jī)主回路圖2.2 控制電路設(shè)計 根據(jù)控制要求，控制電路設(shè)計如圖2.2所示，本部分有一臺變壓器，將380V電壓降為110V供CPU224使用；有一個開關(guān)電源，輸出24V直流電壓，供數(shù)字量輸入信號、模擬量輸入信號等使用；有

67、防潮電路和指示燈電路等5。 圖2.2 電機(jī)控制電路圖2.3 保護(hù)電路設(shè)計2.3.1 短路保護(hù)熔斷器是一種簡單而有效的保護(hù)電器，在電路中主要起短路保護(hù)作用。使用時熔體串接于被保護(hù)的電路中，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，熔體被瞬時熔斷而分?jǐn)嚯娐?，從而起到保護(hù)作用5。2.3.2 過載保護(hù)電機(jī)在實際運行中，常會遇到過載情況，但只要過載不嚴(yán)重、時間短，繞組不超過允許的溫升，這種過載是允許的。但如果過載情況嚴(yán)重、時間長，則會加速電機(jī)絕緣的老化，甚至燒毀電機(jī)，因此，必須對電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。本次設(shè)計確定采用傳統(tǒng)的熱繼電器作為過載保護(hù)元件，將熱繼電器串接于主回路中，其常閉觸點接入控制回路中。當(dāng)電機(jī)的過載致使熱繼電器動作

68、時，熱繼電器的常閉觸點斷開，切斷控制回路，使電機(jī)停車工作，從而達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的5 6。 3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則31、最大限度地滿足被控對象的要求；2、在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、適用及維護(hù)方便；3、保證系統(tǒng)的安全可靠；4、考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的要求，在選型時應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?.2 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置3.2.1 控制要求分析 本控制系統(tǒng)不停地采集實際壓力數(shù)據(jù)，與基值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判斷是否啟動電動機(jī)，是否啟動電動機(jī)正轉(zhuǎn)或啟動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，也即是開啟調(diào)節(jié)閥還是關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)

69、閥下游區(qū)域介質(zhì)壓力的目的。通過對設(shè)計任務(wù)及被控對象的生產(chǎn)工藝過程的仔細(xì)的分析了解，為達(dá)到控制要求，本控制系統(tǒng)需有12個數(shù)字輸入量、6個數(shù)字輸出量和2個模擬輸入量，具體統(tǒng)計見表3.1：表3.1 輸入/輸出量統(tǒng)計表需采集輸入的數(shù)字量信號自動檔開關(guān)、調(diào)整檔開關(guān)、開到位開關(guān)、關(guān)到位開關(guān)、開閥過力矩開關(guān)、關(guān)閥過力矩開關(guān)、電機(jī)過熱信號、開閥監(jiān)視信號、關(guān)閥監(jiān)視信號、開閥按鈕、關(guān)閥按鈕、啟動按鈕需輸出的數(shù)字量信號開閥接觸器、關(guān)閥接觸器、開到位接觸器、關(guān)到位接觸器、過力矩接觸器、故障接觸器、穩(wěn)態(tài)接觸器、自動指示燈需采集輸入的模擬量信號壓力變送器、開度變送器3.2.2 PLC選型 PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足

70、功能要求的情況下，主要考慮結(jié)構(gòu)、功能、統(tǒng)一性和在線編程要求等幾個方面。在結(jié)構(gòu)方面對于工藝過程比較固定，環(huán)境條件較好的場合，一般維修量較小，可選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC。其他情況可選用模塊式的PLC。功能方面對于數(shù)字量控制的工程項目，對其控制速度無須考慮，一般的低檔機(jī)型就可以滿足。對于控制比較復(fù)雜，控制功能要求較高的工程項目，可視控制規(guī)模及其復(fù)雜程度，選用中、高檔機(jī)。對于以數(shù)字量為主，帶少量模擬量控制的工程項目，可選用低檔機(jī)型3。本系統(tǒng)有一臺電機(jī)、一個壓力傳感器、一個開度傳感器、五個繼電器，共有2個模擬量輸入、12個數(shù)字量輸入、6個數(shù)字量輸出，它們構(gòu)成被控對象。根據(jù)PLC機(jī)型的選擇原則，綜合分析各類

71、PLC的特點，確定選用西門子公司的S7-200系列、主機(jī)為CPU224的PLC7。CPU224集成有14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器，完全能滿足本系統(tǒng)的控制要求，同時又具有擴(kuò)展的能力7 8。根據(jù)上述分析，參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄，選用主機(jī)為CPU224 PLC

72、一臺、另加上一臺模擬量擴(kuò)展模塊EM235，一臺TD200文本顯示器。3.2.3 PLC的I/O地址分配輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件設(shè)計來說，I/O地址分配以后才可進(jìn)行編程；對控制柜及PLC外圍接線來說，只有I/O地址確定后，才可以繪制接線圖。根據(jù)控制要求，將I/O地址分配如表3.2所示：表3.2 I/O地址分配表S7-200輸入量S7-200輸出量序號代號名稱地址序號代號名稱地址1SA2自動檔開關(guān)I0.01KM1開閥接觸器Q0.02SA2調(diào)整檔開關(guān)I0.12KM2關(guān)閥接觸器Q0.13OAS1開到位開關(guān)I0.23SA1開到位接觸器Q0.24CA

73、S1關(guān)到位開關(guān)I0.34KA2關(guān)到位接觸器Q0.35OT開閥過力矩開關(guān)I0.45KA3過力矩接觸器Q0.46CT關(guān)閥過力矩開關(guān)I0.56KA4故障接觸器Q0.57FR1電機(jī)過熱信號I0.67KA5穩(wěn)態(tài)接觸器Q0.68KM1開閥監(jiān)視信號I0.78HL7自動指示燈Q0.79KM2關(guān)閥監(jiān)視信號I1.09備用Q1.010SB1開閥按鈕I1.110備用Q1.111SB2關(guān)閥按鈕I1.212SB3啟動按鈕I1.313備用I1.414備用I1.5模擬量輸入：AIW0-壓力變送器 AIW2-開度變送器 AIW4-備用 AIW6-備用3.2.4 I/O接線圖設(shè)計根據(jù)已確定的PLC設(shè)備及I/O地址分配，設(shè)計PLC的I/O接線圖如圖3.1所示。在本設(shè)計中要注意將電機(jī)正反轉(zhuǎn)接觸器進(jìn)行互鎖，以防電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時短路。同時，將閥門的開到位、開過力矩和關(guān)到位、關(guān)過力矩保護(hù)觸點也串入到相應(yīng)的控制線路中，以實現(xiàn)對設(shè)備的保