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1、1绪 论电气控制与PLC课程设计是电气自动化技术专业一个重要的实践性教学环节，通过课程设计达到掌握电气控制柜的原理设计、安装工艺图纸设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。盐碱分离离心机的PLC控制是本次课程设计所选课题。在两周的时间内应达到以下教学要求：1、掌握可编程控制器硬件电路的设计方法。2、熟练使用小型可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和梯形图的设计方法。3、掌握可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法。4、掌握电气控制柜电气控制原理图的原理设计，熟练应用导线二维设计法，
2、掌握电气控制接线图和互连图等工艺设计方法。5、通过课程设计能熟练掌握资料的查询（图书、网络），将电气控制与PLC课程所获知识在工程设计工作中综合地加以应用，使理论知识和实践结合起来。为保证顺利完成设计任务，还应做到以下几点：1、在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。2、在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导老师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。3、所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的
3、折叠和装订。4、说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。5、应在规定的时间内完成所有的设计任务。6、如果条件允许，应对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能性。2课 题 介 绍中国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器，后来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等到领域的应用都得到了长足的发展。中国已能够生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列,杭州机床电器厂生产的DKK及D系列,大连组合机床研究生产的S系列,苏州电子计算机厂生产
4、的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模,并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司,上海香岛公司等中外合资企业也是中国比较著名的可编程控制器生产厂家。PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作，工业环境和一般办公环境有较大的区别，为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”这些都是个人计算机不可能做到的。可以这么说，可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。加上其体积小、可靠性高、搞干扰能力强、控制功能完善、适应性强、安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后的短短三十年中获得了突飞猛进的发展。由于其具有抗干扰
5、能力强，可靠性高，体积小，设计使用和维护方便等特点，是专门为工业自动控制而设计的一种控制装置。在工业自动化领域内得到了广泛的应用。随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，自动化控制也逐步向智能化、网络化、运程化方向发展。本次课程设计的课题是盐碱分离离心机的PLC控制。介绍了PLC在盐碱分离离心机电气控制系统的应用。重点介绍了加工工艺要求、PLC功能流程图设计和PLC软件设计。本人在本次设计中介绍了盐碱分离离心机电器控制系统的发展现状，简明氯碱工业的发展以及对PLC技术改造的迫切需要，同时叙述PLC对于工业发展所带来的影响也是巨大的。对盐碱分离离心机的控制各程序间的联系编制相应PLC程序对其控
6、制来完成其各步骤和工序，加以不断调试从中选取最佳途径以使盐碱分离离心机的控制达到能很好工作的最佳状态,提高其性能与稳定性。在设计工作结尾本人还对本次设计的盐碱分离离心机电气控制系统进行了上机调试，保证了设计的正确、可靠。3课 题 设 计3、1 工作原理盐碱分离离心机的原理 ：当含有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液体小的粒子就会上浮。微粒在重力场下移动的速度与微粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。象红血球大小的颗粒，直径为数微米，就可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程。 此外，物质在介质中沉降时还
7、伴随有扩散现象。扩散是无条件的绝对的。扩散与物质的质量成反比，颗粒越小扩散越严重。而沉降是相对的，有条件的，要受到外力才能运动。沉降与物体重量成正比，颗粒越大沉降越快。对小于几微米的微粒如病毒或蛋白质等，它们在溶液中成胶体或半胶体状态，仅仅利用重力是不可能观察到沉降过程的。因为颗粒越小沉降越慢，而扩散现象则越严重。所以需要利用离心机产生强大的离心力，才能迫使这些微粒克服扩散产生沉降运动。 离心就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。系统工作原理：在氯碱的生产中，碱液的蒸发、浓缩过程往往伴着盐的结晶。因此需要对盐、碱进行
8、分离，目前大部分厂家采用以离心机作为主体的分离系统。分离过程为一个顺序循环工作过程，工分6个工步，靠进料阀、洗盐阀、化盐阀、升刀阀、母液阀、熟盐水阀完成上述过程，各阀的动作如下表所示。当系统启动时,首先进料,5s后甩料,延时5s后，洗盐，5s后升刀，再延时5s后间歇，间歇时间为5s，之后进行重复进料、甩料、洗盐、升刀、间歇工序，重复8次后进行洗盐，20s后再进入下一次大循环。3、2 控制要求及控制方案加工工艺要求与电磁阀状态表：盐碱分离离心机的分离过程是一顺序循环的工作过程，其工作流程图如图1所示。按加工工艺的要求共分6个工步:进料、甩料、洗盐、升刀、间歇、清洗。6个工步的实现靠6个电磁阀的通
9、电配合来完成。从工艺流程图可知，只有前5步工作做连续循环8次后方可进人清洗工步，待清洗完毕后再进入下一次大循环。其中进料工步由进料阀和母液阀通电，甩料工步由母液阀通电，洗盐工步由洗盐阀和母液阀通电，升刀工步由化盐阀、升刀阀、母液阀通电，间歇工步由母液阀通电，清洗工步由洗盐阀和熟盐水阀通电。对应6个工步的各个电磁阀通断电的状态如表1所示。图1 盐碱分离离心机控制系统示意图表1 电磁阀的状态表注：“+” 表示电磁阀通电，“-” 表示电磁阀断电由于系统控制规律是顺序控制，后一工步的工作条件是以前一工步的完成为前提的，这种规律最适宜采用移位寄存移位控制方式。4 硬 件 设 计4、1 I/O 点统计根据
10、盐碱分离离心机系统示意图，PLC控制系统的输入信号有：启动、停止2个均为开关量，两者均为单操作开关（占两个输入点）。PLC控制系统的输出、输入信号有6个其均用于驱动电磁阀接触器即：进料阀（KM1）、洗盐阀（KM2）、化盐阀（KM3）、升刀阀（KM4）、母液阀（KM5）、熟盐水阀（KM6）。即输入用了2个点，输出用了6个点。经过分析得到盐碱分离离心机工作的I/O端口分配如表2所示。表2 I/O统计表输 入输 出启动（SB1）进料阀接触器（KM1）停止（SB2）洗盐阀接触器（KM2）化盐阀接触器（KM3）升刀阀接触器（KM4）母液阀接触器（KM5）熟盐水阀接触器（KM6）4、2 PLC 选型根据盐
11、碱分离离心机系统示意图，控制系统选用FX2N-32MR-001，I/O点数各为16点，可以满足控制要求且留有充足的裕量。FX2N系列是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当开FX系列中最高档次的超小形程序装置。 除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。FX2N系列PLC如图2所示。 图2 FX2N系列PLC FX2N系列PLC的特点：（1）系统配置既固定又灵活在基本单元上连接单元或扩展，可进行16256点的灵活输入出组合。在基本单元，扩展单元上可分别连接扩展模块，还可连接Fxon系列扩展模块。（2）
12、编程简单基本指令27种，步进梯形指令2种，应用指令128种。（3）备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。（4）令人放心的高性能 程序容量内置8000步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16k步和丰富的软元件。 （5）高速运算1个指令运行时间，只需0.08us 。基本指令/1指令0.08us 。应用指令/1指令1.52us数100us （6）适用于多种特殊用途特殊用途：脉冲输出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V24V）脉宽调制PID控制指令等。 （7）外部机器通讯
13、简单化通过安装机能扩充板，可将与外部设备通讯端口置1个通道。一台FX2N主机可安装一个机能扩充板，可以利用RS232C进行通信用。为保证其工作的稳定，要注意其正常工作下的条件，它的一般及电源技术指标可见表3所示。表3 一般及电源技术指标环境温度使用时:055,储存时: 20 70环境湿度35% 89%RH(不结露)使用时抗振JIS C0911 标准 10 55Hz 0.5mm(最大2G)3轴方向各2h(但用DIN导轨安时0.5G)抗冲击JIS C0912 标准 10G 3轴方向各3次抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为1000Vp-p,噪声脉冲宽度为1us,周期为30了 100Hz的噪声,在此噪声
14、干扰下PLC工作正常耐压AC1500V 1min所有端子与接地端之间绝缘电阻5M欧以上(DC500V兆欧表)使用环境无腐蚀性气体,无尘埃电源电压AC100 240V 50/60Hz允许瞬间断电时间对于10ms以下的瞬间断电,控制动作不受影响电源保险丝250V 3.15A, 直径: 520mm电力消耗/(V.A)35传感器电源DC24V 250mA 以下FX2N-32MR-001型PLC的电源技术参数如表4所示。 表4 FX2N-32MR-001的电源技术参数项 目FX2N-32MR-001电源电压AC100240 50/60HZ允许瞬间断电时间对于10ms以下的瞬间电压，控制动作不受影响电源保
15、险丝250V 3.14A,520mm电力消耗/（VA）3540(32E 35)传感器无扩展部件DC24V 250mA以下有扩展部件DC5V 基本单元290mA 扩展单元690mAFX2N-32MR-001型PLC的输入技术参数如表5所示。表5 FX2N-32MR-001的输入技术参数输入电压输入电源输如ON电流输入OFF电源输入阻抗输入隔离输入响应时间X0007X010以内X0007X010 以内X0007X010 以内X0077X010 以内DC24V7mA5mA4.5mA3.5mA1.5mA1.5mA3.3k4.3k光电绝缘060ms可变注：输入端X0X17内有数字滤波器，其响应时间可由程
16、序调整为060ms。FX2N-32MR-001型PLC的输出技术指标如表6所示。表6 FX2N-32MR-001的输出技术指标项目继电器输出晶闸管输出晶体管输出外部电源AC250，DC30V以下AC85240VDC530V最大负载电阻负载2A/1点；8A/4点共享；8A/8点共享0.3A/1点0.8A/4点0.5A/1点0.8A/4点感性负载80VA15VA/AC 100V30VA/AC 200V12W/DC24V灯负载100W30W15W/DC24V开路漏电流-1mA/AC 100V 2mA /AC 200V0.1mA以下/DC24V响应时间OFF到ON约10ms1ms0.2ms以下ON到O
17、FF约10ms最大10ms0.2ms以下电路隔离机械隔离光电晶闸管隔离光电耦合器离驱动时LED灯亮动作显示继电器通电时LED灯亮光电晶闸管驱动时LED灯亮光电耦合器隔离驱动时LED灯亮4、3 参数计算PLC型号： 本设计中PLC选用的是三菱FX2n系列， 本设计中有输入/输出点是3输入/9输出考虑到15的备用点则需输入点：2*（1+15%）=2.3，取整数3 输出点：6*（1+15%）=6.9 取整数7所以选用FX2n32MR的PLC拖动电动机M： 5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min。熔断器FU： IFU2.5IN其中：IFU是熔断器熔体的额定电流IN是电动机的额定电流I
18、FU2.5*11.6+2*11.6=52.2A所以熔断器选用RT1463型号。热继电器： IRT=(0.951.05)IN其中：IRT是热继电器的额定电流IN是电动机的额定电流IRT=(0.951.05)*11.6=11.02A12.18A所以热继电器选用JR1620/3D型号。接触器： IC=PN（KUN）其中：IC是接触器触头电流PN是电动机额定功率K是经验系数一般取11.4UN是电动机额定电压 IC=5.5*1000/（11.4）*380=10.33A14.47A所以接触器选用CJ1020型号。指示灯HL： 0.25W,DC24V.电磁阀Y1: 100mA,AC220V.5 软件设计5、
19、1 控制框图盐碱分离离心机的分离过程是一顺序循环的工作过程，其工作流程图如图1所示。按加工工艺的要求共分6个工步:进料、甩料、洗盐、升刀、间歇、清洗。6个工步的实现靠6个电磁阀的通电配合来完成。从示意图可知，只有前5步工作做连续循环8次后方可进人清洗工步，待清洗完毕后再进入下一次大循环。其中进料工步由进料阀和母液阀通电，甩料工步由母液阀通电，洗盐工步由洗盐阀和母液阀通电，升刀工步由化盐阀、升刀阀、母液阀通电，间歇工步由母液阀通电，清洗工步由洗盐阀和熟盐水阀通电。图1盐碱分离离心机控制系统示意图5、2 I/O 地址分配根据控制任务要求，可以算出I/O点数，根据输入输出点数及功能要求选FX2N-3
20、2MR型PC机完全满足控制系统要求。I/O地址分配如表7所示。表 I/O地址分配输入输出启动按钮X000进料阀Y000停止按钮X001洗盐阀Y001化盐阀Y002升刀阀Y003母液阀Y004熟盐水阀Y0055、3 局部梯形图该步骤功能是：运行开始对状态S0驱动，激活初始状态S0,PLC运行，系统启动，如图3。图3该步骤功能是：开始进料，延时5秒；甩料，延时5秒；洗盐，延时5秒；升刀，延时5秒；延时5秒，间歇；计数八次，重复前面工序，如图4、5、6。图4图5图6该步骤功能是：清洗，延时20秒，步进程序结束返回S20，如图7。图76 调 试 用三菱PLC教学软件FX-TRN-BEG-C进行仿真，仿
21、真界面如图9所示。图8 仿真界面截图把程序输入仿真软件里对其进行仿真，对程序进行检验。经检验输入的程序无误后,经过转换，点击写入PLC。将编译好的程序下载至PLC上(程序要确保编译无错误，否则无法下载),打开监控,以便观察程序运行中各指示灯的亮与灭的情况,方便检查程序是否达到要求,最后将PLC置于运行模式,运行程序,开始操作。程序的仿真与调试采用6个指示灯L0，L1，L2，L3，L4，L5分别代表6个电磁阀，通过指示灯的亮与灭来显示电磁阀的动作情况。再按照图11（见附录）所示梯形图编写程序.调试过程如下：按下启动按钮PB1,代表Y000（进料阀）、Y004（母液阀）接通的指示灯L0,L4亮.T
22、1计时器同时开始计时。T1计时到，L0灭。T2计时器同时开始计时，指示灯L4亮。T2计时到，代表Y001（洗盐阀）指示灯L1亮，此时的L4一直还处于亮的状态即Y004（母液阀）还是打开的状态，T3计时器同时开始计时。T3计时到，L1灭,代表Y002（化盐阀）、Y003（升刀阀）的指示灯L2,L3亮，T4计时器同时开始计时。T4计时到，L2，L3亮,T5计时器同时开始5s间歇计时间。T5计时到，给计数器计数一次，由于没有达到设计要求8次，所以重复进行进料、甩料、洗盐、升刀、间歇工序。当第8次循环结束后，T5记时时间到，计数器使得L1和代表Y005（熟盐水阀）的指示灯L5亮，开始洗盐。同时T6开始
23、计时，20s后又进入下一次大循环。从运行情况来看，该套控制系统方案设计完全满足盐碱分离中分离机处理工艺的要求。通过仿真图可看出程序是正确的，可以达到系统控制的要求。也就是说本次的设计比较成功。7 小 结通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中首先是课题的选择，资料的查找，运用图书和网络，从各类信息中找出对自己有用的信息并进行编辑完善，这些基本的工
24、作让我感觉基础知识扎实的必要性。但是我也深深的感觉到自己的不足之处，有时候对应用指令不熟悉，以致不能很好准确的编程，使得工作的效率降低，因此在以后还须多加锻炼。在学习过程中也有不能想通的问题，通过和同学的讨论，以及在PLC仿真软件的调试，问题终于得以解决。在这次的设计中，我发现PLC在工业控制中的作用确实很重要，它能使人的控制转变成微机的控制，大大地降低了产品的成本，减少劳动力的投入，更好的提高生产效率。在设计图形时，一个输入错误或是基本指令的混淆都会导致最后梯形图的转换失败，然后再一步步查找错误，浪费时间和精力，非得耐心一遍遍重头再来。这让我认识到设计工作一定要认真细心，容不得马虎。编程的过
25、程中是这样，在生活中更是如此。要仔细检查自己的程序。考虑到那些可能犯错误，并及时解决。只有这样才能得到提高。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。附 录l 主电路图9 主电路l 控制电路（外部接线图）本设计中采用继电器输出，输出端为感性负载接在继电器的线圈上。因设计共需要2个输入点和7个输出点，输入点接X000、X001两点，输出接Y000、Y001、Y002、Y003、Y004、Y005六点。Y000接KM1线圈、Y001接KM2线圈、Y002接KM3线
26、圈、Y003接KM4线圈、Y004接KM5线圈、Y005接KM6线圈。PLC外部接线如图10所示。图10 PLC外部接线图l 参考文献1 史国生.电气控制与可编程控制器技术. 北京：化学工业出版社，2005.42 张进秋.可编程控制器原理及应用实例. 北京：机械工业出版社，2004.63 丁 伟.可编程控制器在工业控制中的应用. 北京：化学工业出版社，2004.74 汪志锋.可编程控制器原理与应用. 西安电子科技大学出版社，2004.25 左健明. 控制工程基础及应用. 机械工业出版社, 1999.106 张万忠,周渊深. 可编程控制器应用技术. 化学工业出版社, 2001.47 8 9 10 l 完整梯形图图11 完整梯形图l 完整总电路图12 盐碱分离离心机控制系统完整电路图