毕业设计（论文）-基于PLC的Φ65+Φ35挤出机控制系统设计【全套图纸】.pdf

本科学生毕业设计 基于 plc 的 65+35 挤出机 控制系统设计 院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级：电气工程及其自动化 08-3 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一二年六月 the graduation design for bachelors degree design of 65+35 extrusion machine control systems based on plc candidate： specialty：electrical engineering and automation class：08- 3 supervisor： heilongjiang institute of technology 2012- 06harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计 i 摘 要 通过在上海福尔欣线缆有限公司的生产实践，深刻认识到性能优良、功能完善的 挤出机对汽车线缆制品质量和生产效率的影响。所以本设计就以 plc 为控制系统，并 结合企业实际，针对市场应用最多的单螺杆挤出机进行设计。 本设计整体分为挤出机温度控制、压力控制、线径控制和转速控制四个部分。通 过日本理化公司 ch402 温控表实现主机机身温度检测、加热器工作和冷却电机的启 停，实现温度控制；通过螺杆挤出后推力的测量解决挤出机的压力控制；通过欧勒测 控公司 ddm- 3020 外径测控仪达到线径的检测和控制；用编码器实现主轴和牵引速度 检测，通过 plc 控制挤出部分和牵引部分电机的变频调速。 整个系统以 plc 为核心，检测设备和传感器为辅，通过继电器、接触器等辅助电 器实现对挤出机的温度、线径和电机的逻辑控制；最终以触摸屏实现人机交互，实现 速度与参工艺数的监控。 关键词：单螺杆；挤出机；plc；温控表；测径仪；触摸屏 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 黑龙江工程学院本科生毕业设计 ii abstract through the production practice and relevant documents of shanghai force automotive wire by screw extrusion after thrust measurement solution to get extruder pressure control; by euler monitoring company ddm- 3020 diameter measuring and controlling instrument to get wire diameter detection and control; by encoder to get implementation spindle and the traction speed detection, and to get extruder portion and a traction portion of the motor variable frequency speed which controlled by plc. the whole system takes plc as the core, supplemented by detecting device and sensor, relay, contactor and other ancillary equipment through the realization of the temperature of the extruder, wire diameter and motor control logic; the final touch screen to achieve human- computer interaction, implementation speed and reference number control process. key words:single screw;extruder;plc;temperature controller;diameter measuring;touch panel 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 . i abstract ii 第 1 章 引言 . 1 1.1 选题的背景、目的及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 研究的主要问题 . 3 第 2 章 单螺杆塑料挤出机技术简介 . 5 2.1 挤出机结构简介及工作原理 5 2.1.1 单螺杆塑料挤出机整体结构示意图 . 5 2.1.2 挤出机头结构示意图及说明 . 6 2.2 挤出机的控制技术简介及其技术指标 . 8 2.2.1 温度控制技术及其技术指标 . 8 2.2.2 压力控制技术及其技术指标 . 8 2.2.3 线径控制技术及其技术指标 . 8 2.2.4 转速控制技术及其技术指标 . 9 2.3 本章小结 . 9 第 3 章 挤出机控制方案的选择 10 3.1 plc 可编程控制器的主要特点 10 3.2 plc 控制系统与其他控制系统的比较 11 3.2.1 plc 与继电器控制系统的比较 11 3.2.2 plc 与计算机控制系统的比较 12 3.2.3 plc 与集散控制系统的比较 13 3.3 本章小结 15 第 4 章 硬件设计 16 4.1 plc 及扩展模块的选择 16 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4.1.1 plc 型号的选择 16 4.1.2 em221 数字量输入扩展模块 . 17 4.1.3 em223 数字量输入输出扩展模块 . 17 4.1.4 em232 cn 模拟量输出扩展模块 17 4.1.5 em235 模拟量输入输出扩展模块 . 18 4.2 控制面板的设计 . 21 4.3 触摸屏功能设计 . 23 4.3.1 监控画面设计 . 23 4.3.2 设定界面设计 . 24 4.3.3 操作界面设计 . 25 4.3.4 品质和设备报警画面 . 26 4.4 挤出机整体方案设计 . 27 4.4.1 挤出机工作流程 . 27 4.4.2 电气原理图绘制 . 27 4.5 本章小结 . 28 第 5 章 软件设计 29 5.1 编程软件简介 . 29 5.2 控制程序设计 . 29 5.3 资源分配 . 29 5.4 本章小结 . 32 第 6 章 仿真调试 33 6.1 导出仿真文件 33 6.2 仿真与调试 34 6.3 本章小结 36 结束语 . 37 参考文献 38 致谢 40 附录 a 41 附录 b 42 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 引 言 1.1 选题的背景、目的及意义 挤出机是用于热塑性塑料加工的一种设备，按照其使用的螺杆数量可以分为单螺 杆、双螺杆和多螺杆挤出机。我国塑料机械行业年产 2000- 2500 台挤出机，在各种各 样的螺杆挤出机中，单螺杆挤出机由于操作简单、易改造、适应性广、具有良好的性 能价格比等优点而得到了最广泛的应用，比例占到了 80- 85%。单螺杆挤出机无论作为 塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地位1。 单螺杆挤出机主要用于 pp、pe、abs、pvc 等塑料的加工，配上相应的辅机， 可以直接生产用于汽车线缆的护套2。上海福尔欣线缆有限公司是专门从事汽车线缆 生产的企业，挤出机在生产线缆制品过程中占据重要的地，基于 plc 的 65+35 挤 出机是该企业主要护套挤出设备。 本设计以 plc 控制为核心研究单螺杆塑料挤出机的控制技术， 促进了自己对国内 外挤出机发展现状及控制系统的了解，同时在以后过程当中对挤出设备出现的故障能 够即时的做出判断并予以维修，提升自己解决问题的能力。 1.2 国内外研究现状 单螺杆塑料挤出机控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内 生产的挤出机来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比， 仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代后期水 平。比如在温度控制方面成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的 pid 控制器为 主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适 用于较高要求控制场合的智能化、自适应温控仪表，虽然国外己有较多的成熟产品， 但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，目前国内挤出机以传统继电控制任然非 常普遍 3。 目前国内外挤出机主机主要核心由压系统、传动系统和加热冷却装置组成。随着 控制技术日新月异的发展，国内外生产的单螺杆塑料挤出机特点各异。但都有其共同 点，下面就其共同点阐述其基本设计结构和结构功能4： 1、挤压系统 挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。 1、螺杆：是挤出机的最主要部件，它直接关系到挤出机的应用范围和生产率。 2、机筒：是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金 钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、 塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料。 3、料斗：料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和 标定计量装置，通过电机控制螺杆转动实现输送原料。 4、机头和模具：机头由合金钢内套和碳素钢外套构成。机头内装有成型模具，机 头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，均匀平稳的导入模套中，并 赋予塑料以必要的成型压力。塑料在机筒内塑化压实，经多孔滤板沿一定的流道通过 机头脖颈流入机头成型模具，模芯模套适当配合，形成截面不断减小的环形空隙，使 塑料熔体在芯线的周围形成连续密实的管状包覆层。在机头内部安装分流套筒使内塑 料流道合理，消除积存塑料的死角；在机头内部安装均压环以消除塑料挤出时压力波 动。 同时在机头上装置模具校正和调整的装置， 便于调整和校正模芯和模套的同心度。 机头外部装有加热装置和测温装置。 2、传动系统 传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常 由电动机、减速器和轴承等组成。 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电 机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的。但高的螺杆速度，意味着低的 减速比。同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机 承受负荷的能力也增大。因此减速机的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线 性比例的。如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通 挤出机得数大。 以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效 挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。 3、加热冷却装置 加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。 1、现在挤出机通常用的是电加热，分为电阻加热和感应加热，加热片装于机身模 具压余挤出机、机脖、机头各部分。加热装置由外部加热筒内的塑料，使之升温，以 达到工艺操作所需要的温度。 2、 冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。 具体说是为了排 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困 难。机筒冷却分为水冷与风冷两种，一般中小型挤出机采用 风冷比较合适，大型则多 采用水冷或两种形式结合冷却；螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输 送率，稳定出胶量，同时提高产品质量；但在料斗处的冷却，一是为了加强对固体物 料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口，二是保证传动部分正常工作 1.3 研究的主要问题 单螺杆塑料挤出机组的电气控制大致分为温度控制、压力控制、螺杆转速控制和 线缆外径控制四大部分5，实现对挤出工艺包括温度、压力、螺杆转速、螺杆冷却、 机筒冷却和外径的控制。核心的控制对象时挤出机主机和辅机控制。而主机和辅机控 制原理近乎一样。所以本设计以挤出机主机控制为主，挤出生产线所要求的完整的功 能为参考，设计一套基于单螺杆的挤出控制系统。 1、挤出机主机的温度控制 电线电缆绝缘和护套的塑料挤出是根据热塑性塑料变形特性，使之处于粘流态进 行的。除了要求螺杆和机筒外部加热，传到塑料使之融化挤出，还要考虑螺杆挤出塑 料时其本身的发热，因此要求主机的温度应从整体来考虑，既要考虑加热器加热的开 与关，又要考虑螺杆的挤出热量外溢的因素予以冷却，同时要有有效的冷却设施。并 要求正确合理的确定测量元件热电偶的位置和安装方法，能从控温仪表读数准确反映 主机各段的实际温度。以及要求温控仪表的精度与系统配合好，使整个主机温度控制 系统的波动稳定度达到各种塑料的挤出温度的要求6。同时温度异常的时候能够发出 报警信息。 2、挤出机的压力控制 为了反映机头的挤出情况，需要检测挤出时的机头压力，由于国产挤出机没有机 头压力传感器， 一般是对螺杆挤出后推力的测量替代机头压力的测量， 螺杆负荷表 （电 流表或电压表）能正确反映挤出压力的大小。挤出压力的波动，也是引起挤出质量不 稳的重要因素之一，挤出压力的波动与挤出温度、冷却装置的使用，连续运转时间的 长短等因素密切相关。当发生异常现象时，能排除的迅速排除，必须重新组织生产的 则应果断停机，不但可以避免废品的增多，更能预防事故的发生。通过检测的压力表 读数，就可以知道塑料在挤出时的压力状态，一般取后推力极限值报警控制7。 3、螺杆转速的控制 螺杆转速的调节与稳定是主机传动的重要工艺要求之一。螺杆转速直接决定出胶 量和挤出速度8，正常生产总希望尽可能实现最高转速及实现高产，对挤出机要求螺 杆转速从起动到所需工作转速时，可供使用的调速范围要大。而且对转速的稳定性要 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 求高，因为转速的波动将导致挤出量的波动，影响挤出质量，所以在牵引线速度没有 变化情况下，就会造成线缆外径的变化。同理如牵引装置线速波动大也会造成线缆外 径的变化，螺杆和牵引线速度通过操作台上相应仪表反映出来，挤出时应密切观察， 确保优质高产。 4、外径的控制 为了保证制品线缆外径的尺寸，除要求控制线芯（缆芯）的尺寸公差外，在挤出 温度、螺杆转速、牵引装置线速度等方面应有所控制保证，而外径的测量控制则综合 反映上述控制的精度和水平9。在挤出机组设备中，特别是高速挤出生产线上，应配 用在线外径检测仪，随时对汽车线缆外径进行检测，并且将超差信号反馈以调整牵引 或螺杆的转速，纠正外径超差10。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 单螺杆塑料挤出机技术简介 2.1 挤出机结构简介及工作原理 如图 2.1 所示是上海福尔欣线缆有限公司 10 号挤出机。从左至右主要分为放线、 挤出、冷却、储线、收线这五大块。 图 2.1 挤出生产线 2.1.1 单螺杆塑料挤出机整体结构示意图 图 2.2 挤出机整体结构示意图 图 2.2 说明1112： 甩桶放线机：根据 plc 给出速度自动调整放线速度，给挤出机提供线芯 磁粉张力架：提供给 plc 张力信号，用于调整甩桶放线速度 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 35 卧式注条机：单螺杆塑料护套挤出辅机，配合主机使用，给制品添加色带 65 高速挤出机：单螺杆塑料护套挤出主机，给裸露线芯加上绝缘护套 控制柜：面板上有操作按钮、触摸屏和监控仪表，内部是核心控制逻辑电路 2.5 米活动温水槽: 使刚挤出护套缓慢冷却定型 8 米冷却水槽： 使挤出线缆护套完全冷却定型 储线架： 当收部分需要停机换桶时，为了不让挤出停止，设置储线 干水槽：吹吸干水分和线缆圆润定型 吹吸干机： 强大的气流使线缆完全干燥 测径仪： 检测线径 火花机： 5kv 高压测试 桶式收线机： 收线用，在本设计中不包括此项的设计。 2.1.2 挤出机头结构示意图及说明 挤出机通过带有一个螺杆和螺旋道的机筒完成以上所有的过程。塑料粒料通过机 筒一端的料斗进入机筒，然后通过螺杆传送到机筒的另一端。为了有足够的压力，螺 杆上螺纹的深度随着到料斗的距离的增加而下降。外部的加热以及在塑料和螺杆由于 摩擦而产生的内热， 使塑料变软和熔化。 挤出主机模型如图 2.3， 其挤出辅机原理类似。 图 2.3 挤出主机模型 挤出机头通常至少由三段组成。第一段，靠近加料装置，是加料段。它的功能让 物料以一个相对平稳的速率进入挤出机。一般情况下，为避免加料通道的堵塞，这部 分将保持相对低的温度。第二部分为压缩段，在这段形成熔体并且压力增加。由加料 段到压缩段的过渡可以突然的也可以是逐步（平缓）的。最后一个段为计量段，紧靠 着挤出机出口。主要功能是流出挤出机的物质是均匀一致的。在这部分为确保组成成 分和温度的均匀性，物料应有足够的停留时间。 下面就图 2.3 说明一下简单的挤出机主机各个部分的功能及作用： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 图 2.4 挤出机主机结构 为使挤出成型过程得以顺利进行，一般挤出生产线主要由主机和辅机两大部分组 成，其基本结构都如图 2.4 所示。现在就以主机为例，说明其挤出生产过程。塑料料 粒由加料料斗加入机筒，随着螺杆的旋转，料粒在螺槽中向前输送，在输送过程中受 到机筒的加热逐渐融化，形成塑化很好的熔体，然后被输送到机头。机头是制品成型 的主要部件，熔融物料通过它机头后获得一定的几何截面和尺寸。塑料从机头中挤出 后，温度依然较高，仍有一定的塑性，经冷却定型，最后成为形状固定的丝。为克服 塑料丝在冷却定型过程中所产生的摩擦力，用牵引装置使管材以均匀的速度引出。当 牵引装置送出冷却定型后的规格达到要求后，由收卷电机用卷丝盘将塑料丝卷起，完 成整个的生产工序。通常，人们把物料在料筒中的运动和状态和性能的变化分为三段 加以研究 ,分别是固体输送段、熔融段和熔体输送段: 1、固体输送段 塑料料粒从加料口直接进入固体输送段，该段主要职能是对料粒进行压实并向前 输送，随着螺杆的转动以固体的状态在螺槽中输送。在固体输送段，物料由室温 状态进入料筒，距物料熔融温度温差较大，物料在该段需要的热量较大13。 2、熔融段 螺杆在熔融段的螺槽深度越来越浅，螺距越来越小，随着物料温度的升高，固 体 塑料逐渐熔融变成熔体.在该段由物料剪切作用所转化的热往往超过了物料的需求，此 时，应采取制冷措施将系统多余的热量排出。 3、熔体输送段 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 该段接受熔融段送来的熔融物料，使之温度、应力、粘度、密实度和流速更趋均 匀，通过多孔板后，为顺利地从口模挤出做最后的准备14。熔融的物料通过口模后， 在牵引装置的牵引下通过定型装置，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表 面。 2.2 挤出机的控制技术简介及其技术指标 2.2.1 温度控制技术及其技术指标 塑料挤出机的温度控制与所生产的材料有关系，例如电线电缆绝缘和护套的塑料 挤出是根据热塑性塑料容易变形的特性，使之处于粘流状态进行的。除了要求螺杆和 机筒外部加热，热量传到塑料使之融化挤出，还要考虑螺杆挤出塑料时其本身的发热 15，因此要求主机的温度应从整体来考虑，既要考虑加热器加热的开与关，又要考虑 螺杆的挤出热量外溢的因素加以冷却，要有有效及时的冷却设施。并合理的确定测量 元件热电偶的位置和安装方法， 保证能从控温仪表读数准确反映主机各段的实际温度。 以及要求温控仪表的精度与系统配合好，使整个主机温度控制系统的波动稳定度达到 各种塑料的挤出温度的要求。在挤出机温度控制领域，温差最大允许值为3。而且 必须有较快的反应速度。本设计过程中采用日本理化的 ch402 型温控表16，自带 pid 自动调节功能,能够出色的完成温度控制任务。 2.2.2 压力控制技术及其技术指标 为了反映机头的挤出情况，需要检测挤出时的机头压力，由于国产挤出机没有机 头压力传感器， 一般是对螺杆挤出后推力的测量替代机头压力的测量， 螺杆负荷表 （电 流表或电压表）能正确反映挤出压力的大小。挤出压力的波动，也是引起挤出质量不 稳的重要因素之一，挤出压力的波动与挤出温度、冷却装置的使用，连续运转时间的 长短等因素密切相关17。当发生异常现象时，能排除的迅速排除，必须重新组织生产 的则应果断停机，不但可以避免废品的增多，更能预防事故的发生。通过检测的压力 表读数，就可以知道塑料在挤出时的压力状态，一般取后推力极限值报警控制。 2.2.3 线径控制技术及其技术指标 为了保证制品线缆外径的尺寸，除要求控制线芯（缆芯）的尺寸公差外，在挤出 温度、螺杆转速、牵引装置线速度等方面应有所控制保证，而外径的测量控制则综合 反映上述控制的精度和水平。在挤出机组设备中，特别是高速挤出生产线上，应配用 在线外径检测仪，随时对线缆外径进行检测，并且将超差信号反馈以调整牵引或螺杆 的转速，纠正外径超差。通常情况下设置的线径偏差为 0.05mm。 在挤出机整个控制系统中，影响线径的因素有很多，挤出压力，牵引速度、冷却 方法和机器各个区段张力的设置18。这些参数需要在实际生产过程中不断的调试。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 2.2.4 转速控制技术及其技术指标 转速的调节与稳定是主机传动的重要工艺要求之一。螺杆转速直接决定出胶量和 挤出速度，正常生产总希望尽可能实现最高转速及实现高产，对挤出机要求螺杆转速 从起动到所需工作转速时，可供使用的调速范围要大。而且对转速的稳定性要求高， 因为转速的波动将导致挤出量的波动，影响挤出质量，所以在牵引线速度没有变化情 况下，就会造成线缆外径的变化。同理如牵引装置线速波动大也会造成线缆外径的变 化，螺杆和牵引线速度可通过操作台上相应仪表反映出来，挤出时应密切观察，确保 优质高产19。 2.3 本章小结 本章主要介绍了单螺杆挤出机的控制技术。通过图示说明了挤出机的基本结构和 重要的控制技术及关键点。该65+35 挤出生产线主要由调速系统设计、温度控制 设计、线径控制、压力控制部分组成。通过本章可以知道挤出生产线控制系统需要注 意哪些具体的事项。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 第 3 章 挤出机控制方案的选择 3.1 plc 可编程控制器的主要特点 1、可靠性高，抗干扰能力强 plc 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少 量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100，因触点接触不良造成的故障大 为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 从 plc 的机外电路来说，使用 plc 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相 比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外， plc 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中， 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序， 使系统中除 plc 以外的电路及设备也 获得故障自诊断保护，整个系统具有极高的可靠性。 2、硬件配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准 化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便 地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。plc 的安装接线也很方便，一般 用接线端子连接外部接线。plc 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交 流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大 多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 plc 的功能单元大量 涌现，使 plc 渗透到了位置控制、温度控制、cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通 信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易。 3、易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程 语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相 当接近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了 方便之门。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 4、系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 plc 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌 握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得 多。 plc 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设 计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改 变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5、体积小，重量轻，能耗低 以超小型 plc 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，仅相当于几个继电 器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/21/10。它的重量小于 150g，功耗 仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备20。 3.2 plc 控制系统与其他控制系统的比较 3.2.1 plc 与继电器控制系统的比较 表 3.1 plc 控制系统与继电器控制系统的比较 比较项目 继电器控制系统 plc 控制系统 控制功能的实现 由众多继电器，采用接线方 式完成控制功能 各种控制功能是通过编制的程序 来实现 对生产工艺过程变更的适应性 适应性差，需更新设计，重 新改变继电器和接线 适应性强，只需要对程序进行修 改 控制速度 低，靠机械动作来实现 极快，靠微处理器进行处理 计数及其他特殊功能 一般没有 有 安装、施工 连线多，施工复杂 容易安装，施工方便 可靠性 差，触电多，故障多 高，因为器件采用和防老化措施 寿命 短 长 可扩展性 困难 容易 维护性 工作量大，故障不易查出 有自诊能力，维护工作量小 传统的继电器控制系统被 plc 所取代己是必然趋势， 继电器控制柜是针对一定的 生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑 控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，控制柜必重新设计、重新配线。 而 plc 由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的， 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、 方便性及设计、安装、维护等各方面比较，plc 都有显著的优势21。 plc 控制系统与继电器控制系统的比较如表 3.1 所示；因此在用微电子技术改造 传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被 plc 所取代。 3.2.2 plc 与计算机控制系统的比较 20 世纪 60 年代，由于小型计算机的出现，有人试图用小型计算机来取代当时占 统治地位的继电器系统，结果没获成功，代之的却是 plc 的出现。通用计算机与 plc 本身在工作目的、原理和方式上都存在着较大的差异，其比较结果如表 3.2 所示 表 3.2 plc 控制系统与通用计算机控制系统的比较 比较项 通用计算机控制系统 plc 自动系统 工作目的 科学计算，数据管理等 工业自动控制 工作环境 对科学环境的要求较高 对环境要求较低，可在恶劣环境工作 工作方式 中断处理方式 循环扫描处理方式 特殊措施 掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施，自诊断，断电 保护，可在线维护 编程语言 汇编语言，高级语言 梯形图，助记符语言 对操作人员的 要求 需专门的培训，并有一定的计算机基 础 一般的技术人员，稍加培训即可操作 对内存的要求 容量大 容量小 系统软件 需配置功能较高的系统软件 一般只需简单的监控程序 价格 价格高 价格较低 其他 若用于控制，需自行设计 机种多，模块种类多，易于集成系统 结论:一般情况下，在工业自动化工程中采用 plc 可靠、方便、易于维护。进入 20 世纪 70 年代，采用微处理器的工业控制机出现了，它与 plc 共同推动着传统工业 的技术改造。经过长时间的技术改造和较长时间的实践，人们又发现，plc 与一般工 业控制计算机相比，plc 还是有着较强的优势，其原因是 plc 专为在工业环境下的应 用而设计，在 plc 中采用了如下的硬件和软件措施: 1、光电耦合隔离和 rc 滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。 2、内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 3、采用优良的开关电源，防止电源引入的干扰。 4、具有良好的自诊断功能，可对 cpu 内部电路进行监测，一旦出错，立即报警。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 5、对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信 息不会丢失。 6、对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 7、采用了冗余技术进一步增强了可靠性。对某些大型的 plc 还采用了双 cpu 构 成冗余系统，或三 cpu 构成表决式系统。 随着构成 plc 的元器件性能的提高，plc 的可靠性也在相应地提高。一般 plc 的平均无故障时间可达几万小时以上。另外，plc 程序设计简单，易学易懂易维护， 更适合于工程技术人员。因此，plc 在工业控制中获得了极大的成功，成为工业控制 中的主流22。但是必须指出的是:计算机在信息处理方面还是优于 plc ，所以在一些 自动化控制系统中，常常将两者结合起来，plc 做下位机进行现场控制，计算机做上 位机进行信息处理。计算机与 plc 之间通过通信线路实现信息的传送和交换。这样相 辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。 3.2.3 plc 与集散控制系统的比较 近年来，随着计算机技术、通信技术、控制技术、大规模集成电路、图形显示技 术等高新技术的发展，分散控制系统已经逐渐成为工业生产过程控制、管理和决策的 核心。 分散控制系统是生产过程监视、 控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物。 最近几年，在分散控制系统日臻成熟的基础上，以新的控制和管理理论为基础的运行 和优化软件，在生产过程中逐渐推广使用，使分散控制系统逐渐变成一个集安全经济 运行，控制和管理的综合网络。如图 3.1 所示是 dcs 分散控制系统的典型结构。 图 3.1 dcs 分散控制系统的典型结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 plc 与 dcs 控制系统的比较 plc 与集散控制系统在发展过程中，始终是互相 渗透互为补充。它们分别由两个不同的古典控制设备发展而来。 plc 是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数字处理、顺序控制方面具有 一定优势，初期主要侧重于开关量顺序控制方面。随着 plc 功能不断扩充，plc 增加 了模拟量控制功能、pid 调节功能23、通讯联网功能及分级控制功能等，但 plc 难以 组成大型、复杂、综合的系统，如果过多的 pc 企图通过网络与过多的 plc 通讯， 则 可能导致瓶颈现象及计时上的困难。集散控制系统(dcs)是由模拟仪表控制系统发展 而来，初期主要侧重于回路调节功能，之后又加入了顺序控制的功能。dcs 的设计思 想是操作管理集中，控制分散以提高整个系统的可靠性及管理能力。所以它在模拟量 处理，回路调节方面具有一定优势。 dcs 的上述优势使它在控制系统的高端市场仍占主流。但 dcs 比 plc 价位高 这两种设备都随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术、通信技术等的发 展，同时都向对方扩展自己的技术功能。plc 与上位计算机之间相互连成网络，就能 构成以可编程控制器为主要部件的初级控制系统。现代 plc 的模拟量控制功能很强， 多数都配备了各种智能模块，以适应生产现场的多种特殊要求，具有了 pid 调节功能 和构成网络系统组成分级控制的功能以及集散系统所完成的功能。到目前为止，plc 与集散控制系统的发展越来越接近，很多工业生产过程既可以用 plc ，也可以用集 散控制系统实现其控制功能 。综合 plc 和集散控制系统各自的优势，把二者有机地 结合起来，可形成一种新型的全分布式的计算机控制系统。 表 3.2 plc 控制系统与 dcs 分散控制系统比较 比较项目 plc 控制 dcs 控制 高速顺序控制 10 6 复杂过程控制 6 10 硬件可靠性 9 8 联网和通讯功能 4 8 管理能力 3 9 系统诊断和报警 3 8 考虑 plc 和 dcs 各自的性能，划分为十个等级，它们的对比如表 3.2 所示。 plc 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。随着微电子技术、计算机技术和通信 技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。 并开始与小型计算机联成网络，构成了以 plc 为重要部件的分步式控制系统。随着 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 plc 网络功能的不断增强，plc 与 plc 及计算机的互联，可以形成大规模的控制系 统，在数据高速公路上挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线 监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上 plc 价格和可靠性 优势，使之于传统的集散控制系统相互竞争。 由上述可知，针对本次设计采用 plc 控制系统。 3.3 本章小结 本章主要通过 plc 可编程控制器特点的简单概述，并与传统继电器控制系统的、 计算机控制系统和集散控制系统的比较，并在每条内容里边用表格加以对比，进行辅 助说明。最终 plc 控制系统的特点体现在系统设计的能力、现场环境的适应能力、对 操作维护人员的要求和价格方面都有很大的优势,最终确定本设计采用 plc 控制24。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 第 4 章 硬件设计 4.1 plc 及扩展模块的选择 4.1.1 plc 型号的选择 本系统用的 plc 模块是 s7- 226cn,该模块属于 s7- 200 系列.西门子公司 s7- 200 系列 plc 是目前使用最广泛的产品之一，性能可靠、设计合理、体积小巧、 指令功 能丰富、运算速度较快、价格低廉、多功能和多用途，具有很高的性能价格比。特别 是其提供基于 windows 的编程软件 step 7- microwin，非常容易使用，结构清晰， 并有丰富的在线变量监测功能，这一点大大方便了今后的调试工作。相对于市场中常 用的其他 plc 品牌，如日本三菱、欧母龙、法国施耐德等25，其有如下几个突出特 点: 1、功能强大的指令集 指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、pid 指令、字 符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令。 2、强大的通讯功能 s7200 提供了近 10 种通讯方式以满足不同的应用需求。从简单的 s7- 200 之间的 通讯到 s7- 200 通过 profibus- dp 网络通讯，甚至通过以太网通讯。 3、良好的开发软件 step 7- microwin 为用户提供了开发、编辑和监控的良好环境。全中文的键面、 中立的在线帮助信息、windows 的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进 入状态，得心应手。 4、s7- 226dc/dc/dc 的主要技术指标 本设计过程中需要大量数字量和模拟量输入输出接口，同时该系统有多个高速脉 冲信号。所以本设计结合 200 系列 cpu 的各个特点，选择 cpu226 型 plc。 1、本机数字量:24 入/16 出。 2、最大数字量输入/输出：256 入/256 出。 3、最大模拟量输入/输出：32 入/32 出。 4、用户数据存储器：10240 字。 5、允许最大扩展模块：7 个。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 6、脉冲捕捉输入：24。 7、数字量 i/o 映像区：256（128 输入/128 输出） 。 8、模拟量 i/o 映像区：64（ai/32ao） 。 9、超级电容数据后备典型时间：190h。 10、内置高速计数器：6 个。 11、模拟量调节电位器：2 个(8 位分辨率)。 12、rs- 485 通信口：2 个。 13、时钟：内置。 14、额定电压 24v dc 输入，24v dc 输出/250v ac 输出。 4.1.2 em221 数字量输入扩展模块 em221 为数字量输入模块，为 cpu 提供更多的数字量输入。数字量输入模版用来 实现 plc 与数字量过程信号的链接。把从过程发送过来的外部数字信号转换成 plc 内 部的信号电平。 在本设计中主要用于加料装置中料粒位置信号的检测，与传感器相连接。其特性 如下： 1、功耗：3w。 2、数字量输入：本设计选择 8 输入模块，不选择 16 输入模块。 3、输入电压：24v dc。 4、插入式链接方法。 4.1.3 em223 数字量输入输出扩展模块 em 223 模块的产品型号也分多种，根据 i/o 数量分有 4 输入/4 输出、8 输入/8 输 出和 16 输入/16 输出这三大类。每一类之下又有 24 vdc 输入/24vdc 输出和 24vdc 继电器输出三大类类型。本设计采用 24vdc 16 输入/24vdc 继电器 16 输出型模块。 主要技术指标： 1、功耗：6w。 2、最大连续电压：30vdc。 3、额定值：24vdc，4ma。 4、输入延迟时间：4.5ms。 5、电缆长度：非屏蔽线 300 米，屏蔽线 500 米。 6、输出电压：5- 30vdc。 7、最大灯负载：30w dc。 4.1.4 em232 cn 模拟量输出扩展模块 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 em232 cn 是西门子公司推出的具有 2 路模拟量输出的扩展模块。功耗 2w。输 出电压范围10v。用于变频器模拟电压信号输入。 4.1.5 em235 模拟量输入输出扩展模块 1、em235 模拟量扩展模块，它实现了 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出功能。 下面就其讲解其实际应用，如图 4.1 所示： 图 4.1 em 235 模拟输入输出模块接线图 使用说明：对于电压信号，按正、负极直接接入 x和 x；对于电流信号，将 rx 和 x短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将 x和 x短 接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和 分辨率。 2、其输出特性如表 4.1 所示： 表 4.1 em235 输出特性 模拟量输出点数 1 信号范围 电压输出 10v 电流输出 020ma 数据字格式 电压-32000+32000 电流 032000 分辨率电流 电压 12 位电流 11 位 其输入特性如图 4.2 所示： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 表 4.2 em235 输入特性 模拟量输入点数 4 输入 输入范围 电压（单极性）010v 05v 01v 0500mv 0100mv 050mv 电压（双极性）10v 5v 2.5v 1v 500mv 250mv 100mv 50mv 25mv 电流 020ma 数据字格式 双极性 全量程范围-32000+32000 单极性 全量程范围 032000 分辨率 12 位 a/d 转换器 3、下表 4.3 给出了如何用 dip 开关设置 em235 扩展模块，开关 1 到 6 可选择输 入模拟量的单/双极性、增益和衰减。 表 4.3 dip 开关设置 em235 扩展模块 em235 开关 单/双极性选择 增益选择 衰减选择 sw1 sw2 sw3 sw4 sw5 sw6 on 单极性 off 双极性 off off x1 off on x10 on off x100 on on 无效 on off off 0.8 off on off 0.4 off off on 0.2 由表 4.3 可知，dip 开关 sw6 决定模拟量输入的单双极性，当 sw6 为 on 时，模 拟量输入为单极性输入，sw6 为 off 时，模拟量输入为双极性输入。 sw4 和 sw5 决定输入模拟量的增益选择，而 sw1，sw2，sw3 共同决定了模拟 量的衰减选择。 4、根据表 4.3 所示的 6 个 dip 开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如表 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 4.4 所示： 6 个 dip 开关决定了所有的输入设置。 也就是说开关的设置应用于整个模块， 开关设置也只有在重新上电后才能生效。 表 4.4 em235 极性设置及量程设置 单极性 满量程输入 分辨率 sw1 sw2 sw3 sw4 sw5 sw6 on off off on off on 0 到 50mv 12.5v off on off on off on 0 到 100mv 25v on off off off on on 0 到 500mv 125ua off on off off on on 0 到 1v 250v on off off off off on 0 到 5v 1.25mv on off off off off on 0 到 20ma 5a off on off off off on 0 到 10v 2.5mv 双极性 满量程输入 分辨率 sw1 sw2 sw3 sw4 sw5 sw6 on off off on off off 25mv 12.5v off on off on off off 50mv 25v off off on on off off 100mv 50v on off off off on off 250mv 125v off on off off on off 500 250v off off on off on off 1v 500v on off off off off off 2.5v 1.25mv off on off off off off 5v 2.5mv off off on off off off 10v 5mv 5、输入校准 模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果 offset 和 gain 电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下： 1、切断模块电源，选择需要的输入范围。 2、接通 cpu 和模块电源，使模块稳定 15 分钟。 3、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。 4、读取适当的输入通道在 cpu 中的测量值。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 5、调节 offset（偏置）电位计，直