毕业设计（论文）基于PLC的物料均化系统

1、基于plc的物料均化系统摘 要本课题根据生产工艺要求，结合当前自动控制技术的发展状况，提出了基于可编程序控制器(plc)的物料均化系统的设计方案。本文首先根据工艺流程分析，制定了该系统的物料输送和计量方案如下：（1）固体物料采用电子皮带秤输送和计量。（2）液体物料计量采用电磁流量计。（3）固体物料的喂料量通过plc模拟量模块反馈的4-20ma电流给变频器，改变调速电机的速度。（4）液体物料的喂料量通过plc模拟量模块反馈的4-20ma电流给电磁调节阀，改变电磁调节阀的开度。其次，本文又分析了变频调速系统的工作原理和变频调速的优点。根据对该系统的整体分析，详细设计了该物料均化系统的供电系统图、开

2、关量输入与输出、模拟量输入与输出、i/o地址分配表、变频器接线端子图。随着自动化技术的发展，在自动控制系统领域形成了以plc、机器人、计算机辅助设计/计算机辅助制造（cad/cam）为三大支柱的现代工业自动化，其中用plc设计自动控制系统已成为世界潮流，世界上很多plc的生产厂家在进行plc的研究。本设计主要采用西门子（siemens）公司的s7-200系列小型plc为主要工具简单、明了地设计出物料均化系统的梯形图，完成了物料均化系统的控制过程。关键词：plc，物料均化，变频器，梯形图 the materials are based on plc systemabstracton the ba

3、sis of the production technology requirements, this subject combined with the current automatic control technology development and proposed a design project based on materials homogenizing system of programmable logic controller (plc). first , according to the analysis of process flow, it makes a pl

4、an for the material handling and metrology, such as: (1) solid material using e-belt transfering and metering. (2) liquid materials measurement using electromagnetic flowmeter. (3) the feed amount of the solid materials is though plc analog module which feedback 4-20ma current to the frequency conve

5、rter, and then change the speed of adjustable speed motor. (4) the feed amount of the liquid materials is though plc analog module which feedback 4-20ma current to magnetic regulating valve, and then change the opening degree of the magnetic regulating valve. secondly, this article also analysised t

6、he working principle and advantange of the frequency control system. in the basis of the system's overall analysises, we perform particular design for the power supple of the materials homogenizing system，digital input and output, analog input and output ,i/o address allocation table and the sch

7、ematic diagram of the inverter connection terminal. as the development of the automation technology, it formed the modern industrial automation which the three pillars are plc, robotics, computer aided design/computer aided manufacturing (cad/cam) in the field of automatic control systems. one of th

8、e plc design automation system has become the world trending, many plc manufacturers are in the study of plc. this design mainly use s7-200 series plc from siemens company which design the ladder diagram of the materials homogenizing system simply and straightforward, and complete the control proced

9、ures of the overvall system. key words: plc, materials, frequency converter, ladder diagram 目 录前 言1第1章 概述2§1.1 可编程控制技术的发展状况2§1.2 基于plc的物料均化系统简介3§1.3 plc的应用范围3§1.4 交流调速系统的发展概况4第2章 变频调速原理6§2.1 变频器的基本结构6§2.2 变频调速的基本原理及特点6§2.3 变频调速的优点7第3章 系统控制方案的设计9§3.1 工艺流程分析9

10、67;3.2 物料的控制与计量10§3.2.1 物料输入量的控制10§3.2.2 物料a的控制与计量方式11§3.2.3 物料b的控制与计量方式12§3.3 所用电气设备选型15第4章 系统硬件设计16§4.1 plc的基本组成与各部分的作用16§4.1.1 cpu16§4.1.2 i/o单元17§4.1.3 通讯单元17§4.1.4 电源单元18§4.2 一次系统的设计18§4.2.1 plc机型选择18§4.2.2 供电系统图的设计19§4.3 二次系统的设计1

11、9§4.3.1 电动机的二次接线19§4.3.2 plc的各模块端子接线图21§4.3.3 i/o地址分配26§4.3.4 变频器接线端子图26第5章 系统软件设计29§5.1 plc程序设计流程图29§5.2 plc梯形图设计31§5.3 程序调试过程38结 论39参考文献40致 谢42外文资料翻译43前 言plc是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，在可编程控制器问世之前，工业控制领域中以继电器控制技术占主导地位。plc以其功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适于在工业环境下应用等一系列优点，成为工业控制

12、领域中增长速度最快的工业控制设备。当前，plc已经成为现代工业自动化的三大支柱之一，用plc设计自动控制系统已成为世界潮流。本设计主要用西门子（siemens）公司的s7-200系列小型plc为主要工具，结合其他行业自动控制技术的应用情况，提出了基于可编程序控制器(plc)的物料均化系统的设计，是通过应用电气、plc、检测等多项专门技术开发的物料均化系统。本文首先分析和制定了该系统的物料控制和计量方式，根据该系统的工艺流程，设计电机的运行方式，并在设计中加入了电机过载信号，确保该系统能够稳定、高效运行。本文详细分析了物料均化系统供电系统原理图、开关量输入与输出、模拟量输入与输出、i/o地址分配

13、表、变频器接线端子图。根据对物料均化系统整体要求的分析，并结合各个开关量与模拟量的需求，设计出物料均化系统的plc梯形图。通过梯形图，简单、明了地介绍系统的程序及控制的过程。由于时间仓促，加之理论水平有限，论文中难免有疏漏和不足之处，恳请老师指正。第1章 概述§1.1 可编程控制技术的发展状况可编程序逻辑控制器（programmable logic controller）通常称为可编程控制器，英文缩写为plc或pc，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是

14、它的高可靠性和较强的工业环境适应能力更是得到用户的好评。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备。目前已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业。plc自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。美国：a-b（allen-bradly）、ge（general electric

15、）；欧洲：德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）；日本：三菱电机（mitsubishi electric）、 欧姆龙（omron）。此外，国内市场上还有韩国、台湾地区等plc产品。自上世纪七十年代以来，我国就开始了plc的研究与应用，1974我国首先仿制了美国生产的第二代plc。1977年我国又采用了美国motorola公司的一位机mc14500集成芯片，研制成功了我国第一台具有实用价值的，不仅有了批量产品，而且开始应用于工业生产控制。在以后的几年里，我国积极引进国外的plc生产线，建立一些合资企业，并开发自己的产品，如天津自动化仪表厂、辽宁无线电二厂等。上世

16、纪八十年代以来，世界范围内的plc年增长率保持为20%30%，近年来，plc在中国等发展中国家的增长十分迅速,在自动化领域发挥越来越重要的作用。plc的技术发展动向为：1. 产品规模向大、小两个方向发展 大： i/o点数达千点以上、32位为微处理器、多cpu并行工作、大容量存储器、扫描 速度高速化。 小： 由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 2. plc在闭环过程控制中应用日益广泛 3. 不断加强通讯功能 4. 新器件和模块不断推出 高档的plc除了主要采用cpu以提高处理速度外，还有带处理器的eprom或ram的智能i/o模块、高速计数模块、远程i/o模块等专用

17、化模块。 5. 编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的plc指令系统。 6. 发展容错技术 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7.追求软硬件的标准化。§1.2 基于plc的物料均化系统简介在生产领域中，各种原料之间的配比精度对生产过程的稳定和产品的质量、产量有重要的影响。物料均化系统已广泛应用于水泥建材、冶金化工、电力煤炭、医药、食品等行业中。物料均化系统一般是有喂料部分、传送部分和搅拌部分组合来完成的特定过程。本次物料均化系统的设计采用plc控制，通过电机、输送泵、电子皮带秤

18、和电磁流量计等一系列电器设备配合来完成。本次设计通过采样、pid运算来反馈给传送系统的变频器和电磁阀实时监控物料的输送量，使物料达到所需配比的要求。§1.3 plc的应用范围 plc应用领域广泛，在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业都有plc设备，使用情况大致可归纳为如下几类1 。1.开关量的逻辑控制 这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制 在工业生

19、产过程当中，有许多模拟量，如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.运动控制 plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.过程控制 过程控制是指对温度、压力

20、、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5.数据处理 现代plc具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大

21、型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6.通信及联网 plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便2。§1.4 交流调速系统的发展概况调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。这就要求我们根据不同的实际要求，选择合适的调速方法。由异步电动机的转速原理可得3 式中：为同步转速、为

22、转差率、为定子电流频率、为极对数。由公式可知，三相异步电动机的调速方法可以分为两大类：一类是通过改变同步转速来改变转速，具体方法有变极调速（改变）和变频调速（改变）；另一类是通过改变转差率来实现调速，具体方法有变压调速（改变），转子电路串电阻调速（改变）等等。交流调速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；其次，gtr、mosfet、igbt 等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法

23、和控制方式能得以实现。第2章 变频调速原理§2.1 变频器的基本结构变频器是把工频电源(50hz或60hz)变换成频率可调的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的cpu以及一些相应的电路。目前大部分低压变频器均采用以下主电路4。图2-1 变频器主电路图§2.2 变频调速的基本原理及特点主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两

24、类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶闸管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电

25、源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。1.运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。2.电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。3.驱

26、动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。4.速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。5.保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。§2.3 变频调速的优点交流变频调速的方法是异步电机最有发展前景的

27、调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。与其它几种调速的方法相比，变频调速有以下几个优点：1.调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 2.调速范围较大，精度高。 3.起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 4.变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 5.易于实现过程自动化。 第3章 系统控制方案的设计§3.1 工艺流程分析根据对设计要求的分析，该系统的工艺流程示意图如图3-1：图3-1 搅拌系统工艺流程示意图1.接通所有电气设备的电源, 根据混合物料a和物料b的比例要求

28、，给电子皮带称中的称重传感器和电磁流量计一个给料信号。 2.使所有电气设备开始工作,搅拌电机3m带动搅拌器一直处于工作状态。3.固体物料a输送到变频调速电机1m所带动的传送带上,通过1m带动的传送带把物料a送到带有称重传感器p的电子皮带称上,然后由带有恒速电机的电子皮带称将物料a输送到搅拌器中去。4.变频调速电机1m的转速大小有电子皮带称所带的称重传感器所反馈的4-20毫安的电流信号通过plc中的a/d和d/a模块把反馈信号传送到变频器中去,通过这一反馈信号让变频器来调节1m电机的转速来达到调节物料a的给料量的多少的目的。5.在输送物料a的同时打开电磁阀和输送泵电机2m,使物料b开始向搅拌器中

29、输送。6.液体物料b通过电磁流量计带有的流量传感器q与给定值比较向plc反馈一个4-20毫安的电流信号,通过plc中的a/d和d/a模块把信号传送到电动调节阀中,通过这一信号来调节电动调节阀的开度达到调节物料b进料大小的目的。7.将物料a和物料b输送到搅拌器中后对其进行搅拌。§3.2 物料的控制与计量§3.2.1 物料输入量的控制物料a是一种粒度比较小的固体状物料，物料b是一种液体状（如水）物料，按照一定的比例要求，使物料a和物料b进行均化，达到生产中要求的比例，然后投入生产。物料a由变频调速电机与电子皮带秤配合输送到搅拌器中，物料b采用电磁阀、输送泵、电磁流量计配合输送到

30、搅拌器中，a、b两种物料的混合是通过一个恒速的三相鼠笼式电动机3m来带动搅拌机运转进行物料搅拌，设计两者物料的控制要求如下：图3-2 两种原料进入量的控制方式1.当ss置于“独立”位置时，为闭环定值控制方式。在此方式下，原料a和原料b的控制方式为两个独立的闭环定值控制回路，即两种原料的给定值分别单独预先设定，通过压力传感器/流量传感器得到两种物料进入量的反馈信号，按设定值与反馈量的偏差信号进行相应的控制运算产生各自的控制信号，然后通过调节变频器和电磁阀，使其保持在给定值要求的量上。2.当ss置于“协调”位置时，为两种原料的协调控制。在此方式下，原料a仍采用定值控制方式，而原料b控制的给定量有原

31、料a的反馈量提供，当原料a在调节过程中变化时，要求原料b的流量也随之变化，即在这种方式下，原料b的调节属于随动控制方式。3.不论开关ss处于那种状态下，原料a和原料b都采用pid控制。§3.2.2 物料a的控制与计量方式物料a是一种粒度比较小的固体状物料,在给料时要求给料控制设备能够根据用料大小来适时调节.给料调速通过变频器调速适时改变喂料量的大小，物料a的计量用恒速皮带和压力传感器组成的电子皮带秤。电子皮带秤的原理: 皮带秤就是专门针对散装物料的连续计量而设计的。它也是根据杠杆原理，在连续运行的皮带下面安装杠杆装置，杠杆的承载面则是几个滚筒装置，用来满足皮带在上面走过时减小皮带与承

32、载面的磨擦而造成的计量误差。同时计量部分也甩掉了传统的秤砣装置，而采用利用应变电阻制造的称重传感器来进行计量。电子皮带秤由承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器组成（如图3-3）。称重时，承重装置将皮带上物料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于物料重力的电压(mv)信号，经放大器放大后送模数转换器变成数字量a，送到运算器；物料速度输入速度传感器后，速度传感器即输出脉冲数b，也送到运算器；运算器对a、b进行运算后，即得到这一测量周期的物料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的物料总量。电子皮带秤承重装置的秤架结构主要有双杠杆多托辊式、单托辊式、悬臂式和悬浮式4种。

33、双杠杆多托辊式和悬浮式秤架的电子皮带秤计量段较长，一般为28组托辊，计量准确度高，适用于流量较大、计量准确度要求高的地方。单托辊式和悬臂式秤架的电子皮带秤的皮带速度可由制造厂确定，适用于流量较小的地方或控制流量配料用的地方。皮带上面无料时速度最快也不是无限制的快速，皮带电机也不能直接带动皮带运转。所以，不同的物料喂料量，会采用不同的减速机构来控制皮带的最快速度，改变变速比也就改变了不同物料计量皮带秤的满量程的范围。图3-3 ics-st4型电子皮带秤§3.2.3 物料b的控制与计量方式物料b是一种液体状(如水),在给料时要求给料控制设备能够根据用料大小来适时调节.给料调速通过改变电动

34、调节阀开度的大小来改变物料b给予多少。电动调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成，主要作用是调节介质的压力、流量、温度等等参数，是工艺环路中最终的控制元件。调节阀通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。电动调节阀有压力调节、流量调节2种方式。 压力调节阀工作原理：设定流路系统压力限定值，当传感器感应到压力信号到设定限度后，发送电信号给阀门的电磁控制组件，电磁控制组件受到电信号后，接通电路，电磁强磁场开始吸引阀芯移动，打开阀门，排放流体，降低压力。反之达到设定下限时，电磁阀受到电信号，断电，

35、松开阀芯，机械式的阀芯靠弹簧力复位，关闭阀门，断开排放流体，阀门内部流路将流体输送到流路中，加压后压力回升。流量调节式有机械杠杆式、真空盒控制式、流量传感器式。为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来保证高度密封和阀门的开启。对于双作用的气动、液动、电动执行机构，一般都没有复位弹簧。作用力的大小与它的运行方向无关，因此，选择执行机构的关键在于弄清最大的输出力和电机的转动力矩。对于单作用的气动执行机构，输出力与阀门的开度有关，调节阀上的出现的力也将影响运动特性，因此要求在整个调节阀的开度范围建立力平衡。图3-4 电子式电动双座调节阀物料b的计量用电磁流量计来控制,下面介绍它的工

36、作原理5。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体的体积流量。在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。1.电磁流量计的测量原理根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度，导体在磁场内的长度及导体的运动速度成正比，如果、三者互相垂直，则 (3-1)如图3-5所示，如果在磁感应强度为的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速运动时，导电液体就切割磁力线，如果在管道截面垂直于磁场的直径两侧安装一对电极，则可以证明，只要管道内流速分布为与轴对称

37、分布，则两电极间将产生感生电势，即 （3-2）式中 管道截面上的平均流速，； 测量管直径，； 常系数，无量纲； 磁感应强度，。图3-5 电磁流量计原理简图由此可得通过管道的体积流量   (3-3)由式（3-3）可知，当测量管结构一定时，体积流量与成正比，而与流体的状态和物性参数无关，测量比值即可得到体积流量值。当磁感应强度为恒定值时，体积流量与感生电势成正比。磁场的感应强度是由电磁流量计的励磁系统提供。2.电磁流量计的励磁方式（1）直流励磁直流励磁技术是最初的电磁流量计采用的励磁技术，它是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，以形成恒定的直流励磁。直流励磁技术具有方法简

38、单可靠、受工频干扰影响很小以及流体中的自感现象可以忽略不计。但是，直流励技术的最大问题是直流感应电势在两电极表面上形成固定的正负极，引起被测流体介质电解而产生正负离子，导致电极表面极化现象，使感生的流量信号电势减弱，电极间电阻增大，影响信号处理部分工作。直流励磁在电极间产生不均衡的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中，无法消除，并随流体介质特性及流动状态而变化。另外，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性难以解决，这就限制了直流励磁技术的应用范围。（2）交流励磁早期电磁流量计用于50hz工频市电励磁，产生正弦波交变磁场，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器

39、的主要优点是消除了电极表面的极化干扰。另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。采用交流激磁的理由是为了避免像用直流激磁时电磁表面产生极化现象，但是由于易受市电锁引起的与流量信号同相应各种感应噪声的叠加，形成零点漂移等，现在已渐被低频矩形波激磁所代替。§3.3 所用电气设备选型电气设备选型如表3-1所示：表3-1 电气设备选型设备名称设备选型1m电机采用变频调速的异步电机西门子micromaster 440通用型变频器ybp系列变频调速三相异步电机2m电机的选择三相鼠笼异步电机ip54y23m电机的选择三相鼠笼异步电机y2-80

40、m2-2电子皮带称的选择ics-st4系列电子皮带秤电磁流量计的选择szld系列智能电磁流量计电磁阀选用zqdf系列电磁阀zqdf-1y电动调节阀的选择zdsn型电子式电动双座调节阀第4章 系统硬件设计§4.1 plc的基本组成与各部分的作用plc控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来，国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的plc产品，已有几十个系列、几百种型号。plc品种繁多，其结构形式、性能、i/o点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同，使用场合也各有侧重。因此，plc的合理选择，对提高plc控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要

41、作用7。plc技术不断向高性能、高速度、大容量方向发展，将plc运用到自动送料装车系统，可实现运料小车的全自动控制，降低系统的运行费用。输入输出也很明显，不需要好多额外的外接电路，让设计更简洁。在出现故障、紧急停止等环节中都能快捷操作。plc自动送料装车系统具有连线简单控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，维修和改造方便。但是它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，要提高plc控制系统可靠性仍然需要各种器件和设备多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。§4.1.1 cpucpu是核心，起神经中枢的作用，每套plc至少有一个cpu。plc的cpu有8位，1

42、6位，32位。中型plc以上，均采用16位-32位cpu，微、小型plc原采用8位cpu，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位-32位cpu。（注8位 cpu一次处理二进制数的位数，也代表cpu通用寄存器的位宽）。在工作频率相同的情况下，32位cpu的处理速度比8位、16位的更快。存储器,存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器ram。另一种是只读（当然也是可写的）存储器主要有eeprom和flash menory（擦写能在10万次以上，数据保存也能在10年以上）。在plc中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。cpu速度和内存容量是plc的重要参数，它们决定着plc的

43、工作速度，i/o数量及软件容量等，因此限制着控制规模11。§4.1.2 i/o单元1.开关量的逻辑控制 这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等

44、都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0-10v, 0-5v,-10-10v），模拟量和数字量都有8bit, 12bit, 14bit,16bit等。3.高速脉冲控制 接受旋转编码器发出的高速脉冲信号，控制步进马达/伺服电机。4.运动控制 plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如

45、可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。5.过程控制 是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用12。§4.1.3 通讯单元通信及联网 plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算

46、机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便。§4.1.4 电源单元plc配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，plc电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15% 的范围内波动。许多plc还向外提供直流24v稳压电源，用于对外部传感器供电。电源输入类型有：交流电源（220vac或110vac），直流电源（常用的为24vdc）。§4.2 一次系统的设计§4.2.1 plc机型选择 s7-200

47、系列plc是siemens公司推出的一种小型plc，该系列plc功能强大，不论是独立运行，还是构成网络皆能实现各种较复杂的控制功能。s7-200系列plc在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制。包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。目前s7-200系列plc主要有cpu221、cpu222、cpu224、cpu224xp和cpu226等型号的cpu模块。s7-200系列cpu的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角

48、函数和pid控制指令等，采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1-255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器（看门狗）的定时时间为300ms。数字量中有四个用作硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加/减计数器的最高计数频率为30khz（cpu224xp达100khz）。本次设计选用plc机型是s7-200系列的cpu226，它用于较高要求的控制系统，具有更多的输入输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。cpu226集成24输入/16输出共40个数字量i/o点，可连接7个扩展模块，最大扩展

49、至248路数字量i/o或35路模拟量i/o点，13kb程序和数据存储空间14。§4.2.2 供电系统图的设计主电路设计力求正确和简单,这样系统控制电路及软件设计才能精简方便。根据系统的控制工艺要求，设计的供电系统图如图4-2所示。图中，m1，m2，m3为三台控制电动机，其中m1为变频调速电机，配合变频器使用，m2为液体输送泵，m3为搅拌电机，启动方式为星三角启动15。设备编号1234567891011设备名称电源进线调速电机输送电机搅拌电机调节阀流量计皮带秤plc电源备用电源开关阀变频器额定电压380/220v380v380v380v220v220v220v220v380/220v2

50、20v380v图4-2 供电系统图§4.3 二次系统的设计§4.3.1 电动机的二次接线1.调速电动机的二次接线:图4-3 调速电机接线图如上图所示，1qf闭合,继电器1ka1线圈通电使1ka1的常开触点闭合,电机1m处于备妥状态,同时plc机产生信号使继电器1ka2的线圈通电。1ka2的常开触点闭合,则1km的线圈通电, 1km的常开触点闭合,1ka3线圈通电变频器接通，电机1m通电工作。2.搅拌电机的起动三相异步电动机的直接启动时要求的起动电流很大，电源容量要满足下述条件 (4-1)不能满足上述条件的就要要求减压起动，星形-三角形减压起动简称星形-三角形起动，这种起动方

51、法只适应于正常运行时为三角形联结的电动机。起动时，定子绕组先按星形联结，起动后再换成三角形联结。由于搅拌电机启动的比较频繁是电压产生波动，起动方式选择星-三角形启动如图4-4所示，该搅拌电机工作的过程是首先3qf闭合3ka4线圈通电，plc机输出对3m的驱动信号，启动线圈3km2，然后接通线圈3km1，搅拌电机处于星形连接状态。星形启动结束后，断开3km2接通3km3，此时，搅拌电机工作在三角形运行状态，星形运行结束，搅拌电机正常工作。星形-三角形减压起动时的起动电流、电源电流和起动转矩都只是直接起动的三分之一。图4-4 搅拌电机星三角形起动§4.3.2 plc的各模块端子接线图本次

52、设计核心部件采用德国西门cpu226，它的体积小、价格低，cpu模块、i/o模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关量、模拟量电位器和扩展模块连接器，西门子s7-200plc带有pid模块，可以对所控制的物料进行实施调节。i/o模块中输入8点，输出10点，可实现高速输入输出响应，内部具有高速计数和中断处理功能。plc的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子可由其它地方直接引入，十分方便。这些接线端子排的布置与 plc的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。i/o模块接口将输入/输出信号引入到控制台上。plc编程电缆上标有pc的 rs-2

53、32端连接到计算机的rs-232通信接口，标有 ppi的 rs-485端连接到cpu模块的通信口，并拧紧两边接口的螺丝。pc/ppi编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用，实现在线运行和监控，修改程序方便快捷。1.plc开关量输入模块端子接线图图4-5 plc开关量输入模块端子接线图2.plc开关量输出模块端子接线图图4-6 plc开关量输出模块端子接线图3.plc模拟量输入模块端子接线图西门子s7-200cpu226中带有em231是四路模拟量输入模块，其中输入类型为差分。输入范围：电压：单极性0v-5v,0v-10v,双极性正负5v、正负2.5v，电流：020ma。在实际中，为了减少电磁

54、干扰，对于模拟信号应采用屏蔽双绞线电缆，并且模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。有时电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生干扰电流，造成对模拟量信号的影响。此时应该让电缆的屏蔽层一端接地21。图4-7 plc模拟量输入模块端子接线图4.plc模拟量输出模块端子接线图西门子s7-200cpu226中em232是两路模拟量输出模块,输出范围：电压：正负10v，电流：020ma。同时电缆线也是采用屏蔽双绞线。图4-8 plc模拟量输出模块端子接线图5.驱动部分接线图图4-9 驱动部分接线图§4.3.3 i/o地址分配根据设计需要，系统占用18个plc的i/o端口，分别是11个输入端口和7个输

55、出端口，具体的i/o分配如表所示：表4-1 i/o地址分配表序号输 入序号输 出1i0.0启动12q0.01m驱动2i0.1停止13q0.1变频器运行3i0.2变频器上限14q0.22m驱动4i0.3变频器下限15q0.33km1驱动5i0.4变频器过载信号16q0.43km2驱动6i0.51m过载信号17q0.53km3驱动7i0.61m备妥信号18q1.1电磁阀驱动8i0.71m应答信号9i1.03m备妥信号10i1.13m应答信号11i1.2液体控制方式§4.3.4 变频器接线端子图变频器主回路端子说明：1.主电路电源端子r、s、t 输入电源通过断路器或带漏电保护的断路器连接至

56、主回路电源端子r、s、t，断路器（mccb）的额定电流为变频器额定电流的1.52倍，电源连接不需考虑相序。 2.变频器输出端子u、v、w （1）变频器输出端子u、v、w按正确相序连接至三相电动机。如运行命令和电动机的旋转方向不一致时，可在u、v、w三相中任意更换其两相接线。 （2）不要将电容器或浪涌吸收器连接于变频器的输出侧。 （3）变频器和电动机之间配线很长时，由于线间分布电容较大，可能造成变频器运行不正常甚至过电流跳闸，因此配线很长时在输出侧连接滤波器或磁环，并且适当降低载波频率。3.直流电抗器连接用端子p1、p+ （1）连接改善功率因数dc电抗器选件，dc电抗器按变频器容量配用。（2）出厂时，其上有短接片，连接dc电抗器前，应先取去短路片。 （3）当不用dc电抗器时，不能取去短接片。 4.外部制动电阻器连接用端子p、db或p+、db （1）用于连接外部制动电阻（选件），如果变频器已经在内部连接制动电阻，请先断开内部制动电阻，再在p、db 端子上连接外部制动电阻。 （2）配置外部制动电阻时，配线长度应小于5米，并用双绞线。 （3）p+和db端子间绝对不能短路，否则将损坏设备。 5.制动单元连接端子p+、n 用