基于PLC的粮食烘干机系统设计与实现

沈阳工学院毕业设计 题 目：基于PLC的粮食烘干机系统设计与实现院 系： 专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 成 绩： 年 月 日 目 录1 方案设计11.1 设计任务要求11.2 硬件方案设计11.3 软件方案选择32 粮食烘干机系统的部分设计52.1 粮食烘干机系统的硬件选择52.1.1粮食烘干机控制系统的PLC选型52.1.2粮食烘干机控制系统的外围设备选型72.2 粮食烘干机系统的控制电路设计82.2.1粮食烘干机控制系统原理图82.2.2粮食烘干机控制系统I/O地址分配92.2.2粮食烘干机控制系统流程图113 粮食烘干机系统的软件设计123.1 设粮食烘干机系统控制程序设计123.2 设粮食烘干机组态监控设计143.3 设粮食烘干机控制系统组态通信15参考文献18附录A PLC程序19附录B 组态画面21附录C 组态程序221 方案设计采用PLC可编程控制器来实现粮食烘干控制系统的自动控制、烘干室温度、湿度的检测和自动控制、报警系统、保护系统、停止烘干系统的工作的全过程。采用组态软件实现实时监控系统的设计。本设计主要探讨以燃油烘干循环式粮食烘干机进行自动控制。本设计共分为三大部分即系统软件设计部分、组态王设计部分、PLC基础知识。第一部分主要介绍了组态王软件系统画面的设计，并可以用组态王软件监控粮食烘干机的实时工作状况，最后经过仿真调试证明本系统性能良好、运行稳定。第二部分介绍了PLC系统的发展、定义、工作原理等。第三部分主要介绍了PLC系统的软件设计，用PLC实现了现粮食烘干全过程即进粮、循环烘干、出粮的自动控制。并且在系统正常工作过程中对燃烧室温度进行实时监控，保证系统的烘干效率。1.1 设计任务要求 熟悉粮食烘干控制系统的工艺流程；学会使用PLC可编程控制器，完成粮食烘干炉的控制系统软、硬件设计。硬件设计合理，安全可靠。软件编程实现系统的运行程序要求，调试直到正确为止。学会使用组态软件实现实时监控。 基本要求要求如下：(1) 粮食烘系统能够自动控制。(2) 粮食烘干室温度能够自动控制。(3) 粮食烘干报警系统全程监控。(4) 粮食烘干报警相应的保护系统运行保护。1.2 硬件方案设计 粮食烘干机的自动控制系统可用传统的电器控制，也可用单片机控制，还可用PLC控制1。本设计采用PLC控制来完成粮食烘干机控制系统设计与实现。PLC之所以越来越受自动控制界人士的重视，是由于它具有令通用计算机望尘莫及的特点2。PLC的基本特点有以下方面。粮食烘干机的自动控制采用以PLC为核心的控制系硬件设计如图1.1所示。图1.1 控制系统硬件设计图 1、应用简便PLC是利用积木式的硬件结构与标准的模块化软件设计。其设计能满足繁杂的控制需求和工艺变化较多的场合。它的现场接线简便，可以按积木方式删减和扩充系统模块，组合成所需的控制系统。其功能是有软件设计实现的，所以从业人员可以在不需要硬件设备的情况下进行“软布线”工作调试。从而减少科研经费。从硬件反面考虑PLC对现场的要求不高，只需配置接线并且编程模拟调试即可投入现场使用。从软件方面考虑PLC习惯采用梯形图形式编程，它的特点是开发速度快、可读性强、软件维护方便。2、 高可靠性继电器控制系统中，元器件的脱焊、老化现象是不可避免的。这就很大程度降低了继电器控制系统的可靠性。并且继电器系统的维护需要消耗大量的人力财力。但在PLC控制系统中的高可靠性，主要是它在硬件与软件两个方面采取了措施。由于PLC控制系统中大量的开关动作是通过半导体元器件电路完成的，并且PLC在软件和硬件上都采取了严格的保护措施。例如，主要控制核心中输入输出电路采用了光隔离措施。各I/0端口采用模拟滤波以外，还采用了数字滤波；并且内部采用电磁屏蔽，以防止辐射的干扰；还采用了较为先进的电源电路系统，以防止电源电路干扰干扰信号。在软件方面也采取了一些措施。如设置警戒时钟WDT。系统的运行时会定时对WDT刷新，如果程序出现死循环，随之跳出，并且重新启动发出报警信号。系统为避免因为程序错误而导致错误运行，每次的扫描周期都会对程序进行检查校验，一旦程序错误立即发出报警信号并停止运行。软件系统里面还设计了对用户程序的差错报错程序，对于错误的程序和参数系统不能运行。3、功能完善PLC的功能包括定时、计数、顺序、逻辑运算、数值计算、数值换算等。与继电器控制动作相比使用大量的时间继电器、计数器、步进控制开关数值计算等设备，在准确性和安全可靠性上具有无可比拟的优势。PLC其扩展功能有A/D和D/A的转换、数据处理和数据运算、中断控制、运动控制等、以及特殊函数运算功能。也可通过上位机进行人机对话增强扩展控制。4、环境适应强、抗电磁干扰更好PLC环境适应强能在高温（060）、湿度（相对湿度90%），以及规定的机器震动、冲击和额定的电压频率中正常工作。5、完整的工控网络体系，便于通信与远程实时监控随着计算机网络技术的不断发展与成熟，以及工控系统的实际需要，近年来工控网络技术的到了前所未有的应用。对于 PLC网络及工控局域网而言，目前已经形成了设备层网络、控制层网络和信息层网络三层网络的结构体系。1.3 软件方案选择 粮食烘干机的自动控制系统的软件需要两种，一种是根据粮食烘干机的运行模拟行监控软件组态。另一种是粮食烘干机自动控制系统的运行控制软件程序编程语言CX-ONE。随着社会对技计算机控制系统需求的日益增大，组态软件也已经形成了一个不小的产业。按照使用分类，可以将组态软件分为两类：一类是专用的组态软件，另一类是通用的组态软件3。1、绍几种常用的组态软件：(1) InTouch.美国Wonderware公司的InTouch堪称组态软件的“鼻祖”，该公司率先推出的16位Windows环境下的组态软件，在国际上获得较高的市场占有率。(2) MCGS。北京昆仑通态公司的MCGS设计思想比较独特，有许多特殊的概念和使用方式，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台。(3) IFIX。美国Intellution公司的FIX产品系列较全，包括DOS版、16位Windows版、32位Windows版、OS/2版和其他一些版本，功能强大，是全新的组态软件。但由于过于“庞大”，对系统资源耗费巨大、而且经常受到微软操作系统的影响。(4) WenAccess。该软件是研华（中国）公司近几年开发的一种面向网络监控的组态软件，是未来组态软件的发张趋势。(5) Citech。澳大利亚CIT公司的Citech是组态软件中的后起之秀，在世界范围内发展的很快。(6) WinCC。德国西门子公司的WinCC也属于比较先进的产品之一，功能强大，使用较为复杂。(7) ForceControl。大庆三维公司的ForceControl（力控）是国内较早出现的组态件之一。(8) 组态王（KingView）。组态王软件是北京亚控科技发展有限公司开发的一个比较有影响的组态软件。界面操作灵活方便，易学易用，有较强的通信功能，支持的硬件也非常丰富。本设计运用模拟行监控软件，使用的是组态王（KingView）。组态王（KingView）具有开发周期短、经济实惠、易学易用易于扩展、开放性好、适应性极强等优点。基本上可以划分为管理层、控制层、监控层三个层次结构。其中监控层作为中介连接管理层和控制层，它不仅能实现对现场的实时监测与控制，且在还自动控制系统中完成上传下达信息、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：数据、画面、动画。通过对监控系统的要求及实现功能的分析，采用组态王对其监控系统进行设计。组态软件也可以为试验者提供可视化监控画面，有利于试验者对实时现场监控。而且，它还能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画形式显示控制中设备的状态，实时趋势曲线、具有报警窗口等功能，可便利的生成各种报表供试验者参考。它还有丰富的设备驱动程序和多样的组态方式、数据链接等功能。 CX-Programmer是欧姆龙公司开发的一款适用于C系列PLC软件，它在Windows系统下运行。可实现梯形图的汇编语言、监视和控制等功能。特别擅长与大型程序的编写，提高编成效率。2 粮食烘干机系统的部分设计本设计是基于PLC控制技术，以欧姆龙CP1H可编程控制器为控制核心，对粮食烘干机的自动控制，即进粮、检测水分、循环烘干、自动调温、湿度检测、合格粮食出粮的自动控制。实现粮食的全过程自动烘干。主要设计分为四部分：硬件设计部分，软件设计部分，主程序模块，燃烧炉模块组成。软件设计在CX-ONE编程软件上以梯形图LD编写，主要通过步进控制指令来完成对粮食烘干机各个子过程的控制。并通过组态王软件模拟了粮食烘干机的自动控制过程。2.1 粮食烘干机系统的硬件选择2.1.1粮食烘干机控制系统的PLC选型在国际知名PLC制造商中，具有代表性的公司有日本的OMRON(欧姆龙)公司、MITSUBISHI(三菱)公司、德国的SIEMENS(西门子)公司，法国的SCHNEIDER(施耐德)公司、以及美国的ALLEN-BRADLEY(AB)公司等，它们不断开发的PLC产品系列并配备了符合国际现场总线标准的通信接口，实现不同系统的互连或与局部网络连成整体分布系统2。PLC的核心是CPU，CPU是起神经中枢的作用，每套PLC制造商至少有一个CPU，它是按PLC的系统程序赋予其功能接收并储存用户程序和数据，利用扫描的方式采集输入装置送来的状态或数据，并储存规定的寄存器中。运行后，从程序存贮器中进行逐条读取指令，经分析后按指令规定的任务程序产生相应的控制信号，来指挥有关的控制电路。CPU主要由控制器、运算器、寄存器以及实现它们之间的联系数据、控制及状态总线构而成，CPU单元还包括总线接口、外围芯片及相关的电路。内存主要用于用户存储程序及数据，是PLC不可缺少的重要组成单元。根据设计分析可知需要谷物烘干机有2只水分检测器，2只数显表。总的输入点为开关量4点，模拟量2点，输出点为开关量6点。因而本设计的PLC选择是日本OMRON(欧姆龙)公司的CP1H系列，CP1H系列PLC是欧姆龙公司于2005年推出的新型PLC2。它是一款集众多功能于一身的整体型PLC,其特点具有功能强、体积小、适用范围广、速度快等特点。CP1H系列X/XA型输入端子图如2.1所示。图2.1 输入端子示意图其拥有24个输入点，0通道0.000.11位共12点，1通道1.001.11共12点，2通道共合计24点。输出端子图如2.2所示。图2.2 输出端子示意图有16个输出点，100通道100.00100.07位共8点，101通道101.00101.07位共8点，总共16点。其外部端子接线示意图如2. 3所示。图2.3 外部端子示意图2.1.2 粮食烘干机控制系统的外围设备选型粮食烘干机控制系统外围设备有通讯模块、外部模拟量输入模块、电源模块、输入模块、输出模块、编程设备构成整个粮食烘干系统。通讯模块包括：CP1H PLC与上位PC机通信采用的外部USB端口连接，利用CX-ONE软件与PC机进行监视和编程，通信简捷。CP1H PLC的串行通信口RS-232C/RS-422A/485选件板可供选择与组态王相连通信，从而进行实时监控。外部模拟量输入模块：外部模拟设定输入端子上施加010V的电压，将模拟量进行A/D转换，并储存在特殊辅助继电器区域A643通道，转换值在00FF（十进制0255）的范围内变化。其模拟输入连接器接线如图2.4所示。 图2.4 外部模拟输入连接器接线示意图电源模块：电源用于为PLC各个模块的集成电路元器件提供工作电源。其次，有的还为输入电路提供直流24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（110VAC或220VAC），直流电源采用DC 24V输入。输入输出模块：用于永久性地存储用户的数据，例如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，PC机、输入模拟量的电位器，打印机等。 模拟量输入信号与A/D的转换，对应的数字量储存在CP1H的CIO区200-203通道中，如模拟量输入单元工作原理图2.5所示。图2.5 模拟量输入单元工作原理示意编程设备：编程器在PLC开发应用、检查维护、监测运行不可缺少的器件，其用于编程、对系统设定一些操作、监控PLC以及PLC所控制的系统的工作状况，但其不直接参与现场控制运行。目前最流行的由计算机（运行编程软件）充当编程器。2.2 粮食烘干机系统的控制电路设计2.2.1粮食烘干机控制系统原理图粮食干燥机械化技术是以机械装备和PLC控制器为主要手段，采用相应的工艺和技术措施，人为地控制温度、湿度等因素，在不损害粮食品质的前提下，降低粮食中含水量，使其达到国家安全贮存标准的干燥技术。本设计使用的对流干燥法它是将加热的空气或气流与冷空气的混合气以对流的方式接触物料，从而进行热交换。蒸发出来的水分则被干燥介质（空气等）带走。这种方法的主要特点是干燥介质的温度和湿度容易被控制，可避免物料发生过热现象（过干燥）而降低其品质。根据此干燥技术设计粮食烘干机控制系统原理图2.6所示。图2.6 粮食烘干机控制系统原理示意2.2.2粮食烘干机控制系统I/O地址分配 PLC 与电气回路的接口对输出/输入信号分别采用编号的原则进行定义号分配，输入信号表示点用I ，输出信号表示用Q，其中输入从I0开始自行分配，见表2.1，输出从Q0开始自行分配，见表2.2。PLC的I/O电路由I/O模块集成，其中输入暂存器反映输入信号状态，输出信号反映输出锁存器状态。输入模块是将电信号变换成数字信号进入PLC系统读取的，输出模块则相反。I/O分为四大量分别为：开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压分，有AC 220V、AC 110V、DC 24V，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按电信号类型分，有电流型（420mA,020mA）、电压型（010V,05V,-1010V）等，按精度分有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 PLC 对输入/输出定义号采用分别编号的原则进行定义号分配，输入信号点用I 表示，输出信号用Q表示，其中输入从I0开始依次分配。控制系统的输入/输出信号的名称，代码及地址编号如表2.1所示。表2.1 输入信号分配表代码地址编码名称SB0.1I1系统启动开关SB0.2I2粮食水分检测是否合格SB0.3I3燃烧室温度与给定值比较SB0.4I4停止按钮SB0.5I5提升机、上绞龙是否启动SB0.6I6鼓风机是否启动SB0.7I7下绞龙是否启动SB0.8I8排粮轮是否启动表2.2 输出信号分配表代码地址编码名称KM0.1Q1提升机、上绞龙启停KM0.2Q2鼓风机启停KM0.3Q3下绞龙启停KM0.4Q4排粮轮启停KM0.5Q5燃烧机控制KM0.6Q6水分监测报警 2.2.2粮食烘干机控制系统流程图通过对流干燥法作为最常用的粮食干燥方法，它是将加热的空气或气流与冷空气的混合气以对流的方式接触物料，从而进行热交换。蒸发出来的水分则被干燥介质（空气等）带走。这种方法的主要特点是干燥介质的温度和湿度容易被控制，可避免物料发生过热现象（过干燥）而降低其品质。国内外企业中，上海的三久公司和日本的金子公司生产的干燥设备大多是采用对流干燥方法6。控制系统工艺流程图如图2.7所示。图2.7 工艺流程图 高水分粮食通过进料斗进入后，由水分检测仪进行检测，如果水分检测仪检测粮食没有达标，则提升机启动，通过上绞龙使粮食进入到干燥室进行烘干，再通过排粮轮和下绞龙来到检测处，再次检测，如果还不达标，则继续循环干燥，如果达标则排粮管打开，进行打包储存，流程结束4。3 粮食烘干机系统的软件设计3.1 设粮食烘干机系统控制程序设计 PLC梯形图是根据继电器控制电路图来设计的，由若干图形符号组合的语言与电气原理图一一相对应。助记符评议，也称为命令语句表达，类似计算机的汇编语言，在PLC内执行用户程序时，CPU将对梯形图扫描方式自上而下，从左往右逐次进行扫描并且按此顺序执行用户程序，因此PLC梯形图状态的变化在时间上是串行的。不会同时出现多个线圈的改变状况。，每条语句规定CPU是如何动作的指令，其作用和PC机的指令一样，而且PLC的语句是由操作码和操作数组成的。一个工程问题可分解成多个相对独立的小问题，最后形成一个完整的系统。粮食烘干机的主程序部分的程序框图，如图3.1所示。图3.1 控制主程序程序框图系统主要有两大部分组成：粮食水分检测和燃烧室的控制。水分检测每隔一段时间要进行，将检测到的粮食水分值与给定值比较,如果检测粮食水分值大于粮食水分给定值，则控制燃烧室启动, 反之则控制燃烧室关闭。而燃烧室控制主要是控制燃烧室内的温度，本系统通过控制供油量来控制火焰温度。燃烧室控制程序框图如图3.2所示。首先，启动鼓风机，当鼓风机正常启动后，供油管供油，点火。燃烧室内温度升高，然后通过安装在燃烧室内的温度检测器来检测燃烧室内温度，若燃烧室内温度大于给定值，则关闭供油管，打开出油量较小的供油管供油。反之，若燃烧室内温度小于于给定值，则打开出油量较大的供油管供油。其中给定值是有粮食水分监测装置给出的信号决定的5。图3.2 燃烧室控制程序框图3.2 设粮食烘干机组态监控设计监控组态软件在计算机监测系统中起着举足轻重的作用。现代计算机检控系统的功能越来越强，除了完成基本的数据采集和控制功能外，还要完成故障诊断、数据分析、报表的形成打印、与管理层交换数据、为操作人员提供灵活方便的人机界面等功能。此外，随着生产规模的变化，也要求计算机测控系统的规模跟着变化，也就是说，计算机接口的部件和控制部件可能要跟随系统规模的变化而变化。因此，就要求计算机测控系统的应用软件有很强的开放性和灵活性，基于此，组态应运而生。尤其考虑到组态三位一体的优点：画面、数据、动画。它能充分利用Windows的图形编辑等功能，简单的构成监控画面，并且以动画方式显示控制设备的运行状态，且具有报警窗口、实时趋势曲线等。组态的系统组态环境、系统运行环境和实时数据库三者关系下图3.3所示。图3.3 组态的系统组态环境、系统运行环境和实时数据库三者关系示意图组态软件是通过I/O驱动程序从现场设备I/O组获得实时数据，对数据进行一定的加工后，一方面以图形的形式显示在计算机屏幕中;另一方便按照组态内部要求和操控人员的指令将控制数据指令传达给现场设备I/O组。对执行机构实施控制或参数调控。具体的工程应用必须进过详细的组太设计，组态软件才能正常运行。下面为常见组态方式如图3.4所示。图3.4 组态方式示意图组态王不仅能在定义动画连接时支持连接表达式，还允许编写命令语言来扩展程序的功能，极大地增强了组态可用性。它的格式类似与C语言的格式，具用完备的词法语法例如：If、eles、While等。还有纠错功能和丰富的SQL函数、控件函数、运算符、数学函数、系统函数以及字符串函数。并且组态王的命令语言编辑环境已经编好，只需用户只需按照相关规范编写程序即可。组态王命令语言有六种形式分别为：热键命令语言、应用程序命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言可以称为“后台命令语言”，它们的执行只要符合格式条件就可以执行，不受画面是否打开的限制。另外使用运行系统中的菜单“开始执行后台任务”和“停止执行后台任务”来控制所有这些命令语言是否执行。而画面和动画连接命令语言的执行不受任何影响。也可以通过修改系统参数变量“$启动后台命令语言”的值来实现上述控制，其值置0时停止执行，置1时开始执行。3.3 设粮食烘干机控制系统组态通信在系统运行的过程中，组态王通过内嵌式的设备管理程负责与I/O设备的实时数据交换，如图3.5所示。每个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通信程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效，也使系统能够达到很大的规模。PC/IPC外设/工控设备动态显示线程线程卡板等组态王历史记录线程线程其他线程线程数据采集线程线程驱动程序4线程线程驱动程序3线程线程驱动程序2线程线程驱动程序1线程线程智能仪表PLC远程模块COM组件图3.5 组态王与下位机的通信结构示意图作为上位PC机，KingView把所需要与之交换的数据或程序都成作为外部备（I/O设备）。串行方式的通信是组态王与I/O设备常见的一种交换数据，串行方式使用的是计算机的串行口。I/O设备通过RS-232串行通信电缆与计算机的串口相连接。当组态王计算机与多个I/O设备连接时，由于RS-232是个针式点对点的标准，可以将RS-232转换为RS-485，在经过RS-485转换为RS-232实现计算机串口连接多个I/O设备。利用设备向导就能完成串行通信I/O设备安装，安装简单、方便。配置过程中用户明确选择的生成厂家、设备型号、连接方式、并且为设备指定一个设备名、设备地址和串行口。操作步骤如下：1、 I/O设备通信 进入新建的组态王工程，选择“设置COM1”，弹出对话框如图3.6所示。图3.6 设置串口COM1对话框 进入新建的组态王工程，选择“COM1/新建”，弹出对话框如图3.7所示。图3.7 设备配置导向对话框进入新建的组态王工程，选择“新建/通信参数”，弹出对话框如图3.8所示。图3.8 通信参数对话框参考文献1 崔亚军.可编程控制器原理及程序设计M.北京:电子工业出版社,1993:96-1642 霍罡.欧姆龙CP1H PLC应用基础与编程实践M.北京:机械工业出版社,2008.13 李江全.案例解说组态软件典型控制应用M.北京:电子工业出版社,2011.34 张进秋.可编程控制器原理及实用实例.北京:机械工业出版社,20045 李全利.可编程控制器及其网络系统的综合应用技术M.北京:机械工业出版社，20056 赵学功,郑刚,董殿文.粮食烘干过程控制系统的应用研究J.粮食加工,2007,32（5）：50-53附录A PLC程序 附录B 组态画面图B1 粮食烘干动态运行画面图B2 燃烧室供油控制动态运行画面附录C 组态程序if(本站点a1=0 )本站点c=0;本站点d=0;本站点e=0;本站点a2=0;本站点a3=0;本站点f=0;本站点a4=0;本站点a5=0;本站点e1=0;本站点c2=0;本站点c3=0;本站点f1=0;本站点f3=0;本站点f4=0;本站点f6=0;本站点c5=0;本站点e2=0; 本站点F1=100;本站点F3=100;本站点F4=100; else本站点a2=1; 本站点e=10; 本站点c=本站点c+10;if(本站点c=100 & 本站点d100) 本站点e=-255; 本站点d=本站点d+10; if(本站点d=100 &本站点a5=0) 本站点a5=本站点i1; 本站点e=-255; if(本站点a520 & 本站点f36 &本站点a5!=0 ) 本站点e=255; 本站点f3=本站点f3+1; if(本站点f3=6 & 本站点c3100) 本站点e1=10; 本站点e=-255; 本站点c3=本站点c3+10;if(本站点c3=100 & 本站点f5=20 & 本站点f11) 本站点e=-255; 本站点f=本站点f+1; if(本站点f=11 &本站点f111)本站点e=-255; 本站点f1=本站点f1+1;if(本站点f1=11 &本站点f4=3 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