PLC在药品制粒干燥机方面的应用设计

PLC在药品制粒干燥机方面的应用摘要可编程序控制器(PLC)是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微型处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。本文介绍了药品制粒干燥机（以下简称干燥机）加工的基本原理以及系统控制的设计方法，从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证加工安全、快捷、可靠。引风机恒压供风控制系统保证了产品的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。关键词:药品制粒干燥机 PLC 变频器 恒压供风。目 录引 言1第一章 PLC控制系统设计21.1 PLC的特点21.2 PLC控制系统设计的基本原则31.3 PLC I/O模块的选择步骤与原则3第二章 药品制粒干燥机系统PLC硬件设计62.1制粒干燥机生产过程主电路.62.2 PLC控制系统设计与调试82.3 加工过程输入/输出分配92.4 引风机的自动控制分析10第三章 药品制粒干燥机系统PLC软件143.1 PLC控制系统程序分析143.2 梯形图163.3药品制粒干燥机控制系统梯形图对应的指令表18第四章 抗干扰设计204.1 抑制干扰源204.2 PLC的接地214.3 应用灭弧器，提高抗干扰能力224.4 软件抗干扰设计22结 论23致 谢24参 考 文 献25引 言药品制粒干燥机（以下简称干燥机）是用于实验室或小批量生产小丸颗粒的制药设备。由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改；同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，本文采用PLC和负压变频器闭环控制方案对干燥机的控制系统进行改造，从而实现生产过程的自动控制。使用此方法进行的控制系统设计可改进现有技术的不足，简化结构，有利于降低成本和提高可靠性，解决了原有系统的缺点。改进后的系统既可以制粒又可快速干燥，制粒、混合、干燥在同一个密闭的室内完成，防止与外界接触而引起污染。确保药物颗粒内在质量上符合“GMP”的要求。第4页 共页第一章 PLC控制系统设计1.1 PLC的特点可编程序控制器（PLC）是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。PLC正改变着工厂自动控制的面貌，对传统产业的技术改造，发展新型工业具有重大的意义。1.1.1 编程方法简单易学，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。1.1.2 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。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。1.1.3 可靠性高，抗干扰能力强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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。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。这样使整个系统具有了极高的可靠性。1.1.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造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。1.1.5 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，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。1.2 PLC控制系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1.2.1 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。1.2.2 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。1.2.3 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。1.2.4 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。1.3 PLC I/O模块的选择步骤与原则 一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。1.3.1 开关量I/O模块的选择 1. 开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：（1） 输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。（2） 输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式： 汇点式输入 分组式输入汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。（3） 注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。（4） 输入门槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。2. 开关量输出模块的选择开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：（1） 输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。（2） 输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式： 分组式输出 分隔式输出 分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。（3） 驱动能力开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。（4） 注意同时接通的输出点数量选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V/2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。（5） 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。1.3.2 模拟量I/O模块的选择模拟量I/O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。1.3.3 特殊功能模块的选择目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。第二章 药品制粒干燥机系统PLC硬件设计图2-1药品制粒干燥机示意图2.1 药品制粒干燥机生产过程主电路图2-2主电路部分硬件的选择：1. 交流接触器接触器是应用非常广泛的电磁式电器，可以频繁的接通和分断交、直流主电路，并可以实现远距离控制，主要用来控制电动机，其选择方式如下：（1）根据负载的性质，控制交流选择交流接触器，控制直流选择直流接触器。（2）接触器的工作任务类别应与负载的类别相一致。（3）主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。（4）主触点的额定工作电流应大于或等于负载的电流。接触器主触点的额定工作电流（按经验公式计算,其中K=11.4）是在规定条件（额定工作电压、使用类别、操作频率等）下能正常工作的直流值，电动机主触点电流。根据电器控制与PLC选用CJ20-25 220V。2. 按钮选择按钮主要考虑按钮的结构形式、操作方式、触点对数等要求。本设计中有8个控制按钮，不需要指示灯，按钮的主要参数有额定电压（380V AC/220V DC）和额定电流（5A）。所以选择LA2-11型号的按钮。3. 电动机电动机是一种根据电磁感应原理将电能转变为旋转的机械能并输出机械转矩的动力设备，可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又分为同步电动机和异步电动机，接法：3KW及以下为Y接法，4KW及以上为接法。根据电机维修与拆装技术选用电动机型号为Y132S-4。4. 导线导线是用来连接主电路和控制电路的元件，导线的种类很多，本设计中电动机功率是7.5KW，额定电压380V。对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：（式中）,推出。由于电机的起动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还应考虑电机的起动。5. 熔断器熔断器的选择主要是选择熔断器的类型，额定电压和熔体的额定电流等。额定电压应大于或等于实际电路的工作电压，熔体额定电流的计算原则有：（1）对于照明电路或电阻炉等没有冲击性的电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流I。（2）保护一台异步电动机时，考虑电动机起动冲击电流的影响，熔体的额定电流按公式：计算。由经验公式，。根据电器控制与PLC选用RT18-63。6. 热继电器热继电器是用来对连续运行的电动机进行过载保护的保护电器，以防止电动机因过热而烧毁。热继电器的整定值一般按电动机额定电流的0.951.05倍选用。即,。根据电器控制与PLC选用JR36-20/3 整定值15。7. 变频器根据电动机额定功率为7.5kw，额定电压380v，工作时间15-30min。引风机的负载特性、电动机额定功率、环境温度和年工作天数等工作条件以及PLC的型号选用艾默生公司产品p型变频器，型号为 EV2000-4T0075G。8. 元件明细表表2-1 元件明细表代号名称型号数量作用M电动机Y132S-41输出机械转矩QS组合开关HZ10-25/3 380v1不频繁接通主电路FU熔断器RT18-633短路保护KM交流接触器CJ20-25 220V3频繁通断主电路FR热继电器JR36-20/31过载保护JX端子板TB-25/21软硬线间的转换连接SB按钮LA2-114发布控制命令BV单股铜硬线6mm若干连接控制电路BLV单股铝硬线10mm若干连接主电路BVR多股铜芯软导线2.5mm若干连接按钮盒PLC可编程序控制器FX2N-48MR1VVVF变频器EV2000-4T0075G12.2 PLC控制系统设计与调试药品制粒干燥机用来将粉末状的药剂及添加剂制成洗衣粉状的小颗粒（其示意图如图2-1）。引风机抽出热风，在干燥机内形成负压，使药剂和添加剂悬浮于空中呈药品状，干燥机出口用隔离袋隔离。出口设左右两个闸门，一般同时只打开一个闸门。经过一定时间后，隔离袋被粉末阻塞，需要启动抖动隔离袋的电磁阀，将隔离袋上的粉末抖掉。抖动右隔离袋时，右阀门关闭，左阀门打开；抖动左隔离袋时，左阀门关闭，右阀门打开。左右抖动结束后喷嘴喷入添加剂，完成一次循环。药品制粒干燥机系统属于典型的时序控制系统，系统有手动和自动两种工作方式。起动风机电机时先用星形接法运行10s，然后改为三角形接法，如果当时处于自动状态，15min后进入循环工作流程，先左抖动3min，左抖动时左闸门电磁阀一直接通，左闸门关闭，左抖动电磁阀断开3s接通2s，如此循环至3min到。左抖动结束时开始右抖动，其工作方式同左抖动，然后进入喷射工作状态，喷射电磁阀通电3min，最后返回左抖动步，如此循环往复，直到按下风机停止按钮，风机停转，设备停止工作。2.3 加工过程输入/输出分配2.3.1 系统的输入/输出设备这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有8个开关量，开关量输出触点有8个，输入、输出触点数共有16个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，干燥机PLC控制系统的I/O接线图如下(采用三菱公司的FX2N-48MR型微型可编程序控制器)：图2-3干燥机PLC控制系统的I/O接线图2.3.2 控制系统PLC的输入/输出接口分配表表2-2 PLC的输入/输出接口分配表输入继电器输入变量名输出继电器输出变量名X0引风机开Y0引风机起动X1引风机停Y1引风机星形X2自动Y2引风机三角形X3左抖动Y3左阀门电磁阀线圈X4右抖动Y4左抖动电磁阀线圈X5抖动停Y5右阀门电磁阀线圈X6喷射开Y6右抖动电磁阀线圈X7喷射停Y7喷射电磁阀线圈X10引风机过载2.4 引风机的自动控制分析引风机是热电厂重要的辅助设备之一，它也是干燥机料筒内空气的主要来源，它是将燃烧产生的高温烟气经水磨除尘、静电除尘器，再经烟囱排出的动力设备。制药时，负荷发生变化，为保证负压，烟气含氧量及相应气温、气压的相对稳定，需要及时的调整引风机的吸风量，并靠挡板的开度来调节风量的大小。2.4.1 变频器控制的优点在选定引风机时常常受到产品规格分档的限制，而采用引风机容量往往偏大，加之对引风机的调节是靠调节挡板来完成的，所以当风量变化时，引风机系统会浪费大量的电能。而采用挡板进行风量控制存在许多问题：（1）采用挡板控制风的流量时，大量的能量损耗在挡板的节流过程中，浪费了大量的能源。 （2）烟气中的灰尘等对挡板的冲击比较大，易出现故障。由于烟气中的灰尘经常在挡板上结垢，造成挡板卡死，增加了对挡板的检修维护，故障率较高。（3）因挡板动作迟缓，执行机构长时间运行会出现越来越大的空行程。挡板阀门的执行机构力矩大，易出现问题，而且不能长期频繁调节，其线性度不好，动态性也不好，构成闭环自动控制较难。调节挡板开度的执行机构由于挡板卡死经常将其拐臂或底座拉断，以及开关不能到位等一系列问题，加大了对执行器的维护量随着料筒内负荷的调整，引风机风量也因料筒内负荷变化而经常处于一种低效率状态，大量的能量浪费在风道挡板上。从节能的观点来看，采用变频调速的方法来控制风机转速从而实现控制风量的变化。采用交流变频调速有许多特性：调速时平滑性好、效率高、稳定性好；调速范围较大、精度高；可实现软启、制动功能，起动电流低，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修；易于实现过程自动化；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力显著降低。变频器主要技术指标为: (1) 输入:电压3相、80v20%、50 hz5%，电压失衡率3%; (2) 输出：搅拌功率0-0.55kw。 (3) 保护功能:过电流保护、过电压保护、欠电压保护、过热保护、过载保护、缺相保护。艾默生变频器运行性能稳定，尤其大功率变频器的可靠性更显得重要。变频器接口齐全，多功能接线端子编程功能强大，可以很方便的实现自动、手动控制。2.4.2 引风机负压控制变频器闭环控制使用手操器、差压变送器和变频器内置的PID调节器实现了引风机的闭环自动控制。控制系统框图下图所示。图2-4 控制系统框图1. 系统工作方式电路中转换开关SA用于实现自动、手动控制方式的切换;配电器PD的作用是将差压变送器输出的一路420mA负压信号变换成两路信号输出;一路40mA信号，输入给控制台负压表显示负压值;另一路010V信号，作为反馈信号接入变频器CCI端子，实现闭环控制。手操器SC的输出接变频器端子VCI，作为手动控制时的转速给定信号;变频器端子FM输出的420mA转速信号接入手操器的阀门位置反馈端子，手操器上的电流表(阀门开度表)指示风机运行的转速。变频器主要参数设置如下图所示，变频器的其余参数保留出厂值。初次起动时将转换开关SA转向“手动”操作位置，使用手操器调节引风机的转速，满足干燥机生产的用风量。待料筒内风压稳定后，将转换开关SA转向“自动”位置，引风机进入变频自动控制状态。反复调整F102数字频率给定量、F111比例增益、F112积分时间、F113采样周期和F114偏差极限等参数，使料筒内负压稳定、电动机运行电流稳定，实现引风机在料筒内的负压闭环控制。在引风机闭环控制状态中，当调节送风机转速时，引风机会自动跟随调节仍然保持料筒负压稳定在设定值上。需要从自动控制转向手动控制时，只要调节手操器使给定速度表指针接近变频器输出速度表的指针相对位置，再转换SA到“自动”运行位置，就能实现“自动”-“手动”的无扰动切换。表2-3 变频器主要参数序号功能码设置功 能 说 明1F00=2运行频率模拟设定2F02=1运行命令外部端子控制有效3F07=1V/F 曲线选择平方曲线4F13=2最小模拟输出量2V(4 mA)5F14=0最小模拟输入量对应的频率0HZ6F15=10最大模拟输入量10V(20mA )7F16=50最大模拟输入对应频率50HZ8F19=93电动机过载保护系数93%9F100=1选择模拟闭环控制有效10F101=0闭环给定量通道选择由键盘数字设定11F102=30给定量数字设定3.3V对应料筒负压-20Pa12F103=0反馈量接入VCI电流反馈13F104=2反馈量偏置电压2V14F107=1反馈量极性选择负极性15F111=200比例增益初步设定200%16F112=0.1积分时间初步设定0.1s17F113=1采样周期初步设定1.0s18F114=2偏差极限设定2%19F119=16端子X1接入三线式运行控制30F123=26设定端子X5=26闭环运行与普通运行切换2. 电抗器变频器柜设计时，在可选电器元件配置方面需要注意电抗器的合理配置。电抗器的作用是抑制变频器输入、输出电流中的高次谐波带来的不良影响。各电抗器如下：（1）输入电抗器 接在电源和变频器之间的电抗器称为输入电抗器(交流电抗器)。使用输入电抗器的主要目的是:改善功率因数、实现电源和负载间的功率匹配。当电源变压器容量在500kva以上并且为变频器容量10倍以上时，应该考虑选用输入电抗器。选用交流电抗器应考虑在变频器额定输出时，电抗器产生的电压损失要小于额定电压的(2-5)%。接入交流电抗器能使综合功率因数提高到0.75-0.85。 （2）直流电抗器 直流电抗器是串接变频器内整流桥和滤波电容器之间的电抗器，其结构简单、体积小且滤波效果好。直流电抗器可以改善功率因数到0.95。（3） 输出电抗器 安装在变频器和电动机之间的电抗器称作输出电抗器。输出电抗器的主要作用是降低谐波电流的不良影响。安装输出电抗器可以减少电动机温升和噪声，抑制谐波在电动机绕组端部的电压重复峰值，降低对绕组绝缘的威胁。 变压器额定容量750kva，变频柜与配电柜连接电缆vv-2x(3x150+75)、长度35m，计算电压损失4.76%，综合考虑不设置输入电抗器。为了提高抑制谐波和改善功率因数的效果，安装直流电抗器。由于变频器至电动机的电缆比较长，在变频器输出回路设置输出电抗器，用以抑制谐波干扰和降低高次谐波行波在电动机进线端电压叠加对绝缘的威胁。采用压力变速器、变频器、控制器（PID调节器）、引风机组成的压力闭环回路，自动控制引风机的转速，使料筒内保持稳定的微分压，这样既提高了控制精度，又节约了能源，使引风机控制具有一定的合理性。3. 引风机故障保护为了使引风机在变频器故障时也能够运行，变频器设置手动工频旁路功能，当变频器故障时使电机脱离变频器，引风机转到工频旁路状态继续运行。如下图：图2-5 电机故障旁路起动图4. 引风机闭环控制原理框图如下图2-6原理框图第三章 药品制粒干燥机系统PLC软件 为了避免重复，本章节就不在介绍干燥机工作过程，请参照2.2 PLC系统的设计与调试。3.1 PLC控制系统程序分析程序为典型的三段式结构，如下药品制粒干燥机梯形图，公共程序用来处理手动、自动都要执行的动作和手动、自动两种工作状态的相互转换。当自动开关X2接通时，跳过手动程序，执行自动程序；当自动开关断开时，跳过自动程序，执行手动程序。1. 手动操作手动操作主要用于设备的检修和调试，手动运行时，各种操作（左抖动、右抖动和喷射）可独立运行，同时只能执行一个动作，且与风机的开启和关闭状态无关。各种操作之间的互锁是用分别与Y3-Y7的线圈串联的Y3,Y5和Y7的常闭触电实现的。例如在左抖动或右抖动时，Y5或Y3为ON，它们的常闭触点断开，Y7的线圈不能“通电”，不能进行手动喷射，实现了互锁。左、右抖动分别用两个起动键和一个停止键操作，抖动电磁阀2s ON、3s OFF的振荡是用公共程序中T10和T11组成的振荡电路实现的。2. 公共程序考虑到在自动和手动运行时都应能控制风机的起停，故将风机的控制程序放入公共程序中。自动和手动都需要抖动操作，控制抖动的振荡电路放在公用程序中，其工作原理如下：开始运行时T11的常闭触点闭合，T10线圈通电，开始定时，3s后T10的常开触点闭合，T11开始定时。2s后T11的常闭触点断开，T10被复位，复位后T10的常开触点断开，使T11复位，T11的常闭触点闭合，T10又开始定时，如此重复不止，T10的常开触点提供了接通2s断开3s的输出，将它分别与自动、手动程序中Y4和Y6的线圈串联，实现了自动、手动时的左抖动和右抖动操作。按风机起动按钮X0后，控制风机电源的输出继电器Y0和星形运行输出继电器Y1 ON,同时定时器T0开始定时，10s后T0的常开触点使风机三角形运行输出继电器Y2变为ON，星形运行输出继电器Y1变为OFF，风机电机改为三角形接法运行。系统由手动转到自动时，X2的常开触点接通，PLS指令使M0接通一个扫描周期，用区间复位指令ZRST使Y3-Y7复位，断开在手动操作时可能自保持的输出。系统由自动转到手动时，X2的常闭触点接通，PLS指令使M1接通一个扫描周期，用区间复位指令ZRST使S21-S22和Y3-Y7复位，同时使S20置位，为以后由手动转到自动做好准备。如果此时不对S20之外的状态复位，回到自动状态后可能出现两个状态同时ON的异常现象。不论是自动状态还是手动状态，关风机时都应同时断开当时可能正在进行的操作，这一操作是在公共程序中用Y0的常闭触点驱动ZRST指令来实现的。3. 自动程序自动程序用STL指令编程，状态S20-S22分别代表左抖动、右抖动和喷射这三步。如在开机时系统处于自动状态，风机改为三角形运行后，输出继电器Y2 ON,T1延时15min后，PLS指令使辅助继电器M2 ON 一个扫描周期，S20被SET指令置位，开始左抖动，同时定时器T2开始定时，3min后T2定时时间到，其常开触点使S21置位，由左抖动进入右抖动，以后将这样一步一步顺序工作下去。如果从自动程序进入手动程序，S20被置位，再回到自动程序，将进行左抖动步，开始循环工作。4. 双线圈问题在同一个程序中，如果同一元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。这时前面的输出无效，最后一次输出才是有效的。双线圈输出可能会使对应的输出出现异常动作，一般不应出现双线圈输出。以下两种情况允许双线圈输出：（1）在跳步条件相反的两个程序段（如果自动程序和手动程序）中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈（如药品制粒干燥机梯形图中Y3-Y7的线圈）可以在自动程序和手动程序中分别出现一次，实际上CPU只执行正在处理的程序段中双线圈元件的OUT指令。（2）同一编程元件的线圈可以在不同时执行的STL触点开始的电路块中分别出现一次。CPU只执行STL触点ON的那一个电路块，在一个扫描周期内，实际上同一元件的两个或多个线圈对应的OUT指令只有一条被执行。如果没有并行序列，同时只有一个STL触点ON。并行序列中的各条支路是同时执行的，但是在并行序列的某一条支路中，各STL触点同时只有一个ON,在处理双线圈输出时应考虑以上特点。5. Y-切换的处理在药品制粒干燥机梯形图中的接触器KM1和KM2动作时，异步电动机运行在星形状态；KM1和KM3动作时，运行在三角形状态。从图中可以看出，如果KM2和KM3同时动作，将会造成三相电源短路。虽然图中控制KM2,KM3的Y1,Y2线圈串联了对方的常闭触点，实现了软件互锁，从梯形图可以看出，在由星形运行切换到三角形运行时，Y2 ON后，下一个扫描周期Y1才会OFF，Y1和Y2有一个扫描周期是同时ON的，KM2的主触点尚未断开，KM3的主触点就闭合了，如果不采取必要的措施，实践表明将会因KM2和KM3同时动作，造成电源相间短路，使熔断器熔断。下面介绍两种方法解决这一问题：（1）除了在梯形图中使用Y1和Y2的软件互锁触点外，在可编程序控制器外部用KM2和KM3的常闭触点实现硬件互锁（如图干燥机PLC控制系统的I/O接线图），只有当KM2的主触点断开，它的辅助常闭触点闭合后，KM3的线圈才能通电，风机才能进行三角形运行状态。（2）在梯形图中增设Y-切换延时时，即切换时首先复位Y1，使KM2的线圈断电，同时用一个定时器来延时，延时时间到后再使Y2 ON，KM3的线圈得电进入三角形运行状态。如果接触器工作正常,Y-切换时的软件延时措施可以保证KM2和KM3不会同时得电。如果因主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一接触器的线圈通电，仍将造成三相电源短路故障。因此，为了确保系统的可靠性，必须设置外部硬件互锁电路，同时可以选用软件延时措施。3.2 梯形图 图3-1药品制粒干燥机梯形图3.3药品制粒干燥机控制系统梯形图对应的指令表第24页 共页0 LD X21 PLS M02 LD M03 OR M14 ORI YO5 FNC 407 Y39 Y710 LD1 X211 PLS M112 LD M113 FNC 4015 S2117 S2218 SET S2019 LD X020 OR Y021 ANI X122 AND X1023 MPS 24 OUT Y025 OUT T026 K 10027 MPP 28 ANI Y229 OUT YI 30 LD T031 OR Y232 ANI X133 AND X1034 OUT Y235 LDI T1136 OUT T1037 K 3038 LD T1039 OUT T1140 K 2041 LD X242 CJ P143 LD X344 OR Y345 ANI X546 ANI Y547 ANI Y748 OUT Y349 AND T1050 OUT Y451 LD X452 OR Y553 ANI X554 ANI Y355 ANI Y756 OUT Y557 AND T1058 OUT Y659 LD X660 OR Y761 ANI X762 ANI Y363 ANI Y564 OUT Y765 LDI X266 ORI Y067 CJ P268 LD Y269 OUT T170 K 900071 LD T172 PLS M273 LD M274 SET S2075 STL S2078 OUT Y379 OUT T280 K 180081 LD T1082 OUT Y483 LD T284 SET S2185 STL S2188 OUT Y589 OUT T390 K 180091 LD T1092 OUT Y693 LD T394 SET S2295 STL S2298 OUT Y799 OUT T4100 LD T4101 SET S20102 RET103 END第四章 抗干扰设计PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁阀干扰特别强烈，或者PLC的安装和使用方法不当，都可能对PLC的工作带来干扰，进而给PLC的安全和可靠运行带来隐患。因此，在PLC控制系统设计中还要注意系统的抗干扰设计问题。PLC的抗干扰设计问题主要设计以下几个方面：抑制干扰源的设计；系统接地设计；应用灭弧器；提高抗干扰能力；软件抗干扰设计。4.1 抑制干扰源1. 抑制电源系统引入的干扰电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提到PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。在干扰较强或可靠性要求很高的场合，对PLC交流电源系统可采用的抗干扰措施，有以下几种方法：（1）在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。隔离变压器的电压比可取1：1，在一次和二次绕组之间采用双屏蔽技术。一次屏蔽层用漆包线或铜线等非导磁材料绕一层，注意电气上不能短路，并接到中性线；二次则采用双绞线，双绞线能减少电源线间干扰。（2）在PLC电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。在干扰严重场合，可同时使用隔离变压器和低通滤波器的方法，通常低通滤波器先于电源相接，低通滤波器输出再接隔离变压器；也可同时使用带屏蔽层的电压扼电流和低通滤波器的方法，如下图（一种电源滤波电路）。图中RV是压敏电阻可选471KJ，击穿电压为,击穿电压略高于电源正常工作时的最高电压，正常时相当于开路。有尖峰干扰脉冲通过时，RV被击穿，干扰电压被RV钳位，尖峰干扰脉冲消失后RV可恢复正常。如电压确实高于压敏电阻的击穿电压，压敏电阻导通，相当于电源短路，把熔丝熔断。电容C1、C2和扼流圈L组成低通滤波器，以滤除共模干扰。C3、C4用来滤去差模干扰信号。C1、C2电容量可选1uF，L电感量可选1uH，C3、C4电容量可选0.001uF。PLC的电源和PLC输入输出模块用电源应与被控系统动力部分、控制部分分开配线，电源供电线的截面应有足够的余量，并采用双绞线。条件许可时，PLC可采用单独的供电回路，以避免大容量设备的起停对PLC的干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量异步电动机起动时的线路电压降，且动力线要远离PLC装置20cm以上。图4-1一种电源滤波电路2. 抑制输入、输出电路引入的干扰为了抑制输入、输出信号传输线引入的干扰，一般应注意以下几点：（1）开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。（2）数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。（3）模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会叠加在模拟信号上造成干扰。因此要选用屏蔽的双绞线。如果模拟量IO信号距离PLC较远，应采用4-20mA或0-10mA的电流传输方式，而不容易受干扰的电压信号传输。对于功率较大的开关量输入，输出线最好与模拟量输入、输出线分开敷设。（4）PLC的输入、输出线要与动力线分开，距离应在20cm以上，如果不能保证上述最小距离，可将这部分动力线穿套筒，并将管接地。绝对不允许把PLC的输入、输出线与动力线、高压线捆扎在一起。（5）应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减少噪音干扰。一般两线距离为20cm。当两线平行敷设长度在100cm-200cm时，两线间距离应在40cm以上；平行敷设的长度在200cm-300cm时，两线间距离应在60cm以上。（6）PLC的输入、输出线最好单独敷设在封闭的电缆槽架内（线槽外壳良好接地）。不同种类信号的输入、输出线不能放在同一根多芯屏蔽电缆内，槽架应隔开一定距离安放，屏蔽层应当接地。（7）当PLC输出线较长（大约30cm以上），应采用直流输入模块，以降低异常感应电动势，如果必须用交流输入模块，可在输出端子两端并联电阻。在PLC的输出端，对于交流感应性负载，为避免断开电源时产生的感应电动势，应在交流回路侧并联阻容吸收电路。（8）对于输入、输出信号在300m以上的长距离场合，应用中间继电器转换信号或使用远程I/O控制4.2 PLC的接地良好的接地是PLC抑制干扰的重要措施。PLC接地应注意以下几方面：（1）PLC接地最好采用专用接地极。如果可不能，也可与其他盘板共同接地系统，但须用自己的接地线直接与共用接地极相连。绝对不允许与大功率晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统。（2）PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线越短越好。PLC如由多单元组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元之间等电位。当然，一台PLC的IO单元如果有的分散在较远的现场（超过100cm）这种情况可分开接地，但必须遵守上述相应规定。（3）PLC输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层采用一点接地，并且在靠近PLC这端的电缆接地，电缆另一端不接地。如果信号随噪声而波动，可连接一个0.1-1.47uf/25V的电容器到接地端。（4）接地线截面积应大于2平方厘米，接地线一般最长不超过20m。PLC控制系统的接地电阻一般应小于4欧姆。4.3 应用灭弧器，提高抗干扰能力灭弧器是随着PLC的广泛使用而出现的一种新型实用电器。它是专为PLC配用的电器产品，用来吸收电弧。灭弧器分直流灭弧器和交流灭弧器两种。4.4 软件抗干扰设计有的只采用硬件抗干扰设计不能完全消除干扰的影响，必须用软件抗干扰设计加以配合以取得较好的抗干扰效果。在软件抗干扰设计中可采用以下措施：（1） 延时确认对于开关量输入，可采用软件延时20ms, 对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才确认输入有效。（2） 封锁干扰 对于某些可以预知的干扰可用软件互锁PLC的某些输入信号，在干扰易发期过后，再取消封锁。（3） 故障的检验与诊断（4） 超时检测（5） 逻辑错误检测结 论马上就要面临毕业了，我用所学知识做了这份毕业设计，是关于PLC系统理论与变频技术的设计。这是对自己以前学习的知识的挑战与突破。在做这份毕业设计的同时，我对办公软件的应用有了进一步的提高，同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。通过这次设计，让我更熟练的掌握了PLC软件的简单编程方法，对于PLC的系统设计和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。设计过程中也遇到了不少问题，通过老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好。如今毕业设计是完成了，可是我的学习之路还没有完，是这次设计让我明白了人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。致 谢在此我很感谢沈老师，在写毕业设计期间及时的给我建议和指导，从而使我能够在设计的过程中能够不断的调整我的思路，从一开始对设计的迷茫和不解然后经过对课题的调研理解以及导师的指导后，使我最终能够完成我的设计。另外，我还要感谢在校期间所有传授我知识的老师，是你们的谆谆教导才使我有完成毕业设计专业知识基础。也很感谢在这次论文设计过程中帮助我的同学，没有你们的帮助我的论文不会做的这么顺利。在毕业设计中我也收获不少，所以再一次感谢我的老师，同学朋友，谢谢你们！PLC在药品制粒干燥剂方面的应用参 考 文 献1 廖常出. 可编程序控制器的编成方法与工程应用. 重庆大学出版社，2008年9月第9次印刷。2 孙平. 电气控制与PLC. 高等教育出版社，2009年2月第8次印刷。3 宋文绪，杨帆. 自动检测技术. 高等教育出版社，2009年8月第2次印刷。4 孔凡才. 自动控制原理与系统. 机械工业出版社，2010年8月第3版第19次印刷。5 高春浦，贺新升，陆爽，鄂世举. 三菱可编程序控制器应用技术. 机械工业出版社，2010年3月第1版第1次印刷。6 何军. 电机维修与拆装技术. 电子工业出版社，2009年6月第一次印刷。第25页 共页