基于PLC的盐碱分离离心机设计

摘 要本次课程设计的课题是基于PLC的盐碱分离离心机。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。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。在设计工作的结尾，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。关键词：PLC 盐碱分离离心机 目 录第一章PLC的概述.4（一）PLC的定义4（二）PLC的产生与发展4（三）PLC的特点5（四）PLC的基本结构6（五）PLC的工作原理7第二章盐碱分离离心机的方案设计 .9 （一）盐碱分离离心机的控制要求.9（二）盐碱分离离心机的工作原理.10第三章硬件的设计.11（一）PLC的选型.11（二）选用FX2N系列PLC的原因.12（三）参数的计算15（四）主电路17（五）控制电路（外部接线图）17第四章.软件的设计19(一)盐碱分离离心机的顺序功能图.20（二）地址分配表.21（三）PLC控制系统的梯形图22第五章系统的调试.23结束语.25 参考文献.26 前 言大部分厂家均采用离心机为主体的分离系统。其分离机的电气控制系统主要由定时器、中间继电器和堂压器等部分构成。但是体积大、造价高、安装和维修比较麻烦。而可编程控制器是专为在工业环境下而设计的电子系统。以其可靠性高、抗干扰能力强、改造容易、方便等优点，迅速成为电气控制线路的首选。因此对原有的继电器控制系统进行PLC改造，使其线路大大简化、可靠性能的提高，满足了在激烈的市场环境下立于不败之地的迫切需求。 第一章PLC的概述（一）PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。（二）PLC的产生与发展产生：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14 1971年，日本研制出第一台DCS-8 1973年，德国研制出第一台PLC 1974年，中国研制出第一台PLC 发展：20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。（三）PLC的特点1、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，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、编程简单，使用方便PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，这种语言直观易懂并且深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序功能图语言(Sequential Function Chart，SFC),使编程更为简单方便。3、通用性好，组合灵活PLC是通过软件来实现控制的。同一台PLC可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求，充分体现了灵活性和通用性。各种PLC都有各自的系列化产品。同一系列不同机型的PLC功能基本相同，可以互换，还可以根据控制要求进行扩展。4、功能完善，适应面广PLC不仅可以完成逻辑运算、技术、定时和算术运算功能，配合特殊功能模块还可实现定位控制、过程控制和数字控制等功能。PLC既可以控制一台电机、一条生产线，还可以控制一个机群、多条生产线；可以现场控制，也可远距离控制。在大系统控制中，PLC可以作为下位机与上位机或同级的PLC之间进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。5、体积小、功耗低由于PLC是采用半导体集成电路制成的，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点，并且设计结构紧凑，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。6、设计施工周期短使用PLC完成一项控制工程时，在系统设计完成以后，现场控制柜等硬件的设计及现场施工和PLC程序设计可以同时进行。PLC的程序设计可以先在实验室模拟调试，等程序设计好后再将PLC安装在现场统调。由于PLC用软件取代了继电一接触控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等低压电器，因此整个设计、安装、接线的工作量大大减少。7、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。（四）PLC的基本结构PLC生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但基本构成是一样的，都采用计算机结构：（如下图1.4所示）都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。PLC主要有6部分组成：CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出（I/0）接口电路、电源、外设接口、输入/输出（I/0）扩展接口。、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 、输入输出接口电路 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选用电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。图1.4 PLC结构示意图（五）PLC的工作原理1.扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1. 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应一位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O区中对应一位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这和立即输入有些区别。 3. 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第二章 盐碱分离离心机的方案设计1、盐碱分离离心机的控制要求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（如图2.1所示）。按加工工艺的要求共分为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。图2.1 盐碱分离离心机的工艺流程图对应的6个工步的各个电磁阀通断电的状态（如表2.2所示）表2.2 各电磁闸的状态表2、盐碱分离离心机的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。像红血球大小的颗粒，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。 第三章硬件的设计（一）PLC的选型根据盐碱分离离心机的工艺流程图，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是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。 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3.1所示)。图3.1 FX2N系列PLC（二）选用FX2N系列PLC的原因1系统配置即固定又灵活； 2编程简单； 3备有可自由选择，丰富的品种； 4令人放心的高性能； 5高速运算； 6使用于多种特殊用途； 7外部机器通讯简单化； 8共同的外部设备。FX2N-32MR-001型PLC的输入技术参数（如表1所示）。输入电压输入电源输入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，其响应时间可由程序调整为060ms。表1 FX2N-32MR-001的输入技术参数FX2N-32MR-001型PLC的输出技术指标（如表2所示）。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 100V2mA /AC 200V0.1mA以下/DC24V响应时间OFF到ON约10ms1ms0.2ms以下ON到OFF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灯亮表2 FX2N-32MR-001的输出技术指标FX2N-32MR-001型PLC的电源技术参数（如表3所示）。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690mA表3 FX2N-32MR-001的电源技术参数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（如表4所示）。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 以下表4 一般及电源技术指标（三）参数的计算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/7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IFU2.5*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（四） 主电路 （五）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线圈、Y003接KM4线圈、Y004接KM5线圈、Y005接KM6线圈。(PLC外部接线如下图所示。)PLC外部接线图 第四章软件的设计（一）盐碱分离离心机的顺序功能图根据工步及工步转换条件可知，后一工步开始是以前一工步完成为前提的，这是一种典型的顺序控制，非常适宜使用顺序控制设计法编程。由盐碱分离离心机的工艺流程图可知盐碱分离离心机的工作步数和转换条件。根据工步转换的方向，这是典型的单序列结构，系统的顺序功能图（如下图所示）。图中S0表示初始状态，PLC上电作好工作准备；$20表示进料工步，在该工步中控制进料阀、母液阀动作的输出继电器Y0、Y4有输出；$21表示甩料工步，在该工步中控制母液阀动作的输出继电器Y4有输出；$22表示洗盐工步，在该工步中控制洗盐阀、母液阀动作的输出继电器Y1、Y4有输出；$23表示升刀工步，在该工步中控制化盐阀、升刀阀、母液阀动作的输出继电器Y2、Y3、Y4有输出；$24表示间歇工步，在该工步中控制母液阀动作的输出继电器Y4有输出；$25表示清洗工步，在该工步中控制洗盐阀、熟盐水阀动作的输出继电器Y1、Y5有输出。TOT6为定时器，CO为控制小循环次数的计数器，一次小循环结束后，C0的当前值加1，没有循环8次，CO的当前值小于8，返回$20工步，进行下一次小循环；当小循环8次后，C0的当前值等于设定值8，其常开触点闭合，进入清洗工步。 系统的顺序功能图（二）地址分配表根据控制任务要求，可以算出I/O点数，根据输入输出点数以及功能要求选则FX2N-32MR型PC机完全满足控制系统要求。I/O地址分配（如表4.2所示）。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Y005表4.2 I/O地址分配表（三） PLC控制系统的梯形图第五章系统的调试用三菱PLC教学软件FX-TRN-BEG-C进行仿真，仿真界面如图5所示。 图5 仿真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.调试过程如下：按下启动按钮X0,代表Y000（进料阀）、Y004（母液阀）接通的指示灯L0,L4亮.T0计时器同时开始计时。T0计时到，L0灭。T1计时器同时开始计时，指示灯L4亮。T1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，T2计时器同时开始计时。T2计时到，L1灭,代表Y002（化盐阀）、Y003（升刀阀）的指示灯L2,L3亮，T3计时器同时开始计时。T3计时到，L2，L3亮,T4计时器同时开始5s间歇计时间。T4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，T4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T5开始计时，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。 结束语这次毕业设计已经接近尾声，由于经验的缺乏，难免有许多考虑不周全的地方。如果没有导师的督促指导，以及在一起学习的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师伍老师。伍老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩伍老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在编程方面，正因为如此我才能顺利的完成设计。我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我那么多的专业知识。在此，我再说一次谢谢。参考文献1 王柄实 机床电气控制. 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