拌胶机控制系统PLC设计

《拌胶机控制系统PLC设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拌胶机控制系统PLC设计（45页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 本科生毕业设计 第 页拌胶机控制系统 PLC 设计摘 要随着我国基础设施建设及国家与地方对高速公路、铁路、及县乡公路、城市建设的投资力度进一步加大，随着通乡达村公路的大规模修建、小城镇建设大规模改造，各型混凝土搅拌机必将有广阔的市场前景，为此作为设备制造单位如何提供质优价廉性能可靠，节能环保，维护方便的混凝土搅拌机，应用了西门子 S7-300 系列 PLC 完成该系统的控制。搅拌机控制系统的刨花由螺旋给料机供给，压力传感器检测刨花量。胶由胶泵抽给，用电磁流量计检测胶流量；刨花和胶要按一定的比率送到搅拌机内搅拌，然后将混料供给下一道工序蒸压成型。刨花量和胶流量恒定，并有一定的比例关系。双轴搅拌

2、机采用双轴对向搅拌，搅拌机的喷胶器使胶呈雾状喷射到刨花中。该系统配备的混胶器可以使固化剂与胶在其中混合，而不是把固化剂加到调胶罐中。本系统具有搅拌均匀、施胶量低等功能。调胶系统采用 PLC 集中控制，PLC 根据各部传感器得到刨花的重量、含水率，来调整施胶量的固体含量。使施胶后的刨花含水率控制在理想的状态上。这样的优点是在生产线临时停机时，可以避免胶的浪费。因此，为企业及国家节省了大量的资金和生产原料。关键词：PLC；PID；S7-300；变频器 本科生毕业设计 第 I 页Mix the Gum MachineControl System Design Besed on PLCABSTRACT

3、With Chinas infrastructure construction and the national and local to the highway, railway, highway, city and county and township government investment in the construction of the township to increase, with the large-scale construction of village highway construction of small towns, large scale trans

4、formation, each concrete mixer will have broad market prospect, and therefore as equipment manufacturing unit how to provide high quality and reasonable price reliable performance, energy conservation and environmental protection, maintenance convenient the concrete mixer, the Siemens PLC applicatio

5、n series s7-300 series to complete the system control PC. Mixer control system by two-stage spiral feeder supply pressure sensor detection processes, quantity. By glue pumps to glue, glue with electromagnetic flowmeter test flow; Particle and glue to at a certain rate to stir the mixer, and then wil

6、l mixing supply a process under autoclave to shape. Paring quantity and plastic flow, and a certain constant relationship of scale. Dual axle mixer used for mixing, blender to further the spray adhesive glue is an hazy spray into the particle. The rubber mixing system equipped with the machine can m

7、ake curing agent and the rubber in the mix of, rather than the curing agent added to the glue tank. This system has a stir well, glue low quantity function. Adjustable glue system USES PLC centralized control, PLC according to get the weight of each sensor pre-press, moisture content, to adjust the

8、amount of glue solid content. Make glue of moisture content in pre-press after control ideal state. Such advantages in production line is temporary, can avoid glue when stop waste. Therefore, the enterprise and government to save a lot of money anraw material. key words： PLC；PID；S7-300；Frequency Con

9、verter 本科生毕业设计 第 II 页目目 录录摘 要 .IAbstract .II1 绪论 .12 拌胶机控制系统的设计方案 .42.1控制系统的工艺过程及控制要求.42.2系统的控制方案.52.3基于 PLC 的拌胶机控制系统的特点.72.3.1施胶机具有如下主要特点.72.3.2拌胶机对比传统拌胶系统特点.73 PLC 技术概述.83.1 PLC 的基础知识.83.1.1 可编程控制器.83.1.2 PLC 的结构.93.1.3 PLC 的特点.103.1.4 PLC 的基本功能.113.1.5 PLC 软件系统.123.1.6 PLC 的发展趋势.133.2 西门子 S7-300

10、软件概述.133.2.1 西门子 S7-300 系列 PLC 的一般特性.133.2.2 西门子 S7-300 系列 PLC 的基本硬件组成.153.2.3 STEP 7- V5.4(西门子 S7-300 编程软件).174 搅拌机硬件系统设计.194.1 PLC 的选型.194.2控制系统的仪表选用.215 搅拌控制系统软件设计 .235.1 可编程控制器在模拟量闭环控制中的应用.235.1.1PID 控制器的数字化.23 本科生毕业设计 第 III 页5.1.2 回路输入输出变量的转化与标准化.265.2 搅拌机系统程序流程图.27总 结 .28致 谢 .29参考文献 .30附录:程序 .

11、31 本科生毕业设计 第 0 页1 绪论刨花板又称碎料板，是将木材加工剩余物、小径木、木屑等物切削成一定规格的碎片，经过干燥，拌以胶料，硬化剂、防水剂等，在一定的温度、压力下压制成的一种人造板。定向刨花板是刨花板新品种之一，刨花铺装成型时，将搅拌刨花板按其纤维方向纵行排列，从而压制成的刨花板。这种刨花板的形状要求长宽比较大，而厚度比普通刨花板的刨花略厚。定向铺将的方法有机械定向和静电定向。前者适用于大刨花定向铺装，后者适用于细小刨花定向铺装。定向刨花板表面覆以锯末、碎屑等细料，芯部充以定向刨花的结构板材。该板为五层结构：上下两表层细料，中间两层纵向定向刨花，芯层横向定向刨花。板坯可在连续式多头

12、成型机上一次铺装。可作板式家具的承载构件（侧主板、搁板等） 。由于定向刨花板在某一方向具有较高强度的特点，可以按照胶合板的构成原理，使定向的表层刨花与定向的芯层刨花互相垂直交错，形成三层以至五层结构定向刨花板。其性能与胶合板相似，常代替胶合板做结构材使用。这是一种新型结构板，在充分利用小径材、速生材，提高木材利用率等方面，有其广阔的前景1。随着科学技术的迅速发展，工业生产对自动化程度的要求越来越高，对工业控制的方便性，高效性及准确性提出了更高的要求。随动系统是生产过程中重要的控制环节，所谓的随动系统是指当某参数量的变化规律为无法预先确定的时间函数时，其被控量能够以一定的精度跟随参量变化的控制系

13、统，它在化工、冶金、轻工等行业的控制系统中广泛存在。PC 或 PLC 即可编程序控制器，是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备，具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，被广泛应用于自动化控制的各个领域，并成为实现工业自动化的支柱产品。近年来，国内在 PC 技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多的采用 PC 控制系统取代传统的继电器、接触器控制系统。国产化的小型 PC 性能也基本达到同类国外产品的技术指标。目前 PC 已广泛用于冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通、运输等各个行业。随着PL

14、C 功能模块及控制指令的完善，在随动控制系统中替代了常规的继电器件及仪表控制，使随动系统更加准确，灵活，且故障率低，因此以 PLC 为核心的随动系统到了越来越广泛的应用。 本科生毕业设计 第 1 页工剩余物、小径木、木屑等切削成一定规格的碎片，经过干燥、拌以胶料、硬化剂、防水剂，在一定的温度下压制而成的一种人造板材。论文在简单介绍 PLC 的基础上，通过分析控制系统的要求，采用了 PLC 的功能模块，设计了以 PLC 为核心的随动控制系统，系统的控制均采用可编程序控制器实现。本文所设计的系统的 PLC 控制的搅拌机控制系统2。 普通刨花板的强度没有同规格的胶合板强度高，但制造胶合板所使用的原木

15、质量要求较高，并且木材利用率较低。因此，在刨花板生产中开辟了一个新的分支，这就是采用特殊的加工工艺，用细径劣质材制造出具有定向结构的高强度新型刨花板，即定向刨花板。定向刨花板（Oriented Strand Board,缩写 OSB）是 20 世纪 70 年代在欧美发展起来的一种新型木质人造板材，它以小径材、间伐材、木芯等为原料，通过专用设备加工成长 40mm100mm、宽 5mm20mm、厚 0.3mm0.7mm 的长条刨花，再经干燥、施胶、铺装、热压成型的一种人造板。定向刨花板在我国生产和销售约有十年时间，但发展速度比较缓慢，而在欧洲、北美、韩国、日本等地发展迅速，具有较大的市场。OSB

16、的生产工艺过程为：小径木运入工厂 贮存于楞场 圆筒式剥皮机 金属探测 冲洗 刨片 湿刨花料仓 气流式圆筒干燥机 圆纲筛选机 面层和芯层干料仓 定量秤 滚筒式搅拌机 定向铺装线 （截断） 检测 热压 （截断） (锯边) 冷却 (砂光) 检验 包装入库。定向刨花板的特点：1、原料来源广，价格低定向刨花板的原料主要为软质针叶材、阔叶材的小径木、抚育间伐材等，如桉树、杉木、杨木间伐材等，来源广泛，价格一般在每立方米 250-350 元。在天然林资源日益匮乏、大径材减少的情况下，人造板的原料将逐渐转向依靠人工速生林以及对小径材的充分利用，定向刨花板符合这种趋势。2、产品性能优良定向刨花板保持了木材纵向强

17、度大、尺寸稳定性高的天然优越性，同时克服了木材的某些先天不足，如幅面小、有节疤缺陷等。定向结构刨花板线膨胀系数小，稳定 本科生毕业设计 第 2 页性好，握钉力较高，纵向抗弯强度比横向抗弯强度高得多，可用作结构材料。3、产品用途广泛从加工性能、加工质量、使用寿命、经济效益等方面衡量，定向结构刨花板是家具制造、室内装修的理想材料；在车船制造等方面，定向刨花板也能得到很好的使用，可用于车厢壁板、地板、隔板等；定向刨花板还可用于包装板、音箱、箱包的内衬板、工艺品等3。 本科生毕业设计 第 3 页2 搅拌机控制系统的设计方案2.1 控制系统的工艺过程及控制要求定向刨花板生产工艺：普通刨花板是以小径木、枝

18、桠材、木材加工剩余物、非木质农作物剩余物等为原料，经刨花制备、干燥、铺装成型热压等工段而制成的一种人造板。产品可用于家具、建筑、包装、车辆和船舶内部装修，以及经二次加工可制作饰面刨花板等等。以下是各工段工艺流程的简单说明： 1、备料工段刨花板生产线原料经削片、筛选后送到木片料仓进行过渡储存。木片经运输机送到刨片机中进行刨花制备，制备后的刨花经运输机送到湿刨花料仓中进行过渡储存。 2、干燥分选打磨工段湿刨花经运输机送到转子式刨花干燥机进行干燥，经过干燥的刨花通过刨花分选（筛选）合格的芯层干刨花经运输机被送往芯层干刨花料仓过渡储存。过大的刨花经打磨机打磨后被送往表层干刨花料仓过渡储存。 3、调胶树

19、胶施胶工段合格的表芯层干刨花经运输机、刨花计量料仓分别计量后送到拌胶机中，同时调供胶工段将工艺所要求的胶液送到拌胶机中，刨花和胶液在表芯层拌胶机的充分搅拌下， 达到均匀混合充分施胶的效果。 4、铺装热压成型工段(年产 3 万以上生产线）施胶后的刨花经皮带运输机送至机械分级铺装机，由机械分级铺装机组铺装出均匀平整的板坯。板坯经永磁除 铁器、预压机、纵向锯边机、横截锯、加速运输机、称重运输机和储存运输机、装板运输机等工序送到装板机的装 机吊笼中，由装机吊笼将板坯送到多层热压机中进行热压 成型，经多层热压机热压成型的毛板同时由装板小车托盘推到卸板机中。 5、后处理工段停留在卸板机中的毛板经卸板运输机

20、送至冷却进板运输机，由冷却进板运输机送到凉板机中进行冷却。在凉板机中停留（冷却）后的毛板由冷却出板运输机送到纵横 本科生毕业设计 第 4 页裁边截断机进行裁边分割，最后经干板运输机运至升降台堆垛。 6、后期加工主要包括对从热压机中取出的板材进行冷却、裁边、砂光、检验、分等、修补等加工。冷却处理可在封闭的装置内采用强制通风的方法，也可用自然通风冷却。目前常用的冷却设备是星形冷却器。裁边就是将毛边板锯成符合尺寸要求的成品，使用的设备多为纵横联合锯边机。砂光能够减少板的厚度公差，消除板面缺陷，使板面光洁，便于使用和进行表面装饰。目前多用宽带式砂光机进行砂光处理。砂光后的板材经过分等、检验，对裂缝、鼓

21、泡等缺陷进行修补后，就可送入成品仓库。刨花由螺旋给料机供给，压力传感器检测刨花量。胶由胶泵抽给，用电磁流量计检测胶流量；刨花和胶要按一定的比率送到搅拌机内搅拌，然后将混料供给下一道工序蒸压成型。其工艺流程如图 2.1 所示。 图图 2.1 工艺流程图工艺流程图系统要求刨花量和胶量恒定，并有一定的比例关系，即胶量随刨花量的变化而变化，精度要求小于 3%4。2.2 系统的控制方案根据控制要求，刨花系统的特点是刨花形态的质量好，生产率高，刨削体积刨花的单位能耗低，自动化程度高，操作维修方便，安全可靠性高，是理想的高品质刨花制备设备。在 PID 控制中，积分控制的特点是：只要还有余差（即残余的控制偏差

22、）存在，积分控制就按部就班地逐渐增加控制作用，直到余差消失。所以积分的效果比传传传传传传传M传传传传传传传传传传传传传传M传传传传传 本科生毕业设计 第 5 页较缓慢，除特殊情况外，作为基本控制作用，缓不救急。微分控制的特点是：尽管实际测量值还比设定值低，但其快速上扬的冲势需要及早加以抑制，否则，等到实际值超过设定值再作反应就晚了，这就是微分控制施展身手的地方了。作为基本控制使用，微分控制只看趋势，不看具体数值所在，所以最理想的情况也就是把实际值稳定下来，但稳定在什么地方就要看你的运气了，所以微分控制也不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题，比例控制的反应快，稳定性好，是最基本的控制作用，

23、积分、微分控制是对比例控制起增强作用的，极少单独使用。在实际使用中比例和积分一般一起使用，比例承担主要的控制作用，积分帮助消除余差。微分只有在被控对象反应迟缓，需要在开始有所反应时，及早补偿，才予以采用。只用比例和微分的情况很少见。刨花回路采用比例控制，胶回路采用 PI 控制，其控制原理框图如图 2.2 所示。选择开关 SA 用于随动方式/胶设定方式的转换。图图 2.2 控制原理框图控制原理框图本文设计的搅拌控制系统采用的是电磁流量计、压力传感器和智能电动执行器。电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏

24、污流、腐蚀流的测量。优点:传传传传传传传传传传传传传传传传传-传传传传传传传传传SA+-PI传传传传传传传传传传 本科生毕业设计 第 6 页1、测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；2、不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好；3、所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；4、流量范围大，口径范围宽；5、可应用腐蚀性流体。缺点:1、不能测量电导率很低的液体，如石油制品；2、不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；3、不能用于较高温度5。2.3基于 PLC 的拌胶机控制系统的特点2.3.1 施胶机具有如下主要特

25、点施胶机具有如下主要特点1、采用螺旋进料，保证先进料先施胶，后进料后施胶，避免有些刨花重复施胶；2、改进了冷却系统，上、下壳体和中轴无不流动死角，冷却均匀；3、低速搅拌，不使刨花破损；4、改进了注胶位置和方式，保证施胶均匀； 设备特别适用于施胶量少的麦秸杆生产线和保证刨花形态的定向刨花板生产线，对原刨花生产线也可以做到在保证同等物理力学性能的基础上，施胶量降低 8%2.3.2 拌胶机对比传统拌胶系统特点1、树脂消耗量减少 58%；2、对比前一代搅拌机有更好的板子技术性能；3、稳定的技术指标；4、一周清理一次搅拌机；5、减小边缘速度使得机器磨损减少 50%；6、几乎不因为混合而破坏刨花形态6。

26、本科生毕业设计 第 7 页3 PLC 技术概述3.1 PLC 的基础知识3.1.1 可编程控制器可编程控制器简称 PC（英文全称：Programmable Controller） ，是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。它经历了可编程序矩阵控制器 PMC、可编程序顺序控制器 PSC、可编程序逻辑控制器 PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器 PC 几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 198

27、7 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”它具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。但对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能和数字式控制，而且要实

28、现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，而且易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。随着科学技术的飞跃发展，PLC 也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为 PLC。国际电工委员会(IEC) 在 1987 年 2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类

29、型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 本科生毕业设计 第 8 页3.1.2 PLC 的结构1、中央处理单元(CPU)PLC 的 CPU 与通用微机的 CPU 一样，是 PLC 的核心部分，它按 PLC 中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；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及 PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在 PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，

30、去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。以上这些都是在 CPU 的控制下完成的。PLC 常用的 CPU 主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。2、存储器存储器（简称内存） ，用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM） 。一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。PLC 配有系统程序存储器和用户程序存

31、储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用 EPROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用 RAM，若程序不经常修改，也可写入到 EPROM 中；存储器的容量以字节为单位。系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。3、PLC 电源PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的 PLC，还是中、大型的 PLC 其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负 10%(15%)

32、之间，因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上去。4、输入/输出（I/O）模块 本科生毕业设计 第 9 页I/O 模块是 CPU 与现场 I/O 设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC 提供了各种操作电平和输出驱动能力的 I/O 模块供用户选用。I/O 模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。5、编程器 编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示 PLC 的一些内部状态和系统参数。它经过接口与 CPU 联系，完成人机对话。编程器分简易型和智能型两种。简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与 PLC 连接

33、。智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离 PLC 插到现场控制站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。图图 3.1 PLC 结构图结构图3.1.3 PLC 的特点 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。 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，

34、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 本科生毕业设计 第 10 页流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合，可用于各种数字控制领域。近年来 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

35、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。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。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，

36、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4。3.1.4 PLC 的基本功能1、逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是 PLC 的最基本功能之一。PLC 设置有“与” （AND） 、 “或” （OR） 、 “非” （NOT）等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等） 。2、定时控制功能定时控制功能是 PLC 的最基本的功能之一。PLC 中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。3、计数控制功能计数控制功能是 PLC 的最基本功

37、能之一。PLC 为用户提供了许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到） ，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。 本科生毕业设计 第 11 页4、数据处理功能PLC 大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。5、回路控制功能有些 PLC 具有 A/D、D/A 转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。6、监控功能PLC 设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可对 PLC 有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变 PLC 内部逻辑信号的状态及

38、数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。7、停电记忆功能PLC 内部的部分存储器所使用的 RAM 设置了停电保持器件（如备用电池等） ，以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持 PLC 断电后的数据内容不变。PLC 电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。8、故障诊断功能PLC 可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。PLC 的故障自诊断功能，大大提高了 PLC 控制系统的安全性和可维护性。3.1.5 PLC 软件系统PLC 的软件系统是指 PLC 所

39、使用的各种程序的集合。它包括系统程序和用户程序。 1、系统程序 系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由 PLC 生产厂家提供，并固化在 EPROM 中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。 2、用户程序 用户程序是用户根据现场控制的需要，用 PLC 的程序语言编制的应用程序，用以 本科生毕业设计 第 12 页实现各种控制要求。用户程序由用户用编程器键入到 PLC 内存。小型 PLC 的用户程序比较简单，不需要分段，而是顺序编制的。大中型 PLC 的用户程序很长，也比较复杂

40、，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块。按模块结构组成的用户程序，每个模块用来解决一个确定的技术功能，能使很长的程序编制得易于理解，还使得程序的调试和修改变得很容易。 3.1.6 PLC 的发展趋势由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC 的发展方向如下： 1、产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O 点数达 14336 点、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

41、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软件，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。3.2 西门子 S7-300 软件概述3.2.1 西门子 S7-300 系列 PLC 的一般特性S7-300 由多种模块部件组成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加

42、灵活，满足不同的应用需求。S7-300 有各种不同性能档次的 CPU 可供使用。S7-300 的指令集包含 350 多条指令，包括了位指令，比较指令，定时指令，计数指令，整点和浮点数运算指令等。S7-300 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。1、可靠性高，抗干扰能力强 本科生毕业设计 第 13 页继电.接触器控制系统使用大量的机械触点，连接线路比较繁杂，且触点通断时有可能产生电弧和机械磨损，影响其寿命，可靠性差。PLC 中采用现代大规模集成电路，比机械触点继电器的可靠性要高。在硬件和软件设计中都采用了先进技术以提高可靠性和抗干扰能力。比如，用软件代替传统继电.接触器控制系统

43、中的中间继电器和时间继电器，只剩下少量的 IO 硬件，将触点因接触不良造成的故障大大减小，提高了可靠性；所有矾）接口电路都采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路进行电气隔离；增加自诊断、纠错等功能，使其在恶劣工业生产现场的可靠性、抗干扰能力提高了。 2、灵活性好，扩展性强继电-接触器控制系统由继电器等低压电器采用硬件接线实现，连接线路比较繁杂，而且每个继电器的触点数目有限，当控制系统功能改变时，需改变线路的连接，所以继电.接触器控制系统的灵活性、扩展性差；而由 PLC 构成的控制系统，只需在 PLC的端子上接入相应的控制线即可，减少了接线，当控制系统功能改变时，有时只需编程器在线

44、或离线修改程序，就能实现其控制要求。PLC 内部有现成大量的编程元件，能进行逻辑判断、数据处理、PID 调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能，若元件不够时，只需加上相应的扩展单元即可，因此 PLC 控制系统的灵活性好，扩展性强。 3、控制速度快，稳定性强继电-接触器控制系统是依靠触点的机械动作来实现控制的，其触点的动断速度一般在几十毫秒，影响控制速度，有时还会出现抖动现象。PLC 控制系统由程序指令控制半导体电路来实现，响应速度快，一般执行一条用户指令只需几微秒，PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动现象。4、延时调整方便，精度较高继电-接触器控制系统的延时控制是通过时间继电器来完成

45、的，而时间继电器的延时调整不方便，且易受环境温度和湿度的影响，延时精度不高。PLC 控制系统的延时是通过内部时间元件来完成的，不受环境温度和湿度的影响，定时元件的延时时间只需改变定时参数即可调整，因此其定时精度较高。 5、系统设计安装快，维修方便继电-接触器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，维 本科生毕业设计 第 14 页修比较麻烦。PLC 使用软件编程取代继电.接触器中的硬件接线而实现相应功能，使安装接线工作量减小，现场施工与控制程序的设计还可同时进行，周期短、调试快。PLC 具有完善的自诊断、数据存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的

46、状态均有显示，若控制系统有故障时，工作人员通过它即可迅速查出故障原因，及时排除故障7。 3.2.2 西门子西门子 S7-300 系列 PLC 的基本硬件组成 1、S7-300 系统硬件主要包括以下几个部分： （1） 、信号处理模块； （2） 、接口模块； （3） 、功能模块； （4） 、CPU 中央处理器； （5） 、通讯处理器 ；（6） 、通讯网卡 ；（7） 、工程师、操作员站和操作屏 。2、硬件详细介绍（1）信号处理模块 信号处理模块主要分为四类：开关量输入 DI、开关量输出 DO、模拟量输入 AI、模拟量输出 AO （2）接口模块 接口模块主要用于连接多机架的 PLC 系统，即一个 S7

47、-300 PLC 系统的信号模块如果超过 8 块，就必须配置接口模块进行扩展。 经常使用的接口模块名称和性能 IM360/IM361 接口模块是最为理想的扩展方案； IM360 插入到 CR（中央机架，CPU 所在的机架） ； IM361 插入到 ER（扩展机架，扩展信号模块所在的机架） ； 使用 IM360/IM361 接口模块最多可以扩展 3 个机架，既一个传统的 PLC 系统最多处理 32 个信号模块；（3）功能模块 本科生毕业设计 第 15 页计数器模块：可直接连接增量编码器，实现连续、单向和循环记数；步进电机控制模块：和步进电机配套使用，实现设备的定位任务； PID 控制模块:实现温

48、度、压力和流量等的死循环控制 。（4）CPU 中央处理器 S7-300 总共有多种不同的 CPU； CPU312 IFM ，带集成的数字输入/输出的紧凑型；CPU，用于带或不带模拟量的小系统，最多 8 个模块； CPU313 用于有更多程序设计要求的小型设备； CPU314IFM，带有集成的数字和模拟输入/输出的紧凑型 CPU； CPU 314 用于安装中等规模的程序以及中等指令执行速度的程序；CPU 315/315-2DP 用于要求中到大规模的程序和通过 PROFIBUS-DP 进行分布式配置的设备； CPU316 用于有大量程序设计要求的设备； CPU318-2 用于有要求极大规模的程序和

49、通过 PROFIBUS-DP 进行分布式配置的设备最新推出的 313C 等。 （5）通讯处理器 常用的通讯处理器包括：PROFIBUS-DP 处理器、PROFIBUS-FMS 处理器和工业以太网处理器；PROFIBUS-DP 处理器名称：CP342-5；用于连接 SIEMENS S7-300 和 PROFIBUS-DP 的主/从的接口模块；通过 PROFIBUS 简单的进行配置和编程；支持的通讯协议：PROFIBUS-DP、S7 通讯功能、PGOP 通讯；传输率：9 .612 Mbit/s 自由选择；主要用于和 ET200 子站配合,组成分布式 I/O 系统；PROFIBUS-FMS 处理器名

50、称：CP343-5；用于连接 SIEMENS S7-300 和 PROFIBUS-FMS 的接口模块； 通过 PROFIBUS 简单的进行配置和编程； 支持的通讯协议：PROFIBUS-FMS、S7 通讯功能、PGOP 通讯；传输率：9 .61.5Mbit/s 自由选择； 本科生毕业设计 第 16 页主要用于和操作员站的连接；工业以太网处理器名称：CP343-1； 用于连接 SIEMENS S7-300 和工业以太网接口模块；10/100M bit/s 全双工,自动切换 。接口连接:RJ45、AUI 。支持的通讯协议：ISO、TCP/IP 通讯协议;和 S7 通讯、PGOP 通讯，主要用于和操

51、作员站的连接。 （6）通讯网卡 PC-ADAPTER 用于 PC 的串口和 PLC 的 MPI 口直接连接 ；CP5611 通讯卡,支持 MPI 协议、PROFIBUS-DP 协议、S7 connections；用于工程师站；操作员站和 PLC 的多点连接；CP5613 通讯卡,支持 MPI 协议、PROFIBUS-DP 协议、S7 connections；用于工程师站；操作员站和 PLC 的多点连接；CP1613 通讯卡，支持 ISO 协议、TCP/IP 协议、S7 connections；用于工程师站操作；员站和 PLC 的多点连接；CP5412 A2 通讯卡，支持 PROFIBUS FM

52、S 协议；用于工程师站操作员站和PLC 的多点连接；（7）工程师站、操作员站和操作屏 一台装有 STEP 7 软件的 PC 我们就称之为工程师站，其主要完成系统硬件和组态、符；号编辑以及程序编程等任务； 硬件配置：用于对自动化系统和模块进行参数设置； 网络通讯：用于配置 MPI、PROFIBUS 或工业以太网进行的数据传输； 符号编辑：用于定义符号名称、数据类型和注释，将物理地址名称化； 程序编程：三种编程语言可供选用；语句表（STL） 、梯形图（LAD） 、功能块图 （FBD） ； 本科生毕业设计 第 17 页一台装有 WINCC 软件的 PC 我们就称之为操作员站，其主要完成操作员站画面组

53、态、变量连接、系统报警、变量曲线生成等功能8。3.2.3 STEP 7- V5.4(西门子 S7-300 编程软件) 使用 STEP7 软件可对 S7-300 进行编程。而且，能简单方便地将 S7-300 全部功能加以利用。STEP7 包含了自动化项目中从项目的启动，实施到测试以及服务，每一阶段所需的全部功能。1、硬件要求能够运行所需操作系统的编程器（PG）或者 PC。PG 是专门为在工业环境中使用而设计的 PC 机。它已经预装了包括 STEP7 在内的，用于 SIMATIC PLC 组态，编程所需的软件。CPU:主频 600MHz 以上。RAM：256MB 内存（推荐 512MB） 。剩余硬

54、盘空间：300-600MB（视安装选项不同而定） 。显示设备：XGA，支持 1024*768 分辨率，16bit 以上彩色深度。2、软件要求STEP 7 -V5.4 可以安装在下列操作系统平台上；Microsoft Windows 2000（至少需 SP3）Microsoft Windows XP（至少需 SP1）上诉操作系统需要安装 Microsoft Internet Explorer 6.0（或以上）版本。3、STEP 7- V5.4 软件界面 本科生毕业设计 第 18 页图图 3.2STEP 7-V5.44 搅拌机硬件系统设计4.1 PLC 的选型由于整个系统涉及的基本上是开关量，并且

55、数量不多, 搅拌机控制系统的按扭输入信号有 3 个，其中用于启动、停止、随动选择的 4 个比例开关为开关量信号，数字开关量 12 个指示灯。6 个模拟信号,刨花设定、压力传感器、胶设定、流量计信号 4 个为模拟输入量信号；用于驱动可控硅调速装置及螺旋给料机驱动器，均为 2 个模拟量输出信号。所以用了西门子 S7-300 系列 PLC CPU-313C(图 4.1)作为控制器，并配置了数字量输入/输出模块作为扩展模块。表表 4.1 搅拌机系统设计的搅拌机系统设计的 PLCPLC 数字量输入数字量输入/ /输出统计输出统计名称地址输入/输出数据类型注释显示灯 1Q0.0输出BooL启动标志显示灯显

56、示灯 2Q0.1输出BooL停止标志显示灯显示灯 3Q0.2输出BooL胶设定标志显示灯显示灯 4Q0.3输出BooL胶随动标志显示灯显示灯 5Q0.4输出BooL比例 1 标志显示灯显示灯 6Q0.5输出BooL比例 2 标志显示灯显示灯 7Q0.6输出BooL刨花设定标志显示灯显示灯 8Q0.7输出BooL胶设定标志显示灯显示灯 9Q1.0输出BooL比例 3 标志显示灯显示灯 10Q1.1输出BooL比例 4 标志显示灯故障灯 1Q1.2输出BooL故障 1 标志显示灯故障灯 2Q1.3输出BooL故障 2 标志显示灯启动I0.0输入BooL启动按扭停止I0.1输入BooL停止按扭转换I

57、0.2输入BooL转换按扭 本科生毕业设计 第 19 页比例 1I0.3输入BooL比例 1 按扭比例 2I0.4输入BooL比例 2 按扭比例 3I0.5输入BooL比例 3 按扭比例 4I0.6输入BooL比例 4 按扭根据 I/O 信号的数量、类型以及控制要求，选择 CPU-313C 主机，4 通道模拟量输入/2 通道。这样共有 8 个开关量输入点，8 个开关量输出点，4 个模拟量输入通道，2个模拟量输出通道，满足控制要求。所以用了西门子 S7-300 系列 PLC CPU-313C 作为控制器，并配置了模拟量输入/输出模块作为扩展模块，详细的地址定义如 4.2 表。表表 4.2 搅拌机

58、系统设计的搅拌机系统设计的 PLC 模拟量输入模拟量输入/ /输出统计输出统计名称地址输入/输出数据类型刨花设定PAIW300输入INT胶设定PIW302输入INT流量计PIW304输入INT压力计PIW306输入INT电动执行器 1PQW304输出INT电动执行器 2PQW306输出INTCPU- 313C 特点：本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点，2 输入/1 输出共 3 个模拟量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展值至 168 路数字量 I/O 点或 38 路模拟量 I/O 点。表表 4.3搅拌机系统设计的模块统计表搅拌机系统设计的模块统计表 本科生

59、毕业设计 第 20 页4.2 控制系统的仪表选用表表 4.4 搅拌机系统设计的表仪表选用搅拌机系统设计的表仪表选用仪表名称仪表特点EJA110A差压变送器用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成 4-20mADC 的电流信号输出。 EJA110A 也可以通过BRAIN 手操器或 CENTUM CS/XL 或 HART 275 手操器相互通讯，通过它们进行设定和监控等。E-mag 电磁流量计测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响 低频或多频方波励磁、功耗小、零点稳定、低流速特性优越 可双向测量，具有双向电流，双向脉冲 多种流量显示、空管检测、过程自动诊断 抗干扰性

60、强，EMC（电磁兼容性）指标符合 BS6667 及EN50081-1 标准 使用寿命长，无故障运行时间 20000 小时 防护等级可达 IP68，水下沉浸 10 米 多种通讯方式，通讯接口配置有RS232、RS485、HART、Profibus DP 和 Profibus PA1、流量计在搅拌机控制系统的选用流量计的选用,搅拌机控制系统主要测量胶的流量。搅拌机用的胶属于腐蚀性介质,属于粘稠液体。所以选择了电磁流量计9。2、压力传感器在搅拌机控制系统的选用 本科生毕业设计 第 21 页压力传感器的选用，搅拌机控制系统主要测量刨花的重量。用压力间接的测量刨花的重量。所以选用差压变送器10。3、变频

61、器在液体搅拌机上的应用（1） 、搅拌机的配置及运用搅拌机械在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量的，而搅拌机在实际使用过程中，则不一定要在最大转速下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态；传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械方式调速；机械方式调速会增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态，也使搅拌机设备工作在“大马拉小车”的状态，很不经济。 （2） 、搅拌机变频方案：根据搅拌机配置及运行转矩大的特点，通常是在搅拌机上加装设一套范用型的变频器调速装置；保留搅拌机原工频系统，并与搅拌机的变频系统互为备用可相互切换使用，工频与变频之间设联锁。 （3） 、搅拌机变频调速装置的功能及优点：a、搅

62、拌机变频节能装置为开环调节； b、软启动方式可减小启动冲击电流； c、变频器带有智能保护，故障时可自动停机； d、可根据不同的工艺采用不同的转速； e、通过变频调速实现节能：因为搅拌机的电动机在变频调速方式下运行时的功率与其转速的特性与泵类负载相似，即其运行功率与其转速（频率）的三次方成正比，粘度高的该比例会有所下降（一般会介于二次方与三次方之间） 。故使用变频器方式调速时还会获得很可观的节电率。 本科生毕业设计 第 22 页5 搅拌控制系统软件设计5.1 可编程控制器在模拟量闭环控制中的应用在工业生产中，用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，无论是使用模拟控制器的模拟控制系

63、统还是使用计算机（包括可编程序控制器）的数字控制系统，PID 控制（即比例积分微分控制）都得到了广泛的应用，这是因为 PID控制有以下的优点：1、不需要求出控制系统的数学模型。至今为止，由于非线性和时变性，很难求出许多业控制对象准确的数学模型，因为不能使用自动控制理论中的设计方法。对于这一类系统，使用 PID 控制可以得到比较满意的效果。2、PID 控制器的结构典型，程序设计简单，易于实现，参数调整方便。3、有较强的灵活性和适应性，根据对象的具体情况，可以采用各种 PID 控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的 PID、积分分离 PID、变速积分 PID 等。随着智能控制技术的发

64、展，PID 控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现 PID 控制器的参数自整定，使 PID 控制器具有经久不衰的生命力。用可编程控制器对模拟量进行 PID 控制时，可采用以下几种方法：1、使用 PID 过程控制模块这种模块的 PID 控制程序是可编程序控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。2、用自编的程序实现 PID 闭环控制有的可编程序控制器没有 PID 过程控制模块和 PID 控制用的功能指令，有时虽然可以使用 PID 控制指令，但是

65、希望采用某种改进的 PID 控制算法。在上述情况下，都 本科生毕业设计 第 23 页需要用户自己编制 PID 控制程序7。5.1.1PID 控制器的数字化典型的 PID 模拟控制系统如图(5.1)所示。图中 sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统输出量，PID 控制器的输入输出关系式为： (5.1) 01( )()tM tKc eedtMTi即输出=比例项+积分项+微分项+输出的初始值，(5.1)式中，M(t)是控制器的输出，误差信号 e(t)=sp(t)-pv(t)，Minitial 是回路输出的初始值，Kc 是 PID 回路的增益，Ti 和Td 分别是积分时间常数和微分时间

66、常数。式(5.1)中等号右边前 3 项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成比。如果取其中的一项或两项，可以组成 P、PD 或 PI 控制器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用 PI 控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择 PID 控制方式。计算机模拟量闭环控制系统如图(8.2)所示，虚线部分在可编程控制器内。图中的sp(t)、pv(t)、e(t)、M(n)均为第 n 次采样时的数字量，pv(t)、m(t)、c(t)为模拟量。假设采样周期为 Ts，系统开始运行的时间为 t=0，用巨型积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式（5.1）离散化，第次采样时控制器的输出为： （5.2）11()()jnnnnjMcKceKieMKd ee式中，e(n)是第 n 次采样时的误差值，e(n-1)是第 n-1 次采样时的误差值，Kc、Ki和 Kd 分别是 PID 回路的增益、积分项的系数和微分项的系数。将式（5.2）化简为式，每一次计算只需要保存上一次的误差 e(n-1)和上一次的积分项 MX： （5.3）1()()nnnnnMKceKieMXKd eeCP