毕业论文基于PLC的自动加药系统设计.docx

毕业论文基于PLC的自动加药系统设计.docx

《毕业论文基于PLC的自动加药系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文基于PLC的自动加药系统设计.docx（67页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业论文基于PLC的自动加药系统设计

摘要

该系统研究的对象是一种简单且具有一定自动化程度的“自动加药系统”，它不仅能用在锅炉上还能用在其它类型的需加药处理的生产设备及系统中。

控制方案中PLC采用德国西门子S7-200系列可编程控制器，CPU主机选用CPU226，模拟输入模块选用EM235.触摸屏采用SIEMENSTP170系列彩色触摸屏TP170BCOLOR，可以方便的实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能。

由PH在线分析仪、PLC、变频器组成的闭环控制自动加药系统，增强了控制先进性和可靠性。

此套自动加药系统的投入彻底改变了以前人工加药不准带来的经济损失且对于节省人力、降低消耗、确保炉水安全、保证水质的稳定性，产生良好的经济效益和社会效益。

这样就可以实时的检测到加药系统的相关参数，对药液做一些实时的控制。

人机界面和PLC的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更精确。

采用触摸屏与PLC控制，整个加药系统设自动、手动两种可选择的方式，能稳定的给锅炉加药，使炉内水时刻保持一定得药液浓度，保证炉内的各项水指标基本平稳。

能克服老式加药装置加药配药不方便弱点，有效的提高了锅炉的自动化程度。

加药系统操作简单、安全、可靠，设有电机搅拌器、溶解药剂所需时间可根据实际情况设定可控制药液的温度，可完成自动加药及自动清洗等。

关键词：

PLC；触摸屏；加药系统

Abstract

Thispaperstudiesanddiscussesan"AutomaticDosingSystem"whichissimpleandtosomeextentautomatic.Thesystemcanbeusednotonlyintheboilerbutalsoinothertypesofmanufactureequipmentandsystemwheredosingisneeded.withitsproductfeatures,thestructurecanbeveryflexiblecontrolprogram,Itisrelativelyconventionalelectricalcontrolschemeismorereliable,moreaccuratecontrol.IncontrolprogramthePLCadoptsSiemensS7-200seriesprogrammablelogiccontroller,CPUhostCPU226,optionalanaloginputmoduleEM235,touch-screenSIEMENSTP170seriescolortouchscreenseriesTP170BCOLOR.TP170BCOLORtouchscreen,whichisaveryhighperformanceandcost-effective.Soitiseasilytorealizetheoperation,monitoringandparametersettingofthecontrolsystem.Bytheonlineanalyzer,PLC,inverterconsistingofclosed-loopcontrolautomaticdosingsystemtoenhancethecontrolofnatureandreliability.Thissetofautomaticdosingsystemintocompletelychangedthepreviousmanualdosingallowedfortheeconomiclossesandsavemanpower,reduceconsumptionandensuresafetyofboilerwatertoensurethestabilityofwatertoproducegoodeconomicandsocialbenefits.Thiscanbedetectedinreal-timedosingsystemparameters,ontheliquidtodosomereal-timecontrol.

ThecombinationofMan-machineinterfaceandPLCwiththefunctionsoftheirproductscanmaketheconstructionofcontrolprogrambecomeflexible,andcomparetotraditionalelectricalcontrolprogram,thesystemismorereliableandcontrolmoreaccurately.TheuseoftouchscreenandPLCcontrolandthetwoalternativewaysfordosing（manual-automatic）ofthewholesystemincreasesthestabilityofdosingtotheboilersoastomaintainacertainconcentrationofthepharmacyandguaranteethestabilityofthewaterindicatorsintheboiler,andovercomestheinconvenienceduringthedosingandprescribing,soeffectivelyimprovestheautomationoftheboiler.Thedosingsystemwithelectricmixerissimple,safeandreliable.Thetimerequiredfordissolutionofpharmaceuticalcanbesetaccordingtotheactualsituation.Thetemperatureofpharmaceuticalcanbecontrolled.Thedosingandcleaningcanbeautomaticallycompleted

Keywords:

PLC;touchscreen;dosingsystem

第1章绪论

1.1课题背景

工业控制计算机（简称工控机）是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编程序控制器（PLC）则在工控领域中占有主要的地位。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC的定义有许多种，国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

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。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

从结构上，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。

它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。

据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。

2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。

新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。

但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

（1）微型、小型PLC功能明显增强

（2）集成化发展趋势增强

（3）向开放性转变

随着微处理器、网络通信、人机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。

PLC也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。

可实现高精度要求生产线控制，循环控制，精确的测控，材料检测等等。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

发展趋势如下：

（1）更快的处理速度，多CPU结构和容错系统

（2）编程语言与工具日趋标准化和高级化

（3）强化PLC的连网通讯能力

（4）记忆容量大，采用专用的集成电路，实用性增强

（5）向小型化、高机能的整体型发展

1.2锅炉控制研究的背景和意义

随着社会生产的发展，人类社会对能源的需求不断增加，我国是世界能源生产大国，也是能源消耗大国但人均占有量远低于世界平均水平，这就使得节约能源在我国显得尤为重要。

锅炉是一次性能源煤炭石油天然气转换成二次能源蒸汽量的重要动力设备。

据有关资料统计，目前我国有各类工业锅炉约25万多台。

每年耗煤量占全国产量的1/3，同时还消耗大量的石油和天然气。

工业锅炉是生产过程中的重要动力设备。

在石油化工领域，它的主要作用是向各生产装置提供所需要的合格蒸汽，其控制质量的优劣不仅关系到锅炉自身运行的效果，而且还将直接影响到相关装置生产过程的稳定性。

锅炉是工业生产和人们生活中使用广泛的设备之一，锅炉水的处理工作，对确保锅炉安全、经济运行、节约燃料有着重要的意义，它是锅炉运行中的一项重要的技术基础工作．如果锅炉给水没有经过水处理或水处理不当，不但会缩短锅炉的使用寿命、浪费燃料，甚至会造成重大设备事故和人员伤亡．随着自动控制技术的飞速发展和广泛应用，锅炉的控制系统和控制方案越来越引起人们的重视，而且对控制系统的要求越来越高。

在电力、石油、化工、冶金工业、环境工程、水处理等领域中常需要将某种液体连续自动地注入到另一种液体中成为一种混合液,或者使加入的药剂与液体中存在的某种组份发生化学反应,以达到预期的工艺要求。

为达到最佳效果,在工况变化的情况下,对所加化学药剂量自动跟踪调节控制加药速度,为了保证锅炉正常工作及节能的需要，生产过程各主要工艺参数必须严格控制。

目前，锅炉给水加药大多数采用人工调节，不能准确地将PH值控制在规定的范围内，不仅严重浪费大量的中和剂，而且造成了热力系统的电化学腐蚀。

因此利用PLC和触摸屏来控制整个系统的加药，自动根据给水的PH值的变化连续调节加药量，合理控制加药量，是保障安全生产、经济运行的需要，是节省人力、提高自动化管理水平的需要。

本次设计主要是研究锅炉的自动加药处理，它是通过向锅炉内投入一定数量的软水剂，使锅炉给水中的结垢物质转变成泥垢，然后通过排污将泥垢从锅内排出，从而达到减缓或防止水垢结生的目的。

当今随着以半导体功率器件为核心的电力电子技术的发展和以计算机为代表的控制技术的突飞猛进，水质在线检测仪表、变频器技术和PLC的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面。

水质在线仪表是生产现场最直接的检测设备，被称为自动化的“眼睛”，其准确性直接影响到自动化的控制精度。

变频技术的不断发展和成熟，以其明显节能的效果、高可靠性、较高功率因数及效率等诸多优点，成为当今电气拖动系统的佼佼者。

可编程控制器是近年来发展起来的并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置，它已成为解决自动控制问题的最有效工具之一，它编程简单并且稳定可靠越来越受到人们的重视，PLC可以用于各种工业过程的闭环控制。

当前自动加药系统已广泛采用PLC自动控制技术、变频调速技术取代传统的直流调速系统。

一些中小型锅炉的加药装置是通过人工进行一些简单的配药，在利用锅炉给水泵的水压或加药泵一次性把药加入锅炉，这种加药装置使用起来不方便，且药量浪费量大，锅炉加药大多数采用人工调节，不能准确将PH值控制在规定的范围内，不仅严重浪费大量中和剂，而且造成了热力系统的电化学腐蚀，甚至导致凝汽器的断裂，造成停机事故的发生，因此，设计并开发锅炉给水加药自动控制系统，自动根据给水PH值的变化连续调节加药量，合理控制加药量，进而避免锅炉及管路的腐蚀，是保障安全生产、经济运行的需要，又是节省人力、提高自动化管理水平的需要。

该系统具有一定的自动化程度，控制方案中人机界面和PLC的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更精确。

1.3课题研究的主要内容

课题主要研究的是对锅炉的测量与控制，本课题运用的是PLC控制，将检测到的各个数据传PLC，经PLC对数据处理后输出到相应的执行设备上。

这样就可以实时的检测到加药系统的相关参数，对药液做一些实时的控制。

本次设计要求对药液的浓度、温度等进行实时检测，把检测到的数据通过PLC的数据处理输出到人机界面。

课题的主要内容如下：

（1）按照操作逻辑，设计测控系统人机界面。

人机界面的功能分为三部分：

控制功能，监控功能，参数设定功能。

（2）按照系统要求，设计系统流程图。

对药液的温度、浓度等信号进行采集。

（3）设计系统主要数据采集和数据处理程序。

根据系统流程图，通过温度传感器采集温度，液位传感器采集到数值，通过PLC处理，信号的程序设计的主要是PLC程序，输出到相应的设备上。

1.4锅炉加药处理的特点及应注意的问题

一、锅炉加药的特点

锅炉的自动加药处理是通过向锅炉内投入一定数量的软水剂，使锅炉给水中的结垢物质转变成泥垢，然后通过排污将泥垢从锅内排出，从而达到减缓或防止水垢结生的目的。

锅炉的自动加药处理有以下特点：

⑴锅炉的自动加药处理不需要复杂的设备，故投资小、成本低，操作方便。

⑵锅炉的加药处理法是最基本的水处理方法，又是锅外化学水处理的继续和补充。

经过锅外水处理以后还可能有残余硬度，为了防止锅炉结垢与腐蚀，仍加一定的水处理药剂。

⑶锅炉的自动加药处理还不能完全防止锅炉结生水垢，特别是生成的泥垢，在排污不及时很容易结生二次水垢。

⑷锅炉内加药处理法对环境没有污染，它不像离子交换等水处理法，处理掉天然水多少杂质，再生后还排出多少杂质，而且还排出大量剩余的再生剂和再生后产物。

而锅炉加药处理方法，是将水中的主要杂质变成不溶性的泥垢，对自然不会造成污染。

⑸锅炉内加药处理法使用的配方需与给水水质匹配，给水硬度过高时，将形成大量的水渣，加快传热面结垢速度。

因而一般不适用高硬度水质。

二、锅炉加药应注意的问题

由于锅炉在运行中，因凝汽器的渗泄漏和炉水大量蒸发而引起的炉水盐分极度浓缩，会造车炉管积盐、结垢。

以前人们投入一套手动加药系统每天人员分几班倒，人工取样实验室分析炉水的PH值，靠人为经验配药后开启手动加药泵加药。

因取样不及时、实验室仪表不准确、人的素质参差不齐登因素造成了系统加药不理想，该加的时候不加，不加的时候又大量加，这样不仅浪费了大量的人力物力，最关键的是造成了锅炉设备腐蚀程度严重加剧。

因而采用自动加药系统。

当药液的浓度超过给定值时停泵，反之则启动泵。

1、先除垢后防垢

　　采用锅内加药处理前，应将锅炉内老垢清除，以免锅炉运行后，造成大量水垢脱落，引起水循环通路与排污管路堵塞。

2、运行控制与管理

　　采用锅内加药处理除对水源水质有严格要求外，还应经常注意水源水质，如硬度、碱度和氯根的变化情况。

运行汇总要控制锅水水质在标准的范围内，并检查锅炉防垢效果以及观察排污水清、浊情况。

3、锅炉排污

　　锅内加药处理都必须注意排污。

如果排污不当，锅内沉积水渣过多，将会影响锅炉水循环或在锅炉受热面上生成二次水垢。

因此锅内加药处理必须通过排污，使锅水水质维持在水质标准范围之内。

采用间断加药方法时，一般应先排污再加药。

4、定期停炉检查

　　锅内加药处理效果如何，只有在停炉检查时才能看到，所以，一般锅炉运行4～6个月时，应停炉检查防垢效果。

根据实际情况调整锅内加药量和排污方式，并及时清除锅内水渣。

5、水处理方法的选择

　　各用炉单位应根据设备条件、对蒸汽品质的要求及水处理材料的来源等不同情况，本着因炉、因水、因地制宜的原则，合理地选择水处理方法。

第2章硬件设计

2.1控制方案选择

PLC与继电器均可以用于开关量逻辑控制。

PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系。

PLC的控制功能主要是用软件（即程序）实现的，继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器和硬件接线实现的。

PLC采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能强大得多。

继电气系统的可靠性差，诊断与排除复杂的继电器系统的故障非常困难。

梯形图程序中的输出继电器等是一种“软继电器”，它们的功能是用软件来实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于接触不良的缺点。

PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。

而继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。

PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。

继电器系统要在硬件安装、接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时间也很多。

PLC控制系统的开关柜制作、现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。

一些中小型锅炉的加药装置是通过人工进行一些简单的配药，在利用锅炉给水泵的水压或加药泵一次性把药加入锅炉，这种加药装置使用起来不方便，且药量浪费量大，难以做到准确控制，还容易造成炉水总碱度过高，排污量大，对生产不利。

该系统是一种简单的且具有一定的自动化程度的“自动加药系统”，不仅能用在锅炉上还能用在其他类型的需加药处理的生产设备及系统中。

控制方案中人机界面和PLC的有机结合，借助其产品的功能，能够很灵活的构造控制方案，它相对传统的电气控制方案具有更高的可靠性，控制更精确。

下面重点讨论各系统如何利用功能以实现加药系统的工艺要求。

该加药系统的控制核心采用可编程控制器，配置常规电气控制系统。

一般来说，加药系统的控制并不复杂，但对工艺过程却有较为严格的要求。

根据锅炉的加药系统的具体特点，可以在原有的加药系统的基础上改造或加装触摸屏和PLC自动控制系统。

本设计由PH在线分析仪、PLC、变频器组成的闭环控制自动加药系统，增强了控制先进性和可靠性。

此套自动加药系统的投入彻底改变了以前人工加药不准带来的经济损失且对于节省人力、降低消耗、确保炉水安全、保证水质的稳定性，产生良好的经济效益和社会效益。

2.1.1S7-200工作原理

一、扫描周期

S7-200CPU连续执行用户任务的循环序列称为扫描。

可编程控制器的一个机器扫描周期是指用户程序运行一次所经过的时间，它分为读输入（输入采样）、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断及写输出（输出刷新）等五个阶段。

PLC运行状态按输入采样、程序执行、输出刷新等步骤，周而复始地循环扫描工作，如图2-1所示。

图2-1S7-200的扫描周期

（1）读输入阶段，对数字量和模拟量的输入信息进行处理。

对数字量输入信息的处理：

每次扫描周期开始，先读数字输入点的当前值，然后将该值写到输入映像寄存器区域。

在之后的的用户程序执行过程中，CPU将访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口状态，因此输入信号的变化不会影响输入映像寄存器的状态。

通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应。

对模拟量输入信息的处理：

在处理模拟量的输入信息时，用户可以对每个模拟量通道选择数字滤波器，即对模拟通道设置数字滤波功能。

对变化缓慢的输入信号，可以选择数字滤波，而对高速变化的信号不能选择数字滤波。

如果选择了数字滤波器，则可以选择低成本的模拟量输入模块。

CPU在每个扫描周期将自动刷新模拟输入，执行滤波功能，并存储滤波值（平均值）。

当访问模拟量输入时，读取该滤波值。

对于高速模拟信号，不能采用数字滤波器，只能选用智能模拟量输入模块。

CPU在扫描过程中不能自动刷新模拟量输入值，当访问模拟量时，CPU每次直接从物理模块读取模拟量。

（2）执行程序。

在用户程序执行阶段，PLC按照梯形图的顺序，自左而右、自上而下地逐行扫描。

在这一阶段，CPU从用户程序第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。

在此阶段，允许对数字量立即I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理。

在扫描周期的各部分，均可对中断事件进行响应。

（3）处理通讯请求。

在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯端口接收到的信息。

（4）执行CPU自诊断测试。

在此阶段，CPU检查其硬件、用户程序存储器和所有的I/O模块状态。

（5）写输出。

每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中），更新输出状态。

在CPU操作模式从RUN切换到STOP状态时，数字量输出可以设置为输出表中定义的值或保持当前值；模拟量输出保持最后写的值；缺省设置时，默认是关闭数字量输出。

按照扫描周期的主要工作任务，也可以把扫描周期简化为读输入、执行用户程序和写输出三个阶段。

二、CPU的工作方式

（1）S7-200CPU有两种工作方式

STOP（停止）。

CPU在停止工作方式时不执行程序，此时可以向CPU装载程序或进行系统设置。

RUN（运行）。

CPU在RUN工作方式下运行用户程序。

CPU前面板上用两个发光二极管显示当前的工作方式。

在程序编辑、上/下载等处理过程中，必须把CPU置于STOP方式。

（2）改变工作方式的方法：

使用PLC上的方式开关来改变工作方式。

使用STEP7-Mirco/WIN32编程软件设置工作方式。

在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。

（3）使用工作方式开关改变工作状态。

用位于CPU模块的出/入口下面的工作方式开关选择CPU工作方式。

工作方式开关有三个档位：

STOP、TERM（Terminal）、RUN.

把方式开关切到STOP位，可以停止程序运行。

把方式开关切到RUN位，可以启动程序的执行。

把方式开关切到TERM（暂态）或RUN位，允许STEP7-Micro/WIN32软件设置CPU的工作状态。

如果工作方式开关设置为STOP或TERM，则电源上电时，CPU自动进入STOP工作状态；如果设置为RUN，则电源上电时，CPU自动进入RUN工作状态。

还可以使用编程软件改变工作方式。

2.1.2方案概述

加药系统组成包括：

基础平台、不锈钢搅拌装置、不锈钢管道、安全阀、液位传感器、温度传感器、PH在线分析仪、PLC与触摸屏等。

（1）该加药系统控制方案