PLC与触摸屏在污泥干化系统中的应用Word文件下载.docx

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1.2研究的基本内容与拟解决的主要问题

1.2.1研究的基本内容

本课题是对PLC与触摸屏在污泥干化系统中的应用进行了研究，主要的研究内容有西门子S7-200SMARTPLC程序的编写以及威纶触摸屏界面的设计。

PLC结合触摸屏对污泥干化机进行智能控制，从而对污泥进行干化。

1.2.2主要解决的问题

1、PID控制、温度采集、Modbus通信、间歇运行等程序模块的编写；

2、触摸屏弹窗的制作、元件的地址、数据的格式、与PLC连接的方法等；

3、机器自动运行时，是否按控制逻辑进行运行；

1.3研究的方法与技术要求

1.3.1研究的方法

在网上查阅相关的资料，评估机器控制逻辑的合理性，并且设计好控制逻辑的流程图。

按照控制逻辑完成西门子S7-200SMARTPLC程序的编写以及威纶触摸屏界面的设计。

安装接线无误后，对机器进行调试（即程序仿真），通过触摸屏的操控，机器将按照控制逻辑正常运行，说明程序无误。

1.3.2技术要求

本设计所涉及的程序模块较多，有PID控制、温度采集、间歇运行、Modbus通信等等，调用指令的时候要确保无误。

触摸屏作为操控机器的辅助工具在本设计中起着同等重要的作用，在保证界面简单美观的前提下，还要求元件的地址、数据格式、与PLC的连接地址等和程序对应。

这样才可以保证机器按照控制逻辑正常运行。

第2章总体方案设计

2.1总体方案设计流程图

总体方案设计流程图如图2-1所示，首先进行硬件的选型，合理选择完成这次设计所需要的硬件型号；

其次是制定流程图（即控制逻辑），这是后面步骤的关键；

最后安装好需要的软件，严格按照流程图进行程序的编写以及触摸屏界面的设计，并且进行程序的调试（机器是否按照控制逻辑正常运行）。

图2-1设计方案

2.2系统总体方框图

系统总体方框图如图2-2所示，西门子PLC模块由200SMAURTCPU模块、模拟量模块EMAQ02、温度模块EMAR04组成；

而西门子PLC、威纶HMI、供电电源为总体构成部分，进而对污泥低温干化机进行智能控制。

图2-2总体方框图

第3章硬件选型和软件要求

3.1硬件选型

3.1.1西门子CPU选型

西门子CPU选型如图3-1所示，考虑到I/O接口的个数，合理的选择了西门子200SMARTCPUSR40，这样I/O接口的个数（24输入/16输出）够用，满足控制要求。

图3-1西门子CPU

3.1.2西门子扩展模块选型

西门子扩展模块选型如图3-2所示，涉及到温度的采集（压缩机排气、回气温度，循环回风、出风温度），所以选择了EMAR04（四线制的热敏电阻Pt100）。

涉及到模拟量PID的控制，所以选择了EMAQ02（模拟量输出口和变频器相接），控制外冷风机的运转速度。

EMAR04和EMAQ02都为扩展模块，CPU接入的电源是经过滤波器后220VAC（交流电），两个扩展模块接入的电源都是经过滤波器后再经过变压器（交变直）的24VDC（直流电）。

图3-2扩展模块

3.1.2威纶触摸屏选型

触摸屏选型如图3-3所示，考虑到界面要放置的元件较多，所以选择了10寸屏（型号为MT8102iE）。

这个尺寸的触摸屏用户操作起来方便，触摸屏的显示也更直观，深受用户的喜爱。

触摸屏接入的电源是经过滤波器后再经过变压器（交变直）的24VDC（直流电）。

图3-3触摸屏

3.2软件要求

西门子200SMART的编程软件为STEP7-MicroWINSMART版本为V2.4，软件的编程一般采用LAD（梯形图），梯形图看起来更加直观易懂。

而威纶触摸屏界面设计的软件为UtilityManager版本为6.02.02。

因为最新的版本对旧版本的一些BUG都进行了修复，以及对旧版进行了合理的优化，所以一般会选择最新的版本来做项目的设计。

3.3西门子PLC的优点

西门子PLC作为PLC中的佼佼者，在控制方面具有较强的稳定性，在抗干扰能力方面也比较出色，体积较小，能耗低。

3.4威纶HMI组态的优点

威纶HMI拥有RS422/485接口，可以使用USB、以太网进行远程控制。

并且可以和PLC进行信息交换，实现人机界面的各项功能。

第4章软件设计

4.1总流程图

系统流程图如图4-1所示，在触摸屏将开关打到“自动”的状态，当按下“启动”按钮时，系统为自动运行状态。

循环风机延时5S启动，温度探头采集的温度将会和触摸屏设定的温度进行对比，当“回风温度”小于23℃时，电加热延时5S启动；

温度持续升高，到达25℃时，电加热延时5S停止；

电加热关闭后5S，压缩机启动。

回风温度将持续升高，到达48℃时，上下网带机、切条机、出料螺旋机将做间歇运行（运行60S，停止200S）。

湿泥机作为一个独立的系统，启停只受上限位的控制，上限位停止，湿泥机停止；

上限位运行，湿泥机运行。

而外风冷机的转速是通过PID来控制的，使温度稳定在56℃。

图4-1流程图

4.2西门子编程

4.2.1I/O接口的分配

I/O分配表4-1如下所示，对机器控制时的I/O个数进行了合理的分配，这样在接线时不容易出现失误。

表4-1I/O分配

I0.0

急停

I0.1

循环风机故障

I0.2

压缩机故障

I0.3

出料螺旋机故障

I0.4

外风冷机故障

I0.5

进料螺旋机故障

I0.6

压缩机高压故障

I0.7

压缩机低压故障

I1.2

网带机1故障

I1.3

网带机2故障

I1.4

切条电机故障

I1.5

备用

I1.6

相序继电器

I1.7

电加热器故障

I2.1

湿泥上限

I2.2

湿泥下限

Q0.0

循环风机

Q0.1

压缩机

Q0.2

电加热

Q0.3

出料螺旋机

Q0.4

外风冷机

Q0.5

进料螺旋机

Q0.6

四通电磁阀

Q0.7

压缩机加热

Q1.0

红灯

Q1.1

切条电机

Q1.2

下网带机

Q1.3

上网带机

Q1.4

绿灯

Q1.5

黄灯

Q1.6

蜂鸣器

Q1.7

蓝灯

4.2.2温度的转换程序设计

选用的模拟量转换模块为四线制的热敏电阻EMAR04（4AIRTD）,转化的数字量精确度为0.1。

程序段中的AIW32、AIW34、AIW36、AIW38为模拟量输入字，而VW2、VW4、VW6、VW8都是采集到的温度值，分别为压缩机的回气温度、压缩机的排气温度、循环风机的出风温度、循环风机的回风温度。

采集到的温度值要精确到0.1，所以在触摸屏上表示温度的数值元件显示应有一位小数位，这样在温度值的对比上就不会出现错误，否则程序的控制逻辑会出现问题。

仿真部分的压缩机排气温度为62.5℃、回气温度为17.7℃；

循环风机出风温度为59.1℃、回风温度为55.8℃。

程序段如图4-2所示：

图4-2温度转换

图4-3温度转换仿真

4.2.3探头断线的检测程序设计

探头断线检测的程序如图4-4所示，程序中的+32767为数据的溢出值。

当采集的模拟量输入字为+32767时，说明探头“断线”（未接好），需要重新检查接线的问题，当出现的故障解决了机器才可以正常运行。

仿真部分的压缩机排气、回气的模拟量输入字分别为648、188；

主风机出风探头、回风探头的模拟量输入字分别为606、572。

图4-4探头断线

图4-5探头断线仿真

4.2.4Modbus通信程序设计

程序段如图4-6所示，程序段中的MBUS_CTRL指令用于初始化、监视或禁用Modbus通信。

每个扫描周期都应该执行该命令，否则Modbus主站协议不能正确工作。

Mode（模式）、Baud（波特率）为9600、Port（接口）为1、Timeout（超时）为1000ms的典型值、Done（完成）、Error（错误）为0时没有错误。

图4-6Modbus通信

图4-7Modbus通信仿真

4.2.5变频器频率的写入程序设计

上网带机的频率写入程序段如图4-8所示，在触摸屏放置一个数值元件，地址为PLC写入变频器的地址（VW1000），实现触摸屏将频率写入台达变频器中，控制电机的运转速度。

上述程序段中，MBUS_MSG指令向Modbus从站发送请求。

发送请求、等待响应和处理响应通常需要多个PLC扫描周期。

使能输入必须接通才能启用请求的发送，并且应该保持接通状态，直到Done（完成）位被置位。

参数Slave是Modbus从站的地址。

参数RW（读写）为“0”为读取。

为“1”为写入。

参数Addr（地址）是起始的Modbus地址。

参数Count（计数）用于设置中要读取或写入的数据元素的个数。

参数DataPtr是间接寻址的地址指针，指向主站CPU中读取或写入请求有关的数据的V存储区。

指针地址为VB200（VW200包括VB200和VB201）。

仿真部分的上层网带电机的频率为15Hz，地址为VW1000，控制上层网带运行的速度。

图4-8频率写入

图4-9频率写入仿真

4.2.6外风冷机手动运行频率的写入程序设计

程序段如图4-10所示，因为本次设计的外风冷机使用变频器来控制的，在自动的模式下是通过PID控制的，所以频率的大小是取决于PID的自动整定。

如果在手动模式时，不设定一个频率对变频器外风冷机就不会转。

所以要手动写入一个频率进入外风冷机的变频器中，当数字量为27648传送到模拟量输入字AQW16（外风冷机输入频率）时，对应的变频器频率为50Hz。

所以在触摸屏上设置一个数值元件VD1200为手动频率，那么写入PLC的程序应该是（VD1200/50）*27648传送到AQW16即可完成外风冷机手动模式时的频率写入。

因为最后要用中间量VW1216（整型）将字传送到AQW16，所以要用到ROUND（取整）指令以及DI_I（双整数转换为整数）的指令。

仿真部分为10Hz的频率写入变频器，

即：

VD1200=10.0时，VD1204=10.0/50.0=0.2,VD1208=0.2*27648.0=5529.6，VD1212经过取整指令后为5530，再经过双整数变整数指令后，VW1216=5530，然后写入到控制外风冷机速度的变频器中。

上述的双字VD1204、VD1208、VD1212只是起到一个中间量的作用。

图4-10频率手动写入

图4-11频率手动写入仿真

4.2.7字节的递增程序设计

因为在触摸屏上写入变频器的频率是根据泥的湿度进行调整的，所以频率的改变是比较频繁的，所以要通过字节的递增将触摸屏设定的频率写入变频器中。

程序如图4-12所示：

图4-12字节递增

图4-13字节递增仿真

4.2.8间歇运行程序设计

程序如图4-14所示，这个控制逻辑可以根据湿泥的湿度调整网带电机、切条电机、进料螺旋电机的运行和停止时间，所以采用了间歇运行这种方式来控制。

可以根据污泥的湿度调整污泥在烘房中滞留的时间，以达到最佳的干化状态。

上述程序中的字VW1150是运行的时间，字VW1152是停止的时间。

因为用到的计时器T214和T215都是精度为0.1，所以要用MUL_I（乘整）指令再写入计时器。

而M4.1是间歇运行的线圈，起着一个中间量的作用。

到达设定的温度，自动运行开始计时VW1150秒，然后停止VW1152秒，通过高温的空气将湿泥烘干。

其中VW1150和VW1152都是触摸屏中可改变的设定值。

仿真部分的自动运行时间为60秒，自动停止时间为240秒。

图4-14间歇运行

图4-15间歇运行仿真

4.2.9PID控制程序设计

程序段如图4-16所示，1200风冷污泥干化机（每24小时去水量为1200kg）因为是通过压缩机工作来产热的，温度不能一直上升，所以要将温度限制在一个范围内。

这样不仅可以延长机器的使用寿命，还可以保护操作人员的人身安全。

所以要通过PID控制回风温度稳定在某一个范围内，可以让调试人员根据湿泥的湿度来设置需要达到的回风温度，以满足用户的需求。

程序段控制的温度为回风温度，所以要用回风温度传送到PID_CTRL中，让PID自动调整回风温度的大小，使回风温度稳定在某一个范围内即可达到调整的目的。

双字VD2310、VD2320、VD2330、VD2340这四个参数分别为触摸屏手动写入PLC的回路增益、积分、微分、采样时间。

通过凑式法将数据填入，再让其自动调整即可让温度稳定在某一个范围内。

仿真部分的回路增益（比例）为20.0，积分时间为1.0分钟，微分时间为0分钟，采样时间为1.0秒。

图4-16PID控制

图4-17PID控制仿真

4.2.10故障的保护程序设计

程序段如图4-18所示，设备使用必不可缺的一个环节就是故障保护，如果设备出现故障时不会自动停止运行不仅会损伤设备，甚至还会危及操作人员的人身安全，所以要设计好各个电机出现故障时的保护程序。

当机器的循环风机的过载、压缩机的过载以及压缩机的高低压等故障都会触发故障停机的触点，从而复位自动运行（即停机）。

这样不仅可以很好的保护施工人员的人身安全，还可以延长机器的使用寿命。

图4-18故障保护

图4-19故障保护仿真

4.2.11触摸屏弹窗出现程序设计

当机器出现故障时，其对应的输入点“得电”接通，PLC通过MOV_B（移动字节）指令触发对应的弹窗以提示用户机器的哪一个器件出现了故障，如循环风机过载、压缩机高压、压缩机低压等都会有独立的弹窗一一对应（只展示一部分）。

程序如图4-20所示：

图4-20弹窗出现

图4-21弹窗出现仿真

4.2.12触摸屏弹窗消失程序设计

当机器出现故障时未修复时，故障弹窗会一直显示在触摸屏上提示要修复故障，机器才能从新正常运行。

当修复故障后PLC会触发|N|（下降沿指令），将0MOV_B（传送字节）到VB700，弹窗会立刻消失。

程序如图4-22所示：

图4-22弹窗消失

图4-23弹窗消失仿真

4.3威纶触摸屏界面的设计

4.3.1监控界面（主界面）

主界面如图4-24所示，主界面是热空气的走向示意图以及各个电机的运行状态。

指示灯为红色时为停止状态，指示灯为绿色时为运行状态。

其中“运行剩余时间”是机器间歇运行时，进泥的剩余的时间；

而“停止剩余时间”是湿泥在烘房里滞留一个周期的时间。

湿泥从进入烘房到成为干泥由无数个间歇运行周期时间组成（自动运行时间和自动停止时间的总和）。

图4-24主界面

4.3.2报警信息界面

报警界面如图4-25所示，该界面显示机器出现故障时，故障的信息，以及发生故障的时间。

“复位”按钮是防止触摸屏弹窗不能消失的按钮，“报警记录清除”按钮可以清除信息表中的故障信息，两个按钮都属于复归型按钮。

图4-25报警信息

4.3.3网带机手自动界面

网带机手动如图4-26所示，该界面可实现对上网带电机、下网带电机、切条电机、进料螺旋电机、出料螺旋电机的手自动模式的控制。

手动模式时，将开关切换到“手动”，然后点击界面中的“停止”元件即可启动对应的电机。

自动模式时，将开关切换到“自动”，在主界面点击“启动”按钮即可。

图4-26网机手动

4.3.4热泵手自动界面

热泵手动如图4-27所示，该界面可实现对压缩机、循环风机、电加热、电磁阀、外冷机的手自动模式的控制。

图4-27热泵手动

4.3.5设备参数界面

（1）电加热启动温度：

低于该温度电加热启动。

（2）电加热停止温度：

高于该温度电加热停止。

（3）压缩机排气温度上限：

高于该温度压缩机停止。

（4）回风温度上限：

图4-28设备参数

4.3.6控制参数界面

（1）切条、网带、干泥机运行温度：

高于该温度开始进湿泥。

（2）切条、网带、干泥机停止温度：

低于该温度停止进湿泥。

（3）电磁阀打开温度：

低于该温度电磁阀打开。

（4）电磁阀关闭温度：

高于该温度电磁阀关闭。

（5）自动运行时间：

进湿泥的时间。

（6）自动停止时间：

湿泥在污泥干化机中滞留的时间。

（7）自动运行定时关机时间：

自动运行时自动关机的时间。

图4-29控制参数

4.3.7温度曲线界面

温度曲线如图4-30所示，本次设计主要要是对回风温度进行控制，所以趋势图元件中的温度曲线显示是回风温度的变化。

该曲线图可以直观的看到回风温度随时间多的变化状况，通过PID控制的回风温度是否可以稳定在某一个范围内。

图4-30温度曲线

4.3.8PID控制界面

PID控制如图4-31所示，该界面可以通过凑试法将回路增益（比例）、积分（I）、微分（D）、采样时间的数值写入PLC程序中，让PID自动整定，可以让回风温度趋近于“设定回风温度”这个数值。

比例作用是加快系统反应速度，有利于抑制动态误差，太大会过调，曲线震荡，太小动态误差抑制能力弱；

积分作用是消除静态误差，使曲线趋于平稳；

微分作用是感知曲线变化趋势，提前启动调节，太大不利于曲线平稳，太小动态误差抑制能力弱。

图4-31PID控制

4.3.9故障弹窗界面

在机器出现故障时，会触发相关的指令，触摸屏会弹出对应故障的弹窗。

以提示用户要修复故障，机器才能重新正常使用，所以制作了对应的故障弹窗。

以下只展示了“压缩机高压”故障（如图4-32所示，）以及“急停”故障（如图4-33所示，）。

机器出现故障时会有对应的弹窗显示（独立的），有故障信息以及故障的处理方法。

图4-32压缩机高压

图4-33急停

4.4运行模式

4.4.1手动模式

将触摸屏上的开关打到“手动”，点击触摸屏对应的开关按钮就可以打开对应的电机。

4.4.2自动模式

自动模式下，将触摸屏中的切换开关全部切换到“自动”状态，点击主界面的“启动”按钮，PLC会置位程序中对应的触点。

5S后循环风机将启动，循环风机出风、回风探头以及压缩机排气、回气探头开始采集温度。

当回风温度低于“电加热启动温度”时，电加热延时5S启动，直至温度到达“电加热停止温度”时，电加热延时5S停止。

此时，到达压缩机的启动温度，压缩机延时10S启动。

此前电磁阀是一直打开的（升高烘房的温度），当温度大于触摸屏的“设定温度”时，电磁阀关闭，以降低烘房的温度。

而外风冷机的状态一直是运行的，但它风机的转速是通过PID的输出频率来控制的，主要是控制回风温度稳定在某一个范围内。

当回风温度到达“网带、切条、干泥机运行温度”时，切条机、上下网带机、出料螺旋机开始间歇运行。

而进料螺旋机作为一个独立的系统，它的启停只受上下限开关控制。

当无料进入时，点击触摸屏主界面的“停止”按钮。

压缩机延时10S停止运行，循环风机延时35S停止运行，切条电机机、网带电机、进出料螺旋电机、外风冷电机都将停止运行。

注：

自动