喷雾干燥塔控制系统设计A PLC课程设计报告概要.docx

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喷雾干燥塔控制系统设计APLC课程设计报告概要

一、课程设计目的和任务

1.1设计目的

PLC课程设计A教学的主要任务是在学生修完《可编程序控制器A》理论课

程后，进行的实践教学。

通过课程设计既能验证所学的基本理论知识，同时也可以培养学生的基本操作技能与设计能力，使课堂上所学理论知识得以在实践中运用，做到“学以致用”的教学目标。

主要做到以下几点：

1）掌握可编程序控制器在本专业上具体应用的设计过程和实现方法；

2）加深对可编程序控制器原理、应用、编程的进一步理解；

3）结合对有关顺序控制系统和保护控制系统的可编程序控制器的实现过程

加深对PLC控制系统的理解与掌握；

4）拓展可编程序控制器及其在相关行业中应用的相关知识。

1.2设计任务

本次设计的主要任务是在研究喷雾干燥塔系统的工艺流程的基础上，基于M340PLC对喷雾干燥塔控制系统硬件设计，编写喷雾干燥塔控制系统下位机软件，并对控制系统进行调试。

本课程设计为后续实践课程《计算机控制系统课程设计》的下位机部分，并与《计算机控制系统课程设计》的上位机程序设计组成一套完整的计算机控制系统实践环节体系。

二、控制对象喷雾干燥塔的分析

2.1喷雾干燥塔背景描述

喷雾干燥塔将液态的料浆经喷枪雾化后喷入干燥塔内，干燥塔利用燃料燃烧的能量将鼓风机送入的空气进行加热;热空气在干燥塔内将雾化的料浆干燥为超细颗粒粉态成品。

粉状成品在塔内利用旋风分离原理从热空气中分离出来，有塔的底部翻版阀定期排入收集袋中的合格原料。

热空气则通过布袋除尘器除尘后排除。

喷雾干燥塔控制系统主要由燃烧、干燥、投料、除尘等几个主要部分组成。

主要用于把液态原料制备成固体粉末原料的设备。

在很多行业作为原料制备或成品制备的系统设备。

按工艺流程，喷雾干燥塔控制系统由燃烧系统控制、干燥塔出口温度控制、干燥塔负压控制、投料系统控制、布袋除尘器控制几个子系统组成。

它被广泛得使用于化工、食品、陶瓷等诸多行业，作为原料或成品加工的设备，该设备一般都作为一套相对独立的系统进行成套供应。

2.2喷雾干燥塔工艺流程简介

喷雾干燥塔P&ID图如图所示。

按工艺流程，喷雾干燥塔控制系统可以分为燃烧系统、干燥系统、投料系统、布袋系统等。

喷雾干燥塔P&ID图

喷雾干燥塔的基本工作流程是：

液态的浆料以高压经喷枪雾化后喷入干燥塔。

干燥塔利用柴油燃烧器的能量将空气加热；热空气在干燥塔内将雾化后的浆料干燥为超细粒状粉态成品。

粉状成品在塔内利用旋风分离原理从热空气中分离出来，由塔底部的翻板阀定期排入收集袋中成为合格的原料。

热空气则通过布袋除尘器除尘后排出。

2.3燃烧系统

燃烧系统的主要设备有供油泵、增压泵、溢油阀、油包、截止阀、调节阀、点火变压器、火检探头、助燃风机等。

当系统启动后，供油泵运转，燃油通过溢油阀在回路中运行，这样第一可以加快点火时候的系统响应速度，第二可以检测回路的工作是否正常。

按下点火按钮后，助燃风机启动，进行五分钟的吹扫（吹扫风量定为额定风量的35%-50%）过程在吹扫的同时点火，可以把残留的可燃物燃烧掉，防止在点火的时候由于可燃物过多，导致爆炸事故。

吹扫结束后开增压泵开始投油，投油负荷定为额定负荷的45%，投油30s后断点火变压器，此时火检，若火检输入信号为1则说明点火成功，继续投油保持燃烧，然后再升负荷。

若火检信号为0，则说明点火不成功，立即停止投油，助燃风机进行吹扫五分钟，为下一次的点火做好准备。

主油回路采用双电磁阀串联的目的为保持截止的可靠性，燃料调节阀和助燃风机调节阀联动，使风和燃料的按比例变化。

燃烧系统通过供油泵、油包和溢油门提供具备一定缓冲能力的稳压供油系统。

增压泵和溢油门保证了油枪的雾化压力。

油枪供油回路和回油回路采用了两只电磁阀串联的方式保证了油枪燃油回路的动作可靠。

在油枪的回油回路中接入了一只电磁调节阀用于调节燃油量，以控制干燥塔的出口温度。

燃烧系统的I/O点表如下：

序号

设备名称

信号作用

点火指令

点火启动命令

点火许可

吹扫进行中

吹扫

燃料泵

燃料油供油泵

燃料增压泵

燃料油增压泵

燃料电磁阀

燃料油电磁阀

助燃风机

助燃风机启动

燃烧调节阀

燃烧调节阀在点火位置

燃烧调节阀在全开位置

燃烧调节阀位置

点火变压器

点火变压器接通

火焰检测

火焰状态

2.4干燥系统

干燥系统的主要设备有鼓风机、干燥塔、除尘器、排风机。

在干燥系统中，鼓风机将空气送入换热器中加热，热空气进入干燥塔干燥所需物质，接着干燥塔出口的热空气进入除尘器进行除尘，最终通过排风机排入大气。

系统启动的时候运行鼓风机和排风机，因为提前开不影响系统的安全性，同使在点火的初期还有保护加热器的作用。

同样在停止系统的时候最后停风机，同样使保护作用。

在干燥系统中，涉及到空气温度和干燥塔内负压控制。

温度的控制包括热空气进口温度、烟气出口温度、干燥塔出口温度，其中热空气进口温度是调节燃油量（即燃油调节阀的开度）的主要依据。

干燥塔的负压是改变排风机转速（主要通过变频器实现）的主要依据，干燥塔的出口温度是给料多少的主要依据，当排烟温度超过一定温度的时候声光报警，等待运行人员确认。

干燥系统中，鼓风机将空气抽入换热器中加热，热空气进入干燥塔干燥所需干燥物质，接着干燥塔出口的热空气进入除尘器进行除尘，最终通过变频器控制的排风机排入大气。

在干燥系统中，涉及到空气温度和干燥塔负压控制。

温度的控制包括热空气进口温度、烟气出口温度、排风温度，其中热空气进口温度是主要的调节参数。

干燥塔的负压控制中干燥塔塔内负压是主要的调节参数。

干燥系统的I/O点表如下：

序号

设备名称

信号作用

烟气温度测量

烟气出口温度

烟气温度高

鼓风机

鼓风机启动

进风温度测量

热空气进口温度

热空气进口温度异常

排风机

排风机启动

排风温度测量

排风温度

排风温度高

干燥塔

塔内负压

干燥塔内压力异常

2.5投料系统

投料系统的主要设备有料浆灌、溢流阀、电磁阀、料浆泵、喷雾装置。

投料系统在点火成功后，温度满足一定数值的时候，启动料浆泵，经过雾化，喷入干燥塔，物料经干燥后从下面的排出合格产品。

同时，根据控制目标自动增/减料枪，保证干燥效果。

投料系统的主要控制信号为料浆出口压力，根据干燥内负压和温度控制料浆出口压力在一定范围内，以确保料浆的雾化效果。

投料系统在点火成功，温度满足一定值时，启动料浆泵及喷枪A，然后根据控制目标自动增/减料枪，保证干燥效果。

投料系统的主要控制信号为料浆出口压力，根据干燥内负压和温度控制料浆出口压力，以确保料枪雾化效果。

投料系统的I/O点表如下：

序号

设备名称

信号作用

料浆泵

喷枪

喷枪A

喷枪B

喷枪

喷枪C

料浆出口压力测量

料浆出口压力高

2.6除尘系统

除尘器属于喷雾干燥塔的外围设备，除尘器外壁布置了三只气锤，内部设置八个除尘布袋实现对出塔空气的过滤除尘。

除尘系统为达到除尘效果要求气锤按固定的时间间隔对塔外壁进行振打，同时8只布袋按固定的时间间隔进行反吹。

除尘器布置在干燥塔旁，在负压控制中可以考虑到除尘器的反吹会造成干燥塔塔内负压的明显波动。

此时应该禁止负压检测信号的信号输出，在反吹过后回复正常以后，再解除信号的输出指令。

除尘器属于喷雾干燥塔的外围设备，除尘器外壁布置了三只气锤，内部设置八个除尘布袋实现对出塔空气的过滤除尘。

除尘系统为达到除尘效果要求气锤按固定的时间间隔对塔外壁进行振打，同时8只布袋按固定的时间间隔进行反吹。

除尘器布置在干燥塔旁，在负压控制中可以考虑到除尘器的反吹会造成干燥塔塔内负压的明显波动。

除尘系统I/O点表如下：

序号

设备名称

信号作用

除尘器

气锤A

气锤B

气锤C

除尘器

布袋除尘器除尘袋1

布袋除尘器除尘袋2

布袋除尘器除尘袋3

布袋除尘器除尘袋4

布袋除尘器除尘袋5

布袋除尘器除尘袋6

布袋除尘器除尘袋7

布袋除尘器除尘袋8

三、控制系统的硬件设计

喷雾干燥塔控制系统由燃烧系统控制、干燥塔出口温度控制、干燥塔负压控制、投料系统控制、布袋除尘器控制几个子系统组成。

在该系统中，浆料压力、干燥塔出口温度和干燥塔内负压是关键参数。

燃烧系统控制兼顾安全和调节两方面的功能。

其安全功能要求实现系统安全点火和报警等功能；调节功能要求能保证干燥塔负压和热空气进口温度的稳定。

干燥塔负压控制是通过变频器调节排风机的转速来实现的，而热空气进口温度控制是通过调节燃烧调节阀的开度实现。

3.1喷雾干燥塔控制功能描述

良好的控制系统的主要指标是安全和经济，本次课程设计控制对象喷雾干燥塔的控制目标是在安全的前提下确保对象的工艺参数稳定，并以安全作为优化目标。

针对该喷雾干燥塔所提出的控制要求主要有以下方面的考虑：

顺序启动功能、安全停机功能、自动点火功能、熄火保护功能、系统安全保护功能、状态监测和自动报警功能、自动投入油枪和撤除油枪功能、自动温控功能、设备离线强制启停功能、指示灯测试功能、模拟量控制功能等。

喷雾干燥塔控制系统需要实现的主要功能如下：

（1）、自动顺序启动功能

为防止设备启停冲击电网，系统需要实现顺序启动。

按下启动按钮按鼓风机、排风机、助燃风机、供油泵、增压泵的顺序启动系统。

另外通过上位机也能实现顺序启动功能。

（2）、安全停机功能

通过操作盘停机按钮自动停止系统。

按下停机按钮，并保持2秒钟以上，可自动按供油泵、电磁阀、助燃风机的顺序停止系统。

停机过程中提供自动吹扫和系统自动复位功能。

（3）、自动点火功能

通过操作盘按钮操作实现系统安全点火。

点火条件成立时有灯指示，按下“点火”按钮，并保持2秒钟以上，可自动实现安全点火；不具备点火条件时，没有灯指示，操作“点火”按钮，系统不予响应。

（4）、熄火自动保护功能

点火过程和正常运行中因出现熄火信号，系统能自动保护设备安全，并恢复到点火准备状态。

（5）、系统安全保护功能

系统出口超温保护。

出口温度超过规定的故障限值5秒，打开“紧急排放阀”；出口温度超过故障限值1分钟，执行“自动停机”以保证系统安全。

（6）、状态检测和自动警报功能

系统进口温度，出口温度，排烟温度，塔内塔内负压，料浆压力异常时提供光字牌提示和声音报警，并具有报警保持，等待确认功能。

（7）、自动投入喷枪和撤除喷枪功能。

当投料温度升高时增加燃烧量，温度升高到一定值，自动增加一根喷枪；当投料温度降低时减少燃烧量，温度降低到一定值，自动减少一根喷枪（可从上位到机上观察到增减料枪的指示）。

（8）、指示灯测试功能

统在长期运行后，指示灯可能会出现一些故障，为了方便测定指示灯是否能够正常使用，在程序中特别加入指示灯测试功能。

按“灯测试”按钮，所有指示灯点亮，取消“灯测试”按钮，所有指示灯熄灭。

（9）、自动负压控制功能

系统在正常运行状态下，可以通过调节排风机的转速（变频器）来控制干燥塔内的负压。

（10）、自动手动切换

点火之后系统进入手动控制，当满足一定条件后系统自动切到自动控制。

（11）、运行目标参数在线修改功能

维护工程师可以在上位机上修改进口温度、出口温度、塔内负压目标值和报警偏差值、排烟温度、出口故障超高温报警和紧急处理值、增喷枪温度和撤喷枪温度带范围保护的在线修改。

运行人员在上位机上可以在给定范围内方便地修改出口温度目标值、负压目标值等。

3.2控制网络拓扑图

系统网络拓扑图

3.3控制系统的I/O清单

喷雾干燥塔控制系统中涉及到包括除尘器、鼓风机、排风机、干燥塔众多设备，且考虑到系统的报警等功能的实现，故系统的变量较多。

可以将众多变量分为开关量输入变量、开关量输出变量、模拟量输入变量、模拟量输出变量、内存变量。

其中开关量输出变量及内存变量的使用较多。

在系统逻辑设计之前，根据系统组成和控制需求将喷雾干燥塔I/O点按设备分块整理，根据个人习惯编写各变量名，分配拓扑地址。

此外，在编程之前需要合理规划CPU内存空间。

具体的喷雾干燥塔I/O点清单如下。

3.4PLC的选型报告

在PLC选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。

具体应考虑到以下几点：

1、PLC输入/输出点确定：

I/O点数选择是要留出适当余量；

2、PLC存储容量：

系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些；

3、存储维持时间：

一般存储约保持1—3年（与使用次数有关）。

若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需要备用电源），也可选外用存储卡盒；

4、PLC的扩展：

可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接的方式。

扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。

扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；

5、PLC的联网：

PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间相互联网两种。

与计算机联网可通过USB、TCP/IP、MODBUS等多种方式；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接、通讯板卡或模块加数据线连接等方式。

综合上述选型条件，选择施耐德M340PLC。

施耐德M340PLC可编程控制器集各种强劲功能和创新设计于一身，充分支持工业和基础设施自动化控制系统的“透明就绪”（使用开放的、基于ModbusTCP、因特网技术与Web技术的体系结构，完成现场设备、控制设备与管理系统的无缝集成，使用户可以从任何地方访问所需的实时数据。

）架构，是ModiconPremium和Quantum系列产品线的拓展。

施耐德M340PLC具有卓越的运算能力，能精确进行整数或浮点数运算，每毫秒可处理7k条指令。

CPU拥有高达4MB程序空间，最多处理70k条指令白带8Mb存储卡，方便程序备份。

ModiconM340PLC为独立轴和主／从轴的位置控制系统提供了“即插即动”的解决方案，无需添加专用轴控模块即可实现速度和位置控制。

施耐德M340采用全新内存管理，独创的“即插即载”SD卡使系统升级、维护更加便捷。

从控制到管理，从监控到设备数据的获取，施耐德M340能与所有施耐德电气自动化产品协同工作。

通以太网和CANopen总线、Modbus总线技术，施耐德M340PLC能与Alitivar变频器、Lexium和lClA运动控制产品、Magelis触摸屏和工控机、VijeoCitect配置和管理软件、AdvantysI/O、Ois传感器和安全防护产品实现简单方便的整合。

施耐德M340PLC系列产品采用模块结构，由机架（背板）、电源、CPU、I/O模块、通信模块及其它专用模块组成。

应用系统可以根据系统需求灵活配置，配置完成的系统在应用中仍可以根据应用需求变化具有一定的伸缩性。

根据M340PLC的主要模块及特性，进行了系统配置。

1、M340机架

机架

BMXXBP0400

BMXXBP0600

BMXXBP0800

BMXXBP1200

描述

4槽机架

6槽机架

8槽机架

12槽机架

CPU模块，离散量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块加上计数器模块共需要6个槽，6槽机架能够满足系统的需求，故选择了BMXXBP06006槽机架。

2、M340处理器单元

特性

标准

高性能

型号

BMXP341000

BMXP342010

BMXP342020

BMXP342030

内置通讯口

USB口

Modbus

USB口

Modbus

CANopen

USB口

Modbus

Ethemet

TCP/IP

USB口

CANopen

Ethemet

TCP/IP

离散量通道数

512

1024

模拟量通道数

128

256

计数通道和串口

内存

2Mb

4Mb

数据

128Kb

256Kb

程序指令数

35Kinst

70Kinst

执行时间

布尔

0.18μs

0.12μs

浮点数

1.74μs

1.16μs

任务

主任务

快速任务

事件任务

为了减少配置专门的通讯模块，配置CPU模块时需要选择一个带有TCP/IP通讯口的CPU模块。

故选择BMXP342020CPU模块。

3、M340电源

特性

标准

高功率

标准

高功率

型号

BMXCPS2000

BMXCPS3500

BMXCPS2010

BMXCPS3020

额定电压

100~240VAC输入

24VDC输入

24VDC~48VDC输入

额定电流

0.61A/115V

0.31A/240V

1.04A/115V

0.52A/240V

1A/24V

1.65A/24V

0.83A/48V

电压及频率范围

85&264VAC

47-63Hz

85&264VDC

47-67Hz

18-31.2VDC

18-62.4VDC

内置保护

内置保险丝

输出总功率

20W

36W

16.5W

31.2W

3.3V输出

2.5A

8.3W

4.5A

15W

2.5A

8.3W

4.5A

15W

24V输出

0.69A

16.5W

1.3A

31.2W

0.69A

16.5W

1.3A

31.2W

24V输出传感器电源

0.45A

10.8W

0.9A

21.6W

最大输出功率（3.3V输出+24V输出）

16.5W

31.2W

16.5W

31.2W

为了实验的扩展，选择了高性能的BMXCPS3500电源模块。

电源模块上有一个报警继电器，上面有一个无电位触点，可以通过模块的连接螺钉端子块来对该触点执行操作。

在使用时，外接上一个灯，这样无论PLC是在机柜内还是在现场，都能清楚地知道电源模块的状态。

电源模块报警继电器的电路图如图。

报警继电器电路图

4、M340离散量输入

型号

BMXDDI1602

BMXDDI1603

BMXDAI1604

BMXDAI1602

BMXDAI1603

BMXDDI3202K

BMXDDI6402K

类型

DC/AC

点数

输入电压

24VDC

48VDC

120VAC

24VDC/24VAC

48VAC

24VDC

逻辑

正逻辑

连接

20针端子块

1×FCN40针

2×FCN40针

选用了BMXDDI1602开关量输入模块。

该模块优点是动作响应比较大，但是性能不高，所以在使用时需要增加隔离。

5、M340离散量输出

型号

BMXDDO1602

BMXDRA1605

BMXDRA0805

BMXDAO1605

BMXDDO1612

BMXDDI3202K

BMXDDI6402K

类型

DC晶体管

DC/AC继电器

AC可控硅

DC晶体管

点数

输入电压

24VDC，0.5A,

正逻辑

24VDC,

24V-240

VAC,3A

24VDC,

24V-240

VAC,4A

24V-

240VAC,

24VDC，0.5A,

负逻辑

24VDC，0.1A,

正逻辑

24VDC，0.1A,

正逻辑

连接

20针端子块

1×FCN40针

2×FCN40针

隔离保护

通道间诊断和保护

选择输出模块一般需要有留有适当的余量，但是考虑到经费的问题，选择32点的模块已经能够满足系统的要求。

另外在选择晶体管类型还是继电器类型上，虽然继电器比晶体管的性能更好，但是价格比较昂贵，而在实验室中，晶体管类型已经能够满足使用需求。

故选择BMXDDO3202K开关量输出模块。

6、模拟量输入/输出

应用

模拟量输入

模拟量输出

模拟量输入/输出

型号

BMXAMI0410

BMXART0414

BMXART0814

BMXAMO0210

BMXAMM0600

I/O类型

隔离模拟量输入

隔离稳定输入

温度输入

隔离模拟量输出

模拟量输入/输出

范围

电压

+/-10V

0-10V

0-5V

1-5V

+/-80mV

+/-10V

+/-10V输入

0-10V输入

0-5V输入

1-5V输入+/-10V输出

电流

0-20mA

4-20mA

0-20mA

4-20mA

0-20mA输入/出

4-20mA输入/出

通道数

4通道

8通道

2通道

4通道输入/2通道输出

分辨率

16bits

12bits

连接

20针端子块

1×FCN40针

2×FCN40针

20针端子块

模拟量的输入模块选择了既能使用电压连接又能使用电流连接的多量程模块BMXAMI0410模拟量输入模块，可以满足更多的实验需求。

模拟量输出模块跟模拟量的输入模块一样，选择了既能使用电压连接又能使用电流连接的多量程BMXAMO0210模拟量输出模块，可以满足更多的实验需求。

7、M340计数器

型号

BMXEHC0200

BMXEHC0800

通道数

2通道

8通道

计数频率

60KHz

10KHz

计数能力

32bits

16bits

功能

4种计数模式，4种测量模式和PMM

5种计数模式，1种测量模式

计数通道最大

输入/输出

6输入24VDC

2输出24VDC

2输入24VDC

连接

输入：

2个16针端子块

输出：

10针端子块

20针端子块

计算机控制系统的三种信号为开关量、模拟量及脉冲信号。

通过之前的配置已经能够实现开关量以及模拟量的控制。

为完善系统，满足将来试验台以及教学内容的扩展，特配置BMXEHC0200计数器模块，用来实现对脉冲信号的控制。

将PLC的配置汇总，如下表：

序号

名称

型号规格

单位

数量

模块说明

机架

BMXXBP0600

块

6槽机架，电源不占槽位

电源模块

BMXCPS3500

块

高功率电源模块，36W,100-240VAC输入

CPU模块

BMXP342020

块

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