基于PLC烘丝机控制系统的设计.docx

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基于PLC烘丝机控制系统的设计

江苏科技大学

毕业论文（设计）

学院：

电子信息学院专业：

电气工程及其自动化

课题：

基于PLC烘丝机控制系统的设计

学号：

姓名：

江华

指导教师：

许运飞职称：

年月日

基于PLC烘丝机控制系统的设计

摘要

烘丝机是卷烟厂制丝车间生产线中的重要设备,其主要功能是确保烘丝机出口烟丝达到符合卷烟工艺要求的含水率,提高烟丝的成丝率和填充值,改变烟丝的物理性能,使烟香味变得醇和。

为了保证烟丝出口水分达到设定值的允差波动范围内,运用了计算机技术,采用新型高性能的西门子S7-200系列PLC自动化控制系统,使烘丝机的各项性能指标达到工艺要求。

关键词：

烘丝机；自动化控制系统；西门子PLC

BasedonPLCdryingmachinecontrolsystemdesign

Abstract

Dryingmachineisacigarettefactoryproductionlinesilkshopintheimportantequipment,itsmainfunctionistoensurethattheexportoftobaccodryingsilkmachinetomeetourtechnicalrequirementsofthemoisturecontentofcigarettestoenhancetherateoftobacco-formingwireandfillvalues,tochangethephysicalpropertiesoftobacco,tobecomealcoholandtobaccoflavor.Inordertoensurewaterreachesthesetvalueoftobaccoexportswithinthefluctuationrangeofthetolerance,theseofcomputertechnology,usingnewhigh-performanceSiemensS7-200seriesPLCautomaticcontrolsystem,sothatthedryingwiremachineperformancetoprocessrequirements.

Keywords:

TobaccoMachine;AutomationControlSystem;SiemensPLC

引言

PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展到8位机。

随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。

进入20世纪80年代以来，随着大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及人机界面也有了长足的发展。

现在PLC不仅能得心应手地应用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的过程控制系统，和中小型单机电气控制系统，在运动控制中也有运用。

所有这些已经使之成为自动化控制系统中不可缺少的控制器。

本文主要从硬件和软件两个方面介绍以S7_200PLCCPU226为核心的烘丝机系统的组成和设计思路，本设计就以卷烟厂的烘丝机为例。

在这个烘丝机系统里，用的是S7_CPU226主机、模拟量输入/输出扩展模块、模拟量D/A扩展模块、传送带烟丝输入/输出、启动按钮、速度传感器、铂电阻、蒸汽压力、筛网吹风电磁阀、汽箱除尘电机、热风风机执行电机、变频器、烘筒执行电机、电动角执行器、电动调节阀，以此来完成烘丝机自动控制功能。

文中将分别给出硬件接线图和给出主程序和流程框图。

绪论

在卷烟生产中，烟草占了很重要的地位，烟草的质量直接关系到烟的质量。

而在对烟草的处理过程中，有一道非常重要的工序就是对烟丝的烘干。

烘丝的质量不仅仅关系到烟丝填充率的高低，还直接影响到卷烟的吸味及生产效益。

在以前的烘丝机电控系统中，采用的是传统的继电器加上一些分立的电气元件，其结构复杂，维护困难，设备运行不稳定，人机交互界面差。

经这样烘丝机加工出来的烟丝含水率波动性大，极易造成烟丝松散或霉变。

为此，本设计采用西门子的S7-200系列PLC对烘丝机电控系统进行改造，使之成为一种自动控制系统，提高生产效率。

2.1论文研究的目的与意义

目的：

对基于PLC烘丝机控制系统进行研究和设计，可消除传统烘丝机系统加工出来的烟丝含水率波动性大，造成的烟丝松散或霉变，确保烘丝机出口烟丝达到符合卷烟工艺要求的含水率,提高烟丝的成丝率和填充值,改变烟丝的物理性能,使烟香味变得醇和，提高生产效率；实现基于PLC烘丝机控制系统的软、硬设计。

意义：

一方面，通过对烘丝机控制系统的设计来学习并掌握有关PLC的知识和速度传感器、铂电阻、蒸汽压力、筛网吹风电磁阀、汽箱除尘电机、热风风机执行电机、变频器、烘筒执行电机、电动角执行器、电动调节阀的原理，达到进一步巩固平时所学的专业知识。

另一方面，将所学的理论知识和实践相结合，为以后在此基础上结合相关领域设计产品和改进产品性能具有很好的实践意义。

2.2系统设计功能

（1）检测功能

·检测送入烘丝机的烟丝。

·检测蒸汽的压力。

·检测热风的温度。

（2）控制功能

·控制汽箱除尘的执行电机。

·控制烘筒的转速。

·控制电动角执行器，进行热风温度的控制与调节。

·控制电动调节阀，进行蒸汽压力的控制与调节。

·控制热风风机的执行电机。

·控制筛网吹风电磁阀。

系统分析

系统分析包括需求分析以及可行性分析。

首先，对系统做需求分析。

在烘丝机系统中，用来烘干烟丝的热能主要来自两个方面：

一方面是由电动调节阀控制的进入烘筒内异型薄板热交换器的高温蒸汽，通常是通过改变调节阀门的开度来控制热交换的蒸汽压力，而在传统的继电器控制系统中，这部分是由继电器控制的，控制效率与控制准确度都不高。

另一方面是由电动角执行器控制的热空气，此热空气在电动角执行器的控制下，沿烟丝流动的方向或者逆烟丝流动的方向吹入烘筒，使得烟丝悬浮翻滚受热均匀后带走水蒸气。

同样地，在传统的继电器控制系统中，电动角执行器是由继电器控制的，其效率比较低。

基于PLC烘丝机控制系统，控制电磁阀开度的依据是入口烟丝的流量、入口烟丝的水分、出口烟丝的水分及烘丝机的工作状态。

同时电动角执行器也是由PLC控制的。

这样使得烘丝机效率高、可靠性高、灵敏度高、使用寿命长、通用性强等优点。

基于上述对系统的需求分析，展开对系统的可行性分析。

随着PLC技术和计算机软件技术的发展，基于PLC的计算机仿真技术也得到发展。

本设计主要用S7_200226PLC控制系统。

这个器件在PLC仿真软件里是有的，虽然目前S7_200的仿真软件不能运行一些特殊的运行指令，但本设计仍然满足可行。

最后，考虑系统的经济可行性。

由于在本次设计中采用226PLC以及若干器件。

通过市场调查，随着大规模集成电路的普及，元件的价格也大幅度下降，从经济方面考虑，整个系统的造价相对来说较低，能够满足企业批量生产，可以向市场推广。

系统的硬件设计与实现

4.1烘丝机的简单工作过程

（1）开始。

是指烘丝机系统上电开始工作。

（2）预热状态。

是指在烘丝机系统上电后，紧接着系统自动进入20~30min的预热状态。

（3）入口有烟丝送入。

是指在烘丝机的入口上系统通过自动检测到有需要烘干的烟丝送入烘丝机，需要对其进行烘干。

（4）正常启动。

是指一旦有烟丝送入，系统将正常启动烘筒以及相关的热能输送设备开始工作。

（5）出口有烟丝送出。

是指在烘丝机的出口上有已经被烘干合格的烟丝送出。

（6）系统正常工作。

是指在完成了一个烘干过程后，并且保证烟丝送入口的持续送入烟丝的情况下，烘丝机系统将自动进入持续的正常工作状态，直到生产结束。

（7）入口无烟丝输入。

是指在烟丝入口处没有需要烘干的烟丝送入。

（8）异常处理。

是指在系统检测大入口处没有烟丝进入时，系统将自动进入短期中断状态，一旦检测到入口处无烟丝进入时间超过一定的限度，系统将快速将烘筒内的烘干了的烟丝倒出，最后停在系统工作。

图1烘丝机本体及其关联设备组成图

图中：

YT8P:

控制型电子皮带秤，提供烟丝流量和最小称重信号；

SFY:

红外水分仪，检测烘丝机入（出）口烟丝水分；

M1、M2、M3:

分别为烘丝机本体中滚筒、热风风机、汽箱除尘电机；

YV1:

筛网吹风电磁阀；

RT1:

铂电阻，检测热风温度；

YM1:

电动角执行器，调节热风温度；

YM2:

电动调节阀，调节蒸汽压力；

BP1:

压力变送器，检测蒸汽压力。

图2烘丝机简单工作过程

4.2烘丝机控制系统硬件设计

烘丝机本体部分主要涉及烘丝机本身的一些机械结构方面的设计问题，并不涉及有关控制方面的内容，将不做详细介绍，本节将主要介绍烘丝机的电控部分内容。

根据对烘丝机的功能分析，设计烘丝机控制系统的硬件框图如图3、4所示，硬件接线图如图5所示。

图3烘丝机控制系统功能框图

图4烘丝机电控部分硬件框图

图5烘丝机控制系统PLC部分的硬件接线图

4.3PLC主机的选用及概述

选择西门子S7-200系列PLC作为此烘丝机控制系统的控制主机。

在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等。

此烘丝机控制系统总共有12个数字量输入，11个数字量输出，共需23个数字量I/O，还有两路模拟量的输入以及两路模拟量输出，需要另外扩展一个模拟量输入模块与一个模拟量输出模块。

根据I/O个数及程序容量，选择了CPU226作为其主机。

表1CPU226主要功能特性

24个数字量输入，16个数字量输出

有6个32位高速计数器，6个30KHZ的双向计数器

两路脉冲输出，每路20KHZ

两个8位分辨率的模拟量调节电位器

两个分辨率为1ms的定时中断

4个上升沿外部硬件中断输入，4个下降沿外部硬件中断输入

可选输入滤波时间有7个范围，从0.2~12.8ms

4096个字的程序容量（永久存储），2560个字的数据块大小（永久存储）

7个可以扩展的I/O模块

256位的内部标志位（M寄存器）

256个定时器，有64个定时器可以通过超级电容或电池后备

256个计数器，全部可以通过超级电容或电池后备

布尔指令执行速度为每条指令0.73μs

移字指令执行速度为每条指令34μs

定时器/计数器执行速度为每条指令50~64μs

单精度运算执行速度为每条指令46μs

实时运算执行速度为每条指令100~400μs

超级电容保持数据时间的典型值为190h

有2个RS-485的通信端口

4.4模拟量输入/输出扩展模块的选用及概述

在烘丝机控制系统中，有两个模拟量的输入，分别是铂电阻和蒸汽压力，又需要3个模拟量的输出。

因此，需要采用模拟量输入/输出扩展模块。

在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量输入/输出扩展模块EM235，因此，选用EM235模块进行模拟量输入/输出扩展模块。

表2EM235扩展模块的特性

4路模拟量差分输入，1路模拟量输出

数据范围，单极性电压为0~10V,0~5V；双极性电压为±5V；电流为0~20mA

输入分辨率，单极性电压为0~10V,0~5V；双极性电压为5V

输入阻抗不小于10MΩ

12位A/D转换器

数据字格式，单极性为-32000~+32000，双极性为0~+32000

最大输入电压为30VDC

最大输入电流为32mA

输出稳定时间，电压为100μs,电流为2ms

输出驱动能力，电压输出最小为5000Ω

输出分辨率，电压为12位；电流为11位

功耗为2W

4.5模拟量D/A扩展模块的选用及概述

在烘丝机控制系统中，有两个模拟量的输出，分别是电动角执行器和电动调节器。

其中，电动角执行器用来调节热风温度，电动调节阀用来调节蒸汽压力。

因此，需要采用模拟量输出D/A扩展模块来输出此两个模拟量。

在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量D/A扩展模块EM232,因此，选用EM232模块进行模拟量输出的扩展。

表3EM232扩展模块的特性

2路模拟量输出

输出范围，电压为±10v，电流为0~20mA

分辨率，电压为12位，电流为1

1位

数据字格式，电压为32000~+32000，电流为0~+32000

输出稳定时间，电压为100μs，电流为2ms

驱动能力，电压输出最小为5000Ω，电流为500Ω

功耗为2W

4.6其他各部分功能概述

（1）启动按钮：

启动按钮用来手动启动整个烘丝机系统，一旦按一下启动按钮，烘丝机上电开始按照事先设置好的参数与模式自动运行。

启动按钮主要用于在设备整个停机后，重新上电运行时，人工对机器进行操作。

（2）停止按钮：

停止按钮用来停止整个烘丝机系统，使之不再运行。

一旦按下停止按钮，烘丝机将去掉全部电源停止运行。

停止按钮用于紧急情况下的暂停和设备的完全停止。

（3）速度传感器：

烘丝机中需要对烘筒的转动速度进行控制与调节，而速度传感器正是用来检测烘筒的速度，使得PLC对烘筒转动速度的控制形成一个闭环控制系统，这样，PLC对烘筒转动速度的控制变得精确而可靠。

在选择上的传感器时，直接选择数字量输出的速度传感器。

在该烘丝机系统中，选用了8位分辨率的速度传感器，它对转动速度进行采集，直接转化成8位数字量，这样就可以直接用PLC的8个数字量输入端口来实现对烘筒转动速度信息的采集。

（4）铂电阻：

铂电阻用来检测热风的温度，在烘丝机系统中，需要对热风的温度进行控制与调节，而铂电阻对热风温度检测后，送入PLC。

这样，也使得PLC对热风温度的控制形成了一个闭环系统，使得控制变得更加精确。

铂电阻输出一个模拟量，因此，需要PLC系统中的模拟量输入A/D扩展模块，来采集铂电阻的信息，从而得到稳定信息。

（5）蒸气压力：

在烘丝机系统中，需要对蒸气压力进行控制与调节蒸气压力通过压力变送器得到与压力相关的模拟量输入到PLC。

这样，也使得PLC对蒸气压力的控制形成了一个闭环系统，使得控制变得更加精确。

因此，需要PLC系统中的模拟量输入A/D扩展模块，来采集压力变送器的信息，从而得到蒸气压力信息，PLC再对蒸气压力实现控制与调节。

（6）筛网吹风电磁阀：

筛网吹风电磁阀用来控制筛网吹风的执行电机。

电磁阀的控制可以直接通过PLC主机的数字量输出来控制，并且PLC不需要对筛网吹风执行电机的转速进行控制，因此，就直接用PLC主机的数字量输出控制电磁阀，从而控制筛网吹风执行电机，PLC控制筛网吹风执行电机的框图如图6所示

图6PLC控制筛网吹风执行电机框图

（7）汽箱除尘电机：

汽箱除尘电机用来除去烟丝带入烘丝机的灰尘与渣子，同样地，可以通过PLC来控制电磁阀，再用电磁阀来驱动电机。

此除尘电机不需要PLC对其速度进行控制，因此，也可以直接用PLC的数字量输出来控制电磁阀，从而实现对除尘电机的控制。

在必要的时候开启对灰尘与渣子进行去除，PLC控制汽箱除尘电机框图如图7所示。

图7PLC控制汽箱除尘电机框图

（8）热风风机执行电机：

热风风机执行电机作为热风风机的执行机构，主要负责热风风机工作的动力。

在系统中，不需要对执行电机进行速度等物理量的控制，只需要通过PLC来控制其工作与否，因此，可以采用电磁阀作为其驱动部件，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制。

PLC通过控制电磁阀，最终来控制执行电机，PLC控制热风风机执行电机框图如图8所示。

图8PLC控制热风风机执行电机框图

（9）变频器：

在烘丝机系统中，需要对烘筒的转动速度进行有效地控制，而烘筒的动力装置是一三相异步电动机，这样既需要变频器来实现对三相异步电动机转速的有效控制。

PLC通过变频器来控制三相异步电动机的转动，变频器的一般结构框图如图9所示。

其中直流供电电源输入，一般为24V的直流；模拟量的输入一般是用PLC的扩展模拟量输出端口来控制；三相电输入为常规的50Hz三相交流电；制动电阻用来制动电动机；三相变频输出是指经过变频后，用于给被控制的电动机提供的三相电，其频率是根据速度信息得到的频率，在这里不是50Hz。

图9变频器的一般结构框图

（10）电动角执行器：

电动角执行器用来调节热风温度，其根据是当时烘丝机的工作情况，以及铂电阻检测到的当前温度信息。

由于需要连续的调节热风温度，因此需要PLC开展模块模拟量输出来控制电动角执行器，在系统中，采用S7-200系列PLC专门的模拟量D/A输出扩展模块，来实现对电动角执行器的连续输出控制，以达到对温度的连续调节的效果。

（11）电动调节阀：

电动调节阀用来调节蒸气压力，其根据是当时烘丝机的工作情况，以及蒸气压力变送器检测到的当前蒸气压力信息。

由于需要连续地调节蒸汽压力，因此需要PLC扩展模拟量输出来控制电动调节阀，在系统中采用的是西门子S7-200系列PLC专门的模拟量D/A输出扩展模块，来实现对电动调节阀的连续输出控制，以达到对蒸汽压力的连续调节效果。

在上述详细分析的基础上，对西门子S7-200系列PLC226系统资源分配如表3-4所示。

表4烘丝机电控部分S7-200系列PLC226系统资源分配

名称

地址编号

说明

输入信号（数字量）

传送带烟丝输入红外仪

I0.2

检测烟丝的输入

传输带烟丝输出红外仪

I0.3

检测烟丝的输出

启动按钮

I0.0

启动系统

停止按钮

I0.1

停止系统

速度传感器（数字式）

I0.4~I1.3

检测烘筒速度

输入信号（模拟量）

铂电阻

AIW0

检测热风温度

蒸汽压力

AIW2

检测蒸汽压力

输出信号（数字量）

筛网吹风电磁阀

Q0.1

控制筛网吹风

汽箱吹风电机接触器

Q0.2

控制汽箱除尘吹风

热风风机电机接触器

Q0.3

控制热风风机

输出信号（模拟量）

烘筒电机变频器

AQW0

控制烘筒转动

电动角执行器

AQW2

调节热风温度

电动调节阀

AQW4

调节蒸气压力

系统的软件设计与实现

5.1烘丝机控制系统软件设计

烘丝机控制系统的工作过程如下：

（1）按下启动按钮，烘丝机系统上电，准备开始工作。

（2）红外检测仪检测到烟丝入口有需要烘干的烟丝送入，正常启动烘丝机系统。

（3）启动烘筒电机、热风风机，开始烘干，并且启动筛网吹风电机、汽箱吹风电机。

（4）检测蒸汽压力，根据检测到的蒸汽压力来控制和调节电动调节阀的开度。

若蒸汽压力与设定的蒸汽压力在差允许范围内相等，则保持电动调节阀阀门的开度；若蒸汽压力大于设定的温度，则减小电动调节阀阀门的开度；若蒸汽压力小于设定的温度，则增大电动调节阀阀门的开度。

（5）检测热风温度，根据检测到的热风温度来控制与调节电动角执行器，若热风温度与设定的温度在误差允许范围内相等，则不调节电动角执行器，保持温度；若热风温度大于设定的温度，则调节电动角执行器，提高热风温度；若热风温度小于设定的温度，则调节电动角执行器，降低热风温度。

（6）检测烘筒转速，根据烘丝机的工作情况，来调节烘筒的转速。

在系统中事先根据工作情况自动生成设定转速值，若在误差允许的范围内转速等于设定转速，则控制变频器保持烘筒转速；若转速高于设定转速，则控制变频器减慢烘筒转速；若转速低于设定转速，则控制变频器加快烘筒转速。

（7）检测到出口有烘干额烟丝输出，则继续工作。

（8）若检测到入口没有烟丝输入，再检测出口烟丝的输出，一直持续1min，若没有烟丝输出，则系统停止，若有烟丝输出，则一直检测并且持续1min，直到检测不到有烟丝输出，停止系统。

（9）若按下停止按钮，则系统停止。

5.2主程序流程图

图10烘丝机控制系统的主程序流程图

主要功能时检测是否按下启动或停止按钮，控制烘丝机系统的启动和停止。

其中正常工作过程又由入口烟丝检测与控制、蒸汽压力检测与控制、热风温度检测与控制、烘筒转速检测与控制、出口烟丝检测与控制等5个子过程组成。

正常工作过程的流程图如图10所示。

图11烘丝机正常工作过程的流程图

主要功能是正常工作时检测入口烟丝，检测控制蒸汽压力，检测控制热风温度，检测控制烘筒转速和对出口烟丝的检测和控制。

其中，烟丝检测与控制流程如图11所示，蒸汽压力检测与控制流程图如图12所示，热风温度检测与控制流程图如图13所示，烘筒转速检测与控制流程图如图14所示，出口烟丝检测与控制流程图如图15所示。

图12烟丝检测与控制流程图

其主要功能是检测是否有烟丝送入，如果有则启动热风风机，在启动筛网吹风和汽箱吹风；如果没有烟丝送入则继续检测。

图13蒸汽压力检测与控制流程图

其主要功能是检测蒸汽压力的大小是否在设定的范围内，如果在设定允许范围内则保持蒸汽压力；如果蒸汽压力小于设定值，则增大电动调节阀阀门，提高蒸汽压力；如果蒸汽压力大于设定值，则减小电动调节阀阀门，降低蒸汽压力。

图14热风温度检测与控制流程图

其主要功能是检测热风温度是否在设定范围内，如果热风温度在设定允许范围内，则保持热风温度；如果热风温度小于设定值，则调节电动角执行器，提高热风温度；如果热风温度大于设定值，则调节电动角执行器，降低热风温度。

图15烘筒转速检测与控制流程图

其主要功能是检测烘筒转速是否在设定范围内，如果烘筒转速在设定允许范围内，则保持烘筒转速；如果烘筒转速小于设定值，则控制变频器，提高烘筒转速；如果烘筒转速大于设定值，则控制变频器，降低烘筒转速。

图16出口烟丝检测与控制流程图

其主要功能是检测烘丝机的出口是否无烟丝输出，如果没有烟丝输出，则持续一分钟继续检测，直到检测不到烟丝输出停止系统；如果还有烟丝输出，则继续检测出口烟丝。

5.3程序设计

烘丝机控制系统的梯形图程序

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

烘丝机控制系统的梯形图程序（续图）

结论

本文是采用西门子S7-200PLCCPU226为主控制器控制整个系统，采用变频器、电磁阀、电机速度传感器、铂电阻和电动角执行器等器件设计烘丝机控制系统。

在系统设计中，主要通过不断检测各个部件的数据，来判断是否有烟丝送入，当有烟丝送入时，正常启动烘丝机系统。

然后启动烘筒电机、热风风机，开始烘干，并且启动筛网吹风电机、汽箱吹风电机等器件来完成对烟丝的烘干。

对于这次设计中，没有设计仿真环节，只有烘丝机系统的设备组成图，主要是由于所设计的烘丝机系统涉及多个器件，这些器件大部分不能在软件里实现仿真，这是这次设计中的一个遗憾。

对于这次所设计的PLC的烘丝机控制系统里，还可以进行改善，可以增加人机交互功能，这样可以实现全程汉字人—机对话式触摸操作。

还可以增加诊断功能，这样便于设备操作人员及维护人员实时了解其运行状况，出现故障能迅速处理。

所以，这个系统还需要改进发展。

对于一名自动化的学生来说，PLC十分重要，是自动化发展的一个重要方向。