大学本科毕业设计论文基于plc的湿磨机群控系统设计.docx
《大学本科毕业设计论文基于plc的湿磨机群控系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学本科毕业设计论文基于plc的湿磨机群控系统设计.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
大学本科毕业设计论文基于plc的湿磨机群控系统设计
摘要
可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。
在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。
人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。
本文主要介绍了基于西门子公司S7-200系列可编程控制器和组态软件的湿磨机群控系统设计方案。
编程时调用了编程软件STEP7-MicroWIN，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。
利用组态软件设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。
实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。
关键词：
湿磨机，可编程控制器，人机界面，组态软件
ABSTRACT
Programmablecontrollerisakindofapplicationisextensiveautomaticcontroldevice,itwilltraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologyisanorganicwhole,havestrongabilitytocontrol,convenientoperation,highreliability,appropriatelong-termcontinuousworkingcharacteristics,verysuitablefortemperaturecontrolrequirements.
Inindustrialfield,withtherapidincreaseofautomationdegree,theusertothecontrolsystemprocessmonitoringdemandishigherandhigher,man-machineinterfaceappearedjustasatisfyinguserneeds.Theman-machineinterfacecanofthecontrolsystemiscarriedoutcomprehensivemonitoring,includingprocessmonitoring,alarmprompt,datarecords,andotherfunctions,thusmakecontrolsystemisbecomingoperatinghumanized,processvisualization,intheroleofautomaticcontrolfieldhasmoreandmorenotable.
ThispapermainlyintroducesthebasedonSiemenss7-200PLCandconfigurationsoftwarewetgrindingmachinescontrolsystemdesign.Thecalltotheprogrammingsoftwarewhenprogrammingpresented.theMicroWIN7,maketheprocessmoreconcise,runningspeedmoreideal.Usingconfigurationsoftwaredesignhuman-machineinterface,realizethereal-timemonitoringandcontrolsystemdatareal-timesamplingandprocessing.Experimentsshowthatthissystemhasfast,accurate,steadyinindustrialadvantages,temperaturecontrolfieldcanwidelyused.
Keywords:
wetgrindingmachine，PLC，man-machineinterface，configurationsoftware
·
前言
随着计算机技术的发展，可编程控制器作为通用的工业控制计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主要控制设备。
可编程控制器（PLC）广泛的应用于工业控制。
它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性好和实时处理能力强的优点。
PLC是把计算机技术与继电器控制技术有机的结合起来，为工业自动化提供近乎完美的现代化自动控制的装置。
目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。
在PLC选型时，反复比较，选择目前流行的、有较高性价比的西门子S7-200系列小型PLC。
该PLC指令丰富、功能强大，其占有率在内市场内正处于上升趋势。
而且该机型的指令及编程运作与计算机通用编程语言比较接近，本论文主要介绍基于PLC和组态软件完成对多台球磨机的群控。
第1章绪论
1.1球磨机的工作原理
1.1.1湿磨机简介
湿磨机又称球磨机，是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。
它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。
球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业，可分为干式和湿式两种磨矿方式，本文主要讨论第二种方式。
1.1.2结构原理
KQ型可倾湿磨机结构原理如图1-1所示，它主要由电机、上支架、筒体、传动机构、冷却系统组成。
由电动机、齿轮减速机链轮、筒体等组成主旋转运动；由液压工作站、油缸、回转轴承及液压元件组成进、出料倾翻机构；由旋转接头、联接座、筒体轴体、外套等组成冷却系统。
图1-1KQ型可倾式球磨机结构示意图
湿磨机筒体由不锈钢制成，当筒体转动时，装在筒内的研磨体（物料）在摩擦力和离心力的作用下，随筒体旋转至一定高度，对筒内物料产生冲击和磨削作用而将物料磨碎。
此外，球的搅拌作用还使物料均匀混合。
控制进、出料倾翻机构的液压回路如图1-2所示。
在水平工作位置，左、右两个支叉支撑上支架支杆两端，油泵关闭。
当启动油泵，通过单向阀向油缸无杆腔输入压力油，活塞伸出，油缸顶起上支架，当到达所需卸料位置时，切断油泵电机电源，关闭截止阀，此时，系统处于保压状态，筒体在此稳定状态下卸料完毕。
当筒体需回复到水平位置或装料位置时，打开截止阀，在筒体重量的作用下，油液流回油箱。
筒体的升、降速度可以通过调节截止阀的开口大小来实现。
图1-2进、出料倾翻机构的液压回路示意图
1.1.3特点
（1）合理的磨筒工作转速使物料达到较高的混合和研磨效果。
（2）筒体内壁沿轴向水平有对称分布的提升筋板以防止研磨体沿筒体内壁滑动。
这样，不仅减少了对筒体的摩擦，而且有利于提高研磨效果。
（3）研磨筒可向上和向下倾斜45°左右，即装料时向下倾斜45°，工作时，保持水平状态，使用十分方便。
（4）球磨机外套壳内通冷却水进行冷却，以利于保证湿磨浆的质量。
（5）结构简单，造型美观，占地面积小，设备容积大，产量和效率高，工艺稳定，装、卸料方便。
1.2球磨机的控制要求
本次对球磨机的控制主要包括：
启停控制，时间控制，时间设定，计时，流量报警自停（冷却水），数据记录，查询，报表。
其中最主要的是对球磨机的时间控制，传统的球磨机生产都是由人工操作，而人工操作的弊端是：
人的时间观念不怎么强，本来正常情况下球磨机运行2个小时产品就已经合格，而工人可能会超过2个小时才停机，这样尽管产品质量的标准是达到了，但是消耗了大量的电能，长期这样对工厂的影响是相当大的。
如果工人在没到2个小时就停机的话，这样产品的质量达不到要求，就会浪费材料和时间，这样费时耗料对工厂的影响是可想而知的。
因此，我们必须用西门子S7-200系列的可编程控制器来对其进行定时，计时。
在时间设定上必须注意：
假定我们对球磨机的运行时间设定为2小时，2小时之后就会自动停止，如没有到2个小时而遇到特殊情况球磨机停机后，当球磨机再度启动时，时间累加继续计时，直到2个小时为止。
另外对启停控制有2种方法：
一是手动，即每台球磨机上都有启停按钮开关，我们可以通过按钮开关来对球磨机的启停进行控制。
二是自动控制，即通过人机界面上的启停按钮进行控制，只要在一台计算机上就可以完成对16台球磨机的启停的群控。
这样大大的节省了劳力，提高了球磨机的工作效率，实在是一种好方法。
此外，就是对球磨机的装卸料的控制，我们这次操作的是可倾斜式球磨机。
球磨机有三种工作状态：
运行，停止和装卸料，因此装卸料的控制也是事在必行的。
首先球磨机必须倾斜然后装入料再把钢球放进去，然后球磨机直立运行。
不然直立的球磨机装卸料极不方便，而且钢球也有可能掉出来，所以对球磨机的装卸料的控制是必要的。
再次，对流量报警自停（冷却水）的控制也是非常重要的，它的控制原理是：
当水的流量小于一定值时（即冷却水达不到冷却的效果），流量开关就会发出一个信号给系统，系统就会自动报警。
流量报警自停控制的重要性在于：
由于电机之间摩擦比较大，热量极大，只有通过冷却水来对其进行冷却，不然电机的损耗就会很大，那样球磨机的寿命就不长，这样不仅会影响工作效率而且会花费大量的钱财，对生产极为不利，故自动报警也是相当重要的。
而动态显示，数据记录，查询，报表和打印都属于用户要求，我们也必须认真按照用户的要求来对球磨机的要求进行控制。
如果是一台球磨机的话我们就没有必要对其进行动态显示来控制，而这次课题我们是对16台球磨机进行群控，因此对球磨机的动态显示就是必要的，对于动态显示的详细内容请参考第四章组态软件的使用的部分内容。
另外就是报表，如图1-3所示，它包括六个内容：
操作者，设定值，数值，批号，初始时间和累积时间。
图1-3报表
数据记录和保存的我们暂时不作介绍，现在我们来介绍一下查询，如图1-4所示，查询器包括四种查询方法：
按操作者，炉号，批号，时间。
这四种方式都可以查询，因此我们可以按照我们所知道的消息来查询，这样不仅省事而且省时。
另外这六个内容可以按不同的方式来进行组合，这样不仅报表方便，而且对查询也有很大的帮助，当这些都完成了，我们就可以把报表的记录值打印出来，这样做既有利于以后的查询对工人的表现也可以从表中看出，这样我们就完成了对系统的控制。
图1-4查询器
第2章可编程控制器的概述
2.1PLC的简介及定义
（1）PLC的简介
PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。
日本的几个厂家为三菱、富士。
日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。
美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。
还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。
（2）PLC的定义
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。
2.2PLC的发展与应用
1PLC的发展趋势
目前PLC技术发展总的趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在:
（1）在系统构成规摸上向大、小两个方向发展
（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出
（3）产品更加规范化、标准化
2PLC的应用
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业。
特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、灌装机械、电镀自动线、电梯等电气设备中。
PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC,ROBOT,CAD/CAM）的主导地位可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统既可控制简单系统，又可控制复杂系统，甚至实现整个工厂生产的自动化。
它的应用可大致归纳为如下几类:
（1）逻辑控制
（2）运动控制
（3）过程控制
（4）数据处理
（5）多级控制
2.3PLC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1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
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，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流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使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。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4．系统设计周期短，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。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
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1/2~1/10。
它的重量小于150g，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。
2.4PLC的系统组成
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
1中央处理单元（CPU）
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
2存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
3输入输出单元（I/O单元）
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
4电源部分
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
5外部设备
a编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
b其他外部设备
PLC还配有其他的一些外部设备。
●盒式磁带机用以记录程序或信息。
●打印机用以打印程序或制表。
●EPROM写入器用以将程序写入到用户EPROM中。
●高分辨率大屏幕彩色图像监控系统用以显示或监视有关部分的运行状态。
2.5PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
1.输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
2.程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。
对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
3.输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
2.6PLC的选择
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。
近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。
PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理的选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。
下面从PLC的机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等方面分别加以介绍：
1PLC的机型选择
机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
（1）合理的结构型式；
（2）安装方式的选择；
（3）相当的功能要求；
（4）响应速度的要求；
（5）系统可靠性的要求；
（6）机型统一。
2PLC的容量选择
PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。
（1）I/O点数
通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%—15%的备用量来确定。
（2）用户存储容量
用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。
需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。
一般可只按下式估算，再按实际需要留适当的余量（20%—30%）来选择。
存储容量=开关量I/O点数*10+模拟量通道数*100
绝大部分PLC均能满足上式要求。
应当注意的是：
当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现存储容量不够的问题，这时应特殊对待。
3I/O模块的选择
一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。
不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格。
下面仅介绍有关开关量I/O模块的选择。
（1）开关量输入模块的选择
PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。
1）输入信号的类型及电压等级的选择常用的开关量模块的信号类型有三种：
直流输入、交流输入和交流/直流输入。
选择时一般根据现场输入信号及周围环境来决定。
按输入信号的电压大小分类有：
直流5V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。
选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来决定。
2）输入接线方式选择按输入电路接线方式的不同，开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种。
3）同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。
（2）开关量输出模块的选择
输出模块是将PLC内部低电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。
选择时主要应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等。
1）输出方式的选择开关量输出模块有三种输出方式：
继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。
2）输出接线方式的选择按PLC的输出接线方式的不同，一般有分组式输出和分隔式输出两种。
3）输出电流的选择输出模块的输出电流必须大于负载的额定电流。
用户应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。
4）同时接通的输出点数量选择输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所
升级会员 