碳素阳极组装工艺的plc设计论文设计.docx
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碳素阳极组装工艺的plc设计论文设计
学科代码：
*******
学号：
***********
******大学（本科）
毕业论文
题目：
碳素阳极组装工艺的PLC设计
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
20**级
姓名：
**
指导教师：
**
完成时间：
**********
碳素阳极组装工艺的PLC设计
摘要
随着生产自动化水平的提高，PLC的应用范围变广。
本次设计是以西门子公司S7-300软件为基础，编写程序设计出某铝厂碳素阳极组装PLC自动化控制系统。
该系统主要是针对托盘小车的控制和轨道电机的控制，通过对控制系统各个系统设计和参数计算，初步确定控制系统完整的控制电气原理图以及流程图。
根据组装阳极的生产工艺的要求，用STEP7编制了一套适用于该组装工艺的自动化控制系统。
在这次设计过程中有很多的开关量输入输出点，因此选用模块式结构PLC以提高系统的工作效率和灵活性。
关键词：
可编程控制器；自动控制系统；模块式结构
Abstract
ProductionautomationdegreerisingmakestheapplicationofPLCmoreandmoreextensiveandpractical.ThisdesignisbasedonSiemensS7-300programmablecontroller,theprogrammingdesignofsmeltinganodeassemblyprocessautomaticcontrolsystemofPLCcontrol.Thesystemismainlyaimedatpalletcarmotorcontrolandorbitcontrol,theprocessisthecollectionmachine,electricity,liquid,gasinoneofthelargeautomatedprocessingequipment.Systemismainlycomposedofmechanicalpartofthemotor,oilheater,hydraulicstation,beltconveyor,mobilecarmotorandcontrolofthesoftwarepartofthesystem.Throughthecontrolsystemofmaincircuit,controlcircuitdesignandparametercalculation,theinitialcontrolsystemcompleteelectricalprinciplediagramandflowchart.AccordingtotherequirementsofassemblyofanodeproductionprocesswithSTEP7createdasetofsuitableforPLCcontrolsystemoftheassemblyprocess.Thisdesignthatinvolvedalotintheprocessofswitchinputandoutputpoints,sochooseflexibleconfigurationofPLCmodularstructureusedtoimprovethepracticabilityandefficiencyofthesystem.
Keywords:
programmablecontroller;Automaticcontrolsystem;Modularstructure
目录
摘要I
第一章绪论1
1.1课题的研究背景及意义1
1.2课题研究的内容及前景分析1
第二章设计任务、设计要求及设计参数2
2.1设计任务2
第三章系统方案设计2
3.1设计依据2
3.2各部分功能分述3
3.2.1托盘小车上料过程3
3.3控制方案的比较、论证和确定5
第四章系统硬件设计8
4.1设计依据8
4.2主电路设计9
4.3元器件选型12
4.4变频器设计15
4.5系统控制电路设计15
4.5.1设计依据15
第五章系统软件设计22
5.1软件设计分析22
5.2系统流程图22
总结27
参考文献28
附录129
附录230
附录331
附录434
附录538
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义
目前在国内碳素阳极组装工艺中比较先进的在贵铝，较之于国内的工艺发展，外国组装工艺的先进性较高。
因为实际情况的不同，比如市场环境的差异，作业环境的不同，所有不能照搬国外的技术，而是有自己的技术特点，根据实际情况设计组装工艺，提高生产效率。
碳素阳极的组装是电解铝生产的不可缺少的环节，随着国内铝业水平的提高，碳素阳极的组装要求也随之提高。
电解铝的过程当中对于碳素阳极的需求量特别大，并且碳素阳极的组装和拆卸量巨大，传统作业方式是使用人力，这会造成劳动力的大量使用，增加生产成本，影响作业效率，不利于扩大生产。
在这样的背景下面急需改变行业现状，随着电气自动化行业的快速发展，自动化的应用领域不断扩大，国民经济的各行各业都能看到自动化发展带来的影响和推动。
在碳素阳极组装工艺的发展过程当中，自动化随之应用到作业过程中，使得组装更加安全可靠，组装的结构变的更加简单合理，工作条件得到极大的改善，工作效率不断提升，设备运行自动化。
1.2课题研究的内容及前景分析
阳极组装是生产系统的最后一个生产过程，研究的主要研究内容是碳素阳极组装工艺的自动化设计，在设计的过程当中研究问题，分析问题，解决问题。
利用PLC的编程功能进行程序设计，实现碳素阳极的组装自动化，提高生产效率。
自动化系统的设计包括阳极小车上料过程、夹具动作过程、阳极小车下料过程、翻转装置等，还有硬件的分析设计，整个过程包含硬件和软件的设计。
自动化控制是未来的发展方向，技术成熟之后逐渐成为系统设计的主流。
目前使用的自动化系统是PLC自动化控制系统。
在行业发展的先进之列中，自动化控制系统占有首要位置。
第二章设计任务、设计要求及设计参数
2.1设计任务
这次设计为自主设计，来自于铝厂阳极组装现场，根据新型铝厂电解铝的阳极组装工艺要求，完成阳极组装工艺中小车、运输电机及夹钳动作控制系统的主电路、PLC控制电路设计和机械控制程序设计。
自动控制系统由可编程控制控制柜、电机控制台、运输小车等控制系统组成,。
该系统以PLC为主，加上电气控制、敏感的检测部分、电动机，液压阀等相互协调动作，实现碳素阳极组装过程的自动化控制。
2.2设计要求
2.2.1设计要求
（1）控制小车的前后运行和停止，夹钳的上下、翻转等；
（2）PLC控制变频器的起停，调速、制动使能转换、轨道电机启停；
（3）完成10个电机起、停信号的检测、实现电机的自由起、停；
（4）对小车和轨道电机各种信号的互锁和监控进行控制；
（5）由轨道的运行情况，决定电机的起停和过载保护控制以及故障处理；
（6）控制系统具有电机过载、过流保护及短路保护等必要的保护环节；
第三章系统方案设计
3.1设计依据
系统设计的控制两部分包括小车的前后运动和电机启停，其中小车的结构包括夹钳和小车电机，夹钳功能是由液压驱动来实现夹住和释放托盘。
而小车电机将托盘运送到对面的轨道上，然后再次返回，即往返运动。
为使小车在运动过程中防止盘子滑落，平稳运行，需要控制小车运行情况。
轨道电机共有8台，分别驱动8条轨道，分别由8条轨道托运托盘。
使用机械手夹具来让托盘从5#轨道向6#轨道完成夹紧、放松，上升、下降，翻转、复位和前进、后退等动作。
于此同时通过变频器实现对小车移动电机的启动、变频调速、正反转等的控制。
对于电机的控制，每条轨道上都安装有一个传感器，可用来判断前后有无盘子并检测到位的盘子，发布命令进行调整。
3.2各部分功能分述
本次设计主要完成轨道电机对托盘小车的运送和阳极小车夹具动作的PLC控制系统的设计，故用作业范围大，效率高且便于操作的PLC控制来完成铝锭生产过程的夹具动作过程。
3.2.1托盘小车上料过程
本设计中的小车在实际生产上是生产线上的运送小车，设计中的托盘小车也称为碳素阳极小车，其运输过程分为上车过程和下车过程。
每个过程有一个轨道，而且每个轨道又被分成4段小轨道,每一段都由一个电动机驱动，整个运料系统中共有8台轨道电机，分别拖动8条轨道，由该8条轨道托运托盘,根据生产工艺要求：
上车过程中的4#轨道和下车过程中的7#轨道设计的比其他几段要长[3]。
小车上料的运输过程如下：
1#轨道2#轨道3#轨道。
。
。
4#轨道
图3.2.1托盘小车上料轨道示意图
3.2.2夹具动作过程
夹具动作过程如下：
右移
位置
升
上
右移
升
上
位置
下
降
反
下
降
时间
反
上
升
反
下
降
左移
左移
图3.2.2夹具小车运动图
3.2.3阳极小车下料过程
下料过程：
6#轨道7#轨道8#轨道。
。
。
。
9#轨道
图3.2.3托盘小车下料轨道示意图
3.2.4翻转装置
按照碳素阳极组装工艺的要求，都必须按上述设计进行操作运行。
3.3控制方案的比较、论证和确定
3.3.1方案的比较
能够实现铝厂阳极组装工艺控制系统设计的方案有多种。
单片机和工业计算机还有可编程控制器都行，下面比较三方面的内容：
（一）单片机
由于单片机的所有器件均不是工业级的，抗扰性能差，系统硬件复杂多变，可能引起系统的不稳定。
而且一旦单片机系统出现故障，很难快速诊断出故障元件，不是专业人士不能很快找到故障原因，使用起来不方便，单片机选择不合理。
图
（一）单片机控制系统
（二）工业计算机（IPC）
由于IPC的主要器件都不是适用工业级的，抗干扰能力虽然有一定提高，系统不和变频器相适应，不稳定。
一旦系统出现故障，非专业人士不能检查和维修。
如果故障由于程序的设计不合理引起，且缺乏合适的调试工具，要找出故障原因很困难,而且编程很难，虽然系统界面完整，但对于不熟悉计算机系统的人来说，还是不太方便。
（三）可编程逻辑控制器（简称PLC）
图（三）PLC控制系统
3.3.2方案论证及确定
通过对以上几种控制方案的比较发现采用PLC控制能够达到碳素阳极组装控制系统需要的要求。
PLC控制技术在工程实际应用中的时间较长，范围广，技术成熟，在工程技中有不可替代的地位。
最重要的是PLC可根据电流保护的要求准确输出，完成保护动作。
第四章系统硬件设计
4.1设计依据
软件设计目的是实现怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个自动化控制系统的功能完整地实现，硬件的设计则主要是要能体现出整个控制系统的流程。
硬件设计是软件设计的基础，软件设计是硬件设计功能的集中体现。
在本章主要是硬件设计及器件选择。
通过对系统的功能要求和性能指标的分析，整个控制系统的硬件设计分为两个模块来完成：
（1）主电路图设计
（2）系统控制图设计。
硬件设计要考虑到供电。
供电的设计直接影响到控制系统的适用性，故在设计硬件时是要按照以下几方面来设计：
1.输入电源电压在一定的允许范围内变化；
3.当控制系统不允许断电的场合，要考虑备用电源的使用；
综合考虑以上几方面，可以把供电线路设计如下：
供电使用电网提供的380V动力电。
主电路设计中，给PLC供电时，应该注意对电能的质量进行控制。
4.2主电路设计
（1）电器总配线主电路图如下图4.2
（1）所示：
图4.2
（1）电器总配线主电路图
图3.2
（2）阳极小车总配电图
（3）轨道电机控制主电路图下图4.2（3）所示：
图4.2（3）轨道电机控制主电路图
4.3元器件选型
4.3.1断路器
断路器又称为自动开关，功能包括有短路、过载和欠电压保护等。
断路器型号选择：
油泵电机选型号：
DZ20-60
液压站冷却电机选型号：
DZ15L—10
皮带运输电机选型号为：
DZ15L—40
小车移动电机选型号为：
DZ15L—601#－10#轨道电机DZ15L—40
加热器和PLC选用型号：
DZ15L—10
输入和输出模板断路器型号均选用：
DZ15L—10
4.3.2熔断器
熔断器时一种简单有效的保护电器。
熔断器选型：
油泵电机：
FU1—FU3熔断器选用型号为：
RT14-63/1
电源模块：
FU4—FU12熔断器选用型号为：
RC1A—10
4.3.3低压隔离器
低压隔离器也称刀开关，主要用于电气线路中隔离电源之用，也可作为不频繁地接通和分断空载电路或小电流电路之用[7]。
选择刀开关选用型号为：
HG1—63/31
4.3.4接触器
本设计选用CJ10系列交流接触器。
该系列交流接触器的功能强大，其辅助设备也很完备，主要用于交流电动机的起动和控制。
（2）液压站冷却电机选型：
由于该电动机虽然是经常启动；但是其不用正、反转工作，它们的功率也是很小。
故选择型号：
CJ10—10
（3）油加热器选型：
电阻炉选择AC1接触器即可以满足要求。
故选择型号：
CJ10—10
（4）皮带运输电机选型：
由于该电动机是经常启动；但不用使其正、反转。
选择AC3类（降一级使用）的接触器可以满足要求。
故选择型号：
CJ10—10辅助触头数量:
一常分
（5）轨道电机故选择型号：
CJ10—10
（6）小车移动电机故选择型号：
CJ10—20
4.3.5继电器
本设计采用的电磁继电器选择电压型的继电器就可以满足系统的设计要求。
选用型号：
JT3-220VAC触点：
24VDC线圈：
220VAC
1.时间继电器
时间继电器种类很多。
本设计根据夹具的动作选用JS14A系列晶体管时间继电器。
本设计选择型号为：
JS14A—5/380M其中：
延时范围为：
0.5—5s
2.热继电器
主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态的控制[8]。
对于频繁正反转和频繁起制动工作的电动机不宜采用热继电器来保护。
查器件书选热继电器型号为：
JR16B-60/3D
3.中间继电器
4.3.6接近开关
本设计的接近开关主要是用于限位保护，采用LXJ6系列电感式接近开关。
选择接近开关型号为：
LXJ6-4/22
4.3.7电动机
选择在这个设计的通用汽车，可以满足要求，所以我用Y系列电机，鼠笼式三相异步电机系列电机，是我国统一设计的产品，具有效率高，节约电能，阻断高扭矩，低噪音，振动小，运行安全可靠等特点。
4.3.8电流表和电流互感器
电流表显示各台电动机工作时的电流，采用的电压表不能直接测量，应该串在电流互感器上使用，选择的电流表的电流应该大于测量线路上的电流。
本设计选用LMK-0.5系列的电流互感器，选择的型号：
电流互感器：
LMKB1-0.5100∶5；电流表：
100-AC
4.3.924V直流电源
PLC输入模块使用24V/DC的电源可以从电源模块引出，也可以从外界的供电系统中直接引入。
我采用外电源直接引入；因为我使用的模板比较多，从电源模块上引入会引起PLC不正常工作。
型号选择：
CKK220VAC/24VDC
4.3.10油加热器
液压系统正常工作时油的温度一般不会太低，不使用加热器。
一般是在整个系统启动前由于外界环境的影响，使得油温低，系统不能正常启动。
加热器选择了一般的加热电阻丝。
型号选择：
RJK12
4.3.11光电传感器
1.控制按钮
对于手动控制信号控制接触器，继电器，电磁起动器。
作为远程起动器，接触器，继电器控制单元。
控制按钮通常是由化合物，有一对常闭触点和常开触点。
信号灯按钮，用于交流信号灯，在6V直流电压信号，对各种信号灯组件。
设计选择模型：
lw-61
2.信号灯
采用半导体信号灯，该信号灯适用于交流50HZ,额定工作电压380V及以下或直流额定工作电压220V及以下的控制电路中.
选用型号为：
AD16－22B/RDC24V
4.4变频器设计
由于小车移动电机的负荷变化不大，因小车电机容量为7.5kW,功率不大会有严重过载的情形，故查变频器手册，选用变频器容量为12kVA，18A的变频器与其相匹配，
4.5系统控制电路设计
4.5.1设计依据
为一个简短的描述。
1系统的大小
首先应确定单一的PLC控制系统，由PLC网络的计算机，PLC的输入，输出点，并根据点的实际需要，左边是在PLC的采购保证金（5%-10%）。
规模
2确定负载类型
根据直流或交流负载型PLC的输出，是一个高电流和低电流，并对动作的频率点输出的PLC，从而确定继电器输出端子，输出晶体管或晶闸管输出。
在不同负载下的输出选择，为系统的稳定运行是很重要的。
3存储容量和速度
虽然PLC产品的外国厂商都大致相同，但也有一定的差异。
目前全兼容产品之间的公司还没有被发现。
该公司的软件开发也不尽相同，但存储容量和指令，用户程序执行速度的重要指标。
一般存储容量越大，速度越快，PLC的价格较高，但应根据系统的大小选择合理的PLC产品。
4.plc编程
（1）一般的手持编程器编程
这仅仅是商业要求语句表编程语言。
这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适合，体积小，调试方便，成本低。
（2）图形程序员
采用梯形图编程的程序员，方便直观，一般的电气人员短期应用自如，但该编程器价格较高。
（3）PC和PLC软件编程
这是最有效的方式，但大部分公司的PLC软件价格昂贵，而且不容易调试。
4.5.2S7-300系列PLC。
S7-300是模块化的PLC，主要由机架，CPU模块，信号模块，功能模块，接口模块，电源模块，通信处理器和可编程器件，每个模块安装在框架。
MPI（多点接口的多点接口）直接与程序员，OP的网络接口，S7PLC等操作面板。
SIMATICS7-300PLC是通用的，适用于各种自动化工程中的应用，特别是模块化结构设计，可编程控制器，各种单独的模块可广泛用于扩展组合。
S7-300PLC系统总线直接集成在每个模块中，他们使用的总线连接器模块的物理和电气连接。
1.PLC模块的选择
接口模块是自我配置，不需要地址分配。
0号机架
电源模块
CPU模块
接口模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
1号机架
电源模块
接口模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
输入输出模块
2．CPU模块
可编程控制器系统，CPU模块相当于人的大脑，工作，阅读一个一个的从用户程序存储器中的指令，分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥和控制电路[11]。
为了给主机提供PROFIBUS接口，我所选择的设计是与CPU接口直接选择模块；此外，当I/O模块超过8时必须选择具有扩展功能的CPU。
有20种不同类型的S7-300PLCCPU，适合不同层次的控制要求。
在本设计中我选择的是标准型的cpu314；CPU可以满足设计要求。
选择型号：
CPU3146ES7307-1EA00-0AA0
MMC微存储器卡64KB6ES7953-8LF00-0AA0
这种CPU占用1个槽，它自身不带有I/O点（所有的输入输出点都是通过扩展I/O模块来实现的）。
规格：
128KB主存储器，24VDC电源，MPI；PROFIBUSDP主站/从站接口；需要MCC；从L+吸取的电流为60mA。
3．数字量输入模块
输入模块用来接收和采集输入信号。
数字量输入模块（或开关）接触和电子传感器的机械的外部连接，如二型光电开关和接近开关。
数字输入模块将数字信号从外部磁场的水平在PLC的信号电平，RC滤波电路一般配备的输入电路，以防止由错误脉冲输入信号引起的触点抖动或外部干扰输入，输入电流一般是马的数量（约7毫安）[11]。
输入接口电路设计采用光电隔离技术，有效隔离内部和外部的PLC电路系统之间的电气连接；采用滤波技术（如LC，II型滤波电路）来消除或减弱工频和高频电磁干扰。
输入信号通过输入接口模块连接器接入模块。
的直流输入电路的延迟时间短，可直接装置和接近开关，光电开关等电子输入连接。
如果信号线不是很长，PLC的物理环境较好，电磁干扰是轻的，应被视为首选的DC24V输入模块。
在恶劣的使用环境中的油雾和粉尘适合于交流输入法。
数字输入模块，可以直接连接到两线接近开关（接近开关），两线接近开关的输出信号0个，输出电流（漏电流）不0。
在泄漏电流的选择是小于静态电流应确保输入模块允许两线式接近开关，否则将导致错误的号码输入。
本设计选择：
输入控制系统的设计是数字设计，利用信号线不是很长，PLC的物理环境（主要是放置在单独的控制室）好，电磁干扰，输入模块选用DC24V。
选择模型：
标准型sm321；DI16*24V直流；321-1bh02-0aa06ES7
从目前的抽回25mA
sm321；DI16*24V直流数字输入模板具有以下特点：
sm321di16*24V（DC）与硬件中断和诊断，隔离16个输入点，16个为一组，，额定输入电压24V（DC），适用于开关；2/3/4线接近开关（接近开关），支持时钟操作，可编程中断诊断，诊断，硬件中断触发输入延时可设置。
4．数字量输出模块
数字输出模块用于控制电磁阀接触器，指示灯，报警输出装置。
sm322数字输出模块将S7的内部信号电平300需要控制过程的外部信号的水平，同时，和功率放大效应的分离。
放大器件的输出功率模块具有高功率晶体管和场效应晶体管，驱动交流负载双向晶闸管或固态继电器驱动直流负载，小型继电器可以驱动交流负载和直流负载。
输出电流典型值为0.52A，负载功率由外部磁场。
本设计选择：
两部分：
一个是显示部分（主要是灯）；二是在工作液压系统的电磁阀。
电磁阀的驱动电流为0.5A；2A驱动电流输出模块的选择。
SM322；DO16×24DC0.5A；6ES7322-1HH01-0AA0
从背板吸取的电流为80mA；从L+吸取的电流为250mA
SM322；DO16×24DC继电器模板具有以下显著特性：
输出点数为16，带隔离，16点为一组，输出电流0.5A，额定负载电压24-48（直流/交流），适用于电磁阀、直流触点、电机启动器、电机
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