盐碱分离离心机电气控制系统设计.docx

成绩
□优 □良 □中 □及格 □不及格

课 程 设 计

课程名称
电气控制与PLC课程设计
课题名称
盐碱分离离心机电气控制系统设计

专 业

班 级

学 号

姓 名

指导老师

电气信息学院
课程设计任务书

课题名称
盐碱分离离心机电气控制系统设计
姓 名

专业

班级

学号

指导老师
谭 梅
课程设计时间
2015年6月22日～2015年7月3日
一.任务及要求
设计任务：
以PLC为核心，设计盐碱分离离心机电气控制系统，为此要求完成以下设计任务：
1.根据盐碱分离离心机的工艺过程和控制要求，确定控制方案。
2.配置电器元件，选择PLC型号。
3.绘制控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
设计要求
（1）所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
（2）所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
（3）所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出。
二.进度安排
1. 第一周星期一上午：课题内容介绍
2. 第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3. 第一周星期二～第一周星期三：确定控制方案。绘制盐碱分离离心机电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。
4. 第二周星期四、五：试验调试
5.第二周星期二～第二周星期五：编写设计说明书、答辩。
三.参考资料
[1] 刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：中国电力出版社，2014年。
[2] 廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014年。
[3] 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解[M].北京：电子工业出版社，2013年。
[4] 赖指南.课题：盐碱分离离心机电气控制系统设计
盐碱分离离心机概况及控制要求
在氯碱生产中，碱液的蒸发、浓缩过程往往伴有盐的结晶，因此需要采取措施对盐、碱进行分离，目前大部分厂家均采用以离心机为主体的分离系统。分离过程是一顺序循环的工作过程，共分6个工步：进料、甩料、选盐、升刀、间歇和清洗，靠6个电磁阀YV1—YV6完成上述工作，并要求5步工作连续循环8次之后方可进入清洗工步，待清洗完毕再进入下一次大循环。分离过程的工作流程图如图1所示，各电磁阀的状态如表1所示。

图1 盐碱分离离心机系统工作流程图


表1 盐碱分离离心机电磁阀状态表


目录
第1章 概述 1
1.1盐碱分离离心机概况 1
1.2任务计划 1
第2章 控制方案论证 2
2.1 PLC控制电路相对于继电器控制电路的优点 2
2.2 PLC控制电路相对以单片机控制电路的优点 2
2.3 基于PLC控制系统优点 2
2.3.1实时性 2
2.3.2高可靠性 2
2.3.3系统配置简单灵活 3
2.3.4.丰富的I/O卡件 3
2.3.6.价格优势 3
2.3.7.安装简单，维修方便 3
第3章 控制系统硬件设计 4
3.1 I/O地址分配 4
3.2 PLC的选型 4
3.3 I/O接线图 6
第4章 控制系统程序设计 7
4.1 程序设计流程图 7
4.2 梯形图网络块说明 8
第5章 PLC程序的调试 11
结束语 12
附录A： 13
附录B： 16

第1章 概述
1.1盐碱分离离心机概况
盐碱分离离心机的原理：当含有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液体小的粒子就会上浮。微粒在重力场下移动的速度与微粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。象红血球大小的颗粒，直径为数微米，就可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程
系统工作原理：在氯碱的生产中，碱液的蒸发、浓缩过程往往伴着盐的结晶。因此需要对盐、碱进行分离，目前大部分厂家采用以离心机作为主体的分离系统。分离过程是一顺序循环的工作过程，共分6个工步：进料、甩料、选盐、升刀、间歇和清洗，靠6个电磁阀YV1—YV6完成上述工作，并要求5步工作连续循环8次之后方可进入清洗工步，待清洗完毕再进入下一次大循环。分离过程的工作流程图如图1所示，各电磁阀的状态如表1所示。
1.2任务计划
1.设计和绘制电气控制原理图或PC I/O接线图、功能表图和梯形图，编写指令程序清单。
 2.选择电气元件，编制电气元件明细表。
 3.设计操作面板电器元件布置图。
4.上机调试程序
5. 编写设计说明书。

第2章 控制方案论证
2.1 PLC控制电路相对于继电器控制电路的优点
1、控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
2、工作方式上看：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。
3、控制速度上看：电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。
4、定时、记数看：电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。
5、可靠、维护看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2.2 PLC控制电路相对以单片机控制电路的优点
1、单片机控制：优点，经济实惠，成本相对较低；缺点，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长，而且，此次设计为盐碱分离，有很强的腐蚀性，所以不应选择单片机控制。
2、PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。对于大型工业生产，一般选择PLC而非单片机。
2.3 基于PLC控制系统优点
2.3.1实时性
1、由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。
2、基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。
2.3.2高可靠性
1、采用性能优良的开关电源。
2、对采用的元器件进行严格的筛选。
3、大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。
2.3.3系统配置简单灵活
1、控制器 产品种类繁多，规模可分大、中、小等。
2、I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。
满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。
2.3.4.丰富的I/O卡件
控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
2.3.5.控制系统采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
2.3.6.价格优势
质优价廉，性价比高。
2.3.7.安装简单，维修方便
可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
综上所述，PLC控制相对于继电器控制有更大的优势，所以最终方案确定为PLC控制技术所以此次设计采用了PLC的起保停的顺序控制梯形图编程。
第3章 控制系统硬件设计
3.1 I/O地址分配
根据盐碱分离离心机系统示意图，
PLC控制系统的输入信号有：启动、停止，2个均为开关量。
PLC控制系统的输出信号有6个电磁阀接触器即：进料阀（YV1）、洗盐阀（YV2）、化盐阀（YV3）、升刀阀（YV4）、母液阀（YV5）、熟盐水阀（YV6）。
经过分析得到盐碱分离离心机工作的I/O端口分配如下表3-1所示。
表3-1 I/O口地址分配表
输 入
输 出
启动SB1（I0.0）
进料阀接触器YV1（Q0.1）
停止SB2（I0.1）
洗盐阀接触器YV2（Q0.2）

化盐阀接触器YV3（Q0.3）
升刀阀接触器YV4（Q0.4）
母液阀接触器YV5（Q0.5）
熟盐水阀接触器YV6（Q0.6）

3.2 PLC的选型
SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU供使用（S7-200的技术指标如下表3-2所示）。
由于实验室PLC的型号为CPU 224XP，所以最终选择此型号进行设计。
表3-2 S7-200的技术指标

特性
CPU 221
CPU 222
CPU 224
CPU 224XP
CPU 226
本机I/O

•数字量
•模拟量

6入/4出
-

8入/6出
-

14入/10出
-

14入/10出
2入/1出

24入/16出
-
最大扩展模块数量
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
7个模块
数据存储区
2048字节
2048字节
8192字节
10240字节
10240字节
掉电保持时间
50小时
50小时
100小时
100小时
100小时
程序存储器：

•可在运行模式下编辑
•不可在运行模式下编辑

4096字节
4096字节

4096字节
4096字节

8192字节
12288字节

12288字节
16384字节

16384字节
24576字节
高速计数器

•单相

•双相

4路30KHz

2路20KHz

4路30KHz

2路20KHz

6路30KHz

4路20KHz

4路30KHz
2路200KHz

3路20KHz
1路100KHz

6路30KHz

4路20KHz
脉冲输出（DC）
2路20KHz
2路20KHz
2路20KHz
2路100 KHz
2路20KHz
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
配时钟卡
配时钟卡
内置
内置
内置
通讯口
1×RS-485
1×RS-485
1×RS-485
2×RS-485
2×RS-485
浮点数运算
有
有
有
有
有
I/O映象区
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
布尔指令执行速度
0.22μs /指令
0.22μs /指令
0.22μs /指令
0.22μs /指令
0.22μs /指令
外形尺寸（mm）
90×80×62
90×80×62
120.5×80×62
140×80×62
190×80×62
3.3 I/O接线图
接线图如下图3-1所示：

图3-1 接线图

第4章 控制系统程序设计
4.1 程序设计流程图
盐碱分离离心机的分离过程是一顺序循环的工作过程，其工作流程图如下图4-1所示。
按加工工艺的要求共分6个工步:进料、甩料、洗盐、升刀、间歇、清洗。6个工步的实现靠6个电磁阀的通电配合来完成。从示意图可知，只有前5步工作做连续循环8次后方可进人清洗工步，待清洗完毕后再进入下一次大循环。其中进料工步由进料阀和母液阀通电，甩料工步由母液阀通电，洗盐工步由洗盐阀和母液阀通电，升刀工步由化盐阀、升刀阀、母液阀通电，间歇工步由母液阀通电，清洗工步由洗盐阀和熟盐水阀通电。

4-1 顺序功能图

4.2 梯形图网络块说明
软件程序设计采用起保停的设计思想进行设计，流程图中M0.0-M0.6为PLC内部辅助继电器，通过辅助继电器的作用构建各个动作间的循环运行，最后通过M0.0-M0.6驱动相应的输出点，从而启动接触器驱动电磁阀工作。
起保停设计思想在实际工程中叶很好运用，能够很方便的进行循环设计，各个动作能准确无误的实现。

网络1（初始化）：此网络为初始化步，系统初始化，为下一步的运行构建条件。

网络2（进料）：此网络为启动工步，当按下启动按钮SB1时，I0.0得电，输出M0.1，并同时自锁。此处未将母液阀同时启动置位，是考虑到在整个小循环中，母液阀一直处于开启状态，所以未将其与进料阀在同一句指令中设置启动。M0.2用于断开进料阀;T37计时5S，5S之后工序进入甩料工步，此步中仅母液阀得电，所以要断开进料阀。I0.1为停止按钮，当系统要停止时即可启动，系统将运行完一周期后停止。M0.1辅助继电器启动后即可驱动输出点从而启动相应接触器得电。
网络3（甩料）：母液阀的开启并启动5S时间设置为与进料阀顺序启动。当前一步中M0.1得电动作，此处M0.2也动作，由设计要求可知，整个小循环中母液阀一直得电，所以可直接送数字1给M0.2，M0.2得电即可驱动相应的Q0.5完成甩料步。

网络4（洗盐）：此部分梯形图为洗盐工步梯形图，开启了洗盐阀，T39计时5秒，时间到，关闭洗盐阀。

网络5（升刀）：在洗盐阀关闭的同时，开启化盐阀及升刀阀，同时利用M0.4自锁，此处由于同时开启两个阀门，又要同时关断这两个阀门，所以自锁环节用M0.5同样可以达到效果。工序进入升刀工步，同样用T40计时5秒，时间到，关断这两个阀门，进入间歇期。

网络6（间歇）：当T40计时时间到，利用M0.4虚拟阀门，母液阀开启，同时控制T41计时器，计时5秒。

网络7（计次）：计数器C0计数，并且重新回到第一步，使M0.1得电动作，以此实现循环。计数C0在8次完成后利用M0.6进行复位清零。

网络8（清洗）：当C0计数达到8次，将洗盐阀与熟盐水阀启动，同时计时20秒，进行20秒的清洗步骤。此时为一个大周期结束，当T42计时时间到，系统又将从进料开始，重复进行循环周期。由于此时不能从第一步开始执行，所以在第一步中加入C0的常闭触点，用以断开第八次T42计时所给的启动信号。
第5章 PLC程序的调试
按下启动按钮SB1，Q0.0得电启动，程序启动，循环往复运行。当按下停止按钮SB2时，在第一工步中加入I0.1，将不会停止整个程序的运行。所以将每个控制线圈都加上I0.1，确保断开时所有控制阀都断开，所有程序步骤回到初始状态。
程序的仿真与调试采用6个指示灯L1，L2，L3，L4，L5，L6分别代表6个电磁阀，通过指示灯的亮与灭来显示电磁阀的动作情况。调试过程如下：
按下启动按钮PB1,代表Q0.1（进料阀）、Q0.5（母液阀）接通的指示灯L1,L5亮.T37计时器同时开始计时。T37计时到，L1灭。T38计时器同时开始计时，指示灯L5亮。T38计时到，代表Q0.2（洗盐阀）指示灯L2亮，此时的L5一直还处于亮的状态即Q0.5（母液阀）还是打开的状态，T39计时器同时开始计时。T39计时到，L2灭,代表Q0.3（化盐阀）、Q0.4（升刀阀）的指示灯L3,L4亮，T40计时器同时开始计时。T40计时到，L3，L4灭,T41计时器同时开始5s间歇计时间。T41计时到，给计数器C0计数一次，由于没有达到设计要求8次，所以重复进行进料、甩料、洗盐、升刀、间歇工序。当第8次循环结束后，T41记时时间到，计数器使得L2和代表Q0.6（熟盐水阀）的指示灯L6亮，开始洗盐。同时T42开始计时，20s后又进入下一次大循环。
从运行情况来看，该套控制系统方案设计满足盐碱分离中分离机处理工艺的要求。
结束语
本次的课题是盐碱分离离心机电气控制系统设计，本课题需要实现的是经过一系列的操作使盐碱分离，分离过程是一顺序循环的工作过程，共分6个工步：进料、甩料、选盐、升刀、间歇和清洗，靠6个电磁阀YV1—YV6完成上述工作，并要求5步工作连续循环8次之后方可进入清洗工步，待清洗完毕再进入下一次大循环。
我们以I0.0开关作为启动开关，I0.1作为结束开关，当我们打开启动开关，将会连续不断的进行工作，当打开结束开关，会完成本次循环后停止。首先，确认使用PLC起保停的循序控制梯形图来编程，选用PLC的型号为CPU 224XP。接着，根据所给出的工作流程图和我们所确定的接口地址等，我们绘画出了顺序功能图，并按照循序功能图根据起保停的方法编程，编写了梯形图，对梯形图经过了多次调试和修改后，终于实现题目所要求的功能。
此次课程设计能够实现预定的功能，要感谢谭梅老师对我们不懂和出错的地方的耐心指导和纠正，还有同学们对我的帮助，谢谢！
附录A：

附录B：
LD SM0.1
O M0.0
AN M0.1
= M0.0
LD M0.5
A T41
AN C0
LD M0.0
A I0.0
OLD
LD M0.6
A T42
OLD
O M0.1
AN M0.2
AN I0.1
= M0.1
TON T37, 50
LD M0.1
A T37
O M0.2
AN M0.3
= M0.2
TON T38, 50
LD M0.2
A T38
O M0.3
AN M0.4
= M0.3
TON T39, 50
LD M0.3
A T39
O M0.4
AN M0.5
= M0.4
TON T40, 50
LD M0.4
A T40
O M0.5
AN M0.1
AN M0.6
= M0.5
TON T41, 50
LD M0.5
LD M0.6
CTU C0, +8
LD M0.5
A T41
A C0
O M0.6
AN M0.1
= M0.6
TON T42, 200
LD M0.1
= Q0.1
S Q0.5, 1
LD M0.3
O M0.6
= Q0.2
LD M0.4
= Q0.3
= Q0.4
LD M0.6
= Q0.5
= Q0.6
LD M0.1
O M0.2
O M0.3
O M0.4
O M0.5
= Q0.5电气控制与PLC课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案合的理性（10%）

控制系统硬件设计完成情况（10%）

控制系统程序设计完成情况（20%）

控制系统程序调试结果*(10%)

设计说明书质量(20%)

答辩情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况(10%)

综 合 评 分

指导教师签名：
日 期：