基于PLC及HMI的造粒机控制系统的设计.docx
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基于PLC及HMI的造粒机控制系统的设计
基于PLC及HMI的造粒机控制系统的设计
摘要:
目前,造粒机行业中大部分单位使用的造粒机是传统的继电器接触器控制的设备,存在可靠性低,控制精度低,生产效率低和能耗高等缺点,通过对这些设备进行改造,可花费较少的资金即能全面提升造粒机的技术含量,从而提高产品质量,降低生产成本,具有十分巨大的市场前景。
文章提出了应用现代控制理论和控制技术实现造粒机的控制,系统的说明了PLC(可编程序控制器)、HMI(人机界面)等装置的工作原理及其在自动控制设备中的应用,针对造粒机的技术改造要求提出了具体的设计方案,并说明了系统改造的硬件设备,软件设计的思路和方法及联合调试的过程。
关键词:
造粒机,PLC(可编程序控制器),HMI(人机界面)
第一章序言
随着现代技术的发展与革新,工业控制系统更快地向简单化、系统化、自动化的方向发展。
以程序控制取代以往的继电器控制,更加的简单和方便使用。
此外,更具有人性化的及多元化的发展。
PLC、人机界面、变频器等将更快的取代继电器及接触器的控制领域。
1.1PLC的其本概念与基本结构
PLC(可编程序控制器)是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字化、模拟式的输入及输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
1.2PLC的特点与应用领域
PLC可应用于数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理通信联网等。
PLC在许多领域得到了广泛的应用,归根结底是由其性能决定的,它的主要特点为:
编程方法简单易学;功能强,性能价格比高;硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强;可靠性高,抗干扰能力强;系统的设计、安装、调试工作量少;维修工作量小,维修方便;体积小,能耗低。
1.3人机界面基本概念及应用
人机界面(HumanMachineInterface)又称为人机接口,简称为HMI。
从广义上说,HMI泛指计算机与操作人员交换信息设备。
在控制领域,HMI一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。
人机界面是按工业现场环境应用来设计的,正面的防护等级为IP65,背面的防护等级为IP20,坚固耐用,其稳定性和可靠性与PLC相当,能在恶劣的工业环境中长时间连续运行,因此人机界面是PLC的最佳搭档。
人机界面在各领域得到了广泛应用,如过程可视化;操作员对过程的控制;显示报警;记录功能;输出过程值和报警记录;过程和设备的参数管理等。
第二章造粒机控制系统构成与功能分析
用PLC(可编程序控制器)及HMI(人机界面)工业控制系统代替以往的继电器和接触器控制系统,实现造粒系统的可视化、可调化以及可视化控制。
通过数字量以及模拟量的控制,达到准确以及精确的要求。
采用PID实现过程控制,实现造粒过程的手动与自动的顺序控制。
对温度的采集和水位的检测,进行实时的监控与显示。
2.1造粒系统结构
如图2-1所示为造粒系统的结构图,其组成部件在图中标明。
对于本系统而言,启动后首先干燥机、风机启动,对烘干做准备;其次水泵启动,为切粒提供水源;然后水下切粒机运转,开始切粒;最后液压站电机动作,打开开车DV阀,物料就可以通过切头,进行切粒。
图2-1造粒系统结构图
2.2造粒系统的控制功能的要求
1、通过HMI触摸屏实现造粒系统的控制及监控。
2、系统具有手动和自动控制。
3、系统可以实现电机的顺序启动与顺序停机,以及电磁换向气阀的换向。
4、在手动状态,按下各自的启动按钮,对应其电机启动。
按下其停机按钮对应的电机停机。
5、在自动状态,按下启动按钮(切料电机的启动按钮),各电机按顺序自行启动。
按下停机按钮(切料电机的停机按钮),各电机按顺序自行停机。
2.3造粒系统技术参数的要求
1、通过HMI触摸屏可以进行温度的采集、显示及设定,对温度实现可知、可观、可设定的控制功能。
2、实现温度的控制,使其在设定值上下波动。
3、对水位进行检测,判断是缺水、低水位还是高水位状态。
4、可以对切料电机的转速显示以及控制转速。
2.4造粒系统设计分析
1、明确系统所要达到的功能、动作流程以及技术要求。
2、硬件的设计,包括PLC的选型、HMI触摸屏的选择,以及变频器、温度传感器(热电偶)、压力变送器、电磁换向气阀等的选择等。
3、上位机的组态设计。
4、程序设计,包括系统的工作过程分析和程序设计框图,I\O的分配,PLC程序的编写,控制程序的清单及注释。
5、其他元件的选择及功能调试。
第三章造粒机系统的硬件设计
冷水管
3.1造粒系统的工作流程
干燥箱
供水电机
排水阀
物料阀
高水位
低水位
低位报警
排风电机
烘干电机
进料口(进料电机)
冷水阀
水箱
带水物料输送管
图3-1造粒机工作示意总图
切料电机
图3-2造粒机切料部分俯视图
如图3-1与图3-2所示,造粒机工作流程可简述为四个部分:
1、启动后,首先烘干电机工作,将干燥箱烘干,防止由于上次操作有残余液体存在影响本次操作。
2、供水电机带动水泵工作,冷水阀打开,将水箱中的水送至冷水管,输送至切料口,过5秒后物料阀打开。
3、送料电机工作,进料口打开,物料进入,切料电机(图3-2)带动切头运作,开始切料,此时由于有冷水进入,切好后的物料会立即冷却成型。
4、工件切好过后,通过物料阀,带水物料通过物料管送至干燥箱,干燥电机工作,开始干燥,干燥完毕经过出料口移出。
3.2造粒系统PLC的选型
3.2.1西门子S7的家族
西门子可编程控制器系列包括小型PLC(S7-200)系列,中低性能系列(S7-300)和中高性能系列(S7-400)。
结合本系统的控制及性能要求,本文采用小型S7-200系列。
3.2.2S7-200的分类
S7-200PLC是小型模块式的PLC,整机I\O点数从10-40点,在小型自动化设备中得到了广泛的应用。
从CPU模块的功能来看,西门子S7-200系列小型可编程序控制器发展至今,大致经历了两代。
第一代产品CPU模块为CPU21X,主机都可进行扩展,它具有四种不同结构配置的CPU单元:
CPU212、CPU214、CPU215和CPU216。
第二代产品其CPU模块为CPU22X,是二十一世纪初投入市场的,其速度快,具有较强的通信能力。
它具有四种不同结构配置的CPU单元:
CPU221、CPU222、CPU224和CPU226,除CPU221之外,其他都可加扩展模块。
3.2.3S7-200扩展模块简介
(1)I\O扩展模块:
数字量I\O扩展模块:
EM221、EM222和EM223。
模拟量I\O扩展模块:
EM231、EM232和EM235。
(2)通信模块:
EM277(PROFIBUS-DP\MPI)、EM241模拟音频调制解调器模块)、CP243-1(以太网模块)、CP243-1IT(带因特网功能的以太网模块)、CP243-2(AS-Interface主站模块)、MD720(GPRS通信模块)。
(3)功能模块:
EM253(定位模块)、SIWAREXMS(称重模块)。
3.2.4CPU型号的选择
不同的CPU模块的性能有较大的差别,在选择CPU模块时应考虑CPU集成的I\O点和模块的扩展能力、程序存储器与数据存储器的容量,CPU集成的高速计数器、高速输出和中断的功能,在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。
本文采用新型CPU224XP,集成有2路模拟量输入、1路模拟量输出、14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点,20K字节程序和数据存储空间,有两个RS-485通信口,单项高速脉冲输出频率提高到200kHz,2相高速计数器频率提高到100kHz,有PID自整定功能。
这种新型CPU增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集(远程终端应用)和通信方面的功能。
3.3I\O模块的选型
1、选择I\O模块之前,应确定哪些信号需要输入给PLC,哪些负载由PLC驱动,是数字量还是模拟量,是直流量还是交流量以及电压的等级,是否有特殊的要求,例如快速响应等,并建立响应的表格。
2、根据I\O表和可供选择的I\O模块的类型,确定I\O模块的型号。
选择I\O模块时,I\O点数一般应留有一定的裕量,以备今后系统改进或扩充时使用,本设计采用EM223CN。
3、选择模拟量模块时应考虑变送器和执行机构的量程是否能与PLC的模拟量输入与输出模块的量程匹配,模拟量模块的A\D、D\A转换器的位数反映了模块的分辨率,模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度,本设计采用EM231CN。
3.4造粒系统HMI的选择
西门子有品种丰富的人机界面产品,如TD17、OP3、OP7、OP17、OP170B、OP70、TP270、TP170B、MP270B、MP370等。
本文选用TP170的触摸屏,TP170是用于S7系列PLC的简单任务的经济型触摸屏,采用5.7in蓝色STN-LCD,4级灰度,支持位图、图标和背景图画,动态对象有棒图,有一个RS-232接口和一个RS-422\485接口。
3.5其他元件的选择
1、变频器:
本文采用西门子MicroMaster440(MM440)变频器。
2、温度传感器(热电偶):
热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。
本文采用普通型热电偶即可。
3、压力传感器\变送器:
选择的规格是PT131-25Mpa-M14-150\470-E,量程为0-25Mpa,准确度为1.0级,输出2.0mv\v.
4、水位检测装置:
本文采用三位式(高水位、低水位、低水位报警)的水位检测,采用其浮点的断开与导通,接通PLC的程序,显示其水位状况。
5、电磁换向气阀:
Model(4M310-08),Pressure(0.15-0.8Mpa)。
图3-3电磁换向气阀的符号
6、液压阀:
采用三位四通电液阀
图3-4液压阀的符号
7、固态继电器:
Voltage480V,Current40A。
产品特点:
输入回路与输出回路之间光隔离;具有过零电压开启,随机电压开启两种接通方式;TTL逻辑兼容,3-32V直流恒流输入控制;发光二极管LED指示接通状态。
8、中间继电器:
选择24VDC。
9、交流接触器:
一般接触器即可,如LSIndustrialSystems、西门子、正泰电气等,本文采用了西门子的接触器。
3.6造粒系统的开发平台
图3-5开发设备通信线路连接
如图3-5所示,开发过程中搭建的开发框架平台为:
1、HMI触摸屏与PLC之间用接口连接线连接。
2、HMI触摸屏系统一般包括两个部分:
检测装置和控制器。
触摸屏检测装置安装在显示器的显示表面,用于检测用户的触摸位置,在将该处的信息传送给触摸屏控制器。
控制器的主要作用是接收来自触摸点检测装置的触摸信息,并将它转换成触点坐标,判断出触摸的意义后送给PLC。
他同时能接收PLC发来的命令并加以执行,如动态的显示开关量和模拟量等。
3、PLC工作时,将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上,将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。
PLC在执行用户程序时所需输入继电器、输出继电器的数据取自于I\O映像区,而不直接与外部设备发生关系。
在运行工作模式时,PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理,然后按上述过程循环扫描工作。
PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时的响应随时可能变化的输入信号,用户程序不只是执行一次,而是不断的重复执行。
4、通过HMI触摸屏上按键与变量建立连接,按下触摸屏上的按键,触摸屏控制器做出反应,给PLC发出信号,然后PLC做出反应,驱动各自控制的内部继电器动作。
第四章造粒机系统HMI组态设计
4.1人机界面组态任务
图4-1主画面
图4-2参数设定画面
根据控制系统任务要求,设计如图4-1与图4-2上位机界面。
在图4-1中切料电机的转速、切头温度、循环水温度通过文本域及时显示。
烘干电机、供水电机、送料电机和切料电机的启动与停止,通过主画面上的ON、OFF按键来实现,并且伴有指示灯的变化,启动时是绿色,停止时是灰色。
在图4-2中可以对切料电机的转速、切头温度和循环水温度进行设定,并且参数设定画面和主画面可以切换。
4.2数据类型地址分布
图4-3中为即组态主画面与参数设定画面中所用的变量列表。
图4-3数据类型图
4.3组态控制画面的设计
1、IO域:
如切头温度为输入输出域,设置其变量、格式类型(十进制)、格式样式(999)等。
图4-4IO域
2、日期时间域:
如4\15\2010,14:
30。
图4-5日期时间域
3、文本域:
如烘干电机、供水电机、送料电机和切料电机(A电机)等。
图4-6文本域
4、图形IO域:
如启动\停的指示灯,启动为红色标志,停止为灰色标志,设置其模式、变量即可。
图4-7图形IO域
5、按钮:
如加50或减50按钮,先是文本域写出加50或减50,图4-8默认为1。
然后是事件的设置,加50选择IncreaseValue,选其变量为切料(A)电机转速,其值为1。
或减50选择DecreaseValue,选选其变量为切料电机(A)转速,其值为1。
图4-8按钮
第五章造粒机系统的程序设计
5.1程序设计框图
本课题的程序设计主要包括五个部分:
基本程序设计、水位控制程序设计、温度控制程序设计、调速脉冲输出程序设计、切头温控程序设计。
如图5-1所示。
图5-1程序设计框图
5.2I\O的分配
结合控制系统的控制过程,制定其输入输出点分配见表5-1。
表5-1I\O的分配
输入
输出
名称
注释
名称
注释
I0.1
单动\联动
Q0.0
PTO调速脉冲输出
I0.2
切头行程开关
Q0.2
进料口切头加温装置开启
I0.3
急停开关
Q0.3
循环水调温装置开启
I1.0
切料电机故障
Q0.5
冷水阀
I1.1
供水电机过载
Q0.6
物料阀
I1.2
烘干电机过载
Q0.7
排水阀
I1.3
送料电机过载
Q2.0
切料电机开
I2.0
低水位报警
Q2.1
供水电机开
I2.1
高水位
Q2.2
烘干电机开
I2.2
低水位
Q2.3
送料电机开
I
Q2.4
进料阀
5.3PLC电气控制接线图
PLC及各模块的接线图如图5-2所示。
图5-2PLC电气控制接线图
5.4造粒系统基本程序设计
1、主程序(手动状态)
(1)网络1为自动与手动状态的选择,手动状态的功能为检测各电机与阀门故障与否。
(2)网络2为手动状态的功能体现,即通过触摸屏操作所传递的参量检测各电机与阀门状态。
(3)网络3、4、5、6为各电机过载故障状态显示,通过相应参量传递与组态画面进行显示。
(4)网络7、8、9为水箱水位状态显示与报警。
切料电机
B电机
2、自动状态:
(1)网络1到网络16为运行的自动状态程序,其中利用定时器实现其顺序控制(顺序启动与停止)。
网络14为急停程序,利用复位与置位实现停机。
(2)网络2中利用T37-T43六个定时器控制其顺序启动,即C电机、B电机、A阀、B阀、A电机、D电机、D阀分别按1s、1s、2s、1s、1s、1s、1s的时间间隔启动。
(3)网络3到网络13为顺序启动程序图,利用定时器的常开与常闭触点以及寄存器M来完成的。
物料阀
冷水阀
供水电机
烘干电机
送料电机
切料电机
(4)网络14为急停程序,利用复位实现停机。
置位M0.2接通网络15机器的排水阀,排水阀同时延时10秒钟后自动关掉,确保水已放完。
出料阀
排水阀
(5)网络17利用T44-T50七个定时器实现顺序停机。
5.5循环水温度控制程序设计
对于不同的物料而言循环水温度不同,可通过触摸屏界面设定,因此循环水温度数值由组态界面设置,对应的参数为QW2。
在本课题中,温度变送器温度信号0-QW8度,将其转换成4-20MA转换成为数字0-32000,当温度高于0.95*QW8时,循环水调温装置停止工作,因此,结合两点一线原理可确定温度计算公式如下:
T=((M-6400.0)/25600.0)*QW8
其中,M为从温度变送器所获取数字量,T为当前温度。
1、网络17实现上述公式的计算及类型的转换。
2、网络18、19、20判别温度是否达到设定值,若达到设定值的95%时,循环水调温装置停止工作。
5.6调速脉冲输出程序设计
1、PWM的基本内容
周期和脉宽时基为微秒或毫秒,均为16位无符号数。
周期的范围周期范围从50-65535us或从2-65535ms。
若周期小于2个时基,则系统默认为两个时基。
脉宽范围从0-65535us或0-65535ms。
若脉宽大于或等于周期,占空比为100%,是输出连续接通。
若脉宽为0,占空比为0%,则输出断开。
2、切料电机细分控制程序及切头定位子程序。
网络21进行初始化,下述网络1与2为切头定位子程序。
5.7切头温控程序设计
与循环水温度相同,对于不同的物料切头温度也不同,可通过触摸屏界面设定,因此切头温度数值也由组态界面设置,对应的参数为QW4。
要求当温度高于设定温度0.95时,切头加温装置停止工作,温度计算公式如下:
T1=((M1-6400.0)/25600.0)*QW4
其中,M1为从温度变送器所获取数字量,T1为当前温度。
1、网络22实现上述公式的计算及类型的转换。
2、网络23、24、25判别温度是否达到设定值,若达到设定值的95%时,循环水调温装置停止工作。
第六章系统联调
组态画面与程序设计完成后,按照下列步骤进行调试:
1、编译、下载程序于PLC中,若编译不成功需对程序作进一步修改。
2、建立PLC与人机界面的连接,在名称中输入PLC,通讯驱动程序是S7-200,在线为开的状态,还可加注释。
如图6-1。
图6-1步骤1
3、建立触摸屏与PLC的通信设置,选择其接口、波特率以及地址等。
如图6-2。
图6-2步骤2
4、组态界面操作:
(1)通过组态界面菜单设定电机转速,可通过增减按钮进行调节;
(2)设定切头温度;
(3)设定循环水温度;
(4)界面会适时更新系统时间。
5、按下启动按钮后,首先进入手动状态,回至组态界面进一步操作。
检查电机与阀门是否工作正常,按组态界面的各个电机与阀按钮,若电机故障,组态界面对应的指示灯会呈红色;
6、按下I0.1进入自动状态,此时造粒机开始工作:
按下启动按钮烘干电机,供水电机、冷水阀、物料阀、送料电机、切料电机、出料磁阀按顺序启动,此时触摸屏上就有各状态的显示了,指示灯按顺序都是这是绿色,切料电机转速、切头温度和循环水温度也都有显示。
7、按下停止按钮各电机与阀顺序停止工作,此时指示灯都顺序变为灰色。
另外,排水电磁换向气阀和出料电磁换向气阀分别动作,完成放水与关料阀的功能。
结束语
本文利用的是PLC(可编程序控制器)及HMI(人机界面)的相关知识,基本上可以运用在校期间学到的一些知识,一方面可以对其加以巩固,另一方面还可以提高自己在其他方面的知识,以及自己还不够了解的地方和其他自己没有接触到的知识点。
另外,我发现知识就要不断的巩固,如果不学习和巩固一段时间后就会淡忘。
本文的设计其实花了不少的时间,最初是对系统的了解,慢慢的弄明白它的动作,以及它们的顺序动作,后来就是对它的控制思路加以了解,最后就是去搜索资料,去找一些有用的书籍及相关资料,对本系统的设计提供理论支撑。
本文介绍了造粒机系统的基本思路,以及其中的一些相关程序,设计的基本思路在本文中都已经体现。
其实,本文设计是一个顺序控制,同时还有一些其他的辅助,像温度显示、水位显示等。
像皮带的顺序启动和顺序停机、机械手的顺序动作等都可以利用本文的顺序动作来设计。
本文设计可以代替以前的很多接触器控制系统,可以对接触器控制进行技术改造,使其控制系统更加的简单、方便以及人性化,而且也可以减少对其他元件的使用,仅仅PLC及HMI就可以控制其动作了。
这就体现了PLC的可靠性、易操作性(操作、编程、维修方便)、灵活性(操作、扩展、编程的灵活)等。
本文基本涵盖了PLC的基本功能,像时间继电器控制的顺序启动与停机,高速脉冲输出,模拟量、数字量的输入与输出等。
总之,PLC的未来发展除了产品本身的发展,更大程度上取决于用户和市场的发展,任何产品存在的根本在于用户和市场的需求。
PLC以它的高可靠性和易操作性,主导了工控行业数十年,它将继续存在且壮大下去,拓宽开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等应用领域。
谢辞
回忆起大学生活真的很快就要结束了,最后就剩下毕业设计了,毕业设计可以对大学里的知识做下总结,让毕业设计为大学生活做个完美的句号。
首先感谢指导老师严惠,感谢严老师对我的严格要求,没有严老师的严格要求,我想本人毕业设计就不能顺利完成。
严老师对本人毕业设计一丝不苟的审视和不断的指导说明。
在遇到困难的时候总是向她寻求帮助,严老师总是耐心的讲解和对内容进行说明,直至让我明白为止,这样毕业设计才能够更好更顺利的完成。
当然,还应该感谢其他的老师,只有得到多方面的知识,才能把论文写的更好。
另外,还应该感谢一些同学,因为一些同学给予了建议,以及给自己搜索资料,在自己比较疑惑的时候,可以去问问同学一些问题,这样自己就可以明白了,毕竟他们的建议也是有参考价值的,可以为接下来的设计提供信息。
总之,真诚的感谢老师和同学。
毕业设计不是一个人就可以完成的,它是很多人共同的结晶。
参考文献
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机械工业出版社,2009。
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北京航空航天大学出版社,2008。
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北京航空航天大学出版社,2008。
【7】金卫国.机电类专业毕业设计指导书.2008年11月。
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