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1、 毕业设计开题报告 题目名称：粘胶生产线烘干机控制系统设计学院名称：电子信息学院班 级：电气类学 号：0学生姓名：方佳坤指导教师： 2015年 3月目 录第1章 本课题的研究背景和意义1第2章 PLC的主要特点32.1 组态灵活、通用性强32.2 可靠性高、抗干扰能力强32.3 接口简单、便于维护32.4 体积功耗小、性价比高32.5 编程简单、容易掌握32.6 设计施工、调试周期短3第3章 课题的主要内容43.1 S7-3004 3.1.1工作原理4 3.1.2 S7-300编程工具43.2 PID控制43.3 变频器 3.3.1测量方式4 3.3.2变频器工作原理 3.3.3变频器功能作用
2、4 3.3.4变频器基本组成4 3.3.5变频器给定方式4第4章 硬件系统设置4第5章 PLC 的接口4第6章 控制设计思想第7章 结束语4参考文献9 1本课题的研究背景和意义 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 21世纪，P
3、LC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 可编程控制器以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通
4、用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，在汽车、钢铁、航空航天、船舶、化工、纺织、食品、造纸、军工等工业领域获得了广泛的应用，它的功能单元丰富，渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业、。PLC应用于吹塑机中，使吹塑机全面自动化程度得到提高。PLC易学易懂，控制简单，可以使吹塑机使用得到普及，提高生产效率。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。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，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。这样使得吹塑机的灵活性增强，适应现在市场多变，产品跟
5、新速度快的现象。 2 PLC的主要特点2.1 组态灵活、通用性强 PLC的硬件实现了标准化,同时PLC的产品已实现系列化,功能模块品种多,可以灵活组成大小各异、功能各异的控制系统。在PLC构成的控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,同一个PLC装置用于不同的控制对象,只是输入输出组件和应用软件的不同。2.2 可靠性高、抗干扰能力强 微机功能强大但抗干扰能力差,工业现场的电磁干扰,电源波动,机械振动,温度和湿度的变化,都可能导致一般通用微机不能正常工作;传统的继电器接触器控制系统抗干扰能力强,但由于存在大量的机械触点
6、易磨损、烧蚀 )而寿命短 ,系统可靠性差。 PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高,从实际使用情况来看,PLC控制系统的平均无故障时间一般可达45万小时。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,能适应有各种强烈干扰的工业现场,并具有故障自诊断能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰,其工作环境温度为060,无需强迫风冷。2.3 接口简单、便于维护 PLC的接口按工业控制的要求设计,有较强的带负载能力(输入输出可直接与交流220V,直流24V等强电相连),接口电路一般亦为模块式,便于维修更换。有
7、的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块,可不脱机停电而直接更换故障模块,大大缩短了故障修复时间。2.4 体积功耗小、性价比高 就一种小型PLC来说,就具有128个I/O接口,可相当于400800个继电器组成的系统 的 控 制 功 能 ,其 尺 寸 仅 为 216mm127mm 110mm3,重 2.3kg,不带接口的空载功耗为1.2W,其成本仅相当于同功能继电器系统的10%20。PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态,还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态,如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等,对此均有醒目的指示,非常有利于运行和维护人员对系统进行监视
8、。2.5 编程简单、容易掌握 PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观,指令少、语法简便,不需要专门的计算机知识和语言,具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。利用专用的编程器,可方便地查看、编辑、修改用户程序。2.6 设计施工、调试周期短 用继电器接触器控制完成一项控制工程,必须首先按工艺要求画出电气原理图,然后画出继电器柜的布置和接线图等,进行安装调试,以后修改起来十分不便。而采用PLC控制,由于其靠软件实现控制,硬件线路非常简洁,并为模块化积木式结构,且
9、已商品化,故仅需按性能、容量(输入输出点数、内存大小)等选用组装,而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行,因而缩短了设计周期,使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能,大大减轻了繁重的安装接线工作,缩短了施工周期。PLC是通过程序完成控制任务的,采用了方便用户的工业编程语言,且都具有强制和仿真的功能,故程序的设计、修改和调试都很方便,这样可大大缩短设计和投运周期。 3 课题的主要内容3.1 S7-300 S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器(PLC)系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛
10、的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。循环周期短、处理速度高。S7-300指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能,可使产品设计紧凑，可用于空间有限的场合。S7-300有不同性能档次的CPU模块和I/O模块可供选用 能在露天恶劣条件下使用该模块类型。3.1.1工作原理 PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU 并不直
11、接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区（在CPU的系统存储区）3.1.2 S7-300编程工具 使用STEP7软件对S7-300进行编程，目前S7-300最新的编程软件版本为STEP7 V5.5 SP2。STEP7包含了自动化项目从项目的启动、实施到测试以及服务每一个阶段所需的全部功能。STEP7中的编程语言1、顺序功能图2、梯形图3、语句表4、功能块图5、结构文本3.2 PID控制 当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正
12、系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (
13、t）与输出u (t）的关系为u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 。式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s。其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数3.2.1 PID控制调节方法 PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或
14、阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。 PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。 PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行
15、双向通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-422等，通讯波特率3009600bps 仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC 等）进行通讯，构成管理系统。3.2.2 PID控制原理特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来
16、确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。3.3 变频器 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需
17、要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。3.3.1测量方式 变频器输出为PWM波，含有较多的高次谐波。变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入变频功率分析仪，数字量输入变频功率分析仪对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。 就国内变频器市场格局而言，业内人士将其概括为，变频器通用领域内资企业占据80%以上的
18、市场份额，竞争激烈导致10年价格大幅下滑；高性能市场仍以外资品牌为主，未来将成为国内变频器企业的主攻方向。是国内智能化电气研发、生产和销售的为一体的高新技术企业。生产变频调速器、电机软起动器等工业自动化控制的厂家，产品采用重载型设计，过载能力强，具有超大起动和运行容量、完善的自动检测、保护和控制性能，可以起动和控制任何类型的重型负载电动机，产品已广泛应用于冶金、矿山、造纸、化工、建材、机械、电力、以及建筑系统等所有工业传动领域 中国变频器的市场保持着12-15%的增长率，预计至少在未来5年内将会保持10%以上的增长率。中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20%左右，预计至少在10年
19、以后，变频器市场才能饱和并逐渐成熟。3.3.2变频器工作原理 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路3.3.3变频器功能作用 电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为
20、“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的1520倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额
21、定功率的3-5%）。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯. 变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一、大功率并且为风机/泵类负载；第二、装置本身具有节电功能（软件支持）；3.3.4变频器基本组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。3.3.5变频器给定方式 变频器
22、常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置4 硬件系统设置 根据生产线生产流程及实际要求,生产线采用上位机和下位机组成,上位机使用PC机，用于对生产线的监控与检测和实现对相关软件的设计与开发,以及PLC的设计与控制等。下位机则采用现场适应能力极强的PLC完成对生产流水线上各个设备的控制,实现生产线的自动化生产。系统硬件组成如下:制单元选用CPU315作为PLC的核心部件,进行逻辑和数字运算,协调整个控制系统各部分的工作。电源单元采用1:1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入
23、卡件进行供电,采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电,自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。输入输出单元采用两块8点的模拟量输入单元AI8 12Bit、两块 32点输出单元 DO32DC24V/0.5A、一块 16点输出单元 DO16DC24V/0.5A、五块 16点数字量输入单元DI16AC120/230V。为了确保生产流水线上各个设备通信正常(距离约360m)。 5 PLC 的接口 如伺服机构采用硬件环行分配器,则占用PLC的I/O口点数少于5点,一般仅为3点。其中I口占用一点,作为启动控制信号;O口占用 2点 ,一点作为 PLC的脉冲输出接口,接至伺服
24、系统硬环的时钟脉冲输入端,另一点作为步进电机转向控制信号,接至硬环的相序分配控制端,伺服系统采用软件环行分配器。6 控制设计思想 回路启动顺序由下游向上游(生产流水线的最末端为上游),按一定延时,逐个启动,若回路启动过程中无故障,则为正常启动;若有故障则为异常启动,程序启动遇到故障时,就不再继续往下启动。回路停止顺序由上游向下游,它包括正常停止和事故停止,正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时,上游的设备立即停止,下游设备可运行。在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器;对于频率较低
25、的控制脉冲,可以利用PLC中的定时器构成,伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转,伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时,可以用PLC中的高速脉冲发生器。7结束语 由此看来，plc控制系统具有全数字通信，开放性好、可靠性高、投资与维护成本低等独特的优点，相信随着自动化领域技术的发展，随着现场总线标准的更加开放、统一、plc技术的应用会更加广泛。 参考文献资料1 陶权 韦瑞录.PLC控制系统设计、安装与调试.北京：北京理工大学出版社，2009.2 高钦和.PLC应用开发案例精选（第二版）M.北京：人民邮电出版社，2008.3 张进秋.可编程控制器原理及应用实例M.北京：机械工业出版社，2004.4 崔坚.西门子S7可编程序控制器-STEP7编程指南M.北京：机械工业出版社，2007.5 路林吉 ,王坚 ,江龙康 .可编程控制器原理及应用M.北京:清华大学出版社,2002.6 胡职焱.PLC在船用输送装置电气控制系统中的应用J.机电设备,2010,(01).