超细粉碎机PLC控制系统设计.docx

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超细粉碎机PLC控制系统设计

摘要：

为适应各种工况条件下的粉磨物料及产品要求.对其工艺系统中的设备结构及工作参数等提出了比较严格的控制要求。

运用PLC技术对超细粉碎机进行控制有着实时，高可靠，系统配置简单灵活，控制系统模块化，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便和控制实现简单等无可比拟的优势。

相对于继电接触控制，运用PLC技术对超细粉碎机进行控制粉磨效率更高，性价比更高，能耗更低，更为适合日益严格的控制要求。

本设计对超细粉碎机运用PLC进行控制基本达到了控制要求。

关键词：

超细粉碎，PLC控制，继电接触控制

Abstract:

inordertoadapttoallkindsofoperatingmodeundertheconditionofgrindingmaterialandproductrequirements.Thedevicestructureandworkingparametersoftheprocesssystemandputforwardthemorestrictcontrolrequirements.UsePLCtechnologytocontrolsuperfinegrinderwithreal-time,highreliability,thesystemconfigurationissimpleandflexible,modularcontrolsystem,abundantI/Ocard,highqualityandlowprice,highcostperformance,simpleinstallation,convenientmaintenanceandcontrolofincomparableadvantagessuchaseasytoimplement.Relativetotherelaycontactcontrol,usePLCtechnologytocontrolthesuperfinemillgrindingefficiencyishigherandhighercostperformance,lowerenergyconsumption,moresuitableforincreasinglystrictcontrolrequirements.ThisdesignofsuperfinegrinderusingPLCtocontrolthebasicmeetthecontrolrequirement.

Keywords:

Ultrafinecrushing,PLCcontrol,relaycontactcontrol.

1、控制要点及控制系统组成1

1.1、工艺流程及控制要点1

1.2、控制系统组成2

2、PLC控制硬件电路设计3

2.1、西门子公司S7-200CPU224XP主要性能4

2.2、CPU224XP接线规范7

2.3、扩展模块10

2.4、变频器10

3、PLC控制系统硬件电路接线11

4、PLC控制程序设计14

4.1、油、水泵运行控制工作过程分析及程序设计14

4.2、风机运行控制工作过程分析及程序设计15

4.3、分级机运行控制工作过程分析及程序设计15

4.4、主机运行控制工作过程分析及程序设计16

4.5、给料控制工作过程分析及程序设计17

4.6、螺旋工作过程分析及程序设计17

4.7、振打工作过程分析及程序设计18

4.8、电铃报警解除工作过程分析及程序设计19

结束语20

参考文献21

附录122

附录223

附录325

引言

超细粉碎机的发展和非金属矿物工业的发展是密不可分的，近几年来，我国非金属矿物工业的发展以及破碎机行业的发展使得超细粉碎机和超细分级技术也得到了很大的提高。

当前我国的非金属矿物工业已具有相当大的规模，产量和出口量都呈现增长趋势。

但国产的产品质量和档次不高，不能满足现代的高新技术和新材料产业发展的要求，许多非金属矿物深加工产品还要依赖进口。

我国超细粉碎设备与国外先进国家的主要差距是：

（1）大型粉碎设备少；

（2）设备的自动调控水平相对较为落后（3）单位产品能耗和磨耗相对过高；（4）技术设备集成度较低，设备配套性能较差。

1、控制要点及控制系统组成

1.1、工艺流程及控制要点

物料通过喂料机送进磨机进行粉磨,磨细物料由气流带进分级机内,进行粗细料分离,粗料通过喂料机重新送进磨机粉磨,细料经螺旋振打充分收集,成为产品。

系统各环节的控制参数和调节方法如下：

（1）分级机转速。

分级机转速是影响产品粒度及产量的极其重要因素。

提高转速,产量降低,粒度减少；反之，降低转速，可提高产量,但产品粒度增大。

采用变频器控制分级机的转速来保持分级机转速的稳定，从而达到提高产品产量和质量的目的。

（2）风机风量。

风机风量能够在很大程度上影响产品的产量和产品颗粒的大小。

风量增加,粒度也随之增大；风属减少,产量降低,粒度减小。

（3）给料速度。

给料速度给料速度是影响粉磨系统工作效率和粉磨质量的重要因素,给料不足会降低磨机产量,给料过多形成饱磨,也会降低磨机产量,在保证磨机负荷稳定的前提下,给料速度与风机风量、分级机转速配合,可以有效增加粉磨系统的产量、控制产品粒度。

本系统使用自动给料设备,实现给料速度的稳定。

1.2、控制系统组成

本PLC控制系统包括工艺参数控制、设备逻辑控制，设备状态监视和故障保护及报警等部分。

采用PLC作为中心控制单元，采用变频器对分级机等进行调速，主电机采用星形-三角形降压启动，其他设备通过接触器起、停。

系统结构如图1.1所示

图1.1系统结构

（1）工艺参数的控制包括风机风量，分级机转速和给料速度的控制。

（2）设备逻辑控制在这里指油、水泵，风机，分级机和主机等电机起、停顺序控制。

本设计系统电机启动顺序：

油泵启动动---风机启动---分级机启动---螺旋振打启动---磨机“Y”启动---磨机“△”运行---给料机启动。

停机顺序：

给料机停机---磨机停机---分级机停机---风机停机---螺旋振打停机---油泵停机。

（3）设备状态监视是指油、水泵，风机，分级机，主机，螺旋电机和振打电机等电机的运行状态指示灯指示。

（4）故障保护及报警指的是各电机的过载和缺相保护以及整个系统的运行保护。

报警指的是各电机出现故障时发出电铃警报。

2、PLC控制硬件电路设计

关于PLC技术的简介

（1）PLC的定义

PLC是可编程序控制器，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

（2）PLC的系统组成

世界各国生产的PLC外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。

主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出器件（I/O借口）电源及编程设备等部分构成，如图2.2所示

图2.2PLC构成

（3）PLC的工作原理

如图2.3所示，PLC的工作方式是采用循环扫描方式。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新，一直循环扫描工作。

图2.3PLC的工作方式

2.1、西门子公司S7-200CPU224XP主要性能

由德国西门子公司生产的S7-200CPU224XP的主要性能：

本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O。

22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。

是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

CPU224XPAC/DC/继电器部分技术参数如表1.1所示。

（1）扩展总线：

连接扩展模块（只能使用22x系列的扩展模块）。

（2）中断输入：

对过程信号的上升沿或下降沿作出极高速响应

（3）高速计数器：

6个高速计数器（2x200kHz，4x400kHz）,可通过参数设置使能和复位输入，具有2个单独的输入端，可同时用作增/减计数器；或者可以连接2个具有90度相差的增量编码器（2x100kHz,2x20kHz）。

（4）通过数字量和模拟量扩展模块进行无故障扩展（扩展模块，选件）。

（5）仿真器（可选）：

用于集成输入的仿真和用户程序的检验。

（6）模拟电位计:

2个模拟电位计，可在日常工作中用作一个设定值计数器，例如设定时间。

（7）脉冲输出：

2个高频脉冲输出（最大100kHz）；用于定位任务及通过电源电路控制调频电机和步进电机。

（8）实时时钟：

例如用于给报文加时间标记、纪录机器运行时间或用于基于时间的过程控制。

（9）EEPROM子模块（选件）:

用于保存完整的STEP7-Micro/WIN用户程序及其它文档。

用于支持数据记录功能和配方管理。

允许快速修改程序（即使没有编程器）和其它程序归档。

（10）通过电池提供长时间后备：

可将存储时间提高到200天。

无电池模块时，用户数据（如存储器位状态、数据块、定时器和计数器）通过内部的超级电容进行保护,大约5天。

可以永久保存用户程序（免维护）。

电池模块插入存储器子模块插槽中。

表1.1CPU224XPAC/DC/继电器部分技术参数

描述

CPU224XPAC/DC/继电器

尺寸（WXHXD）

140x80x62mm

重量

440g

功耗

11W

程序存储器在线程序编辑时

12288bytes

非在线程序编辑时

16384bytes

数据存储器

10240bytes

装备（超级电容）

100小时/典型值（40°C时最少70小时）

本机数字量输入

14输入

本机数字量输出

10输出

本机模拟量输入

2输入

本机模拟量输出

1输出

数字I/O映象区

256（128输入/128输出）

模拟I/O映象区

64（32输入/32输出）

允许最大的扩展I/O模块

7个模块

允许最大的智能模块

7个模块

脉冲捕捉输入

14

高速计数器

6个

定时器总数

256个

时间中断

2个1ms分辨率

边沿中断

4个上升沿和/或4个下降沿

时钟

内置

卡件选项

存储卡和电池卡

接口

2个RS-485接口

PPI,DP/T波特率

9.6,19.2和187.5kbaud

输入电压

85至264VAC（47至63Hz）

输入电流

70/35mA（仅CPU，120/240VAC）

220/100mA（最大负载，120/240VAC）

冲击电流

20A，264VAC时1500VAC

传感器电压

20.4至28.8VDC

电流限定

1.5A峰值，终端限定非破坏性

2.2、CPU224XP接线规范

图2.4CPU224XP

如图2.4所示，CPU224XP存在两种型号，即CPU224XPDC/DC/DC和CPU224XPAC/DC/继电器CPU224XPDC/DC/DC晶体管输出，只能接24DC电源负载，其负载能力一般不大，但开关频率高，属有源无触点开关输出，在标准条件下开关寿命长，但PLC要另外增加一个DC24V的电源。

CPU224XPAC/DC/继电器是继电器输出，可接AC、DC电源负载，其是无源有触点输出，开关频率不高，触点寿命较DC的短，但负载能力比前者大，且PLC可以直接采用AC220V电源，不用再另增加开关电源。

图中M字母代表的是母线的意思就是英文Mother的缩写。

（意思就是公共线的意思）CPU本身输出的电源为标号M和L+,M是24V的正L+是24V的负极，而输入端上有两个公共端他们分别是1M和2M：

1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作用范围为I1.0-I1.5。

1M和2M与刚才说的M和L+是没有关系的。

也就是说可以使用CPU自带的电源，也可以使用外部提供的。

CPU224XP详细技术参数见附表1。

（1）DC输入DC输出：

DC输入端由1M、0.0…0.7为第１组，2M、1.0…1.5为第２组，1M、2M分别为各组的公共端。

24VDC的负极接公共端1M或2M。

输入开关的－端接到24VDC的正极，输入开关的另－端连接到CPU224XP各输入端。

DC输出端由1M、1Ｌ+、0.0…0.4为第１组，2M、2Ｌ+、0.5…1.1为第2组组成。

1L+、2L+分别为公共端。

第１组24VDC的负极接1M端，正极接1L+端。

输出负载的－端接到1M端，输出负载的另－端接到CPU224各输出端。

第2组的接线与第1组相似。

（2）DC输入继电器输出：

DC输入端与CPU224XP的DC输入DC输出相同。

继电器输出端由3组组成，其中N（-）、1L、0.0…0.3为第1组，N（-）、2L、0.4…0.6为第２组，N（-）、3L、0.7…1.1为第3组。

各组的公共端分别为1L、2L和3L。

第１组负载电源的一端N接负载的N（-）端，电源的另外一端L（+）接继电器输出端的1L端。

负载的另一端分别接到CPU224XP各个继电器输出端子。

第2组、第3组的接线与第1组相似。

图2.4中M字母代表的是母线的意思就是英文Mother的缩写。

（意思就是公共线的意思）CPU本身输出的电源为标号M和L+,M是24V的正L+是24V的负极，而输入端上有两个公共端他们分别是1M和2M：

1M作用范围为I0.0-I0.7，2M作用范围为I1.0-I1.5。

1M和2M与刚才说的M和L+是没有关系的。

也就是说可以使用CPU自带的电源，也可以使用外部提供的

（3）CPU224XP模拟量I/O功能

CPU224XP模拟量I/O接线图如图1.3所示。

图2.5CPU224XP模拟量I/O接线

模拟量输入及输出规格功能如表1.1所示

表1.1CPU224XP模拟量输入规格功能

名称

CPU224XP模拟量输入

输入数量

2通道对应AIW0-AIW2

模拟量输入字

单端

电压范围±10V数据字格

±10V

数据字格式，满量程范

-32,000至+32,000

DC输入阻

>20KΩ

最大输入电

30VDC

分辨率

1位，加1符号位

LSB值

4.88mV

隔离

无

精度

±满量程的2.5%±满量程的1.0%

重复性

±满量程的0.05%

模拟到数字转换时间

125ms

转换类型

SigmaDelta

步响应

最大250ms

表1.2CPU224XP模拟量输出规格功能

名称

CPU224XP模拟量输出

输出数量

1通道对应AQW0

信号范围

电压0~10V电流0~20MA

数据字格式，满量程范

0至+32,767

分辨率

12位

精度

±满量程的2.5%±满量程的1.0%

模拟到数字转换时间

电压输出<50us电流输出<100us

2.3、扩展模块

通过估算大致需要26个数字量输入端子和26个数字量输出端子，而CPU224XP本机只有14个数字量输入端子和10个数字量输出端子，所以需要对其进行数字量I/O进行扩展。

数字量输入扩展模块选用EM221（16输入24VDC）数字量输入模块对其进行扩展，其端子图如图2.6所示；数字量输出扩展模块选用EM222R（16点继电器输出）数字量输出模块对其进行扩展，其端子图如图2.7所示。

图2.6EM221端子图

图2.7EM222R端子图

2.4、变频器

选用西门子MM420变频器，西门子MM420变频器适用于多种变速驱动应用。

尤其是泵、风机和输送带应用。

是成本优化的理想变频器解决方案。

此变频器具有以用户为导向的性能和易于使用的特性。

大范围的电源电压使其可以在世界各地使用。

主要特性：

（1）调试简单；

（2）模块化结构使允许组态具有最大灵活性；（3）拥有三个全可编程绝缘数字量输入；（4）模拟量输入范围为0V-10V或0mA-20mA，也可以被用作第4个数字量输入；（5）拥有一个可编程模拟量输出。

输出信号范围为0mA-20mA电流信号（6）拥有1个可编程继电器输出接30VDC/5A阻性负载或250VAC/2A感性负载。

3、PLC控制系统硬件电路接线

PLC控制系统硬件电路的接线包括CPU224XP，扩展模块的接线和主电路接线。

超细粉碎机系统电机接线如附录1所示。

（1）CPU224XP的接线

CPU224XP端子地址分配

KM1←→Q0.0KM2←→Q0.1KM3←→Q0.2KM4←→Q0.3

KM5←→Q0.4KM6←→Q0.5KM7←→Q0.6KM8←→Q0.7

KM9←→Q1.0KM11←→Q1.1

SB1-1←→I0.0SB1-2←→I0.1SB2-1←→I0.2SB2-2←→I0.3

SB3-1←→I0.4SB3-2←→I0.5SB4-1←→I0.6SB4-2←→I0.7

SB5-1←→I1.0SB5-2←→I1.1SB6-1←→I1.2SB6-2←→I1.3

SB7-1←→I1.4SB7-2←→I1.5

CPU224XP的接线如2.8图所示

图2.8CPU224XP的接线图

图2.8中SB1-1为油、水泵手动启动按钮，SB1-2为油、水泵手动停机按钮；

SB2-1为风机手动启动按钮，SB2-2为风机手动停机按钮；

SB3-1为分级机手动启动按钮，SB3-2为分级机手动停机按钮；

SB4-1为主机手动启动按钮，SB4-2为主机手动停机按钮；

SB5-1为给料手动启动按钮，SB5-2为给料手动停机按钮；

SB7-1为2号螺旋电机手动启动按钮，SB7-2为2号螺旋电机手动停机按钮；

KM1为油泵控制接触器线圈；KM2为水泵控制接触器线圈；

KM3、KM4、KM5为风机控制接触器线圈；KM6为分级机控制接触器线圈；

KM7、KM8、KM9为主机控制接触器线圈；KM11为1号螺旋电机控制接触器线圈。

（2）数字量输入扩展模块EM221接线

EM221端子地址分配

SB7-3←→I2.0SB7-4←→I2.1SB8-1←→I2.2SB8-2←→I2.3

SB9-1←→I2.4SB9-2←→I2.5

数字量输入扩展模块EM221接线如图2.9所示

图2.9数字量输入扩展模块EM221接线图

在图2.9中

SB7-3为1号螺旋电机手动停机按钮，SB7-4为1号螺旋电机手动启动按钮；

SB8-1为1号振打电机手动启动按钮，SB8-2为1号振打电机手动停机按钮；

SB9-1为2号振打电机手动启动按钮，SB9-2为2号振打电机手动停机按钮；

FR1为对油、水泵进行保护热继电器的常闭触点；

FR2为对风机进行保护热继电器的常闭触点；

FR3为对1号分级机进行保护热继电器的常闭触点；

FR4为对2号分级机进行保护热继电器的常闭触点；

FR5为对3号分级机进行保护热继电器的常闭触点；

FR6为对主机进行保护热继电器的常闭触点；

FR7为对1号螺旋电机进行保护热继电器的常闭触点；

FR8为对2号螺旋电机进行保护热继电器的常闭触点；

FR9为对1号振打电机进行保护热继电器的常闭触点；

FR10为对2号振打电机进行保护热继电器的常闭触点；

（3）数字量输出扩展模块EM222R接线

EM222R端子地址分配

KM12←→Q2.0KM13←→Q2.1KM14←→Q2.2KA3←→Q2.3

KA4←→Q2.4KA5←→Q2.5KA6←→Q2.6KA7←→Q2.7

KA8←→Q3.1KA10←→Q3.2KA11←→Q3.3KA12←→Q3.4

KA13←→Q3.5

数字量输出扩展模块EM222R接线如图2.10所示

图2.10数字量输出扩展模块EM222R接线图

在图2.10中

KM12为2号螺旋电机控制接触器线圈；KM13为1号振打电机控制接触器线圈；

KM14为2号振打电机控制接触器线圈；KA3油路报警控制继电器线圈；

KA4为风机报警控制继电器线圈；KA5为风机控制继电器的线圈；

KA6为主机控制继电器的线圈；KA7为主机报警机控制继电器的线圈；

KA8为给料控制继电器的线圈；KA10为分级机控制继电器的线圈；

KA11和KA12为警报解除控制继电器线圈；KA13留待扩展。

4、PLC控制程序设计

本设计使用STEP7-Micro/WIN32进行程序的编写。

STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。

手动运行控制序包括油、水泵，风机，分级机，粉磨机，喂料机和螺旋振打电机的手动启动和停机。

其中粉磨机和风机启动时,其电机先“Y”方式启动,运行一段时间后再转换为“△”方式运行。

4.1、油、水泵运行控制工作过程分析及程序设计

（1）油、水泵运行控制工作过程分析

由附录3电气控制图可知，FR1，FR2分别对油、水泵进行过载和断相保护，SB1-2为手动停机按钮。

SB1-1为油、水泵手动启动按钮，按下SB1-1按钮则接触器KM1和KM2线圈得电并自锁，油、水泵开始运行。

按下SB1-2按钮则接触器KM1和KM2线圈失电，油、水泵停止运行。

HL1为油、水泵正常运行指示灯。

（2）程序设计

I/O地址分配：

SB1-1←→I0.0SB1-2←→I0.1KM1←→Q0.0KM2←→Q0.1

程序如附录2所示，按下启动按钮SB1-1，常开触点I0.0闭合，Q0.0和Q0.1接通，同时Q0.0的常开触点闭合使得Q0.0和Q0.1保持接通，油、水泵启动并正常运行。

按下停机按钮SB1-2，常闭触点I0.1断开，Q0.0和Q0.1断开，油、水泵停止运行。

通过Q0.0的常开触点控制指示灯HL1来显示油、水泵正常运行状态。

4.2、风