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PLC课程设计论文

参赛论文

题目：

厌氧发酵罐系统

学院自动化科学与工程学院

专业自动化2班

学生姓名黄天赐

学生学号201230640466

提交日期2016年04月24日

摘要

本文详细介绍了使用PLC控制发酵罐的一种设计方法。

通过这套系统，可以按照生产要求的各项指标，制造出合格的控制设备，并实现厂家要求的各项操作。

本文先对设计指标进行了简要介绍。

然后对各个电子元件进行介绍，包括各个电子元件的接线和分析。

然后对PLC中使用的梯形图和触摸屏进行了编制和说明。

最后对设计的触摸屏程序和梯形图进行了仿真，确认了实际的使用效果。

仿真结果表明，采用该PLC控制的发酵罐可以在实现恒温发酵，并对生产中搅拌转速、搅拌方式等各项生产要求进行控制。

还能记录所需的数据。

关键词：

可编程序控制器；厌氧发酵罐；触摸屏控制

摘要2

第一章设计要求4

1.1控制要求4

1.2控制设备清单及配置5

1.3人机操作界面说明7

第二章电器设计11

2.1电机电路11

2.2进出料电动阀电路12

2.3元件接线图14

2.4PLC接线图15

2.5电控柜接线板图16

第三章PLC程序设计18

3.1PLC梯形图18

3.2触摸屏界面25

第四章系统仿真27

4.1初始状态仿真27

4.2写入采样数据后的仿真29

结论34

参考文献35

附件36

第一章设计要求

根据厂商提供的工艺流程图，结合工艺需求，考虑成本、可靠性等之间的关系，制作出符合要求的控制系统。

1.1控制要求

根据提供的工艺流程图，结合具体要求进行控制系统的设计。

工艺流程图如下所示：

1、进料：

物料由阀门V1进入罐中。

要求有阀位指示。

2、排料：

物料由阀门V2排出。

要求有阀位指示。

3、物料保温搅拌循环：

（1）启动发酵工艺自动程序后,系统自动检测罐内物料温度并将根据设定的物料温度自动判断是否开启电加水器,开启加热循环泵,当物料温度达到设定值,加热循环自动停止,当温度低于某设定值，加热系统自动启动。

注意：

热水罐水位低于中液位自动补水到高液位，低于低液位时加热泵和电加热器自动保护。

电加热器的启停温度在触摸屏上设定。

（2）搅拌器以及物料循环泵是否工作，以及搅拌速度、循环起停时间均可根据需要在触摸屏上自行设定；搅拌电机需要变频调速。

（3）排气口处安装有气体流量传感器，可显示在线流量以及并提供信号给PLC系统用于计算累计流量。

（流量信号输出为高速脉冲）。

1.2控制设备清单及配置

1.转子泵一台（循环泵），功率2.2KW,AC,三相，380V.

2.离心泵一台（热水泵），功率1.5KW,AC,三相，380V.

3.电加热器一台，功率30KW,AC,三相，380V.Y型接法

4.进出料电动阀两台（V1和V2），接线图如下：

5.热水罐补水电磁阀（V4）一台，标准电磁阀，线圈为AC220V。

6.排气电磁阀（V3）一台，标准电磁阀，线圈为AC220V。

7.温度变送器两台。

（T1检测热水罐温度，T2检测发酵罐温度），两线制，DC24V供电。

8.液位开关一套，有高中低三个液位点。

9.压力变送器一台，用来检测发酵罐压力。

10.气体流量计一台（FQ）,记录气体总量。

11.三菱FX2N-24MR可编程序控制器一台，接线示意图如下：

可编程序控制器的端子接线图如下：

12.三菱FX0N-3A模拟量输入输出（模数/数模转换）模块一台，接线图如下：

1.3人机操作界面说明

1.3.1电控箱面板及控制说明

通过电控箱的按钮及指示灯获得对系统的基本操作控制和基本信息获取。

电控箱面板图如下图所示：

在电控箱面板上有以下按钮和指示灯：

进料阀开、进料阀关、排料阀开，排料阀关，系统运行和系统停止以及急停。

具体的使用说明如下：

1.进料阀开/关：

当按下进料阀开按钮时，进料电动阀打开，当阀门全部打开后，进料阀开的按钮上的绿色指示灯亮，同时进料泵自动启动，当按下进料阀关时，进料阀关闭，同时进料泵停，当进料阀完全关闭后，进料阀关的按钮上的红色指示灯亮。

2.排料阀开/关：

当按下排料阀开按钮时，排料电动阀打开，当阀门全部打开后，排料阀开的按钮上的绿色指示灯亮；当按下排料阀关时，排料阀关闭，当排料阀完全关闭后，排料阀关的按钮上的红色指示灯亮。

3.排料阀开/关：

当按下系统运行按钮后，整个系统按照设定的参数自动运行，同时系统运行指示灯亮；当按系统停止按钮后，系统停止运行，同时系统停止运行指示灯亮。

4.急停按钮：

出现紧急情况时可以按下急停按钮，使整个系统停机。

1.3.2触摸屏及控制说明

通过对触摸屏的设置，可以对系统进行更加详细操控。

触摸屏也将包括系统详细信息的现实。

根据触摸屏的信息对触摸屏的各项参数进行设置，可以使得系统生产符合工艺指标。

触摸屏包括主界面和两页参数设置页。

主界面如下图所示：

系统上电后，触摸屏自动进入主界面。

通过主界面，操作人员可以查看发酵罐的各项参数，包括：

发酵罐压力、发酵罐当前温度、循环状态及搅拌罐转速；还可以查看热水罐的温度及热水循环系统状态；还可以查看各阀门的状态及排气量的多少。

通过点击参数设定按钮可以进入参数设定页面一。

参数设定页面一的示意图如下：

参数画面一说明：

在此画面中设定热水罐和发酵罐的工作参数，说明如下：

（参数都在系统运行时生效）

1.热水罐加热器启动/停止温度：

当热水管内温度低于启动温度时，并且热水罐内的水位超过了中液位时，电加热器自动启动，加热到设定的停止温度后，电加热器自动停止运行。

注意：

停止温度应大于启动温度。

2.发酵罐加热泵启动/停止温度：

当发酵罐内的温度低于启动温度时，并且热水罐内的水位超过了中液位时，加热泵启动循环，给发酵罐加热，当温度到停止温度时，加热泵停止。

注意：

停止温度应大于启动温度。

3.发酵罐排气阀开/关压力：

当发酵罐内的压力大于开阀压力时，排气电磁阀自动打开，当发酵罐内压力降到关阀压力时，排气电磁阀自动关闭。

注意：

开阀压力应大于关阀压力。

4.搅拌器转速设定：

通过此参数来设定变频器的频率。

从而设定发酵罐搅拌器的转速。

按下一页进入参数设定二画面，按返回，回到主画面。

参数设定二页面的示意图如下所示：

参数画面二说明：

1.搅拌和循环工作方式选择：

通过切换按钮可以改变减半和循环的动作方式：

间断工作和连续工作，间断工作：

按照间断工作的参数中的开机时间和停机时间设定的参数运行，运行开机的时间后，搅拌和循环停止，等到停机时间到后，又继续搅拌和循环。

连续工作：

搅拌和循环一直运行。

2.系统重启工作方式：

当系统停止，再次启动时系统的工作方式。

继续工作：

系统重启时按照系统停机时的状态继续，如系统停机时，停机时间是5.1分钟，那么选择继续工作模式时，接着5.1继续运行。

重新启动：

系统重启时重新按开机时间，接着停机时间新循环工作，与停机时已工作的时间无关。

3.热水罐的控制说明：

当系统运行时，当热水罐的水位低于中液位时自动打开补水电磁阀补水，补到高液位停。

当热水罐液位低于中液位时，电加热器和循环加热泵均无法启动。

注意：

系统运行时请将相应的手动阀调到合理的开关状态。

第二章

电器设计

按照以上工艺指标和控制要求对系统进行设计。

结合PLC及电机相关知识，设计出如下几部分电路原理图。

更清晰的CAD图请见附件。

2.1电机电路

电机电路原理图如上图所示。

整个控制系统一共包括四个大功率用电器，分别为搅拌电机、循环泵、热水泵和电加热器。

各用电器参数请见1.2控制清单及配置。

2.1.1搅拌电机

搅拌电机部分为可设定转速的调速电机系统。

该部分由低压保护器QF1、变频器B1、热熔断器FR1和三相电机构成。

QF1及FR1分别为低压断路器和热熔断器，用于保护电机在过载等非正常情况下不会损坏。

电机的调速由变频器控制。

变频器的启动和停止由KA继电器控制，KA继电器接通，电机转动，KA继电器断开，电机停止。

电机转速则有变频器2、5端输入的模拟信号控制，该模拟信号来自于PLC模拟量输入输出模块的输出端口，有PLC程序控制。

2.1.2循环泵

循环泵受KM2继电器控制，当PLC控制KM2继电器接通时，循环泵启动，发酵罐内的物质开始循环，帮助发酵罐内物质受热均匀，保证发酵的充分进行。

QF2及FR2分别为低压断路器和热熔断器，用于保护电机在过载等非正常情况下不会损坏。

2.1.3热水泵

热水泵受KM3继电器控制。

当发酵罐需要加热时，热水泵启动，将热水罐内的热水通过围绕发酵罐的管道进行循环，对发酵罐内的物质进行加热。

QF3及FR3分别为低压断路器和热熔断器，用于保护电机在过载等非正常情况下不会损坏。

2.1.4电加热器

电加热器受KM4继电器控制。

当热水罐内水温低于设定下限值时电加热器会启动，直到热水管内水温高于设定上限后才会停止。

QF4及FR4分别为低压断路器和热熔断器，用于保护电机在过载等非正常情况下不会损坏。

通过电加热器可以保证热水罐内的水温基本处于需要的温度范围内。

2.2进出料电动阀电路

进出料电动阀电路的原理图如下图所示：

图11进出料电动阀电路原理图

电动阀的端口3高电平时，电动阀打开；端口2高电平时，电动阀关闭。

将进料电动阀的端口3与KA4的常开触点相连，将端口4与KA4的常闭触点相连。

这样当KA4继电器得电时，进料电动阀会打开；当KA4继电器失电时，进料电动阀关闭。

同样，将出料电动阀的端口3与KA5的常开触点相连，将端口4与KA5的常闭触点相连。

这样当KA5继电器得电时，出料电动阀会打开；当KA5继电器失电时，出料电动阀将会关闭。

2.3元件接线图

电控柜电路原理图如上图所示。

电控柜主要由两个部分组成。

一部分为220V电路，包括系统启动、停止按钮指示灯，排水电磁阀和排气电磁阀；另一部分为24V电路，包括触摸屏，搅拌罐压力变送器，搅拌罐、热水管温度变送器、热水管低位开关及流量计。

2.4PLC接线图

PLC接线图如上图所示。

M1为PLC，可对个开关量进行读取并根据程序打开或关闭相应地继电器。

M2为PLC模拟量输入输出模块。

通过M2模块，可以实现对搅拌罐压力的实时监测，并且每0.1s会对搅拌罐温度和热水管温度进行一次检测。

由于采用电磁阀控制采样通道，因此速率不易过快，由于水温及物料温度为大惯性环节，所以0.1s的采样时间已经足够。

因此设定0.1s的采样时间完全可以兼顾电磁阀性能及采样的要求。

M2单元的模拟量输出接至搅拌电机的变频器，通过控制该模块的输出电压，即可控制搅拌电机的转速。

2.5电控柜接线板图

上图所示为电控柜接线板图。

通过接线板可以更方便地在控制柜中进行接线，也便于出现故障时对故障元件进行检测。

第三章

PLC程序设计

采用PLC的控制系统最重要的一部分即是PLC的程序设计。

PLC的程序设计可以使PLC按照控制工艺的要求对各元件进行控制。

3.1PLC梯形图

由于仿真需要改写数据寄存器，因此在所有数据寄存器操作前加入M8000辅助寄存器，用以保证数据可以正常写入，而不会不断归零。

3.2触摸屏界面

下图为触摸屏主界面：

下图为参数设定一界面：

下图为参数设定二界面：

由于采用单色显示屏，并且没有灰度显示，因此本触摸屏的所有开关元件及参数显示均使用单色显示。

但为便于演示，此处将触摸屏进行改进，使用灰色红色显示。

第四章

系统仿真

下面使用三菱的GX及GT开发环境对所设计的系统进行联调仿真。

4.1初始状态仿真

以下为初始状态时的主界面仿真：

4.2写入采样数据后的仿真

先在控制屏界面输入各项参数并制定工作方式：

4.2.1热水罐水位控制仿真

由上图可以看出，当热水罐水位升高时的状况。

当热水罐中水位升高至高水位时，补水电磁阀关闭。

由上图可以看出，当热水管水位降低时的状况。

当热水罐中水位从高水位降低至中水位以下时，补水电磁阀才会启动。

当水位在中水位至高水位区间时，补水电磁阀保持上一个状态不发生变化。

这样做可以减少电磁阀的开关次数，延长电磁阀寿命。

4.2.2进料阀、排料阀仿真

上图为进料阀和排料阀分别打开时的情况。

有图可以看出，进料阀和排料阀工作正常。

需要指出，阀门关闭并不是指阀门失电，而是指控制阀门电磁阀失电，阀门关闭时阀门会先反转，直到阀门口完全关闭为止。

打开时亦然。

4.2.3热水循环泵仿真

仿真时直接在寄存器监视窗口输入压力变送器、反应罐温度变送器及热水罐温度变送器的采集值。

由于已经使用M8000辅助继电器隔断，所以可以直接修改而不会被采集值覆盖归零。

输入时只需输入电压值即可，PLC会自动转换为相应的温度。

变送器的输入值为0~250，经过变换后的数值范围为0~100。

在此处键入的值如下表：

其中，D12寄存器为反应罐压力变送器值，此处输入93，对应压力值为37mba。

D14为反应罐温度变送器值，键入90，对应为36℃。

D16为热水罐温度变送器值，键入158，对应为63℃。

当反应罐温度为28℃时热水循环泵启动；反应罐温度为升至33摄氏度时保持启动；当升至36℃时循环泵停止。

此时系统仿真如下图：

当水温从36摄氏度下降至33℃时循环泵依旧停止，直到温度低于30℃循环泵才会再次启动。

仿真如下图：

图28温度下降时的热水循环泵仿真

4.2.4排气阀及流量计的仿真

当反应罐的压力大于设定值下限时，排气阀会自动打开。

流量变送器送出脉冲信号，PLC对脉冲信号进行累计从而得到累计流量。

4.2.5热水罐加热器的仿真

当热水罐中水温低于设定值下限时，热水罐加热器会自动开始加热。

但是由于操作面板上没有响应的状态显示，也不需要加入相关的状态显示，因此，在此直接打开软元件时序图进行监视。

图30热水罐水温变化仿真

图31热水罐水温变化时序图

从该时序图中可以看出，当水温由63℃降低为32℃时，Y003置位，使得加热器启动，热水罐水温将会升高。

结论

从仿真中可以看出。

本次课程设计的PLC控制器及相关电控装置性能良好，可以达到设计要求，各项工艺指标良好，操作简便，完全可以达到厂家要求，进行发酵罐控制。

在本次PLC课程设计中，我学习到了使用PLC真正完成工业上的某种工艺控制流程。

通过规范的CAD画图表达自己的设计含义。

并能够结合触摸屏程序对PLC进行现场操控。

还学习到了PLC的数模/模数转换模块的使用方法。

在实际操作中遇到了一些问题，但正是在解决这些问题的过程中，我学习到了许多课本上无法学习到的知识。

尤其是对于工程设计的要求有了浅显的了解。

通过这次课程设计，我能够将学习到的PLC知识运用于实践，学会了使用常规的软件硬件完成工艺流程的控制。

这将为我今后工作中的实际运用打下坚实的基础。

总之这次课程设计我受益匪浅，也感谢老师在课程设计过程中的悉心指导和高水平的知识传授。

参考文献

〔1〕冯太合.PLC课程设计指导〔J〕.广州2009.

〔2〕陈立定.电气控制与可编程序控制器〔B〕.广州:

华南理工大学出版社,2009.