基于PLC甘蔗入榨控制系统部分设计.docx

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基于PLC甘蔗入榨控制系统部分设计

2甘蔗入榨控制系统设计方案

2.1甘蔗入榨控制系统方案概述

随着PLC控制技术的不断发展和完善，利用PLC和组态软件结合在一起所生产的控制系统有着操作简便，设置灵活和功能可靠便于监控等优点，已经广泛的应用于各行各业的中，本次在甘蔗入榨控制系统中应用组态软件在实际开发是我们更好的对甘蔗入榨整个工艺流程的监控，更好的整个甘蔗入榨可调节变量的监控记录。

这种甘蔗入榨控制系统可以利用组态软件提前根据我们生产过程中遇到的一些生产控制条件的变化而产生的影响，做出变化调整，当系统中，进入切丝甘蔗量，变化时，我们PLC通过内置算法能自动调节我们牵引机的运行速度。

在我们切丝后的甘蔗进过压榨工艺的时候，我们糖度分析仪测量出糖程度变化，自动调节我们渗透水的进入量。

这种甘蔗入榨控制系统于以前的甘蔗入榨控制系统相比，更加的节省时间、体力、同时由于原料投加均由控制器进行定量控制，无需人工干预，榨汁质量得到保证。

并且采用PLC和WINCC上位机软件相结合的方式，使其控制更加灵活。

使用方便、安全可靠等优点。

目前，甘蔗入榨控制系统产品的操作控制正向着高可靠性，全数字电脑控制，多功能全系列的方向发展。

追求高度智能化，系列化，标准化是未来自动化控制系统的发展趋势。

如图2-1便为基于PLC的甘蔗入榨控制系统。

图2-1基于PLC的甘蔗入榨控制系统组成图

基于PLC的甘蔗入榨控制系统具有以下特点：

（1）控制的灵活性对任何的控制系统来讲都是需要的，尤其是对自动化设备而言，只有控制系统的灵活性提高了，才可以满足人们的日常使用，利用控制装置的上位机画面，可以实现对系统甘蔗物理高度进行修改设定，当原料投加量设定好后，甘蔗入榨控制系统的各个执行机构会按照相应的投加量配合工作，实现该工艺下甘蔗入榨制作。

（2）控制的可靠性，该甘蔗入榨控制系统有着较高的系统安全性，具备电机保护控制、电机电流检测放过流、防止漏电等保护，尤其采用工业级的可编程控制器做为控制核心，本身就提高了系统的安全可靠性。

（3）操作的简单特性，该甘蔗入榨控制系统的操作相对来说比较简单，只要经过简单的了解就可以进行操作。

操作基本上为一键式启动，设定好入榨物料的配比后，按下启动按钮，甘蔗入榨控制系统一般来讲就可以正常启动了。

（4）维护的方便性，该甘蔗入榨控制系统采用模块化控制，无需过多的对设备本身进行维护，只需定期的维护就可以。

如果甘蔗入榨控制系统原件损坏也可以非常方便的更换。

而且甘蔗入榨控制系统与组态画面连接后，使用人员可以根据上位机监控数据对设备有针对性的实施维护保养。

2.2控制系统的构成

基于PLC的甘蔗入榨控制系统的系统构成如图2-2所示，整个基于可编程控制器的甘蔗入榨控制系统系统由上位机组态软件、外部检测开关、PLC、糖分测量仪、电流检测比例调节阀、切丝电机和压榨电机等组成。

上位机组态软件与PLC的通信电缆需要增加屏蔽层，保证通讯的安全稳定。

我们可以把PLC输入侧的原件等统一为信号检测单元，参与对甘蔗入榨控制系统信号的读取；PLC为控制单元，其功能为处理信号检测单元的信号，并且根据信号对执行结构进行控制；PLC输出侧则叫做执行机构，为对控制单元的响应执行。

从原理图中，我们可以看出，基于PLC的甘蔗入榨控制系统由信号检测、控制系统、执行机构、上位机、以及状态提示单元等组成。

（1）信号检测：

在甘蔗入榨控制系统工作过程中，主要需要通过外部检测开关检测系统有无故障，对应的检测开关断开或者闭合后下后，会给PLC的输入端子一个输入信号，PLC检测到这个信号后在进行相应的逻辑运算处理，确定甘蔗入榨控制系统是否具备运行状态。

另外，具有急停的功能，当急停按下时，系统是不能进行任何动作的。

①糖分信号：

利用糖分测量仪实现，糖分值输出一个数值量信号给PLC。

②开关量信号检测：

检测控制系统的电机保护装置是否都是正常情况，整个系统的电机是否都正常。

（2）控制系统：

它是整个甘蔗入榨控制系统的核心控制单元，对系统的各种数据进行集中的处理，如对按钮状态的监控，糖度信号以及甘蔗层高度的监控及逻辑输出等，并且在预留的端口上与人机装置进行通信。

（3）执行机构：

用以响应PLC的输出信号，它由一个比例调节阀、六台电动机组成，比例调节阀是用来控制液体流动的，根据糖分的浓度程度，对比我们设定值得偏差，来调节渗透水的进入流量的大小，浓度低渗透水进入量变小，浓度高渗透水进入量增大。

六台电机其中两台分别用来牵引甘蔗供给的传送带的，由电机上带动的传送带将甘蔗带入到切丝工艺里面，另外两台用对进入的甘蔗进行切丝加工，最后，两台电机是对我们切丝后的甘蔗进行压榨工艺加工。

（4）上位机人机界面

上位机是人与机器交换信息的地方。

通过人机界面，用户可以调节我们甘蔗入榨控制系统的运行参数，如设定甘蔗入榨工艺进入甘蔗量的大小及修改某些系统设置，以满足不同用户的需要，用户也可以说明，部分设备从人机界面系统的工作和操作等。

操作过程中的人机界面系统也可以进行监控，对甘蔗入榨控制系统运行状态进行了解。

（5）通讯接口

通信接口是系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和配置软件，以及上位机等进行数据交换，同时在有需要的情况下可以通过通信接口，应用现代先进的网络技术对该系统执行远程诊断和维护等。

2.3

甘蔗入榨控制系统工作流程

该甘蔗入榨控制系统工作过程如下：

甘蔗入榨控制系统系统通电后，首先进行初始化，将用户设定的加工工艺参数传送到相应的PLC内部寄存器中。

系统自行检索是否存在系统故障，按下系统启动按钮，选择系统运行方式。

当切换到自动运行方式情况下，按下系统启动，牵引机1开始按照我们生产工艺设定的频率开始运转。

这时，甘蔗随着传送带进入1号切丝机，1号切丝机运转，我们PLC监控切丝机运转电流，避免切丝机电流过大导致切丝电机的损坏，甘蔗进过1号切丝进入2号牵引机，2号牵引机按照我们设定的频率输送被切丝的甘蔗到2号切丝机再次切丝。

2号切丝机切丝后，我们压榨1号机，开始对经过，两次切丝的甘蔗丝进行压榨，在压榨的过程中，我们注入渗透水的比例调节阀，根据我们设定的糖分，通过糖分分析仪采集到的糖分浓度，两个的值之间的差值，来进行运算，通过PLC内部的PID控制算法，带入我们上位机设定的PID运算值，来计算出我们比例调节阀的开度大小，这种控制方式能比较稳定的控制我们渗透水的糖分含量。

甘蔗丝经过1次压榨后，被2号压榨机再次压榨。

进过，压榨后的剩余甘蔗渣自动掉落。

每种不同的生产工艺可以通过上位机组态画面进行修改，同时在组态画面上可以对甘蔗入榨控制系统进行操作，流程的监控。

3控制系统硬件说明

3.1可编程控制器介绍及选型

3.1.1可编程逻辑控制器介绍

可编程控制器的发展在20世纪60年代后期的中继系统，称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。

出现与继电器控制系统可编程控制器的发展有很大的关系。

继电器控制信号是与弱电磁开关的强信号，但在一个复杂的控制系统，该故障是很难找到并移除，适合在工艺要求改变的情况下。

因此，造成了可编程逻辑控制器，它是一种以微处理器为基础的，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术，控制过程为导向，以用户为导向的编程语句简单地适应工业环境的简单，容易理解，操作方便，可靠性高世代共同的工业控制器，当代工业自动化的主要支柱之一。

具有广泛的输入/输出接口的可编程控制器，并且具有很强的驱动能力，但它不是用于工业应用的一个特定的产品，它的灵活的配置，以适应各种标准控制在工业。

在实际应用中，在硬件配置可根据实际需要进行选择，软件需要根据要求进行设计。

如图3-1为PLC的硬件结构框图。

图3-1PLC的硬件结构框图

可编程逻辑控制器，采用计算机设计理念，最初主要用于顺序控制，只有逻辑运算。

随着计算机技术，微电子技术和通信技术，以及工业自动化控制的需求不断上升，PLC在功能，速度快，智能化和网络化方面的发展对通信模块有很大的提高。

PLC的现在已经不仅仅开关控制，远远超出了其功能顺序控制，逻辑控制范围，与模拟控制，过程控制和远程通信等强大功能。

国家电气制造商协会（NEMA）被正式命名为可编程控制器（可编程控制器），简称为个人电脑，但是对于个人计算机（Persona1计算机）被称为PC相位差，因此通常还是称为可编程控制器PLC。

事实上，像所有的设备，PLC本身也有其局限性，它不能显示的设备状态参数，以操作者的动态，不能储存和转换大量的数据，特别是当改变系统快速变化的参数。

因此，在一些当今的稍微复杂的控制系统，PLC和工业控制计算机通常是结合使用，以实现完全的控制功能。

3.1.2可编程逻辑控制器的特点

现代可编程控制器不仅可以实现开关逻辑控制，但也有数学，数学处理，运动控制，模拟量PID控制，通讯网络等功能。

在工业化国家，可编程控制器已广泛应用于各个工业领域，其应用已经延伸到楼宇自动化，家庭自动化，商业，公用事业，测试设备和农业领域。

概括可编程控制器具有以下优点方面：

（1）简单易学的编程

（2）功能强大，性价比高

（3）硬件齐全，用户使用方便，适应性强

（4）非接触式免布线，高可靠性，较强的抗干扰能力

（5）系统设计，安装，调试工作量少

（6）维护工作量小，维护方便

（7）体积小，功耗低。

3.1.3可编程逻辑控制器的工作过程

PLC为系统软件控制和命令，使用工作循环顺序扫描，其工作的执行过程中要编成输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。

在PLC的I/O处理，必须符合以下规则：

（1）输入图像数据寄存器，根据不同的输入端子板的状态刷新时间;

（2）程序如何执行，这取决于用户的程序编制和输入映像寄存器，存储在寄存器所需的影像设备组件的状态;

（3）输出映像寄存器（包含在组件映像寄存器）状态是由输出指令的结果来确定。

由输出映像寄存器的刷新时间数据

（4）输出锁存器决定在输出的状态;

（5）输出端子由输出锁存器的状态来确定。

3.1.4可编程逻辑控制器的选型

根据以上的内容综合考虑，本次课题我们选择西门子S7-200系列PLC。

检测元器件状态选择按钮需要6个PLC输入点，一个急停按钮需要PLC的1个输入点；牵引机1、牵引机2、切丝机1、切丝机2、压榨机1、压榨机2及指示灯共需要PLC的8个输出点。

如上统计，PLC的输入点共需要7个，输出点共需要8个，通过上述I/O资源使用情况的分析，确定PLC的型号为西门子S7-200cpu226继电器输出PLC，该PLC拥有8路数字量输出和8路数字量输入，刚好满足设计需求。

3.2核子秤介绍选型

核子秤顾名思义，是一种利用核子放射性的装置，其与质量检测的区别在于核子称是通过核子穿透物料产生的衰竭的量的大小来计算出物料的质量，这种重量测量方式是不需要物料接触的。

随着科技的发展，核子秤检测使用极其广泛，在我们的工业生产中很多地方都用到这种物料重量测量方式，非接触型的物料接触方式便于我们能更便捷的测量我们物料的质量。

在此次设计中，核子秤为检测甘蔗切丝的重要手段，直接影响着牵引机速度的调节控制，也关系到甘蔗入榨控制系统能否正常工作、压榨出的甘蔗质量是否合格。

对核子秤装置的正确选型与否，直接影响该课题设计的实际效果。

以下内容为对核子秤基础知识的介绍及选型。

3.1变频器的介绍选型

该套基于PLC的甘蔗入榨控制系统牵引机运行速度调节装置为变频器，变频器其主要形式大部分都是将稳定的3相电源输出调节成能够变化的三相输出，能实现我们输出频率的数值。

变频器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、滤波、逆变、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。

3.1.1变频器发展现状

我国变频器行业的发展主要得益于工业发展的需求，近年来，随着自动化产业结构的调整，自动化工业保成为世界各国发展的主题，变频器对其他无变化的控制方式的替代步伐加快，促进了变频器行业的发展。

变频器的应用领域不断扩大，未来我国宏观经济的持续发展及节能环保的不断深入将有效的拉动变频器需求量的增长。

我国变频器企业主要集中在民用工业领域，在一些细分市场，我国已形成了一些市场份额较大，竞争力较强的龙头企业。

但在工业变频器领域，技术难度较大、附加值较高的高端市场在国际上基本被国外厂商所占据，目前国内能够生产技术难度较高的工业变频热器的企业仅有少数几家，而大量的工业变频器生产企业则集中在附加值不高的中、低端市场，尚无力涉足高端市场。

3.1.2变频器的选型

基于PLC的甘蔗入榨控制系统，变频器作为牵引机速度调节的重要手段，直接影响着设计的成果，是课题成败与否的关键，对其类型的选择应该从可靠性、可控性、经济性等多方面考虑，可靠性是指选择的变频器应该具有较广泛的使用先例及成熟的技术条件；可控性方面要注重变频器的响应速度，控制是否方便等；经济特性也较为重要，一种设备的开发，其最终的开发成本对其以后的市场定位有着非常大的影响。

综合该段的选型原则及上文对变频器形式的叙述，最终选择具有模拟量输入给定方式的变频器装置。

基于PLC的甘蔗入榨控制系统，根据我们设备的电机大小选择合适功率的变频器，来带动我们的牵引电机就可以了。

3.2比例调节阀的介绍选型

该课题中，阀门主要实现的作用是将液体导入下一处理流程，如将渗透水可调节的来加入到压榨的过程中。

所以阀门选择时需要考虑两个问题，一是阀门响应速度，为了满足甘蔗入榨的控制工艺要求，阀门一定要响应快，另一个问题是阀门的开度要合理，这样能够保证液体留出速度合理，如果阀门开度较大，液体快速流出，对通过时间控制渗透水投加量是很不利的。

如果开度较小，输出流量较小，又影响整套系统的工作效率。

结合这两个问题出发，综合成本和可控性，最后确定电动比例调节阀门。

电动比例调节阀做为自动控制领域的重要执行机构，常常的有流体控制的场合使用，该种阀门一般由执行器和阀体组成，执行器为直流电机，当内部连杆电机的旋转量的大小来带动阀体内的阀瓣转动，实现阀门的打开，如果电机反转，阀体内的阀瓣同时反转，关闭阀门，电动比例调节阀阀根据安装方式不同可分成法兰安装、内螺纹安装、外螺纹安装，根据阀的公称直径不同又可分成小型气动比例调节阀、中型气动比例调节阀、大型气动比例调节阀等多种规格。

因我们此次使用的在渗透水进料，如图3-5为电动比例调节阀结构图。

图3-5微型阀门

该阀门为4-20mA控制，24V电源，电机功率为6W左右，内部执行电机为同步电机，由开到关或者由关到开的时间为15S，最大工作压力可达到1.6Mpa，可在2-90℃的液体环境下正常使用，阀头本身内设限位开关，当阀门全开或者全关到位后自动的切断电机供电电源，保证了阀门的安全使用，阀体材质为铜，具有较强的耐腐特性。

适合在本次基于PLC的甘蔗入榨控制系统。

3.3上位机组态介绍

上位机一般有两部分组成即硬件和软件，硬件部分包括处理器，显示单元，输入单元，通讯接口，一个数据存储单元或类似物，一般硬件均采用工业计算机来实现，软件指的是工控机内预装的可以进行工业控制的软件，一般通过软件发送命令给下位机。

与上位机对应的就是下位机了，上位机为控制对象，下位机为受控对象。

在甘蔗入榨控制系统中，通过上位机与PLC进行通讯，所以PLC便成了下位机。

如图3-6便为一个典型的上位机控制框图。

我们此次设计采用的是西门子公司的上位机控制软件。

图3-6上位机框图

组态软件的选择主要从通用性、稳定性、成本、操作性等几方面考虑。

在查阅了相关资料后，综合考虑各方面因素，最终选择了由西门子公司生产的WINCC上位机监控软件对该甘蔗入榨控制装置进行监控控制。

3.4系统电路的设计及其分析

该甘蔗入榨控制系统实现甘蔗入榨生产的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。

本系统采用西门子公司生产的S7-200系列PLC，它体积小，编程简单、执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。

图3-7为控制系统PLC接线图。

此图借鉴了一些网络上出现的绘图方式，将PLC的输入、输出、等集中在一起的画法表达出来，这样一来，使图纸绘制更加模块化，读图及后期改图等均比较方便。

图纸中可以看出，当Q0.0输出端子接通后，牵引机1开始运行，控制甘蔗进入切丝输出端子接通后，切丝电机1启动，进入的甘蔗开始被切丝，Q0.3,输出端子接通后，切丝机2开始切丝，控制经过1次切丝的甘蔗再次切丝，Q0.4输出端子接通后，压榨电机开始运行，被经过两道切丝后的甘蔗压榨，Q0.5输出端子接通后，压榨机2开始再次压榨，Q0.6接通时，H1指示灯点亮，表示系统正常运行；I0.0-I0.4输入端子分别接4个电机的保护开关，当其中，一个的故障信号断开，对应的输入端子接收到信号，系统发出警报信息，急停按下后，I1.0接收到该信号。

PLC供电由断路器QF1负责，供电电压为交流220V，负载驱动由QF2控制，因为此次设计选用的负载除加热器外均为直流24V，需要使用变压器进行电压转换，将交流220V电压转换成直流24V。

3.5系统电路的设计及其分析

本基于PLC的甘蔗入榨控制系统有8个数字量输入，分别为I0.0接口为切丝机1的电机保护断路器的常闭点，I0.1借口为切丝机1电机保护短路器的常闭点检测电机是否过流，I0.2借口为切丝机2的电机保护断路器常开点，是检测切丝机2是否得电，是否具备运行条件的，I0.3为切丝机2的电机保护断路器的常闭点，这是用来检测切丝机2是否过电流，I0.4接口为压榨机1的电机保护断路器的常开触点是用来检测压榨机是否得电，是否具备运行条件的，I0.5为压榨机1的电机保护断路器的常闭点，是用来检测压榨机1是否存在过电流状况，I0.6为压榨机2的电机保护断路器的常开点，是用来检测压榨机2是否具备运行条件，I0.7为压榨机2的电机保护短路器的常闭点，是用来检测；8个数字量输出，分别为Q0.0牵引机1运行、Q0.1为牵引机2运行、Q0.2为切丝机1运行、Q0.3为切丝机2运行信号、Q0.4为压榨机1运行信号、Q0.5为压榨机2运行信号、Q0.6为系统运行指示灯、Q0.7为系统故障指示灯。

通过统计分析，绘制出如表3.1的I/O分配表

表3.1输入输出点代码及地址编号