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烘干机控制系统设计毕业设计论文

成绩

□优□良□中□及格□不及格

课程设计

课程名称

电气控制与PLC课程设计

课题名称

烘干机控制系统设计

专业

自动化

班级

1202

学号

27

姓名

指导老师

2015年6月19日

电气信息学院

课程设计任务书

课题名称

烘干机控制系统设计

姓名

专业

自动化

班级

1202

学号

27

指导老师

课程设计时间

2015年6月8日～2015年6月19日

一.任务及要求

设计任务：

以PLC为核心，设计一个烘干机控制系统，为此要求完成以下设计任务：

1.根据烘干机的工艺过程和控制要求，确定控制方案。

2.配置电器元件，选择PLC型号。

3.绘制烘干机控制系统的PLCI/O接线图。

设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。

4.上机调试程序。

5.编写设计说明书。

设计要求

1.一般要求：

（1）所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足烘干机的工作过程要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。

（2）所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。

（3）所编写的设计说明书应用词准确，语句通顺，层次清楚，条理分明，重点突出，结构合理，内容详实。

2.具体要求：

（1）连续工作方式：

在烘干机处于初始状态的情况下，按下启动按钮时，要求烘干机能够自动地一个循环接一个循环地工作下去，在此工作方式下，能对烘干机进行预停和紧急停止操作。

（2）单周工作方式：

在烘干机处于初始状态的情况下，按下启动按钮时，要求烘干机能够自动地完成一个循环的工作。

当烘干机完成一个循环的工作并返回到初始状态时能自动停止。

在此工作方式下，能对烘干机进行紧急停止操作。

（3）单机手动工作方式：

要求能对烘干机的加热器和通风机进行手动操作。

二.进度安排

1.第一周星期一：

布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。

2.第一周星期二～星期四：

详细了解烘干机的基本组成、工作过程和控制要求。

确定控制方案。

配置电器元件，选择PLC型号。

绘制烘干机控制系统的PLCI/O接线图。

设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。

4.第一周星期五：

上机调试程序。

5.第二周星期二～星期四：

编写设计说明书。

6.第二周星期五：

答辩。

三.参考资料

[1]刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：

中国电力出版社，2014年。

[2]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：

机械工业出版社，2014年。

[3]王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解[M].北京：

电子工业出版社，2013年。

[4]赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。

原始资料

烘干机的工作过程

某一烘房，在干燥物品时，除要求温度能自动控制外，还需要间断通风，其主电路如图1所示。

图1烘干机主电路图

图2烘干机工作过程示意图

烘房内装有电接点温度计TJ，用来检测烘房温度。

当加热器通电时，烘房加热升温；通风机通电时，烘房通风。

当烘房的温度升至需要温度时，电接点温度计的接点闭合；当烘房的温度低于需要温度时，电接点温度计的接点断开。

当按下启动按钮后，要求烘干机按图2所示的过程循环往复地工作，直至按下停止按钮时为止。

第1章烘干机的概述

第2章控制方案选择

2.1单片机控制

2.2继电器控制

2.3编程序控制器控制

2.4结论

第3章控制系统硬件设计

3.1电气元件的选择

3.2输入输出模块的选择

3.3电动机、电气控制线路设计

3.4PLC的I/0接线图

第4章控制系统程序设计

4.1顺序功能图设计及过程分析

4.2设计主程序

4.3设计公用子程序

4.4设计手动工作方式子程序

4.5设计自动程序

第5章PLC程序的调试

5.1调试软件的使用

5.2调试主程序

5.3调试公用子程序

5.4调试手动子程序

5.5调试自动程序

心得体会

参考文献

附录

附录A梯形图程序

附录B指令程序

第1章烘干机的概述

烘干机是干燥物品的专用设备。

在干燥物品时，为保证物品质量，减小烘干机零件损耗，除要求温度能自动控制外，还需要间断通风。

烘房内装有电接点温度计TJ，用来检测烘房温度。

当加热器通电时，烘房加热升温；通风机通电时，烘房通风。

当烘房的温度升至需要温度时，电接点温度计的接点闭合；当烘房的温度低于需要温度时，电接点温度计的接点断开。

当按下启动按钮后，要求烘干机按图1-1烘干机主电路图所示的过程循环往复的工作，直至按下停止按钮时为止。

图1-1烘干机主电路图

烘房内装有电接点温度计TJ，用来检测烘房温度。

当加热器通电时，烘房加热升温；通风机通电时，烘房通风。

当烘房的温度升至需要温度时，电接点温度计的接点闭合；当烘房的温度低于需要温度时，电接点温度计的接点断开。

当按下启动按钮后，要求烘干机按图1-2烘干机工作过程示意图所示的过程循环往复地工作，直至按下停止按钮时为止。

图1-2烘干机工作过程示意图

第2章控制方案选择

目前应用于烘干机控制系统主要有继电器控制系统、PLC和单片机控制系统。

2.1单片机控制

它是用程序实现各种复杂的控制，功能最强。

工作方式采用中断处理，响应也较快，价格比PLC要低。

但它的程序修改难度较大，可靠性比PLC要差，也需要设计专门的接口电路和抗干扰措施。

在使用时要求有较好的工作环境，维护技术也较高，系统设计较复杂，调试技术难度大，需要有系统的计算机知识。

它需要设计和制作输入接口电路、输出接口电路、放大电路和印刷电路板，设计制作工作量大，周期长，而且它的抗扰能力很弱，对环境的适应性差。

2.2继电器控制

由于继电器控制设计出的线路也比较复杂，因而电器控制装置的制造周期较长，造价相应较高，维修也不方便。

控制系统完成后，若控制任务发生变化，如某些生产工艺流程的变动，则必须通过改变接线才能实现。

另外，由于接线程序控制系统中器件、接线较多，所以其平均无故障时间较短。

采用继电器控制方案，有如下缺点：

不仅继电器本身容易出现误动作，特别是触头氧化及铁芯与衔铁弄脏后的吸力不足，机械运动部件运动不灵活而出现被卡烧坏线圈等故障，给维护过程带来极大不便，甚至会影响正常营运工作，而且势必使硬件接线量大且复杂。

总之，继电器控制系统的灵活性和通用性较低，故障率较高。

2.3编程序控制器控制

可编程序控制器的推广应用在我国得到了迅猛发展，可编程序控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中器。

PLC控制具有如下几个优点：

（1）、编程方法简单易学。

（2）、功能强，性能价格比高。

（3）、硬件配套齐全，用户使用方便。

（4）、无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强。

（5）、系统的设计、安装、调试量少。

（6）、维修工作量少，维修方便。

2.4结论

据烘干机对控制系统的要求，对于可编程控制器（PLC）有这般优点，我们可以考虑用PLC来设计烘干机控制系统。

第3章控制系统的硬件设计

PLC控制系系统的硬件选择主要包括可编程控制器的选型、电源模块的选型、接触器、输入/输出的开关量和按钮的选择等。

下面分别对其一一进行分析选择各电器元件的型号。

3.1电气元件的选择

（1）、可编程序控制器物理结构的选择

根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I/O点有平均价格比模块式的便宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。

根据烘干机的控制要求可选用整体式可编程序控制器。

如西门子生产的CPU224CN1。

（2）、可编程序控制器I/0点数的确定

确定I/0点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入/输出点数的总需求，在此基础上，应留有10%~20%的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。

可选用型号CPU224CN1，即I/O点数为10个、基本单元、继电器输出型。

（3）、存储容量的选择

初步估算，对于仅需开关量控制的系统，将I/0点数乘以8，就是所需的存储器的字数，这一要求一般都能满足。

对于此烘干机设计控制电路手动/自动切换开关SA,一个启动按钮SB1，一个预停按钮SB2，一个急停按钮SB3，手动加热按钮SB4,手动通风按钮SB5,电接点温度计TJ，热继电器FR，熔断器FU，电动机M，接触器KM、KM1、KM2所以选择CPU224CN1

3.2输入输出模块的选择

可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备的高电平信号为机器内部电平信号。

由于这是工业环境下进行，主电路采用交流电源供电，由于该工艺环境温度不高，干扰因素也少，故采用与主电路相同的交流电源供电，并采用220V电压供电。

输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。

烘干机采用继电器输出模块。

3.3电动机、电气控制线路设计

图3-1总电路图

如图3-1总电路图所示有两个线圈：

KM1、KM2。

其中KM1是控制升温的线圈，KM2是控制通风的线圈，KM为外部电源输入线圈。

如上图所示，当SA断开时，按下SB1时，KM1线圈得电，KM1的常开触点闭合使的电热丝通电升温。

KM1断电后，KM2的线圈得电，KM2的常开触点闭合使的通风机工作。

当SA闭合时，即手动操作的时候，当按下SB4时，KM1线圈通电，KM1的常开触点闭合使的电热丝通电升温，松开SB4时，升温结束；当按下SB5时，KM2线圈通电，KM2的常开触点闭合使通风电机启动，松开SB5时，通风结束。

用到这两个线圈图中SA是外部线路停止开关。

FR是热继电器起到断电保护作用。

熔断器FU起到过电流保护的作用。

3.4PLC的I/O接线图

根据顺序功能图和电气原理图,考虑到有效的利用可编程控制器的资源，对输入点数量必须要很好的考虑。

需要的输入信号的点主要有手动/自动切换开关SA,一个启动按钮SB1，一个预停按钮SB2，手动升温按钮SB4,手动通风按钮SB5,用于温度反馈的电接点温度计TJ，可知输入点共有7个。

加上输出点包括升温、通风。

可知需要选择的PLC型号为CPU224CN1，其I/O接线图如图3-2所示：

图3-2PLC的I/O接线图

第4章控制系统程序设计

4.1顺序功能图设计及过程分析

根据烘干机控制系统的要求设计出顺序功能图如图4-1所示:

图4-1顺序功能图

其过程分析如下：

（1）、升温

当需要干燥的物品放入烘干机内，按下启动按钮SB1后，KM1加热器通电，烘房加热升温。

（2）、停止加热

当烘房的温度升至需要温度时，电接点温度计的接点闭合（TJ为ON），使得M1断电（加热器停止加热），同时定时器T37得电，定时器37设定的时间为60s。

（3）、通风机启动

当第2步的定时器T37定时的时间到后使得通风机KM2得电，通风机KM3启动，同时定时器T38得电，定时器T38设定的时间为300s。

（4）、通风机停止或升温

当第3步的定时器T37定时的时间到后，如果温度低于需要温度，则返回到KM1升温，如果电接点温度计的节点依然闭合（TJ为ON）,则通风机停止，即通风机KM3断电，同时定时器T39得电，定时器T2设定的时间为120s。

（5）、是否重复启动通风机

当定时器T2定时的时间到后，判断烘房温度是否低于需要温度，温度低于需要温度（X1为OFF）则返回到M0.1,如果不低于需要温度且预停按钮未闭合，则重复第3、第4步，若预停按钮闭合，则返回初始步M0.0。

（6）、预停

按下停止按钮SB2，只有在当前工作周期的操作结束后，才停止操作，停止在初始状态。

4.2设计主程序

图4-2主程序的梯形图

通过I0.0触点的接通/闭合状态，来分别进行手动子程序/自动子程序的调用。

如图4-2所示。

4.3设计公用子程序

图4-3公用子程序的梯形图

在公用子程序中加入了预停程序，其操作过程：

按下预停按钮SB2后，I0.4动作，控制烘干机启动的I0.3在运行完这一轮的程序循环后断开。

急停程序操作过程：

按下SB3后，I0.5动作，控制烘干机启动的I0.3立即断开。

如图4-3所示。

通过上述过程可实现预停和急停的功能

4.4设计手动工作方式子程序

图4-4手动程序的梯形图

手动程序操作过程：

SA拨至手动挡处时：

按下SB4进行手动升温，I0.6作用，KM1线圈开始触发升温；为了避免与其他动作同时作用，I1.0（温度反馈）和Q.01（通风）此时断开。

按下SB5进行手动通风，I0.7作用，KM2线圈开始触发通风效果，为了避免同与其他动作时作用，Q0.1（通风）此时断开。

利用以上程序，可以实现手动控制。

4.5设计自动程序

自动程序操作过程：

当开关SA拨至连续挡时：

按下SB1，常开触点I0.0闭合，此时启动烘干机，KM1作用升温至所需温度后停止加热，运用接通延时定时器可以实现升温后延迟1min后接着KM2作用通风；通风5min后通风机停止2min，然后再启动通风机停止，若低于所需温度则继续循环进行。

如下图4-5所示：

图4-5自动程序的梯形图

第5章PLC程序的调试

5.1调试软件的使用

（1）先打开V4.0STEP7MicroWINSP9，输入好自己设计完成的T型图程序，然后点击“文件”----“导出”生成“.awl”文件，如图5-1所示：

图5-1

（2）打开S7_200汉化版仿真软件进行仿真，先设置好CPU的型号，点击“配置”---“CPU型号”操作如图5-2所示；然后在“CPUtype”中选择CPU的类型为“CPU224XP”操作如图5-3所示:

图5-2

图5-3

（3）在仿真软件上装载程序。

“程序”---“装载程序”如图5-4所示:

图5-4

（4）装载程序后便可进行程序的调试。

调试页面如图5-5所示:

图5-5

5.2调试主程序

图5-6

当I0.0接通时，执行手动子程序，I0.0断开时，执行自动子程序。

如图5-6所示。

5.3调试公用子程序

图5-7

按下I0.4后，I0.3在运行完这一轮的程序循环后断开。

按下I0.5后，控制烘I0.3立即断开。

如图5-7所示。

5.4调试手动子程序

图5-8

按下I0.6，KM1作用，此时I1.0和Q.01；按下I0.7，KM2作用，此时Q0.1断开。

如图5-8所示。

5.5调试自动程序

闭合I0.0和I0.3，当加入反馈信号I1.0时，①T37开始计时，60s后T37停止计时；②T38开始计时，300s后T38停止计时；③T39开始计时，120s后T39停止计时；④T40开始计时，0.1s后停止计时;此时若反馈信号I1.0还有，则循环②、③、④过程。

若反馈信号I1.0没有，且I0.2为断开时，则单周循环；若反馈信号I1.0没有，且I0.2为闭合，则连续循环。

如5-9图所示：

图5-9

心得体会

平常上PLC课时没有认真听课，导致我对赖老师讲过的许多内容都没印象。

好在刚刚进行完了PLC的考试，于是恶补了下PLC的一些基本知识，考完接着就是PLC的课程设计，所以设计没有想象的那么棘手。

课设的第一周，赖老师对我们每一组都悉心的讲授了各自的主要内容。

我抽选到的内容是烘干机的课设内容，赖老师把烘干机的循环过程及注意事项提醒了我们，并且详细的分析了烘干机的主程序与个子程序的联系，这为我们之后的几天的课设历程扫除了很多障碍，印象最深的就是PLC工作循环中的双步循环中引入的0.1秒的调控程序，这是课本上找不到的。

接下来的几天，老师每天都比我们中一些同学还先到教室，等着我们，也一直陪着我们做课设，我平常学习不是很好，然后问了老师许多基础了问题，比如CPU224CN1中的M、1M、2M的作用，通过学习，我补漏了许多基础知识。

平常课堂理论偏多，所以难免会有些疲乏于学习，但是课设都得自己动手，不主动去学习是很难达到老师的要求的。

在PLC课设之前，我们每次学期末也会进行各种课设，比如电力电子，数字电路等课设，但是我深深到PLC的跨域相当的广，之前的课设感觉整个专业的课题也不会很多，但是PLC的课设内容特别广泛，还有明显的方向性选择，比如我们的烘干机控制系统主PLC方向，由赖老师负责指导；还有由沈老师带的PLC课题偏过程控制方向；余老师带的课题偏传感器方向；赵老师带的课题偏电力电子方向等等。

由此可见PLC应用相当的广泛，学好PLC对以后的工作也是多一个选择！

接下来便是PLC的调试，赖老师一个个的解答，有什么不懂都可以问，不会因为一些简单的问题而不耐烦，那天晚上有一些同学课设调试没搞完，老师陪着我们搞到晚上12点半，这也是我大学第一见到这么负责的老师，不搞好自己的课题不仅对不起自己，更深刻的感觉对不起老师！

愉快的课设就这么结束了，谢谢赖指南老师的指导帮助！

参考文献

[1]刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：

中国电力出版社，2014年。

[2]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：

机械工业出版社，2014年。

[3]王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解[M].北京：

电子工业出版社，2013年。

[4]赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。

附录

附录A梯形图程序

附录B指令程序

电气控制与PLC课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合的理性（10%）

控制系统硬件设计完成情况（10%）

控制系统程序设计完成情况（20%）

控制系统程序调试结果*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分