污水排放PLC控制系统毕业设计.doc 25页

' 目录摘要IABSTRACTΠ第1章绪论11.1PLC概述11.1.1PLC的基本概念11.1.2PLC的基本结构11.1.3PLC的发展历史及趋势11.2该污水排放控制系统所用软件简介1第2章控制方案12.1PLC控制系统设计的一般步骤12.2系统的设计任务及要求62.2.1内容12.2.2要求1第3章系统硬件设计13.1系统组成13.1.1水位检测电路13.1.2主电路13.1.3控制电路13.2外围电路器件的选用13.2.1接触器的选用13.2.2熔断器的选用13.2.3热继电器的选用13.2.4信号采集继电器的选用1第4章系统软件设计14.1主程序14.2手动控制程序14.3自动控制程序1结论1致谢词1参考文献1 河南大学本科毕业生学士学位论文摘要随着社会的发展，污水排放已经成为城市建设中的一个重要的问题。目前，在中、小城市中，污水排放的控制系统通常采用传统的继电器控制方式。随着科学技术的进步和控制要求的提高，这类控制系统已经显示出越来越多的弊端，所以利用PLC实现污水排放的自动控制已经成为发展的必然趋势。本文将介绍由PLC控制实现的污水排放控制系统的手动方式和自动方式；主要偏重于自动控制，希望通过此次的设计能够为中、小城市和厂矿企业中同类系统的改造和设计提供有价值的参考。关键词PLC；污水处理；S7-200；自动控制第页 河南大学本科毕业生学士学位论文ABSTRACTWiththesocialdevelopment,urbanconstruction,sewagedisposalhasbecomeanimportantissue.Atpresent,mediumandsmallcities,thesewagedischargecontrolsystemstypicallyusetraditionalrelaycontrolmethod.Withthescientificandtechnologicalprogressandtheimprovementofcontrolrequirements,suchcontrolsystemshasshownagrowingnumberofdisadvantages,sousePLCtoachieveautomaticcontrolofsewagehasbecomeaninevitabletrend.ThisarticleintroducestherealizationbythePLCcontrolofsewagedischargecontrolsystemimplementationandautomatemanual;majoremphasisonautomation,hopesthatthisdesigncanin.Smallcitiesandindustrialenterprisesinthetransformationanddesignofsimilarsystemsprovidevaluablereference.Keywords:PLCSewageTreatmentS7-200Automaticcontrol20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文第1章绪论1.1PLC概述1.1.1PLC的基本概念可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称PC混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.1.2PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。A.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。B.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。C.电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。1.1.3PLC的发展历史及趋势20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文20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。PLC未来展望：21世纪，PLC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。目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.2该污水排放控制系统所用软件简介STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。STEP7的硬件接口，PC/MPI适配器用于连接安装了STEP20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文第2章控制方案2.1PLC控制系统设计的一般步骤设计梯形图完成开始分析控制要求确定I/O设备PLC硬件系统配置分I/O点点绘制程序流程图程序输入PLC软件测试测试正常？编制整体文件修改程序其流程图如下图所示：图2.1PLC控制系统设计的流程20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文2.2设计的内容及要求2.2.1内容某污水排放站有两台排水泵，其电机M1和M2分别为380VAC、25KW和380VAC、7.5KW。其中M2对应于水位1、M1对应于水位2，电机的运行符合“先动先停，先停先动”的原则。当水位低于位置1时，两台电机均停止工作；当水位在水位1和水位2之间时，两台电机中有一台工作；当水位高于水位2时，两台电机均开始启动工作。2.2.2要求A、设计主电路：画出原理图，并选择各电器元件参数；B、设计控制电路：水泵的启动和停止有手动和自动两种控制方式，编制控制系统软件。C、认真设计并打印出论文，在实验台上完成调试和模拟实验。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文第3章系统硬件设计该污水排放控制系统有三部分组成：水位检测电路，主电路和控制电路。3.1系统组成3.1.1水位检测电路图3.1.1水位检测电路如图3.1.1所示水位检测电路由24V直流电源，两条信号线和两个小型直流继电器（JQC-3F）组成，+24V电源可采用PLC内部提供的电源，两个继电器的常开触点分别接在PLC的输入端，利用水导电的原理进行水位检测，其信号比较小而其JQC-3F本身有信号放大功能，所以JQC-3F能够满足设计要求的信号采集功能。当水位在某一位置时，相应继电器动作，给PLC输入水位信号，从而完成自动控制检测。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文3.1.2主电路图3.1.2主电路如图3.1.2所示，污水排放站有两台排水泵，其电机M1和M2分别为380VAC、25KW和380VAC、7.5KW。其中QF为空气开关，KM2为电动机M1Y型降压启动交流接触器，KM3为电动机M1三角形正常运行交流接触器。FR1、2分别为电机M1、M2的热继电器，FU2、FU3为电动机M1、M2的过热保护器；FU1为二者共同的过热保护。3.1.3控制电路A.控制要求20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文在控制系统中，有两种控制方式，即：手动控制和自动控制系统，在自动控制系统中，其中M2对应于水位1、M1对应于水位2，电机的运行符合“先动先停，先停先动”的原则。当水位低于位置1时，两台电机均停止工作；当水位在水位1和水位2之间时，两台电机中有一台工作；当水位高于水位2时，两台电机均开始启动工作。其启动、停止关系如表3.1.3A所示。表3.1.3A两台电机启动、停止关系水位1信号水位2信号M1启停情况M2启停情况00停止停止10停止启动11启动运行10运行停止11运行启动10停止运行00停止停止B.PLC选型根据该控制系统的输入，输出点数的估算，选用西门子S7-200型CPU224的PLC，S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。其输入点为14个；输出点为10个。该系列的PLC属于整体式结构，其结构紧凑，体积小，成本低，安装方便很受广大用户的欢迎；其基本逻辑指令执行时间为0.22ūm。程序存储区为8192B，断电后可以对程序保存100个小时。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文C.PLC的I/O接口分配PLC的I/O点分配如表3.1.3C所示表3.1.3CPLC的I/O点分配输入端输出端设备编号设备编号总开关I0.0手动指示Q0.0自动/手动开关I0.1水位1指示Q0.1急停开关I0.2M2电源KM4Q0.2M2启动按钮I0.3三角形工作KM3Q0.3M2停止按钮I0.4Y启动KM2Q0.4M1启动按钮I0.5M1电源KM1Q0.5M1停止按钮I0.6M2过热保护指示HL1Q0.6水位1J1-1I0.7M1过热保护指示HL2Q0.7水位2J2-1I1.1水位2指示Q1.0M2过热保护FR1I1.2M1过热保护FR2I1.3由上表可以绘制出系统的外围电路与PLC的接线图，由接线图和I/O分布图可以知：利用手动/自动转换开关（I0.1）实现系统的手动控制和自动控制的切换；当I0.1闭合时选择为手动控制程序，当I0.1断开时系统选择为自动控制程序。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文图3.1.3CI/O接口分配图3.2外围电路器件的选用3.2.1接触器的选用接触器作为主电路中的主要器件，接触器的选型主要需要确定种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触点，以及电气寿命、机械寿命及工作制等多种情况综合考虑。 20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文而根据接触器所控制负载的工作任务不同来选择相应使用的类别的接触器，根据该控制系统的电源的情况来说，应该选择交流接触器，因为该系统负载的工作情况为一般异步电动机，负载的情况也不复杂。根据负载工作时的电流可选择相应的交流接触器，所以在选择接触器时KM1，KM2，KM3选择为型号为CJ20-100的器件，因为M2工作的最大电流约为20A，所以KM4可以选择型号为CJ20-16的接触器。3.2.2熔断器的选用该控制系统中有三处用到了熔断器即：FU1、FU2、FU3根据三个熔断器在不同位置处的电流不同选用的熔断器也不同。根据选择用于频繁起动的电动机的原则：当M1工作时熔断器所能承受的最大电流为I1=（3~3.5）IN1=（3~3.5）25000W／380V=197.4A；当M2工作时熔断器所能承受的最大电流为I2=（3~3.5）IN2=(3~3.5)7500W／380V=59.1A。根据通过的最大电流FU1可以选择型号为RL6-200的熔断器；FU2可以也选择RL6-200中的；而FU3可以选择RL6-63型号的熔断器。3.2.3热继电器的选用热继电器主要用于电动机的过载保护，热继电器的选用时应根据使用条件、工作环境、电动机型式及其运行条件及要求，电动机的启动情况及负荷情况综合考虑。根据热继电器的选择原则：可以选用JR20-16配CJ20-16为电动机M2的热继电器FR1，JRS1-100为电动机M1的热继电器FR2。3.2.4信号采集继电器的选用根据设计要求，信号采集继电器应选用JQC-3F，应为其工作电压为3V~48V，能有效的采集到水位高度的信号。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文第4章系统软件设计在软件设计中，为了避免Y-△转换中KM2交流接触器响应滞后而会出现电源短路的现象，故设置了0.5秒的切换延迟时间。另外，为了更可靠地避免电源相间短路情况的发生，在PLC输出端增加了硬件的互锁。4.1主程序主程序如下图3.1所示图3.1主程序20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文4.2手动控制程序手动控制程序如下图3.2所示20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文图3.2手动控制程序20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文4.3自动控制程序自动控制程序如下图3.3所示20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文图3.3自动控制控制程序20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文结论经过了三个月的学习和努力，我终于完成了以西门子S7-200CPU224的PLC控制的污水排放自动控制系统设计和论文。可编程控制器（PLC）稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大，使用方便，由于这些优点PLC已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。在本篇论文中主要是以PLC控制来实现的污水排放自动控制。通过水位信号采集、主电路、以及控制电路的设计来完成整个的控制过程。其中各种各种接触器、继电器及熔断器的选用要严格按照各种外围器件的要求进行选用。控制电路的PLC程序设计是本次设计的最关键和最重要的部分。20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文致谢词在本次论文的撰写中，我得到了吴春诚教授的精心指导，吴老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料，解决难题。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。四年大学生活即将结束，回顾几年的历程，老师们给了我们很多指导和帮助。他们严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我再次对我院所有的老师表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利！20第页 河南大学本科毕业生学士学位论文参考文献[1]李道霖,张仕军,李彦海,李雪梅.电气控制与PLC原理及应用（西门子系列）[M].电子工业出版社.2004年4月.[2]汪晓平等.可编程控制器系统开发实例导航[M].人民邮电出版社.2004年8月.[3]廖常初等.PLC编程及应用[M].机械工业出版社.2004年8月[4]周万珍高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].电子工业出版社.2005年3月[5]许翏王淑英.电气控制与PLC控制技术[M].机械工业出版社.2008年1月[6]郭宗仁吴亦峰郭永.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术[M].人民邮电出版社.2002年9月[7]边春元宋崇辉等.S7-200PLC梯形图与语句表编程[M].机械工业出版社.2009年4月.20第页'