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plc课程设计
1前言
现在工业生产在社会经济体中占有很大的比重,所以在生产中就需要尽量减少成本,以达到盈利的目的。
本次设计的变压器冷却泵的自动切换控制系统能够在工业生产中大大减少劳动力成本,更能提高供电系统的稳定性,以保障生产用电的需要,在工业生产中能够保障用电系统的稳定有很重大的意义。
机械行业的高速增长和自动化现状为PLC应用提供了巨大的市场空间,按目前的经济形势分析,基于上述原因和中国经济高速增长的现状,并分析目前中国PLC市场主要厂商的经营数据,我国工业企业的自动化程度普遍较低,PLC产品有很大的应用空间,如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。
工业控制系统的发展很快,在60、70年代,继电器控制在工业中占主流位置,现如今社会中PLC控制已经占据主要位置,其主要原因是继电器有很多缺点,如继电器的触点很多,维修及设计很不方便,设计出的系统也很不稳定。
而PLC则有很多优点,PLC设计简单明了,很容易上手,设计所需要的周围器件少,成本低,开发周期短;PLC集成度高,不会像继电器控制系统那样有很多触点,而且要自己去连触点,进行系统的扩展,连接和维修等都很麻烦,所以PLC系统具有可靠性高,抗干扰能力强等优点,所以现在工业控制中都基本选用PLC控制器。
巨大的市场需求为发展PLC业务提供了难得的历史机遇,国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积累,大力拓展PLC业务,使国产PLC早日成为中国PLC市场的主要参与者之一。
本设计是旨在减少工业控制中的生产成本,为整个生产生命线提供一个有力的保障,变压器的冷却泵的自动切换控制系统能够在六台水泵中自动循环控制,能够源源不断的为变压器进行冷却,可以自动检测变压器是高压端还是低压端在工作,如果检测是高压端在工作,则PLC控制器控制三台泵进行冷却,如果检测是变压器低压侧工作则启动两台泵进行冷却,两台变压器可以同时工作,工作满两个小时则自动切换,如果遇到有泵故障则启动备用泵并报警,工作人员进行检测维修。
本设计实现工业控制的自动化,不用在进行人工的控制,从而可以减少此岗位的人员配置,简化工业流程,减少人力资源成本,提高生产效率,优化企业结构,减少生产成本,进而获得更大的效益。
节约生产成本,是效益最大化是每个企业都要达到的目标,能够将工业生产转化为自动化生产是获得最大效益的最佳方式,所以在工业领域中能够实现自动化的一定要努力去实现,这是工业生产的趋势,也是未来自动企业的发展方向,所以要尽量的有化配置,提高生产效率。
2变压器冷却泵自动切换系统系统方案设计
2.1变压器冷却泵自动切换系统系统设计要求
1、有两台变压器,每台变压器有6台冷却泵(按顺序编号)进行冷却控制,循环排列方式要本着均衡、对称的原则。
另有备用泵两台。
用一台PLC对其进行控制。
2、每台变压器的冷却规则如下:
A)当变压器低压侧(二次输出)投入时(检测元件S1通),需要轮换启动2台冷却泵(即每隔2小时轮换启动,每次要保证有2台泵运行);
B)当变压器高压侧(一次输入)投入时(检测元件S2通),需要轮换启动3台冷却泵(即每隔2小时轮换启动,每次要保证有3台泵运行)
C)当冷却系统出现故障(检流计低限)将按排列顺序自动启动备用冷却器并必须发出报警。
3、系统的装置图如图2-1所示。
图2-1变压器冷却泵自动切换系统装置图
2.2变压器冷却泵自动切换系统比较方案
2.2.1方案一:
本设计选择PLC可编程控制器与上位机相连,并通过PLC编程控制输入输出信号。
PLC控制方框图如图形2-2所示。
图2-2基于PLC的变压器冷却泵自动切换系统方框图及功能图
2.2.2方案二:
本设计通过对单片机系统进行编程,并将单片机系统与PC机相连。
然后通过单片机系统对信号的输入输出进行控制。
其控制框图如图2-3所示。
图2-3基于单片机的变压器冷却泵自动切换系统方框图及功能图
2.3变压器冷却泵自动切换系统方案论证
通过对方案一和方案二的比较和分析,总结出了PLC与单片机系统的不同,PLC控制它们的优劣比较如表2-1所示。
表2-1PLC与单片机系统的比较
方案
PLC
单片机系统
系统结构
模块化
整体化
加工
无需加工直接用
需要加工
测试
测试项目全优
无法测试
稳定性
优
一般
工作环境要求
低
高
扩展性
好
一般
软件扩展性
好
一般
通讯
优
一般
成本
很高
低
2.4变压器冷却泵自动切换系统方案选择
通过对表2-1的观察与分析,总结出选择基于PLC的变压器冷却泵自动切换系统的方案,它工作环境要求低,扩展性好调试方便。
并且PLC控制还有抗性高、靠干扰能力强,功能完善、适用性强,编程容易,体积小、重量小、能耗低等优点。
所以本设计选择方案一(基于PLC的变压器冷却泵自动切换系统)。
3变压器冷却泵自动切换系统设计
3.1变压器冷却泵自动切换系统功能分析
当任意一台变压器低压侧(二次输出)投入时(检测元件S1通),轮换启动2台冷却泵(每隔2小时轮换启动,每次保证了2台泵运行)。
当变压器高压侧(一次输入)投入时(检测元件S2通),需要轮换启动3台冷却泵(每隔2小时轮换启动,每次保证了3台泵运行),在泵的循环运行中都是本着均衡、对称的原则。
当冷却系统出现故障(检流计低限)时,声光报警灯会亮,并且会检测备用泵1号是否在用,在用的话,启动2号备用泵,没有用的话,启动1号备用泵。
并且有停止和复位功能,当点击停止过后,再点击复位,系统又可重新检测变压器的工作模式,即高压还是低压。
3.2变压器冷却泵自动切换系统输入输出控制信号分析
经过分析变压器冷却泵自动切换系统的输入信号和输出信号,得出共有9个输入信号和18个输出信号,具体的信号和PLC端子分配表如表3-1所示。
表3-1PLC输入输出分配表
输入
输出
名称
功能
编号
名称
功能
编号
SB1
启动
X0
KM1
泵1-1接触器触头
Y0
SB2
停止
X1
KM2
泵1-2接触器触头
Y1
SB3
复位
X2
KM3
泵1-3接触器触头
Y2
S1
A变压器低压侧二次输出
X4
KM4
泵1-4接触器触头
Y3
S2
A变压器高压侧一次输出
X5
KM5
泵1-5接触器触头
Y4
S3
B变压器低压侧二次输出
X6
KM6
泵1-6接触器触头
Y5
S4
B变压器低压侧一次输出
X7
KM7
泵B-1接触器触头
Y6
S5
检流计低限位1
X10
KM8
泵B-2接触器触头
Y7
S6
检流计低限位2
X11
KM9
泵2-1接触器触头
Y10
KM10
泵2-2接触器触头
Y11
KM11
泵2-3接触器触头
Y12
KM12
泵2-4接触器触头
Y13
KM13
泵2-5接触器触头
Y14
KM14
泵2-6接触器触头
Y15
L1
故障指示灯(红)1
Y16
L2
故障指示灯(红)2
Y17
HA1
故障报警1
Y20
HA2
故障报警2
Y21
3.3变压器冷却泵自动切换系统工艺流程图
根据变压器冷却泵自动切换系统的设计要求,经过分析和论证,现在将该系统的工艺流程图设计如图3-1所示。
图3-1变压器冷却泵自动切换系统工艺流程图
4变压器冷却泵自动切换系统硬件系统设计
本次硬件系统设计选用了很多器件,元器件清单见附件。
4.1可编程控制器选择
可编程控制器的选择是根据控制需要,依据输入输出触点数来选择的,根据系统的功能和控制的需要,分析了输入输出点数和负载能力,选型原则应将触点数留有10%的余量,所以根据输入输出表(见表3-1)和元器件成本选择了三菱系列可编程控制器FX2N-48MR-001。
PLC主机:
分输入端与输出端二种端口,通常分别由X与Y表示。
图4-1中上边一排中的地是指大地,前面一个COM指主机公共端,后面一个COM指X1-X27上面一排八个输入端的公共端;下边一排中L与N接220V交流电,COM是X0-X16八个输入端的公共端。
为了区分每个单元的输出端与COM公共端的组合,将输出端的组合列入表4-1。
表4-1输出单元与COM单元的组合
公共端
输出控制端
组合一
COM1
Y0
Y1
Y2
Y3
组合二
COM2
Y4
Y5
Y6
Y7
组合三
COM3
Y10
Y11
Y12
Y13
组合四
COM4
Y14
Y15
Y16
Y17
组合五
COM5
Y20
Y21
Y22
Y23
Y24
Y25
Y26
Y27
图4-1PLC主机中输入输出接线端
4.2控制电路器件选择
控制电路核心器件为PLC可编程控制器,输入启动,停止,复位按钮则是PLC外围器件,这里需要有输入信号输入到PLC,所以选择按钮来输入,启动按钮为绿色,型号为LA19-11;停止按钮为红色,型号为LA19-11;复位按钮为黄色,型号为LA19-11。
4.4负载电路器件选择
4.4.1低压断路器选择
低压断路器,又称空开,本次设计中用了三个,总线一个,型号为S253SC,容量为20A;PLC隔离变压器前用一个S25SC,容量为6A;备用电源用一个,型号为S25SC,容量为6A。
在电路中作接通、分断和承载额定工作电流,并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。
4.4.3热继电器选择
热继电器在本次设计中做保护电机的作用,在泵过载发热的时候可以起到自动断开电路的作用,本次选型号为T25DU4.0,线圈电压为220V,容量为2.8~4.0A。
4.4.5熔断器选择
电路主线中用RL1型熔断器,容量60A,熔体25A,做电源保护;泵负载电路中用RL1型熔断器,容量15A,熔体10A,做泵保护。
图4-4变压器冷却泵自动切换系统总图
4.8变压器冷却泵自动切换系统I/O端子图
根据表3-1,将系统的输入输出信号分配到PLC端子,详细见图4-5.
图4-5变压器冷却泵自动切换系统I/O端子图
4.9PLC外部接线图
根据图4-1和图4-5将PLC外部接线如图4-6。
图4-6PLC外部接线图
5变压器冷却泵自动切换系统软件设计
5.1控制流程图设计
第一个部分为启动、保持、停止、复位模块;第二部分为至少二台泵轮换工作模式;第三部分是三台泵轮换工作模式;第四部分是故障处理模块;在整个系统中,第一部分与第二部分、第三部分是通过启动信号M10连接的,第二部分、第三部分与第四部分是通过故障信号连接的。
对于整个系统而言,由于有二台变压器在运行,所以二台变压器采用并行控制,就是同时运行。
图5-1程序控制状态转移图
5.2GXDeveloper编程软件的介绍
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计,网络参数设定,可进行程序的线上更改、监控及调试,具有异地读写PLC程序功能。
5.3控制程序设计
1、启保停控制程序如图5-2所示。
图5-2启保停控制程序
X0是启动按钮,X1为停止按钮,X2为复位按钮。
M0、M1是为了能更好的与易控组态软件相连接而设计的。
M10为运行标志。
当按下启动按钮时,运行标志M10通,程序开始运行。
当按下停止按钮时,复位Y0到Y21和S0到S89。
复位信号与停止信号互锁。
按下复位按钮时,重新置S0、S1为1。
程序可重新开始。
6变压器冷却泵自动切换监控系统软件设计
6.1易控组态软件介绍
易控是一套通用的监控和数据采集(SCADA)软件,亦称人机界面(HMI/MMI)软件,俗称组态软件。
易控以通信的方式和控制系统相连,能读写控制系统内部的信息,并以图形和动画等直观形象的方式呈现这些信息,以方便对控制流程的监视。
也可以通过易控直接对控制系统发出指令、设置参数干预控制流程。
易控能对控制系统的数据进行运算处理,将结果返回给控制系统,协助控制系统完成复杂的控制功能。
易控本身没有行业的限制,只要它和控制系统之间能进行数据交换即可。
易控内置了对常见PLC、DCS、PC板卡、智能仪表等设备的通信支持。
6.2变压器冷却泵自动切换控制系统组态软件界面设计图
变压器冷却泵自动控制系统组态软件界面设计图如图6-1所示。
图6-1变压器冷却泵自动控制系统组态软件界面设计图
6.3变压器冷却泵自动切换控制系统变量及类型设置
本次设计的系统变量和类型如图6-2所示:
图6-2变量设置图
7系统的综合调试
7.1综合调试的平台说明
对于本次设计调试,全部采用全虚拟PLC仿真,通过仿真平台软件进行。
在调试过程中,使用到了MXComponent、GXSimulator、易控组态软件等操作平台。
对于MXComponent软件,该软件在调试过程中起到一个纽带作用,通过该软件实现易控组态软件与GXSimulator之间的通信。
对于GXSimulator软件,该软件实现了PLC程序的控制。
对于易控组态软件,该软件体现了GXSimulator软件的PLC程序流程以及实现的具体功能,展现了实际现场动画。
7.2综合调试的步骤
①配置通信连接软件及MXComponent软件,使其达到通信要求。
②运行GXSimulator软件,将编写的梯形图程序写入GXSimulator中。
③启动易控组态软件,并编译运行。
④控制上位机界面按钮,通过操作观察动画运行,并判断是否达到设计需求。
7.3整体的综合调试
通过全模拟的PLC仿真调试,实现检验该设计是否成功目的。
在调试过程中实现了对该设计项目要求的全部仿真。
首先,对于变压器冷却泵系统正常工作进行调试。
在上位机界面,点击“启动”按钮,并点击“A高压”、“B低压”按钮,上位机动画界面正确按照要求运行。
如图7-1:
图7-1变压器冷却泵正常工作图
其次,对于变压器冷却泵系统进行故障调试,在系统正常工作情况下点击上位机操作界面的“检流计1”按钮,备用冷却泵开始运行,故障指示灯A开始显示,报警器A闪动。
如图7-2:
图7-2故障仿真调试图
最后,对于该设计在上位机上进行了停止、复位调试。
通过操作“停止”、“复位”按钮,实现动画验证。
如图7-3:
图7-3停止、复位功能调试图
8结论
基于FX2N的变压器的冷却泵的自动切换控制系统在我们小组的共同努力下终于完成了,根据最初的设计思想,本次设计已经基本实现了要求的功能,实现了冷却泵的循环自动控制,并且能自动检测故障,能自动报警和自动启动备用机。
在这次的设计中我们列出了两种方案进行分析和比较,最终选择了课编程控制器作为控制系统,PLC系统相对于单片机系统来说有更多的优点,系统也更可靠。
我们设计的系统主要是能在人工不干扰的情况下能够自动的控制,这在工业运用中能够降低人力资源成本,也能提高生产效率,但是在我们的设计中也有很多小的问题,这次在设计中我们解决了一些小的问题,如硬件选什么型号才能得到最优的系统配置等等。
还有选型要根据实际需要来选择,不能达不到要求,也不能让资源过剩,本次的设计中也可能有不完整的地方,希望读者能进行斧正。
9总结和体会
经过两周的课程设计,让我学会了很多东西,课程设计是对我们学习的很好的一个考验,也是对我们动手能力,实践操作能力是一个很好的锻炼,通过这次的设计,我知道了理论知识和实践知识之间的联系和差别,实践必须要有理论的支持,如果没有理论,实践无从而来,然而只有理论,不能操作实践,那么所学的知识犹如纸上谈兵,无用武之地,所以我们要加强理论和实践的结合,争取能够在两方面都有提高,将我们的能力提升到更高的一个层次。
在这此的课程设计中,我有很大的收获,认认真真做一次课程设计,是将自己所有学过的知识运用了一次,它能够帮我们意思到作为设计人员应该具备严谨、耐心、科学的的素质和修养,作为设计人员要努力向新领域去开拓,去发展,去创新,将现有的系统设计的更合理,更实用,更经济,不断的改进系统,优化系统结构,结合专业前沿知识,做到大胆创新。
在遇到不能解决的问题时,我也有过浮躁和气馁,有时候觉得很麻烦,但是这不是一个设计人员应该具备的素质,所以在遇到不懂的问题时要积极向知道老师请教,积极的去图书馆查资料,上网搜索资料,经过这次课程设计的锻炼,看到了自己的不足,还需要长久的更深入的学习下去,知识是无限的,学习的动力也应该是无限的,在认识了自己的不足之后,我将应该更加的努力学习,深入专业领域。
10参考文献
[1]廖常初主编.FX系列PLC编程及应用.北京:
机械工业出版社,2005
[2]郑萍主编.现代电气控制技术.重庆:
重庆大学出版社,2001
[3]康华光主编.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2000
[4]周守昌主编.电路原理.北京:
高等教育出版社,2005
[5]张毅刚主编.单片机原理及应用.北京:
高等教育出版社,2007
[6]范思冲主编.机械基础.北京:
机械工业出版社,1999
[7]谭建荣等编.图学基础教程.北京:
高等教育出版社,1999
[8]谭浩强主编.C程序设计(第三版).北京:
清华大学出版社,2005
[9]夏路易,石宗义编著.电路原理图与电路板设计教程.北京:
北京希望电子出版社,2002
[10]王兆安,黄俊主编.电力电子技术.北京:
机械工业出版社,2003
12附录
元器件清单表如表12-1.
表12-1元器件清单
序号
代号
原件名称
型号
规格
数量
作用
1
SB1~3
按钮
LA19-11
3
PLC输入
2
SB4
按钮
LA19-11J
1
负载急停
3
SB5
按钮
LA19-11
1
负载启动
4
KM1~14
交流接触器
EB9-30-10
线圈电压220v、9A
控制电机PMAX=4KW
14
泵控制
5
FU1
熔断器
RL1
60A、熔体25A
3
电源保护
6
FU
熔断器
RL1
15A、熔体10A
3
泵保护
7
FR
过热继电器
T25DU4.0
调节范围2.8~4.0A
14
防止泵过载
8
QF1
自动空气开关
S253SC
20A/3P
1
电源总开关
9
QF2
自动空气开关
S25SC
6A/2P
1
PLC电源开关
10
QF3
自动空气开关
S25SC
6A/2P
1
备用电源开关
11
BT
隔离变压器
380V/220V
500VA
1
提供PLC电源
12
HA1~2
电铃
AC220V
2
报警
13
泵
ZL65-20
AC220V电机功率3kw
流量25方/时
自吸高度7.3米
14
L1、L2
灯
AC220V
故障报警
15
S5、S6
液位计
DF-EDQS13
2
液位检测
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