PLC纸板烘干机自动控制系统的设计.doc
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1、摘要.IAbstract.II1 绪论.11.1 选题目的及意义背景.11.2 国内外研究现状及发展.21.3 本论文主要内容及完成工作.32 纸板干燥机自动控制系统的整体设计方案.42.1 基于触摸屏的纸板干燥自动控制的设计.42.2 系统的控制要求分析.82.3 系统总体设计方案.83 纸板干燥系统硬件设计要求.93.1 检测系统传感器处理模块的选择.93.2 变频器的硬件设计.124 纸板干燥自动控制系统的软件设计.154.1 下位机控制系统软件设计.154.2 人机界面软件设计.215 总结与展望.255.1 总结.255.2 展望.26参考文献.27致谢.29附录.30附录 1 程序
2、截图.30I纸板烘干机自动系统的设计摘要论文介绍了用可编程控制器 PLC 实现的木板干燥自动控制系统的应用。采用三菱 PLC对木板干燥系统进行自动化控制,可以实现较高的自动化程度,实现温度自动检测,动作自动执行,系统故障智能预警及报警,故障自动排除,状态显示等多种功能。同时还采用了简单易懂的人机互动界面,方便快捷的操作设备,可以提高精确度。采用了自动及手动开关,使得系统的运行更加智能,提高系统的流畅度,减轻了人工的劳动强度,提高了系统的稳定性和可靠性。本论文设计制造的木材烘干机具有温度感应、湿度控制、温度控制、调速控制,烘干状态监测反馈,故障报警以及维修检查等功能,功能强大。湿度显示、转速 显
3、示、设备运行时间显示灯多种显示功能。必要时可以根据实施情况进行人工干预。关键词:关键词:PLC;木板烘干机;PID;触摸屏IIDesign of paperboard drying machine automatic systemAbstractThis Paper introduces with programmable controller PLC of wood drying automatic controlsystem of the application.Of the wood drying system by mitsubishi PLC automatic control,ca
4、nachieve a high degree of automation,to realize the automatic detection temperature,actionautomatically,system fault intelligent early warning and alarm,automatic fault exclusion,statusdisplay and other functions.Also used the simple man-machine interactive interface,convenientoperation equipment,ca
5、n improve the accuracy.Adopt the automatic and manual switch,theoperation of the system more intelligent,improve the fluency of the system,reduce the laborintensity of the artificial,improve the stability and reliability of the system.This paper design and manufacture of wood dryer temperature senso
6、r,humidity control,temperature control,speed control,drying condition monitoring feedback,fault alarm andmaintenance checks,and other functions,powerful.Humidity display,rotational speed,theequipment running time display lights a variety of functions.May,when necessary,according tothe implementation
7、 of human intervention.Keywords:PLC;wood drying machine;PID;touch screen11 绪论1.1 选题目的及意义背景选题意义:一方面,自从上世纪六十年代末七十年代初,American Digital EquipmentCorporation 研制了被大家认为是真正意义上的世界上的第一台可编程控制器:PDP-14,并在美国通用汽车公司的生产线上试产成功以来,PLC 就受到了工业的广泛关注,并获得了广泛的发展,在二十世纪七十年代计算机技术被引入 PLC,使得 PLC 的功能又有了一层更高的飞跃,运算速度更快,功能更加强大。为了适应现代
8、工业的需求,PLC 又被加入了人机界面单元,通信单元等多种特殊模块,使得 PLC 在工业上的应用更加广泛,成为工业自动化的主要控制器。PLC 具有很多优点,如:高可靠性,欧姆龙、西门子和三菱 PLC 有比国际电工委员会规定的十万小时数更多规范小时数,产品的平均无故障时间长。使用简单,方便的编程:功能块,SFC,梯形图语言易于使用的非常直观的多种编程语言。控制功能强,功能不仅局限于数量定时等算术运算,还能实现位置控制和 PID 控制,还有的其他过程控制和数字控制的功能,还能能够进行远程控制1。配置连接外部扩展非常容易,可以通过 PLC 网络模块将被控制的各种设备连接在一起,以达到有效字符的交换以
9、及信息资源的共享的目的。因此学习了解 PLC 的功能,学习 PLC 技术并能加以应用具有重要的意义。在另一方面,随着社会经济的发展,人类进入知识经济时代,各国对知识的重视程度越来越重,作为知识的主要载体书本的使用越来越广泛,而书本纸张的制造材料是地球上的不可再生资源-木材。木材作为一种不可再生资源受到了各国的保护,我国是木材进口大国,进口来的许多木材不能够立即被利用,为了防止木材腐烂不能使用,制造成纸板并进行烘干保存成为一种重要的保存方式。于是木材烘干机应运而生。因此设计制造一种功能强大,操作方便,价格合理的干燥机具有十分重要的现实意义。结合上述两个方面,将 PLC 技术跟纸板烘干机进行结合,
10、设计制造一种由PLC 控制的智能化纸板烘干机具有很高的价值及意义。2选题目的:(1)学习和掌握基于日本三菱 FX 系列 PLC 的使用,FX 系列 PLC 特殊功能的使用(2)学习各相关专业课的基本理论知识,培养个人的创新意识和创新能力,自主学习和自我发展的能力;(3)培养和提高利用所学知识,认识、分析、研究、解决实际问题的能力;(4)培养各方面的能力,其中检索与阅读文献资料的能力特别是外文文献资料的能力也包含在内;拟定开题报告总体规划的能力;对拟定的方案进行合理的讨论、辨别以及择优的能力;组织实施具体方案的能力;总体规划与优化方案的能力。与此同时解决目前市面干燥烘干机器的弱点,增强设备的自动
11、化程度,拓展设备的功能,满足市场需求也是本论文的重要目的之一。1.2 国内外研究现状及发展PLC 自动控制是一种基于语言规则、推理的高级控制技术,在智能控制领域应用广泛。当今,工业、农业、国防、医学等诸多行业在 PLC 自动控制技术已得到广泛发展。用 PLC 实现对含有高水分的木材的烘干,主要的问题存在在烘干的过程中。目前市面的烘干设备普遍采用热风烘干系统。由于系统误差,设备精确度等问题,将含水量不同的纸板放在一起进行烘干的时候,在这个过程中,一方面可能会使烘干后的纸板所含水分低于规定值,纸板过于干燥,不利于使用,从而使经济蒙受损失2;另一方面,又可能使烘干后的纸板所含水分不均匀,局部或整体略
12、高出规定值,这样烘干后的纸板如果不能立即使用而是进行存储的话,在存储的的过程中依然会产生霉变,造成纸板的浪费,从而造成经济效益的下降。纸板烘干的基本要求是保证达到理想的烘干要求的前提下,用最经济的的资金投入和时间投入来实现目标要求。纸板的烘干过程是典型的多变量、大滞后、非线性参数关联耦合的非稳态传热传质过程,纸板本身受到外界环境及微生物的影响又会发生一系列的物理以及 化学变化。为了实现预期目标,在烘干过程中必须不断的根据实时情况对参数进行调整,对烘干机工作过程进行有效控制。用PLC 控制的自动控制是实现纸板烘干机高效率、高精确度、低耗能、安全环保作3业的有效手段。实现纸板烘干过程的自动控制,对
13、保证烘干纸板的各个部分水分均匀一致、烘干后纸板的品质、减轻设备操作人员劳动强度及充分发挥烘干机自身的生产能力等具有重要意义3-5。1.3 本论文主要内容及完成工作本论文主要内容是针对上述烘干机设备存在的一些问题加以优化。研究、分析烘干机控制系统的工艺流程和控制要求;进行纸板烘干机自动控制系统的总体设计和硬件选型;进行纸板烘干机自动控制系统的程序设计和人机界面的设计。实现多种运行方式的控制;实现 PLC 与上位机通过串行口的进行通信,详细分析上位机与 PLC 的通信协议,并确定通讯方案,进行上位机人机界面的设计。42 纸板干燥机自动控制系统的整体设计方案2.1 基于触摸屏的纸板干燥自动控制的设计
14、在纸板干燥的控制系统中,PLC 是整个系统最核心的部件,各个设备之间都有相应的数据传输通道,这些通道有 RS-422 通道、RS-232 通道、或 RS-485 通道,他们之间的管理、显示、编程以及参数的修改都是有计算机进行统一操控的。又由于 RS-232 通道、RS-422 通道及 RS-485 通道这三个通道各有特点,一般的设备又不可能全被配备所有接口,计算机、PLC、变频器设备的通信都不一样分别是 RS-232 接口,RS-422 接口、RS-485 接口。因此为了实现正常的通信保证设备的正常工作,只有配备必须的硬件例如转换器或者是通信模块,才能进行连接,设备正常工作6-9。上述已经提到
15、目前市面上计算机大部分都是RS-232 通信口,而三菱FX型PLC 的通信口目前是RS-422,所以必须采用带有RS-232/422转换的SC-09的专用通信电缆才能实现计算机与三菱FX型PLC设别之间的通信【10-12】。如图2-1所示。图2-1 上位机与PLC通讯5FX2N-232-BD通信板特点:(1)可以与各种RS-232C接口设备进行通信,诸如个人电脑、条形码阅读器或者打印机(无通信协议)。(2)可以使用专用协议(微机联机)与RS-232接口设备进行通信。(3)可以连接一个外部编程工具或者图形操作终端(GOP)。其性能见表2-1所示:表2-1 FX2N-232-BD通信板性能FX2N
16、-232-BD 通信板实物如图2-2所示。项目FX1n-232-BDFX2n-232-BDFX3U-232-BD传输规格符合RS-232C规格最大传输距离15m(不隔离)外部设备连接方法D-SUB9针显示LEDRXD/TXDRD、SD通信方式半双工双向全双工双向(安装在FX2N V2.00以下时为半双工双向)全双工双向传输速度无协议、专用协议300/600/1200/34800/57600/115200bit/s编程通信9600/19200bit/s9600/19200/34800/57600/115200bit/s通信协议无协议、专用协议格式1/格式4/编程通信电源。输出输入占用点数DC5V
17、 20MA(由可编程控制其供电)、不占用输入输出点数6图2-2FX2N-232-BD 通信板三菱 FX2N 系列 PLC 都可以通过 CPU 单元上的编程通信端口 RS-422COM 与 GOT 触摸屏连接,也可以通过通信接口板232BD 或者485BD 来连接,本设计采用 RS-422 进行连接。FX2n-422-BD 实物如图2-3所示。图2-3 FX2n-422-BD RS-422FX2n-422-BD可以为一台FX系列PLC提供额外的RS-422通信接口,可以作为一种编程工具(诸如GTO系列、编程工具FX-10P/FX-20P或者个人电脑)的连接7端口。性能见表2-2:表2-2 FX2
18、n-422-BD性能三菱FX2nPLC 与触摸屏接口件线图2-4所示【13】:图 2-4 三菱 FX 2N PLC 与触摸屏接口基于上述通信方式,本设计采用三菱FX2N-48MRPLC,GOT90 系列触摸屏,项目FX1n-422-BDFX2n-422-BDFX3u-422-BD传输规格符合RS-422规格最大传输距离(不隔离)50m(不隔离)外部设备连接方法MINI DIN 8针 母头通信方式半双工双向电源,输入/输出占用点数DC5V 60mA(由PLC供电)不占用输入输出DC5V 20mA(由PLC供电)不占用输入输出8二者采用RS-422 通信14。2.2 系统的控制要求分析纸板烘干机控
19、制系统的功能要求:纸机湿度及温度控制及动态显示:由于烘干纸板需要实现达到预定的规定值,又不能过度的干燥,保证干燥后的纸板有一定的水分存在,所以要进行实时监控纸板水分度,同理,为了防止干燥温度过高出现意外情况,也要进行实时的温度监控。不同位置烘干机温度的灵活控制:不同的纸板有不同的特性,即使是相同的纸板在不同的位置受水分的蒸发力度,空气流通程度等都会影响烘干程度,为了实现精确地烘干,要实时的调控不同烘干部位的烘干输出值,以实现精确地操控。采用触摸屏实现人机互动:为了直观形象的了解烘干程度以及进行简单实用的认为操控,加入触摸屏控制系统,可以直观的了解进度并方便的进行人工操作。2.3 系统总体设计方
20、案本课题所设计的纸机多段速度控制系统拟采用三级控制结构,如图2-5所示。本论文设计是由上位机、触摸屏、PLC和变频电机组成的一套自动控制系统15-16。9图 2-5 干燥机传动控制系统结构纸板烘干机系统第1 级由上位机通过PLC 改变温湿度监控的设置,实现对纸板干燥的湿度、温度要求的参数设置。第2 级为PLC 控制器。纸板干燥控制系统的温度控制、湿度控制、不同烘干电机工作参数和软启动控制等,都通过PLC的指令控制完成动作。在系统运行时,上位机对PLC控制器下达操作指令,PLC控制器通过给定程序对操作指令进行逻辑运算之后,将结果传达给温湿度监控操作系统。第3 级为上位机和触摸屏。设计触摸屏的操作
21、界面,并最终实现对纸板烘干机的各项操作能直接通过触摸屏的简单界面来设定和执行的要求,并能直观地从触摸屏上显示纸板烘干机运行的状态和温湿度的监控数据。同时,通过上位机也可以对系统的具体运行情况进行人工实时监控,达到人工与自动化结合的目的,以保证系统指令操作的正常运行。本系统的输入信号有总启动开关、总停止开关、各电机停止开关、温湿度传感器等,输出信号控制的对象有电加热风机、状态显示、温湿度显示等3 纸板干燥系统硬件设计要求3.1 检测系统传感器处理模块的选择本设计要实现温度及湿度的双控监控,因此需要使用温度传感器模块以及湿度传感器模块。我们常见的控制方法是用温湿度传感器将探测到的温度转变成电压或电
22、流信号,经变送器转换和放大为工业标准信号,然后再将这些信号传送到模拟量输入模块上,经过模块内的A/D处理得到数字量数据,在把这些数据传入PLC 内进行运算和处理后通过PLC 输出口相应设备,这种方式连接较为繁琐,需要用到温度变送器,将提高系统的价格和降低系统的稳定性,如果采用模拟量模块与变送器一体机进行控制将非常方便。本系统为了改进这些不足,在综合考虑的基础上考虑了两种方案以供选择。一是FX2N-4AD-PT模拟量模块来实现温度控制。10转换速度。第二种方案是采用FX0N-3A模块加湿度传感器进行温湿度监控。FX0N-3A是三菱PLC模拟量输入输出模块,具有两个输入通道和一个输出通道。模拟信号
23、送入输入通道后,经过处理变为数字值。输出通道采用数字值并输出等量模拟信号。可以进行2通道的电压输入(DC0 10V、DC0 5V),或者电流输入(DC4 20mA)。(2通道特性相同)。1个通道的模拟量输出可以是电压输出(DCO 10V)或者电流输出(DC4 20mA)【17-18】。三菱FX0N-3A特殊功能模块性能见表3-1,缓冲器存储分配见表3-2表 3-1FX0N-3A 特殊功能模块性能A/D电压输入电流输入模拟量输入范围DC0-10V,DCO 5V(输入电阻200k Q)绝对最大输入:-0.5V,+15VDC4 20mA(输入电阻250Q绝对最大输入:-2mA,+60mA输入特性不可
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