PLC控制系统课程设计(DOC)

东北石油大学课程设计

2013年11月22日

东北石油大学课程设计任务书

课程：PLC控制系统课程设计

题目：锅炉车间输煤机组控制

专业：自动化姓名：XXX 学号：100601140128

主要内容、基本要求、主要参考资料等

主要内容：

1、进行电气控制系统硬件电路设计。

2、编制输煤机组PLC控制程序。

3、编写设计说明书。

基本要求：

1、熟悉PLC控制系统的基本构成和工作原理。

2、设计基于PLC的输煤机组电气控制系统电路图。

3、掌握电器元器件的选择和有关计算。

4、掌握PLC控制程序（梯形图和指令表）。

参考资料：

[1] 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社.2005.1～127.

[2] 罗宇航.流行PLC实用程序及设计(西门子S7-200系列)[M].西安:西安电子科技大学出版社.2006.246～252.

[3] 钱锐.PLC应用技术[M].北京:科学出版社.2006.112～113.

完成期限2013.11.18~2013.11.22

指导教师

专业负责人

2013年10月25日

目录

第1章控制工艺流程分析 (1)

1.1 PLC控制系统设计的基本原则 (1)

1.2 控制过程描述 (1)

1.3 控制工艺分析 (2)

第2章控制系统总体方案设计 (4)

2.1 锅炉车间输煤机组控制系统总体方案设计 (4)

2.2 系统硬件组成 (4)

2.3 I/O分配 (7)

2.4 系统接线图设计 (9)

第3章控制系统梯形图程序设计 (10)

3.1 控制程序流程图设计 (10)

3.2 控制程序设计思路 (11)

第4章监控系统设计 (13)

4.1 PLC与上位监控软件通讯 (13)

第5章系统调试及结果分析 (14)

5.1 系统调试 (14)

5.2 结果分析 (14)

课程设计心得 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

第1章控制工艺流程分析

1.1 PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1. 最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2. 保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3. 力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4. 适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

1.2 控制过程描述

输煤机组控制系统示意图如图1-1所示，输煤机组控制信号说明见表1-1。

图1-1 输煤机组控制系统示意图

表1-1 输煤机组控制信号说明

输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA 组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。HL1～HL6为Ml～M6电动机运行指示，HL7为手动运行指示，HL8为紧急停车指示，HL9为系统运行正常指示，HL10为系统故障指示。

1.3 控制工艺分析

(1) 手动开车/停车功能SA1手柄指向左45o时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。

(2) 自动开车/停车功能SA1手柄指向右45o时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。

1) 正常开车按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后，回收电动机M6起动运行并点亮HL6指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机起动运行并点亮HL5指示灯；10s后，提升电动机M4起动运行并点亮HL4指示灯；10s后，破

碎电动机M3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机M2起动运行并点亮HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并点亮HL1指示灯；10s后，点亮HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。

2) 正常停车按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停车并熄灭HL1指示灯，同时，熄灭HL9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机M2停车并熄灭HL2指示灯；10s后，破碎电动机M3停车并熄灭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并熄灭HL4指示灯；10s后，2#送煤电动机M5电动机停车并熄灭HL5指示灯；10s后，回收电动机M6停车并熄灭HL6指示灯；输煤机组全部正常停车。

3) 过载保护输煤机组有三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。系统故障指示灯HL10点亮，HA电铃断续报警20s，HL10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。

4) 紧急停车输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。

5) 系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA 按照程序全部正常起动运行后，HL9指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯HL10点亮，输煤机组停车。

(3) 相关参数

1) M1～M6及磁选料器YA功率如图2-1中所示。

2) 指示灯HL：0.25W，DC24V。

3) 电铃HA：8W，AC220V

第2章控制系统总体方案设计

2.1 锅炉车间输煤机组控制系统总体方案设计

为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：

（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；

（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；

（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；

（4）可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；

（5）可显示各机电设备运行状况，在集中控制室即可控制系统设备启停。

2.2 系统硬件组成

按照设计要求，给料器M1、1#送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、2#送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。磁选料器YA由两相电源提供。负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。由于破碎机M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7.5KW大，所以采用星—三角降压启动。其余负载均采用直接启动方式。

图2-1 主电路图

1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。

2) 热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。

3) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护.

2.2.1 电器元件的选择

该控制系统由于控制输入点数较多，有2个输入开关分别控制手动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9分为6个电动机控制按钮。输出点数也较多，有6个输出接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，10个输出指示灯其中HL7手动运行指示灯、HL8为紧急停车指示灯、HL9为系统正常运行指示灯、HL10为统故障指示灯、HL1-6为输煤机组单机运行指示灯和1个输出HA电铃。继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，系统可靠性差；所以如果采用继

电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。而且按照本

课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，而PLC恰能满足此控制要求。所以，用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。

因此，本设计应采用PLC进行控制。

（1）输入/输出接口（I/O）数量；输入端口14个，输出端口10个，SIMATICS7-200系列PLC硬件配置灵活，既可以用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O 模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。西门子S7-200 CUP224/AC/DC/RL Y有输入端口14个，输出端口10个，符合要求;所以采用西门子S7-200CUP224/AC/DC/RL Y完成PLC硬件结构配置。

（2）因为负载有直流供电有交流供电，所以采用输出形式为继电器。

（3）对于CPU224模块，本机输入地址为I0.0-I0.7和I1.1-I1.5,输出地址为Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.1。因为基本单元自带的I/O接口不能满足控制系统要求，因此需要数字量I/O扩展单元。，与基本的单元相连，并使基本单元的寻址功能对模块上的I/O接口进行控制。S7-200系列PLC目前可以提供的有3种类型的数字量输入/输出模块，即EM221，EM222，EM223，查阅数字量输入/输出模块各类型型号特点，首先采用一个EM222的8继电器输出；扩展模块EM222的I/O 地址范围是Q2.0-Q2.7,不能满足控制要求，又因为CPU224能够扩展7个模块，因为控制要求输出有21个，另需一个EM223的DI4/DO4*DC 24V/继电器；扩展模块EM223的I/O地址范围是Q3.0-Q3.3;满足系统控制要求。本机与扩展连接形式，见图2-2模块连接图。

图2-2 模块连接图

2.2.2 PLC选型

OMRON公司是世界著名的几大PLC生产与开发的厂家之一，其大、中、

小、微型机各有特色所长，在中国市场的占有率居前列。特别是它的小型P型机、中型机C200H，在用户中享有很高声誉。国内很多以P型机或C200H为背景机的教材。近年来，OMRON公司推出了P型机的后续机型CPM1A。本设计正是选用OMRON公司CPM1A型PLC。

CPM1A系列PLC是OMRON公司生产的小型整体式PLC，其在一小单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟大亨功能。CPM1A CPU单元能处理广泛围的机械控制应用，所以是设备内装控制单元的理想产品。另外，完整的通信功能保证了与个人计算机和OMRON 可编程终端的通信。这些通信功能使用户能设计一个经济的分布式生产控制系统。而基于CPM1A和个人计算机的PC/PLC机电控制系统也具有一定的通用性。

所以本文考虑设备数量及应用场合，选择CPM1A。因为它具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。选其型号为CPM1A-30CDR-A。I/O点为30点；电源类型为AC型，范围100V~240V；输出方式为继电器输出型。性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；18点输入，12点输出；可扩展3个模块；对于大型控制工程，18点输入不能满足点数要求时，可以通过I/O扩展模块进行行输入点数的扩展。CPM1A最多可扩展到54个输入点。

2.3 I/O分配

I/O信号在PLC接线图端子的地址分配是进行PC控制系统设计的基础。对软件设计来说，分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据接线图和安装图安装控制柜。

由上硬件系统的选择可知控制系统由一个CPU224及两个扩展模块EM222,EM223,各模块各分配地址如下:

CPU224基本单元的I/O地址如下：

I0.0 I0.1、IO.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1 第一个扩展模块EM222的I/O地址：

Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3、Q2.4、Q2.5、Q2.6、Q2.7

第二个扩展模块EM223的I/O地址：

Q3.0、Q3.1、Q3.2

PLC输入输出接口地址分配表见表2-2。

表2-1 PLC输入输出接口地址分配表输入接口地址：

输出接口地址：

2.4 系统接线图设计

根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图2-3。

图2-3 I/O接线图

第3章控制系统梯形图程序设计

3.1 控制程序流程图设计

根据控制要求，建立输煤机组控制系统流程图，如图3-1所示，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。在明确PLC寄存器空间分配，确定专用寄存器的基础上，进行控制系统的程序设计，包括主程序编制、各功能子程序编制、其他辅助程序的编制等。

图3-1 车间运煤机组系统控制流程图

3.2 控制程序设计思路

输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。所以，我们应该主要采用定时器指令和顺序控制指令对本控制系统进行程序设计。主梯形图如下，其余梯形图如附录。

图3-2 车间运煤机组系统PLC控制梯形图程序

第4章监控系统设计

4.1 PLC与上位监控软件通讯

本次课程设计设计欧姆龙PLC与力控组态软件的通讯，目前欧姆龙的小型PLC组要是CPM1A和CPM2A系列：PLC与组态软件通过串口RS232通信，那么就要了解PLC的通信协议是什么方式的。

第一步：通过PLC的编程软件来了通信协议，在欧姆龙PLC的“PLC设定”对话框中“外端框口”标签中设置“通信协议”为标准，模式是“Host Link”，单元号为“0”，在网络设置对话框的“驱动器”标签中，设置“端口名称”为“COM3”,“波特率”为“9600”，“数据位”为“7”，“校验”为“偶校验”，“停止位”为“2”，在“设备类型设置”的“通用”标签中，设置“CPU类型”为“CPU40”在“变更PLC”对话框中，“设备类型”为“CPM1(CPM1A)”,“网络类型”为“SYSMAC WAY”。

第二步：与力控的通讯：在上位机力控组态软件的“设备配置-第一步”的对话框中，设置“设备地址”为“0”，“通讯方式”为“串口（RS232/422/485）”，在“设备配置-第二步”的对话框中，设置“串口”为“COM8”，点击“设置”按钮设置通信参数“波特率”为“9600”，“数据位”为“7”，“校验”为“偶校验”，“停止位”为“2”。

第5章系统调试及结果分析

5.1 系统调试

硬件调试：接通电源，检查可编程序控制器能否正常工作，接头是否接触良好。

软件调试：按要求输入梯形图，检查后编译通过，在线工作后把程序写入可编程序控控制器的程序存储器区。

运行调试：首先我们进行手动部分的调试，按下X1，下面就可以进行手动控制了。接着按下X3则Y0和Y6灯亮。同样，按下其它手动开关相应的灯会亮。再次按下手动开关即按下停止按钮，相应的灯就熄灭。

下一步我们进行了自动部分的调试。按下X2，选择到程序的自动部分，接着按下X11，自动部分开始运行，5秒后，第一个灯亮，10秒后第二个灯亮，直到最后一个灯亮。当灯全部亮时，正常运行指示灯Y17亮；如果又一个或几个灯不亮，那么系统故障指示灯就会亮。按下手动停止按钮X12，5秒后，第一个灯熄灭，10秒后第二个灯熄灭，按此直到最后一个灯熄灭。

接着我们将手动和自动部分联合起来调试。

5.2 结果分析

因为电动机的运动时是相似的，所以我们选择6台电动机。调试结果和分开调试一样。实验证明：该系统程序设计较全面地演示输煤机组控制系统的使用功能。

课程设计心得

通过本次设计，我学到了不少东西，首先把机电传动第六章和第七章的内容重新复习了下，这对以后的考试是很有帮助的。其次也学到了不少新东西，学会了如何用编程软件来编写梯形图，刚学PLC时，感觉很陌生，现在感觉梯形图和指令表不是那么难了。在用CAD画主电路和接线图时，又把CAD仔细复习了下，总之这次设计不仅学到了新东西，也复习了以前的很多旧知识，很有意义。在设计过程中通过同一控制对象两种控制方式的对比，再一次直观地证明了PLC 控制的优越性先进性，在实践中探索答案，具有极强地说服力。

燃煤输送是锅炉运行的一个重要环节，如何保证设备运行的可靠性、减少操作人员与维护人员劳动强度、提高经济效益，成为一个值得研究的课题. 可编程控制器（PLC）是近年来发展极为迅速，应用面极广，以微处理器为核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性高、性能价格比高等优点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。

这次课程设计使我加深巩固了基础知识，更加深刻的把握到基础知识的重要，了解了本专业的具体应用范围和未来工作中应用方法措施。提高了动手和实际解决问题的能力，提高了对问题整体规划的意识。能把握重点设计的核心，并提高查阅资料的能力，培养了团队合作精神和人际交往能力，在学习知识的同时也培养了同学间的感情，在即将毕业的时刻，这是很有意义的一次课程设计通过本次毕业设计的锻炼，使我更加自信，更加积极，这会对我更快的融入到将来的社会，出色地完成工作任务有不可估量的积极作用。经过两个星期的努力，终于有了一个较成型的设计展现在了我面前，加深了对PLC控制系统的进一步了解，更加清楚地认识到其在现代化工业中所起的巨大作用。

参考文献

[1] 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社.2005.1～127.

[2] 罗宇航.流行PLC实用程序及设计(西门子S7-200系列)[M].西安:西安电子科技大学出版社.2006.246～252.

[3] 钱锐.PLC应用技术[M].北京:科学出版社.2006.112～113.

[4] 黄继昌等.传感器工作原理及应用实例[M].北京:人民邮电出版社.1998.

[5] 孙余凯等.传感器应用电路300例[M].北京:电子工业出版社.2008.

[6] 何希才等.实用传感器接口电路实例[M].北京:中国电力出版社.2007.

附录梯形图如下：