移动式卫生间PLC控制系统

湖南工程学院课程设计课程名称电气技术课题名称移动式卫生间PLC控制系统专业班级自动化0881班姓名温军泉学号200813110101指导教师赖指南、刘星平2011年9月9日湖南工程学院课程设计任务书课程名称电气技术课题名称移动式卫生间PLC控制系统专业班级自动化0881班姓名温军泉学号200813110101指导教师赖指南、刘星平审批李晓秀、黄峰、胡慧任务书下达日期2011年8月29日课程设计完成日期2011年9月9日设计内容与要求一.课程设计的性质与目的本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。二.课程设计的内容1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。2.绘制全自动洗衣机控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。3.选择电器元件，列出电器元件明细表。4.上机调试程序。5.编写设计说明书。三.课程设计的要求1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，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语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。主要设计条件1.PLC实验设备若干。2.参考文献若干。设计说明书装订顺序1.课程设计说明书封面。2.课程设计任务书。3.说明书目录。4.正文（按设计内容逐项书写）。5.参考文献。6.附录。7.课程设计评分表。计进度安排1.第一周星期一上午：课题内容介绍。2.第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。3.第一周星期二～第一周星期五：确定控制方案。绘制洗衣机电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。4.第二周星期一：试验调试5.第二周星期二～第二周星期五：编写设计说明书,答辩。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[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社[3]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：重庆大学出版社[4]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册[M].北京：水利电力出版社[5]谢桂林.电力拖动与控制[M].北京：中国矿业大学出版社[6]刘星平.电气控制技术实验指导书.湖南工程学院前言1.PLC课程设计的目的本课程设计是PLC课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。2.PLC课程设计说明书的主要组成部分1、设计课题2、设计内容3.步骤:(1)根据要求拟定设计任务；(2)系统总体方案的确定；(3)PLC选择及I/O及其它PLC元器件分配；(4)程序框图和梯形图设计；(5)总体检查、修改、补充及完善；目录第1章概述1.1控制对象的用途、组成工作原理本课题是以移动卫生间作为被控对象,设计一套应用于移动卫生间的采用PLC控制的系统,要求移动卫生间能实现便盆湿润、大便冲洗、小便冲洗、冲洗用水存储箱自动补水、污物箱液位显示、箱满报警、清水箱液位显示、缺水报警、清水存储箱加水、洗漱用水收集、排空，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。。PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。第2章控制系统的总体设计方案2.1单片机控制方案移动卫生间控制器由单片机作为控制器的核心所构成，该控制器具有以下特点：（1）具有较强的抗干扰能力，当受到外部强干扰，程序出错时，可以自动使系统复位重新执行程序。（2）采用无噪声、无电磁干扰的双向晶闸管作为控制元件，控制电磁阀和电机。（3）具有欠压和过压保护，欠压时，控制器不工作；超压时，保护电路起作用。（4）具有瞬间掉电保护功能，电源短时间停电后，电压恢复时，能够维持原运行程序的工作状态并继续完成洗衣程序。（5）各种操作和移动卫生间的运行状态均用LED显示。2.2PLC控制方案采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。（1）可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4小结本课题主要着重于移动卫生间的控制，要求移动卫生间能实现便盆湿润、大便冲洗、小便冲洗、冲洗用水存储箱自动补水、污物箱液位显示、箱满报警、清水箱液位显示、缺水报警、清水存储箱加水、洗漱用水收集、排空，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。本次设计基于PLC的移动卫生间控制，采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可靠性高，可以直接用于现场控制。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。第3章控制系统的硬件设计3.1控制器接线图接地ML+1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7Q0.0Q0.1Q0.22LQ0.3Q0.4Q0.5Y1Y2Y3202N203L水箱10%排空按钮感应开关冲洗按钮水箱40%污物箱90%NL正常指示加水指示停用指示PLC:24V+SIEMENSPLCCPU2221L040041042043044045020021022023024PLC:24V+025YW1AN1SQ1AN2YV2YW3图3-1控制器接线图3.2电器元件的选择将计算根据对工艺动作的分析，确定控制系统所需要的输入输出点数为6/9点。选用西门子S7-200系列的CPU-224CN,输入输出点数的分配如表3-3所示，PLC的外部接线原理图如图3-1所示。真空粉碎泵及信号报警指示的电源由24V开关电源PS提供，真空粉碎泵的交流电源由固态继电器控制。表3-3PLC的I/O口分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出电信号10%液位K4I0.0水箱10%L1Q0.0排空按钮SB1I0.1冲洗指示灯L2Q0.1感应开关K1I0.2固态继电器SSR3Q0.2冲洗按钮SB2I0.3污物箱95%L3Q0.3灰水箱液位K3I0.4进水电磁阀V1Q0.4污水箱95%K2I0.5补水电磁阀V2Q0.5排污电磁阀V4Q0.7增压电磁阀V5Q1.0排空电磁阀V6Q1.13.4系统组成及其功能系统主要由坐便器、清水箱、污物箱、真空粉碎泵、灰水(洗漱用水等)箱收集系统、电控系统组成，如图8-11。其中冲洗系统采用气动辅助帮助冲洗。冲洗的控制、故障报警及显示控制均由可编程控制器来实现。真空泵能产生真空吸入污物，用高速旋转的刀片粉碎污物，采用压力将污物送入污物箱。污物箱和清水箱装有液位开关传感器。系统能实现预冲、小便冲洗、大便冲洗、冲洗用水存储箱自动补水、污物箱液位显示、箱满报警、清水箱液位显示、缺水报警、洗漱用水收集、排空等功能。列车用集污系统用于对铁路旅客列车厕所污物的收集，应用密闭式方法，采用真空集便技术，即厕所下水道不是直接通向线路，而是进入车厢底部悬挂的污物回收箱，到达指定车站后，再通过专用设备进行卸污处理。这就保证了机车在整个运行过程中污物不会暴露在空气中，避免沿路外排对铁路沿线的污染。符合节能及环保的要求。清水箱污物箱冲洗水缓存箱洗漱盆水增压器座便器真空粉碎泵M污物吸送器进气口进水口排污管V6排空污物箱95%K210%液位K440%液位K5图8-11系统组成原理示意图光电传感器K1V1V2V5V4K3第四章控制系统的软件设计4.1程序结构主要的控制过程分为两大部分，进行排空操作时绝对不允许进行补水和冲洗操作。在冲洗操作进行时，也不允许进行排空操作。这可以通过软件程序来实现互锁。4.2主程序流程框图冲洗操作为该控制系统的主操作部分。冲洗操作包括大小便冲洗操作、水箱水位故障报警的保护和显示。污箱水位达95%时，系统允许再使用3次冲洗操作。因此冲洗操作的程序控制最为复杂。限于篇幅，这里只给出了总体程序结构图，见图8-13。冲洗主程序流程框图如图8-14。在本系统中，因为电磁阀和固态继电器的驱动功率较少，所以在输出回路中不用加保护元件。指示灯的耗电量更少，所以也不需加保护元件。M10.0M10.0JMP水箱、管道的排空程序排空操作LBL1M10.0JMP补水程序、感应湿盆、大小便冲洗程序LBL2图8-13总体程序结构图程序开始冲洗准备大便冲洗进水真空粉碎泵启动排污阀打开再一次进水再一次粉碎排污阀打开增压阀排空小便冲洗进水增压阀排空真空粉碎泵启动、排污阀打开增压阀排空图8-14冲洗主程序流程框图4.3PLC及模块选择根据对控制系统及其要求的分析，可以选择基本的PLC控制单元CPU222，一个模拟量输入输出模块EM235。程序控制所需要的变量如表8-5所示。4.4程序设计控制程序分为主程序与中断程序，在主程序中主要完成中断调用及数据的四则运算、控制模拟量输出通道的输出值，在中断程序中主要实现模拟量输入信号的转换。在此例中，如果选择的是热电偶、热电阻测量模块，则热电偶、热电阻测量得到的数字量除以10便是实际的温度数值。计算过程将更为简单。表8-5水箱温度位式控制变量表输入通道输出通道设定值手动设定值测量值AIW0AQW0VD304温度设定值VD308（回差）dFVD300水箱温度测量值VD356(SP+dF)设定值加回差VD352(SP-dF)设定值减回差第五章控制系统的调试5.1移动卫生间调试过程5.1.1便盆湿润感应开关触发→电磁阀V1打开1秒→电磁阀V1关闭→水增压器自动加水。5.1.2大便冲洗按下冲洗按钮SB2大于5s→进水电磁阀V1打开2秒→排污增压电磁阀V5打开、同时真空粉碎泵M启停3次→排污电磁阀V4启动、真空粉碎泵M启动一定时间→排污增压电磁阀V5打开、进水电磁阀V1打开约2秒→排污增压电磁阀V5打开、同时真空粉碎泵2启