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課程名稱：PLC課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：加熱反應(yīng)爐PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院 系： 專 業(yè)： 年 級(jí)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 專 業(yè) 姓 名 學(xué) 號(hào) 開題日期： 年 3 月 23 日 完成日期： 年 6 月 28 日 題 目 加熱反應(yīng)爐PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)的目的 加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。采用 PLC來(lái)對(duì)反應(yīng)爐進(jìn)行全自動(dòng)控制，提高生產(chǎn)效率，并且降低勞動(dòng)力成本。 二、設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 對(duì)反應(yīng)爐的控制主要分為3個(gè)階段。第一階段，送料控制，檢測(cè)下液面、爐內(nèi)溫度和爐內(nèi)壓力是否小于給定值，若是則開啟排氣閥和進(jìn)料閥。當(dāng)液位上升到上液位設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉排氣閥和進(jìn)料閥。延時(shí)20S，開啟氮?dú)忾y,氮?dú)膺M(jìn)入反應(yīng)爐，爐內(nèi)壓力上升。當(dāng)壓力上升到給定值時(shí)，關(guān)閉氮?dú)忾y。第二階段，加熱反應(yīng)控制，接通反應(yīng)爐電源,開始對(duì)反應(yīng)爐加溫。當(dāng)溫度上升到給定值時(shí)，切斷加熱電源。延時(shí)10min，加熱過(guò)程結(jié)束。第三階段，泄放控制，打開排氣閥使?fàn)t內(nèi)壓力降到給定值以下，打開泄放閥，當(dāng)爐內(nèi)溶液下降到下液面以下，關(guān)閉泄放閥和排氣閥。系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)準(zhǔn)備進(jìn)入下一循環(huán)。 三、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 四、成 績(jī) 指導(dǎo)教師 (簽章) 年 月 日 摘 要 從上世紀(jì)80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制,然而單片機(jī)控制的DDC 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(zhǎng)處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。加熱爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)是利用西門子S7-300PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7-300PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。 關(guān)鍵詞：西門子S7-300 PLC 溫度控制系統(tǒng) 第1章 引言 1.1研究的目的和意義 加熱反應(yīng)爐是工業(yè)生產(chǎn)中常用的重要設(shè)備，過(guò)去僅依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，往往存在送料、溫度、壓力等條件變化時(shí)不能實(shí)施有效控制的問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)次品，造成原料浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失?？删幊绦蚩刂破鱌LC以其可靠性高、功能強(qiáng)、控制靈活等特點(diǎn)，已成為目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的首選控制裝置。它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯順序控制，還能完成少量模擬量的過(guò)程控制，且編程簡(jiǎn)單，使用方便。使用自動(dòng)控制系統(tǒng)能有效的提高生產(chǎn)的安全性，大大降低了事故的發(fā)生率，并能提高生產(chǎn)效率，使原材料的使用率達(dá)到最大。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)際上對(duì)加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，我國(guó)從80年代才開始對(duì)這方面進(jìn)行研究。我國(guó)現(xiàn)有工業(yè)鍋爐中，很多設(shè)備自動(dòng)化程度不高，熱效率在40％左右，隨著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式向依靠技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)變，對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求越來(lái)越迫切，改變鍋爐運(yùn)行中傳統(tǒng)手動(dòng)、半自動(dòng)操作方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和管理，提高熱效率，保障安全運(yùn)行已經(jīng)勢(shì)在必行。在鋼鐵領(lǐng)域，以前人們對(duì)加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過(guò)程的數(shù)學(xué)模型、爐溫優(yōu)化設(shè)定以及燃燒控制，近年來(lái)智能控制技術(shù)正逐步被應(yīng)用到加熱爐爐溫控制中。我國(guó)的加熱爐相當(dāng)一部分還處于基地式儀表控制，表盤顯示的水平，軟件操作不宜為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進(jìn)行加熱爐監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。加熱爐的工作目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)采取最經(jīng)濟(jì)的方式把顱內(nèi)的鋼坯加熱到所要求的狀態(tài)?？删幊绦蚩刂破鞯陌l(fā)展加速了熱處理自動(dòng)化，并有與其它工序組成自動(dòng)熱處理線的趨勢(shì)[1]。 第2章 控制系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介 2.1 PLC的定義 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義： PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語(yǔ)言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說(shuō)有半導(dǎo)體的地方就有PLC。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 2.2 PLC的特點(diǎn) 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 2.配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 5.體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備[2]。 2.3 PLC的組成 PLC種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和基本原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按控制功能要求，通過(guò)程序按一定算法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示[3]。 圖2.1 PLC結(jié)構(gòu)框圖 1. 中央處理器（CPU） 中央處理單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路相連接。 與一般計(jì)算機(jī)一樣，CPU是PLC的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能控制PLC有條不紊地進(jìn)行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，當(dāng)PLC處于運(yùn)行方式時(shí)，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU的主要任務(wù)是控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接受與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過(guò)I/O接口接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷PLC內(nèi)部的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等；PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過(guò)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、邏輯或算數(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器中的內(nèi)容、在經(jīng)輸出部分實(shí)現(xiàn)輸出控制、指標(biāo)打印和數(shù)據(jù)通信等功能。 不同型號(hào)的PLC其CPU芯片是不同的，又采用通用CPU芯片的，有使用廠家自行設(shè)計(jì)的專用CPU芯片的。CPU芯片的性能關(guān)系到PLC處理控制信號(hào)的能力與速度，CPU位數(shù)越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運(yùn)算速度也越快。PLC的功能CPU芯片技術(shù)的發(fā)展而提高和增強(qiáng)?，F(xiàn)在大多數(shù)PLC都采用32位CPU，所以，即使是小型的PLC，其性能也不一定比過(guò)去大中型的PLC差。 2.存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。 用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器和用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)器單元類型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存儲(chǔ)器，其內(nèi)容可由用戶任意更改。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用來(lái)存放用戶程序中所使用器件的ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等，用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。而PLC使用的存儲(chǔ)器類型有三種：ROM（只讀存儲(chǔ)器）、RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和EEPROM（可電擦出可編程的只讀存儲(chǔ)器）。 3. 輸入/輸出單元 PLC的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開關(guān)量、模擬量。輸入/輸出接口單元包含兩部分：一部分是與被控設(shè)備相連接的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入單元接受來(lái)自用戶設(shè)備的各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)。外部接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時(shí)CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并結(jié)合其他元器件最新的信息，按照用戶程序進(jìn)行計(jì)算，將有關(guān)輸出的最新計(jì)算結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將由弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、指示燈等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。 4. 電源部分 PLC一般使用220V的交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、-12V/+12V、24V等直流電源，整體式的小型PLC還提供一定容量的直流24V電源，供外部有源傳感器使用。PLC所采用的看管電源輸入電壓范圍寬、體積小、效率高、抗干擾能力強(qiáng)。 電源不見(jiàn)的位置形式可有多種，對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)的PLC，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部；對(duì)于模塊式PLC，則多采用單獨(dú)的電源模塊。 5. 編程設(shè)備 過(guò)去的編程設(shè)備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫和調(diào)試。讀寫程序智能使用最不直觀的語(yǔ)句表語(yǔ)言，屏幕顯示也只有2～3行，各種信息用一些特定的代碼表示，操作繁瑣不便?，F(xiàn)在PLC生產(chǎn)廠家不再提供編程器，取而代之的是給用戶配置在PC上運(yùn)行的基于Windows的編程軟件。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語(yǔ)句表、功能快圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語(yǔ)言的相互轉(zhuǎn)換，程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以保存和打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。更方便的是編程軟件的實(shí)時(shí)調(diào)試功能非常強(qiáng)大，不僅能監(jiān)視PLC運(yùn)行過(guò)程中的各種參數(shù)和程序執(zhí)行情況，還能驚醒智能化的故障診斷。 2.4 PLC的工作原理 可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。PLC工作的全過(guò)程可用圖 2.2 所示的運(yùn)行框圖來(lái)表示。 圖 2.2 可編程控制器運(yùn)行框圖 2.5加熱反應(yīng)爐簡(jiǎn)介 加熱反應(yīng)爐作為一種熱能動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。以繼電—接觸器為主的老一代控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代鍋爐越來(lái)越高，越來(lái)越復(fù)雜的要求，這一領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)化已勢(shì)在必行，而應(yīng)用在當(dāng)前工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中引人注目的PLC又是使其計(jì)算機(jī)化的簡(jiǎn)便和可靠途徑。在系統(tǒng)中，硬件上采用技術(shù)比較的成熟的可編程邏輯控制器，開發(fā)了采用PLC的開關(guān)量和模擬量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量采集；方法上運(yùn)用到的是過(guò)程控制中常用的前饋與串級(jí)控制方法，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中, 溫度控制占有著極為重要的地位, 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。故以PLC為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制，使的企業(yè)總的自動(dòng)化水平大大提高] 1. 加熱反應(yīng)爐的輸入輸出設(shè)備表： 表2.1 輸入輸出設(shè)備表 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 啟動(dòng)按鈕 加熱接觸器 停止按鈕 排氣閥 上液面?zhèn)鞲衅? 進(jìn)料閥 下液面?zhèn)鞲衅? 氮?dú)忾y 壓力傳感器 泄放閥 溫度傳感器 2. 加熱反應(yīng)爐原理圖： 加熱反應(yīng)爐整體由四個(gè)閥：排氣閥、進(jìn)料閥、氮?dú)忾y、泄放閥，四個(gè)傳感器：壓力傳感器、溫度傳感器、上液面?zhèn)鞲衅?、下液面?zhèn)鞲衅?，鍋爐，加熱器及加熱接觸器等組成。 圖2.3 加熱反應(yīng)爐原理圖 第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則： （1）充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 （2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。 （3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。 （4）應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC的型號(hào)、I／O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟：設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過(guò)分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行： (1)熟悉被控對(duì)象，制定控制方案 分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) PLC控制系統(tǒng)的控制要求。 (2)確定I／O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等)由此確定PLC的I／O點(diǎn)數(shù)。 (3)選擇PLC 選擇時(shí)主要包括PLC機(jī)型、容量、I／O模塊、電源的選擇。 (4)分配PLC的I／O地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號(hào)列出輸入／輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。 (5)設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。 (6)聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過(guò)的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。 3.1.1 加熱反應(yīng)爐對(duì)電控系統(tǒng)的要求 1.進(jìn)料控制 加熱反應(yīng)爐開始工作時(shí)，首先檢測(cè)下液面SK1，爐溫SK2，爐內(nèi)壓力SK4是否都小于給定值，即是否都為邏輯0，若為0，則開啟排氣閥KV1和進(jìn)料閥KV2。液面上升到設(shè)定位置時(shí)，使SK3閉合，并關(guān)閉排氣閥和進(jìn)料閥，延時(shí)20S后，開啟氮?dú)忾yKV3使?fàn)t內(nèi)壓力上升，當(dāng)壓力上升到給定值時(shí)（SK4=1），關(guān)閉氮?dú)忾y，進(jìn)料過(guò)程結(jié)束。 2.加熱反應(yīng)控制 當(dāng)爐溫低于給定值時(shí)（SK2=0），接通加熱反應(yīng)爐電源接觸器KM1；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)（SK2=1）,切斷加熱電源，維持10 min，在此時(shí)間內(nèi)爐溫實(shí)現(xiàn)通斷控制，即保持SK2=1 3.泄放控制 打開排氣閥KV1，使?fàn)t內(nèi)壓力降到起始值(SK4=0)，并打開排放閥KV4，當(dāng)爐內(nèi)液面下降到下液面時(shí)（SK1=0）,關(guān)閉KV4和KV1，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 3.1.2 I/O 分配表 根據(jù)加熱反應(yīng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，需要6個(gè)輸入點(diǎn)，5個(gè)輸出點(diǎn)，共11個(gè)I/O 點(diǎn)。結(jié)合PLC 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)指標(biāo)，因此選用西門子S7--300型PLC 該CPU 基本單元共有8個(gè)輸入點(diǎn)，8個(gè)輸出點(diǎn)；它功能簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格便宜，主要用于小型開關(guān)量控制系于橫排端子排，繼電器輸出。其指令系統(tǒng)完全能達(dá)到加熱反應(yīng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。具體的 I/O 分配表見(jiàn)下表 表3.1 I/O地址分配表 輸入 地址 輸出 地址 啟動(dòng)按鈕QA 00000 排氣閥YV1 01000 停止按鈕TA 00001 進(jìn)料閥YV2 01001 下液面SL1 00002 氮?dú)忾yYV3 01002 上頁(yè)面SL2 00003 泄放閥YV4 01003 爐內(nèi)壓力 00004 加熱絲KM 01004 爐內(nèi)溫度 00005 3.1.3 PLC I/O接線圖 加熱反應(yīng)爐 PLC 接線如圖3.1所示。PLC 控制系統(tǒng)構(gòu)成必須和電源、主令裝置、傳感器設(shè)備以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接。外界輸入器件可以是無(wú)源觸點(diǎn)或是有源的傳感器輸入。這些外部器件的兩頭，一頭接到 PLC 的輸入端，另一頭連在一起接到公共端上(COM 端) ，形成閉合有源回路。交流供電的S7-300型PLC 提供輔助直流電源，供輸入設(shè)備和部分?jǐn)U展單元用。輔助電源容量為 250~60mA。在容量不夠的情況下，需要單獨(dú)提供直流電源。輸出口與執(zhí)行裝置相連接，執(zhí)行裝置主要包括各種電磁閥。這些設(shè)備本身所需的功率較大，PLC 一般不提供執(zhí)行器件的電源，需要外接電源。由于執(zhí)行器件都是相同幅值的電磁閥，因此可接同一個(gè)COM端。 圖3.1 PLC I/O接線圖 3.1.4 PLC的控制流程 由加熱反應(yīng)爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合 PLC 可以設(shè)計(jì)如圖3-2所示的系統(tǒng)控制流程。按下啟動(dòng)按鈕QA后，系統(tǒng)運(yùn)行；按下停止按鈕TA后，系統(tǒng)停止。 第一階段：送料控制，檢測(cè)下液面SL1，爐內(nèi)溫度ST，爐內(nèi)壓力SP是否小于給定值（都為“0”）若是則開啟排氣閥YV1和進(jìn)料閥YV2。當(dāng)液位上升到上液位設(shè)定值時(shí)SL2=1，應(yīng)關(guān)閉排氣閥YV1 和進(jìn)料閥 YV2。延時(shí)20S，開啟氮?dú)忾yYV3，氮?dú)膺M(jìn)入反應(yīng)爐，爐內(nèi)壓力上升。當(dāng)壓力上升到給定值時(shí)，即SP=1,關(guān)閉氮?dú)忾y。送料過(guò)程結(jié)束。 第二階段：加熱反應(yīng)控制，接通反應(yīng)爐電源KM，開始對(duì)反應(yīng)爐加溫。當(dāng)溫度上升到給定值時(shí)（此時(shí)信號(hào)ST=1），切斷加熱電源。延時(shí)10min，加熱過(guò)程結(jié)束。 第三階段：泄放控制，打開排氣閥 YV1,使?fàn)t內(nèi)壓力降到給定值以下（此時(shí) SP=0），打開泄放閥YV4 ，當(dāng)爐內(nèi)溶液下降到下液面以下（此時(shí) SL1=0 ），關(guān)閉泄放閥 YV4 和排氣閥YV1。系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)準(zhǔn)備進(jìn)入下一循環(huán)。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為條件型順序控制系統(tǒng)，運(yùn)算速度快，可靠性高，功能強(qiáng)，輸入為干接觸式，輸出為繼電器形式。綜上，其控制流程圖如下3.2所示： 圖3.2 控制流程圖 3.2 PLC型號(hào)的選擇及其簡(jiǎn)介 本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子S7-300 PLC。S7-300 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-300系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-300系列具有極高的性能/價(jià)格比[5]。 3.2.1 數(shù)字量輸入模塊與輸出模塊 數(shù)字量輸入模塊：數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機(jī)械觸點(diǎn)和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的外部數(shù)字信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的信號(hào)電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤輸入信號(hào)，輸入電流一般為數(shù)毫安。 數(shù)字量輸出模塊：SM322數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程所需的外部信號(hào)電平，同時(shí)具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的大功率晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管、驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載又可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.5~2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。 3.2.2模擬量輸入模塊與輸出模塊 模擬量變送器：生產(chǎn)過(guò)程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來(lái)測(cè)量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強(qiáng)電電量，例如發(fā)電機(jī)組的電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào)，例如DC0~10V和4~20mA。 SM331模擬量輸入模塊的基本結(jié)構(gòu)：模擬量輸入模塊用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉(zhuǎn)換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。 模擬量輸出模塊的基本結(jié)構(gòu)：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。 模擬量輸出模塊的技術(shù)參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負(fù)載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時(shí)最大距離為200m。都有短路保護(hù)，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。 3.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 本溫度控制系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，是先跟據(jù)控制流程圖畫出梯形圖，再由梯形圖寫出指令。由梯形圖的到指令表的過(guò)程很簡(jiǎn)單、方便，能有效的避免出錯(cuò)，并且梯形圖也很直觀，能清楚的看懂控制過(guò)程。 傳感器在不同的狀態(tài)時(shí)，輸出的數(shù)字量不同，表3.2是對(duì)各傳感器不同狀態(tài)下的數(shù)字量的定義。 表3.2 傳感器狀態(tài)定義 傳感器 作用 0 1 SL1 下液面檢測(cè) 液面低于下液位 液位超過(guò)下液位 SL2 上液面檢測(cè) 液面低于上液位 液面超過(guò)上液位 ST 爐內(nèi)溫度檢測(cè) 溫度低于設(shè)定值 溫度超過(guò)設(shè)定值 SP 爐內(nèi)壓力檢測(cè) 壓力低于設(shè)定值 壓力超過(guò)設(shè)定止 3.3.1軟件梯形圖 階段一：溶液低于下液位，爐內(nèi)壓力和溫度都低于設(shè)定值，即00002、00003、00004、00005為OFF，常閉觸點(diǎn)閉合時(shí)，20002為ON，01000、01001為ON，線圈閉合，使排氣閥YV1和進(jìn)料閥YV2開啟。當(dāng)液面上升到上液面時(shí)，00003為ON，常閉觸點(diǎn)斷開，01000，01001為OFF，使排氣閥YV1和進(jìn)料閥YV2關(guān)閉，同時(shí)，000003的常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)定時(shí)器0，定時(shí)20s后，TIM000常開觸點(diǎn)閉合，此時(shí)爐內(nèi)壓力小于給定值，故00004為OFF，01002為ON，氮?dú)忾yYV3開啟，給爐內(nèi)加入氮?dú)?，?dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，00004為ON，常閉觸點(diǎn)斷開，01002為OFF，YV3關(guān)閉。 圖3.3 階段一的梯形圖 階段二：在氮?dú)忾y關(guān)閉的時(shí)候，即輸出01002為OFF時(shí)，因?yàn)檫€沒(méi)有開始加熱，所以爐內(nèi)溫度小于設(shè)定值，00005為OFF，常開觸電斷開，01004為ON，常開觸電閉合，接觸器KM閉合，開始給反應(yīng)爐加熱，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，00005為ON，常閉觸點(diǎn)斷開，01004為OFF，接觸器KM斷開，停止加熱，此時(shí)00005的常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)定時(shí)器1，給定時(shí)器TIM001裝入初值6000，定時(shí)時(shí)間為6000*0.1s=600s=10min。 圖3.4 階段二的梯形圖 階段三：當(dāng)定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間到了時(shí)，TIM001常開觸點(diǎn)閉合，而此時(shí)爐內(nèi)的液面并沒(méi)有下降，所以00002為ON，01000為ON，線圈閉合，排氣閥YV1開啟。爐內(nèi)的壓力開始減小，當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，00004為OFF，01003為ON，線圈閉合，泄料閥YV4開啟，開始泄料，當(dāng)液面低于下液為時(shí)，00002為OFF，01000、01003為OFF，排氣閥YV1和泄料閥YV4都關(guān)閉，一個(gè)過(guò)程結(jié)束。 圖3.5 階段三的梯形圖 整個(gè)過(guò)程的梯形圖： 圖3.6 整個(gè)梯形圖 3.3.2轉(zhuǎn)化為西門子300-step梯形圖以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 如下圖所示： 結(jié)束語(yǔ) 加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用成熟的PLC技術(shù)和電力電子技術(shù)，采用軟硬件結(jié)合，較好的解決了傳統(tǒng)加熱爐溫控系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。針對(duì)我國(guó)大部分的加熱爐用戶來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)將是一個(gè)比較理想的溫控系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我充分發(fā)揮了主觀能動(dòng)性，想用學(xué)過(guò)的相關(guān)的PLC知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)PLC的共性把其轉(zhuǎn)化為西門子，將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)以畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式應(yīng)用到了實(shí)際當(dāng)中。這其中，雖然我遇到了許多問(wèn)題，但是通過(guò)查閱相關(guān)資料、請(qǐng)教老師和與同學(xué)討論將這些問(wèn)題一一解決，從而使我對(duì)大學(xué)三所學(xué)到知識(shí)又有了進(jìn)一步的加深和拓展。并且學(xué)會(huì)了西門子S7-300是如何在溫度控制中應(yīng)用的。相信這一定會(huì)對(duì)以后走上工作崗位的我有很大的幫助。 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