加热反应炉的PLC控制课程设计.docx
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加热反应炉的PLC控制课程设计
摘要：
加热反应炉的PLC控制，用于实现温度的控制，其炉内的真空度的控制，与其内部液面高度的控制。
关键词：
PLC设计加热反应炉监控
1.概述
1.1设计目的与意义
加热反应炉作为工业生产中的重要设备，在以前通常采用工人手工控制的方法进行控制，它作为一项要求精细的工作，常常会由于工人的经验不足以及其他的因素，而常常会造成产品质量不稳定甚至出现次品的问题，而造成原料的浪费，最终会给企业带来经济损失.
而当PLC技术的出现,其所具有的可靠性高、功能强、控制灵活等特点，使成为目前工业现场环境的首选控制装置。
使用PLC来控制系统能有效的提高生产的安全性，大大降低了事故的发生率，并能提高生产效率，使原材料的使用率达到最大。
而其发展趋势表明从长远来看，用PLC进行控制能大大的节约企业的成本。
1.2研究的内容
本课题主要研究通过可编程控制器对加热反应炉工作过程的控制，通过使用PLC软件，并结合现场的通用I/O设备（传感器和板卡），对加热反应炉进行进料和排料、进气和排气、加热等自动控制，主要分为三个阶段送料控制，加热反应控制和泄放控制.
2.设计要求
2.1课程要求
本次设计任务是设计一个PLC控制的加热反应炉。
控制要求
第一阶段：
送料控制
1、检测下液面SQ2、炉内温度ST、炉内压力SP是否都小于给定值（整定值均为逻辑量）。
2、若小于给定值，则开启排气阀YV1和进料阀YV2。
3、当液位上升到SQ1时，应该关闭排气阀和进料阀。
4、延时20S，开启氮气阀YV3，氮气进入炉内，炉内压力上升。
5、当压力上升到给定值，即SP=“1”时，关闭氮气阀。
第二阶段：
加热反应控制。
1、交流接触器KM带电，接通加热炉加热器发热器EH的电源。
2、当温度升高到给定值时（ST=“1”），切断加热器电源。
交流接触器KM失电。
3、延时10min加热过程结束。
第三阶段：
泄放控制。
1、打开排气阀，使炉内压力降到预定的最低值（SP：
“0”）。
2、打开泄放阀，当炉内液面下降到到下液面（SQ2=“0”）时，关闭泄放阀和排气阀。
系统恢复到初始状态，准备进入下一个循环。
3.设计方案
3.1．I／0地址
输入输出
I0.0：
启动开关Q0.0：
PLC运行指示
I0.1：
停止开关Q0.1：
排气阀QVl
I0.2：
上液面传感器SQlQ0.2：
进料阀QV2
I0.3：
下液面传感器SQ2Q0.3：
氮气阀QV3
I0.4：
压力传感器SPQ0.4：
泄放阀QV4
I0.5：
温度传感器STQ0.5：
控制加热装置EH的接触器KM
I/O地址分配：
根据控制要求可知，该系统需要6个输入点和5个输出点，其地址分配如下：
IN
输入点编号
OUT
输出点编号
启动开关
00000
PLC指示灯
01000
停止开关
00001
排气阀YV1
01001
上液面SQ1
00002
进料阀YV2
01002
下液面SQ2
00003
氮气阀YV3
01003
压力SP
00004
泄放阀YV4
01004
温度ST
00005
加热器
01005
3.2．设备选择
首先，选择机型。
目前PLC产品种类繁多，同一个公司生产出来的PLC也常常推出系列产品，这需要用户去选择最适合自己要求的产品。
正确选择产品中，首要的是选定机型。
只有选好机型，我们才能成功的做出产品，其选择方法有两种：
1.根据系统类型选择机型。
从选机型的角度看，控制系统可以分成单体控制小系统、慢过程大系统和快速控制大系统。
这些系统在PLC的选择上是有区别的。
1）单体控制的小系统：
这种系统一般使用一台PLC就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。
这种系统对PLC间的通信问题要求不高，甚至没有要求。
但有时功能要求全面，容量要求变化大，有些还要与设备系统的其他机器连接。
2）慢过程大系统：
对运行速度要求不高，但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求不高，如大型连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和共有系统、供风系统等。
对这一类型对象，一般不选用大型机，因为它编程调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。
一般都采用多台中小型和低速网相连接。
由于现在生产的控制器多为插件式模板结构，它的价格是随输入输出模板数和智能模板数的多少决定的，同一种机型输入输出点数少，则价格便宜，反之则贵。
所以一般使用网络相连后就不必要选用大机型。
这样选用每一台中小型PLC控制一台单体设备，功能简单，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面小，且容易查找。
3）快速控制大系统：
随着PLC在工业领域应用中的不断扩大，在中小型的快速系统中，PLC不仅能完成逻辑控制和主令控制，并已逐步进入了设备控制级，如高速线材、中低速热连轧等速度控制系统。
在这样的系统中，即使使用输入输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型PLC也难以满足控制要求。
如多台PLC，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。
采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。
高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。
对信息交换的速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，也可以采用PLC的输出端口与另一台PLC的输入端口硬件互联，，通过输出输入直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。
当然传送的信息不能太多，否则输入输出点占用太多。
2.根据控制对象选择机型
对控制对象要求进行估计，这对确定机型十分重要。
根据控制对象要求的输入输出点数的多少，可以估计出PLC的规模。
根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能。
根据控制对象的操作规则，可以估计出控制程序所占内存的容量。
有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。
为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。
1）对输入/输出点数的估计：
为了正确地估计输入/输出点数,需要了解下列问题。
对开关量输入，按参数等级分类统计。
对开关量输出，按输出功率要求及其他参数分类统计。
对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。
2）对PLC性能要求的估计：
为了正确地估计PLC性能要求，需要了解下列问题。
是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。
机房离现场的最远距离为多少？
现场对控制器响应速度有何要求。
在此基础上，选择控制器时尚需注意两个问题。
其一是PLC可带I/O点数。
有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，有时也称为扫描容量，需格外注意。
其二是PLC通信距离和速度。
手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。
但是如果PLC装有远程I/O模块时，由于远程I/O模块的响应速度慢，会使PLC的响应速度大大下降。
3.对所需内存容量的估计：
用户程序所需要的内存与下列因素有关。
逻辑量输入输出点数的估计。
模拟量输入输出点数的估计。
内存利用率的估计。
程序编制者的编制水平的估计。
程序中各条指令最后都是以机器语言形式存放在内存中。
控制系统中输入输出点数和存放系统用户机器语言所占用的内存字节之比为内存利用率。
内存利用率与编程水平有关。
内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资，缩短周期时间，提高系统的响应时间。
3.3．对象和范围的确定
PLC一般适合应用于环境差、而对安全性、可靠性要求比较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的自动化控制系统或者装置中。
当前的PLC不仅能对开关量能有效地进行控制，而且对模拟量的处理能力也非常强，可以完成复杂的自动控制任务。
在确定控制对象和控制范围之后，就要开始PLC的选型。
PLC的选择主要包括PLC容量的选择与确定、PLC外设的选择与确定、PLC生产厂家的选择与确定3个方面。
1.PLC容量的选择与确定。
PLC容量的选择，首先要对控制任务进行更加详细分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。
I/O点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是继电器、电磁阀，还是直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数可能大于实际点数。
因此PLC的输出点一般是几个组成一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
这样就有可能造成输出点数的浪费，增加了生产成本。
因此在设计中要尽量避免这种情况的出现。
一般情况下，输出为继电器的PLC使用的最多，但是对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC。
分析与了解了这么多之后，就可以确定PLC的容量了，确定该使用多少点和I/O类型的PLC。
2.PLC外设的选择与确定。
PLC外设的选择也是在控制系统任务详细分析之后，根据实际的需要，选择与所使用的PLC相应的配套模块。
3.PLC生产厂家的选择与确定。
PLC生产厂家的选择与确定主要考虑以下几个方面。
1）功能方面：
所有的PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务，比如，对PLC的通信能力的要求，对PLC运算速度的要求，对PLC程序存储空间的要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个比较详细的了解，以便做出正确的选择。
2）价格方面：
不同厂家的PLC产品价格相差会很大，有些功能类似、质量相当、容量相当的PLC，其价格却相差40%以上。
使用PLC作控制系统的开发与应用，必须考虑到生产成本的问题，必须要考虑PLC的价格。
3）设计个人的实际情况：
PLC控制系统过程中的设计人员的个人喜好必然也会影响到PLC厂家的选择问题，比如设计人员一直以来对西门子S7-200系列产品比较熟悉，也做过相关的不少开发与应用，那么在相同的性能、相同的要求、相当的价格的情况下，就会首先考虑西门子S7-200系列PLC。
3.4电路设计
PLC控制系统的硬件设计主要有PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和系统抗干扰设计等。
在选定了PLC以及其扩展模块与分配好I/O地址后，硬件设计主要包括以下几个方面的内容。
1.电气控制系统原理图的设计
电气控制原理图的设计包括主电路的设计和控制电路的设计。
主电路一般是指强电中的主干电路设计。
而控制电路主要是指PLC控制部分的设计，包括PLC的I/O接线、自动部分接线、手动部分接线等。
一般地，电气控制系统原理图中还应该标注器件代号，或者附上安装图、端子接线图等，以便控制柜的设计。
2.电气控制元、器件的选择
电气控制元器件的选择主要是指根据控制系统的需要，合理地选择开关按钮、传感器、保护电气、接触器、指示灯和电磁阀等PLC的辅助外部元器件。
合理地选择元、器件对整个控制系统的可靠性与实用性起到了很好的作用，由其是在工业设备的应用中，体现的更加鲜明。
3.控制柜的设计
设计控制柜的主要依据是电气控制原理图及相关的元、器件，还必须要考虑到控制现场的实际情况，以经济又实用的思想来设计，考虑相关的结构技巧。
若有发热大的硬件位于控制柜中，必须考虑控制柜的散热与通风情况。
在抗干扰设计中，要考虑控制柜的隔离、防尘及电磁辐射的问题。
3.5系统硬件图设计
在完成了电器电路设计后，必须通过计算机辅助设计，将设计的详细原理用图形化的形式定量地表现出来，这就需要有硬件电路图的计算机辅助设计工具。
常用于电器控制线路图设计的辅助工具有AutoCAD、Visio、ECAD等。
系统硬件构成示意图如图5所示
其中AutoCAD与ECAD常用于中型电气线路的辅助设计，而Visio是微软开发的专门用于各个领域图形设计的软件，能很好地与Word等文字处理软件兼容，非常适合于中、小型电气控制原理图的设计，并且简单易学，能够在短时间内掌握使用要领，这为硬件电路图的设计提够了很大的方便。
PLC种类繁多，但其组成结构和基本原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现并应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
PLC的结构框图如图6所示。
图6PLC结构示意图
1.中央处理器（CPU）
中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方式通过I/O接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务进行数据传输、逻辑或算数运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器中的内容、在经输出部分实现输出控制、指标打印和数据通信等功能。
不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，又采用通用CPU芯片的，有使用厂家自行设计的专用CPU芯片的。
CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。
PLC的功能CPU芯片技术的发展而提高和增强。
现在大多数PLC都采用32位CPU，所以，即使是小型的PLC，其性能也不一定比过去大中型的PLC差。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
用户存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。
用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器，其内容可由用户任意更改。
用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等，用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
而PLC使用的存储器类型有三种：
ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）和EEPROM（可电擦出可编程的只读存储器）。
3.输入/输出单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。
输入/输出接口单元包含两部分：
一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
输入单元接受来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。
外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。
运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其他元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。
输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。
4.电源部分
PLC一般使用220V的交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、-12V/+12V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。
PLC所采用的看管电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。
电源不见的位置形式可有多种，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，则多采用单独的电源模块。
5.编程设备
过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试。
读写程序智能使用最不直观的语句表语言，屏幕显示也只有2～3行，各种信息用一些特定的代码表示，操作繁琐不便。
现在PLC生产厂家不再提供编程器，取而代之的是给用户配置在PC上运行的基于Windows的编程软件。
使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能快图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可
以保存和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
更方便的是编程软件的实时调试功能非常强大，不仅能监视PLC运行过程中的各种参数和程序执行情况，还能惊醒智能化的故障诊断。
3.6控制系统的软件设计
S7-200的程序结构有两种，即线性结构和分块结构。
在程序设计中叫线性程序和分块程序设计。
1）线性程序设计
线性程序设计就是把工程中需要的控制的任务按照工艺要求书写在主程序中。
线性程序设计结构简单，分析起来一目了然。
这种结构适用于编写一些规模较小、运行过程比较简单的控制程序。
对于一些控制规模较大、运行过程比较复杂的控制程序，特别对于分支较多的控制程序，则不宜选用这种结构。
2）分块程序设计
分块结构的程序是根据工程的特点，把一个复杂的控制分成多个比较简单的，规模较小的控制任务。
可以把这些控制任务分配给一个个子程序块。
在子程序中编制具体任务的控制程序，最后由主程序调用的方式把整个控制程序统管起来。
分块程序有更大的灵活性，适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。
由于具体任务的控制程序分配在各自的子程序中编制，而具体任务的控制程序相对来说都比较简单，用比较简单的线性程序就能够实现，因而可以使程序的编制相对容易。
而且，如果觉得用一个线性程序编制具体任务的控制程序还有困难时，可以在编制具体任务控制程序时，再一次使用分块结构编程，因而使编程简单容易。
令外，分块程序也给程序的调试带来方便。
由于程序是分块的，调试程序也可以分块进行，等局部程序调制完之后，在总体合成，可以看出，分块结构便于调试。
当工艺发生变化时，只需要修改变化部位的程序。
分块结构的应用最广泛。
在了解了PLC程序结构之后，就要具体地编制程序了。
梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。
这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。
其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。
这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。
这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程语言，因此软件采用最基本的功能指令：
梯形图
根据加热反应炉对电气控制系统的要求，本设计控制系统包括手动在内的共6个输入信号：
下液面检测信号SK1，上液面检测信号SK3，分别输入PLC接点I0.0,I0.2,温度变送器SK2接PLC接点I0.1,压力变送器输入信号SK4接PLC输入接点I0.3；SB1,SB2分别为自动手动切换按钮，接PLC输入接点I0.4,I0.5。
PLC的7个输出信号Q0.0-Q0.6分别控制四个电磁阀KV1-KV4，一个加热炉电源接触器KM1的两个信号灯HL1,HL2。
根据系统的电气逻辑及I/O资源分配，本系统采用高效率的步进梯形指令编程，软件梯形图如图7所示，其中T1,T2为0.1S定时器。
流程图：
梯形图：
图7软件梯形图
语句表达式:
LDI0.0
OQ0.0
ANI0.1
=Q0.0
LDNI0.5
ONI0.0
ANI0.3
ANI0.4
ANI0.0
OM0.0
=Q0.1
LDQ0.1
ANQ0.4
ANM0.0
=Q0.2
LDI0.4
TONT37,200
LDT37
ANI0.0
ANM0.0
=Q0.3
LDI0.0
ANI0.2
=Q0.5
LDI0.2
OM0.1
AI0.4
=M0.1
LDM0.1
TONT38,6000
LDT38
OM0.0
AI0.5
=M0.0
=Q0.0
4.加热反应炉控制系统的抗干扰措施
4.1.采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰
在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。
电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。
现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。
虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。
所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。
4.2.正确选择电缆的和实施敷设
为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰。
不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。
4.3.硬件滤波及软件抗干扰措施
信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。
常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括：
数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移;采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。
4.4.正确选择接地点，完善接地系统
接地的目的通常有两个，一为了安全，二是为了抑制干扰。
完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。
由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。
集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。
如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。
接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。
接地极的接地电阻小于2Ω，接地极埋在距建筑物10到15m远处，而且PLC系统接地点须与强电设备接地点相距10m以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在PLC侧接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。
多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
五．结论
本文使用西门子S7-200对加热反应炉电气设备进行改造，基于MCGS的加热反应炉控制系统的设计，充分利用计算机软件功能，与PLC运行相配合，可通过监控界面真实地再现PLC控制加热反应炉现场工作过程，有很好的可视性。
通过直接操作MCGS界面上的模拟开关来控制PLC，可实现上位机对下位机PLC的直接控制，改善操作者的工作环境，提高工作效率；也可利用MCGS开发的组态画面作为演示画面，不与PLC连接，只要用鼠标按工艺过程顺序点击画面上相关阀门，通过编好的MCGS脚本程序模拟加热反应炉工艺流程。
加热反应炉可视化安全生产控制技术的应用实现了企业生产中加热反应过程的远程监控，能预防和减少生产过程中安全事故的发生，增加了生产设备和工作人员的安全，有利于
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