洛阳理工学院课程设计基于PLC的加热反应炉自动控制的设计.docx
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洛阳理工学院课程设计基于PLC的加热反应炉自动控制的设计
课程设计
题目：
基于PLC的加热反应炉自动控制的设计
学院：
清华大学
专业：
电气自动化技术
班级：
学号：
：
基于PLC的加热反应炉自动控制的设计
摘要：
基于PLC的加热反应炉自动控制能够实现温度的控制，用于液体等控制。
本次设计利用西门子S7-200PLC控制的
加热炉控制设备。
关键词：
PLC课程设计加热反应炉
概述：
随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，如何保障被加热后的金属能够在有效压制前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究的主要方向。
近年来由于各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。
目前面向节能降耗，提高压制产品自量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。
加热炉生产过程主要是个燃烧与热交换的物理化学过程，燃烧方面有一个如何使其在各种工况下特别是在热负荷变化的动态过程中保持最佳节能燃烧的问题。
另外从整个压制生产线来看，加热炉是局部环节，其主要任务是加热钢胚，使钢呸在出炉时达到压制所要求的温度分布。
评价加热炉性能优劣的主要指标是加热炉的单位燃烧消耗，产量，钢呸的加热质量，钢配的氧化烧损等。
影响这些指标的因素较多，在众多因素中加热炉温度制度起着决定性的作用。
我国的加热炉大部分是六、七十年代的产品，其控制系统非常落后。
相当一部分还处于基地式仪表控制，表盘现实的水平，软件操作不易为普通工人所掌握。
为改变这种落后状况，有效途径之一就是进行加热炉监测和控制系统的技术改造。
加热炉的工作目标是在最短的时间采取最经济的方式把炉的钢呸加热到所要求的状态。
特别是一些目前小的钢铁企业，对这种投资少、见效快的技术改造感兴趣。
本文主要讲述加热反应炉自动控制系统的设计。
国际上对加热炉的优化控制开始与70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。
在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢呸的升温过程的控制模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。
目前，就我国带钢热连压加热炉控制系统整体而言，与国外相比，相差甚远。
在国外，多数带钢热连压加热炉控制系统一经采用了高智能型的专家系统，模糊控制或两者相结合的控制系统。
如美国的Bethlehem钢铁公司利用模糊控制和专家系统相结合的控制系统对带钢连热压加热炉进行控制。
而我国大部分钢铁企业加热炉控制系统仍是早期的DCS控制系统或PLC控制系统，有的好没有达到这个水平，因而为了参加国际竞争，赢得产品声誉，就必须对加热炉控制系统进行换代或改造。
对加热炉控制系统的改造，国存在两种观点：
一种认为要较好的实现加热炉的控制，必须坚持HCA高成本高投入，大力提高自动化部分的控制水平，采用高智能型的集中控制。
另一种为LCA低成本自动化。
低成本不是低水平，是在低成本前提下的先进性和实用性，LCA是简易自动化的延伸，是全新自动化的补充。
它往往成为中小企业的选择。
国现有带钢热连压加热炉一千多座，由于资金技术等方面的原因，改造或换代为高智能型加热炉数量很少。
在这方面，由于宝钢、鞍钢等大型国有企业较重视科技在生产中的主要地位，在带钢连压加热炉改造中投入的力量较大，已成为我国钢铁行业领头羊。
本课题研究的容是，实现基于S7-200加热反应炉自动控制系统设计。
1、工程分析
在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。
工程框架：
●1个用户窗口：
加热反应炉控制系统。
主要包括：
加热炉、加热电阻丝、四个阀、温度计、压力表、加热指示灯、流动管件、两个控制按钮。
●3个策略：
启动策略、退出策略、循环策略
数据对象：
控制系统窗口：
●加热炉、加热电阻丝、加热指示灯
●卸放阀、进料阀、氮气阀、排气阀、温度计、压力表
●六个控制按钮、上下液位传感器、压力传感器、温度传感器。
流程控制：
按启动按钮后，反应炉进入工作状态。
按停止按钮后，反应炉停止运行。
第一阶段：
送料控制
1、检测下液面X1、炉温度X2、是否都小于给定值（逻辑值：
小于输出0，大于输出1）。
2、若小于给定值，则开启进料阀Y2。
3、当液位上升到上液面X4时，应打开泄放阀Y4和关闭进料阀Y2。
4、开启氮气阀X3，氮气进入炉，炉气压上升。
5、当压力上升到给定值，即X4=1时，关闭氮气阀。
送料过程结束。
第二阶段：
加热反应控制。
1、当液面大于20%且炉温度X2小于给定值时，接通加热炉电源Y3。
2、当温度升高到给定值时，即X2=1时，切断加热器电源，加热的过程结束。
第三阶段：
泄放控制。
1、打开排气阀，使炉压力降到预定值（SP=0）。
∙当压力大于最大值时，打开泄放阀。
∙当压力小于给定值时，关闭排气阀。
打开泄放阀，当炉溶液降到下液面时，延时10秒后关闭泄放阀。
2、课题要求
（1）根据控制要求制定合理的设计方案；
（2）写出系统流程；
（3）设计电路并模拟调试；
（4）PLCI/O点分配，并绘制I/O接线图。
（5）课程设计心得；整理技术材料，编写使用说明书。
加热反应炉的结构示意图如图（原理图）如下所示：
（二）输入输出设备清单
（三）控制流程图
（四）I/O接线图
I/O地址分配：
根据示意图和控制要求可知，该系统需要6个输入点和5个输出点，其地址分配如下：
2、建立工程
可以按如下步骤建立样例工程：
[1]鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：
\MCGS\WORK\下自动生成新建工程，默认的工程名为：
“新建工程X.MCG”（X表示新建工程
的顺序号，如：
0、1、2等）
[2]选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
[3]在文件名一栏输入“加热反应炉控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。
3、制作工程画面
1、建立画面
[1]在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。
[2]选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。
[3]将窗口名称改为：
水位控制；窗口标题改为：
机械手控制；窗口位置选中“最大化显示”，
其它不变，单击“确认”。
[4]在“用户窗口”中，选中“加热反应炉控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。
2、编辑画面
选中“加热反应炉控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。
3、制作文字框图
[1]单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。
[2]选择“工具箱”的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖
拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形。
[3]在光标闪烁位置输入文字“加热反应炉监控系统”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。
[4]如果需要修改输入文字，则单击已输入的文字，然后敲回车键就可以进行编辑，也可以单击鼠标右键，弹出下拉菜单，选择“改字符”。
[5]选中文字框，作如下设置：
第83章点击（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色为：
没有填充；
第84章点击（线色）按钮，设置文字框的边线颜色为：
没有边线。
第85章点击（字符字体）按钮，设置文字字体为：
宋体；字型为：
粗体；大小为：
26
第86章点击（字符颜色）按钮，将文字颜色设为：
蓝色。
4、图形的绘制
1）画电阻丝：
单击绘图工具箱中“画线”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形，在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一条一定长度的直线。
单击“线色”按钮选择：
黑色。
单击“线型”按钮，选择合适的线型。
调整线的位置（按键或按住鼠标拖动）。
调整线的长短（按Shift和方向键，或光标移到一个手柄处，待光标呈“十字”形，沿线长度方向拖动）。
调整线的角度（按Shift和方向键，或光标移到一个手柄处，待光标呈“十字”形，向需要的方向拖动）。
线的删除与文字删除相同。
单击“保存”按钮。
2）画矩形的液面传感器：
单击绘图工具箱中的“矩形”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形。
在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一个一定大小的矩形。
单击窗口上方工具栏中的“填充色”按钮，选择：
蓝色。
单击“线色”按钮，选择：
没有边线。
调整位置（按键盘的键，或按住鼠标左键拖曳）。
调整大小（同时按键盘的Shift键和方向键中的一个；或移动鼠标，待光标呈横向或纵向或纵向或斜向“双箭头”形，按住左键拖曳）。
单击窗口其他任何一个空白地方，结束第1个矩形的编辑。
画面2个矩形分别代表上下液面传感器，单击“保存”按钮。
5、构件的选取
[1]加热炉的绘制：
单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框，如图：
图2反应炉构件的选择
双击窗口左侧“图库”中的“罐”，展开该列表项，单击“罐1”，单击“确定”按钮。
画面窗口中出现反应器的图形。
在反应器被选中的情况下，调整位置和大小。
在机械手上面输入文字标签“机械手”。
单击“保存”按钮。
[2]画其他的构件：
利用“图库”工具，分别画出四个阀门、温度传感器、压力传感器、温度计、压力计、指示灯等将大小和位置调整好。
[3]选中工具箱的流动块动画构件图标，鼠标的光标呈“十”字形，移动鼠标至窗口的预
定位置，点击一下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左键，生成一段流动块。
再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直原来方向），生成下一段流动块。
[4]画按钮：
单击画图工具箱的“标准按钮”工具，在画图中画出一定大小的按钮。
调整
其大小和位置。
绘制2个按钮。
6、整体画面
最后生成的画面见图1。
四、定义数据对象
前面我们已经讲过，实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。
数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。
定义数据对象的容主要包括：
1）指定数据变量的名称、类型、初始值和数值围
2）确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间围和保存期限
等。
在开始定义之前，我们先对所有数据对象进行分析。
在本样例工程中需要用到以下数据对象：
下面以数据对象“JIEDUAN”为例，介绍一下定义数据对象的步骤：
[1]单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。
[2]单击“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。
[3]选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。
[4]将对象名称改为：
垂直移动量；对象类型选择：
开关型；在对象容注释输入框输入：
“系统所处的运行阶段”，单击“确认”。
按照此步骤，根据上面列表，设置其他17个数据对象。
五、动画连接
由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。
MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。
在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。
本样例中需要制作动画效果的部分包括：
1 炉液位的变化、各阀门、各传感器的警戒变化、加热指示灯的变化
2 温度计、及压力计的动画设置
1、按钮的动画设置
SB1、SB2按钮的动画连接：
双击“开”，弹出“标准按钮构件属性设置”窗口，单击“左键动作”标签，显示该页，输入SB1=1、SB2=0如图3所示。
选中双击“SB2”按钮。
用同样的方法建立复位按钮与对应变量之间的动画连接。
输入SB2=1，SB1=0单击“保存”按钮。
2、构件动画的设置
[1]排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀关断或者打开状态表示。
双击排气阀构件，弹出单元设置属性菜单。
打开动画连接标签，点选动画连接页面上的组合图符。
点击组合图符后面的”>”,弹出动画组态属性设置页面。
打开属性设置标签，选中颜色动画连接项中的填充颜色。
此时在动画组态属性页面中出现填充颜色标签。
打开填充颜色标签，表达式项选中数据库的Y1参量，在下面的填充颜色连接中，增添两个填充颜色，Y1的具体操作过程，由图1和图2所示。
从图2动画组态单元中我们可以看出，实现动画连接主要有颜色动画连接、位置动画连接、输入输出三大类，再每大类中又有三个小项。
因此在本实训中表达排气阀开关的动画同时可以采用其他的动画方式，颜色动画模式仅供参考。
按照排气阀的模式，同样设置好进料阀、氮气阀及泄放阀的颜色动画设置。
图6排气阀单元属性设置
[2]温度传感器、压力传感器、上下液面传感器是否达到设定值的动画变化以及电阻丝的加热状态的动画表示。
该类构件的动画方法都采用颜色变化方式和排气阀动画设置类似。
[3]电热丝指示灯的动画设置。
双击指示灯构件。
双击排气阀构件，弹出单元设置属性菜单。
打开动画连接标签，点选动画连接页面上的三维圆球。
点击组合图符后面的”>”,弹出动画组态属性设置页面。
打开属性设置标签，选中特殊动画连接项中的可见度。
此时在动画组态属性页面中出现可见度标签。
打开可见度标签，表达式项填Y5=0。
对单元设置属性中的另外一个三维圆球进行同样的动画设置。
由图所示。
图7指示灯构件单元属性设置
[4]反应炉水位变化及管道流动变化动画设置。
反应炉液面设置，双击反应炉构件。
弹出单元属性设置页面。
打开动画连接标签，选中矩形，再点击“>”符号，弹出动画组态属性设置。
点选位置动画连接项小变化，在动画组态属性设置页中生成大小变化标签，打开大小变化标签，进行设置，在表达式项里，选择数据库中的水参量，在大小变化连接项目里，最小变化百分比为0，表达式值取0，最大变化百分比100，表达式值80。
变化方向取向上方向，变化方式取剪切式。
具体设置如下图所示。
图10反应炉单元属性设置
管道流动属性动画的设置。
双击排气阀两端的管道，弹出流动块属性设置页面。
打开流动属性标签。
表达式项填Y1=1。
当表达式非零时项，选流动块开始流动。
如下图所示。
图12管道流动块构件属性设置
[5]温度计和压力表动画属性设置。
双击温度计构件，弹出单元属性设置页面。
打开动画连接标签，选中百分比填充，单击“>”弹出百分比填充构件属性设置页面。
表达式选中数据库里的温度参量，在添充位置和表达式值的连接项中，0%的对应值为0，100%的对应值为100。
图13温度计动画设置
压力计动画设置。
双击压力计构件。
弹出单元属性设置页面，选中旋转仪表，点击后面的“>”弹出旋转仪表构件属性设置页面，点击操作属性标签，弹出操作属性界面，在表达式项中填入压力参量，其他的指针位置和表达式的连接值不变。
图14压力计动画设置
3、控制程序的编写
脚本程序基本语句。
共有四种语句。
赋值语句的形式为：
数据对象=表达式。
赋值语句用赋值号（“=”）来表示，它具体的含义是：
把“=”右边表达式的运算值赋给左边的数据对象。
赋值号左边必须是能够读写的数据对象，如：
开关型数据、数值型数据、事件型数据以及能进行写操作的部数据对象。
而组对象、事件型数据、只读的部数据对象、系统部函数以及常量，均不能出现在赋值号的左边，因为不能对这些对象进行写操作。
条件语句：
条件语句有如下三种形式：
If〖表达式〗Then〖赋值语句或退出语句〗
If〖表达式〗Then
〖语句〗
EndIf
If〖表达式〗Then
〖语句〗
Else
EndIf
条件语句中的四个关键字“If”、“Then”、“Else”、“Endif”不分大小写。
如拼写不正确，检查程序会提示出错信息。
条件语句允许多级嵌套，即条件语句中可以包含新的条件语句，MCGS脚本程序的条件语句最多可以有8级嵌套，为编制多分支流程的控制程序提供了可能。
“IF”语句的表达式一般为逻辑表达式，也可以是值为数值型的表达式，当表达式的值为非0时，条件成立，执行“Then”后的语句，否则，条件不成立，将不执行该条件块中包含的语句，开始执行该条件块后面的语句。
值为字符型的表达式不能作为“IF”语句中的表达式。
退出语句：
退出语句为“Exit”，用于中断脚本程序的运行，停止执行其后面的语句。
一般在条件语句中使用退出语句，以便在某种条件下，停止并退出脚本程序的执行。
即可完成模拟调试。
六、课程设计心得
这次课程设计花了我整整一周的时间，通过这次基于PLC的加热反应炉自动控制系统的课程设计，让我学到了太多太多的知识，这些知识都是在课本上找不到的，只有自己亲身经历了才会知道这些知识实属来之不易，它不仅仅让你去搜索资料，而且还要发动你的大脑进行慎密的思考。
明白了加热炉在工业生产方面的重要性，我们虽然没有亲身去接触它，但是我们要明白他的重大意义，它与我们的生活可谓是息息相关的，也与我们国家的利益及发展前途息息相关，所以我们通过此次的课程设计要了解到加热炉在我们社会上的重要性以及必要性。
我很荣幸在大学生活即将结束的时候还能能接触到这个加热炉的课程设计，真的是很感我们的学院以及谆谆教导我们的大学老师，你们！
七、参考文献
【1】何刚，金贵，《可编程序控制器在加热反应炉中的应用》
【2】广瑞，荣福。
《加热反应炉可视化控制技术》
【3】袁秀英。
《组态控制技术》
【4】吴作明。
《工控组态软件PLC应用技术》
八、使用说明书
【产品名称】加热反应炉
【加热反应炉自动控制系统的工作原理】利用PLC控制设计，通过检测液面和炉温度以控制进料阀、排气阀、泄放阀以及加热炉电源等控制器件，并通过启动按钮以及停止按钮来完成整个控制系统的安全运行。
【用途】基于PLC的加热反应炉自动控制能够实现温度控制，可
用于液体等方面的控制，如冶金、炼钢等工业企业。
【使用方法】可根据前面所设计的控制系统以及其工作原理来进行安全的使用。
【维修与保养】出现故障的时候一定要请专业的人士来进行维修，切勿自己动手操作，以免故障加大化，并在使用与不使用时进行相应的保养与维护。
【注意事项】1、请不要让不会的人员进行操作与使用，以免出现安全责任事故。
2一旦发现故障，请立即停止使用并做好故障维修。
3、在操作时要注意安全问题，一定要小心操作。
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