基于PLC的电炉控制毕业设计.docx
《基于PLC的电炉控制毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的电炉控制毕业设计.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于PLC的电炉控制毕业设计
基于PLC的电炉控制毕业设计
1前言
1.1选题背景
随着科技不断的发展，工业对于温度控制需求也逐渐的增高，在加上个人计算机的普及，计算机领域发展迅速，我们进入一个高速的信息时代，技术要求也在一天天增加，导致我们对于控制要求更高。
同时还要可以留有晋升的空间，便于我们升级更新换代。
计算机控制系统在这个方面就可以满足我们的要求，所以我现在的工业之中运用了大量自动化装置，这也是紧跟着时代步伐的一种体现，工业化的今天，我们享受着数字化、智能化给我带来的各种好处之外，我们也在生活生产之中不断地提高着，我们的设备的技术水平和我们个人的技术水平，从而我们的进步加快了生产过程的集成化，进一步提高产品质量，确保了生产的安全性与可靠性。
所以PLC应运而出，以自己过硬的性能，简单地控制，便于学习与读写，成为当下社会我们正所需要的工具，让它在工业的各个领域里面充满了它的身影，PLC成为工业自动化三大支柱之一。
在当前的工业环境下，可能有时要面对各种各样恶劣环境，特别有些工业环境，人为已经无法完成，然而PLC就是一个专门为工作在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可控编制程序储存器，然后在其内部完成存储执行逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等一些我设定的操作指令，并通过模拟式和数字式进行输入和输出，来达到控制各类型的机械或生产过程。
PLC的外围设备都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩展的原则设计。
电阻炉就是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而达到对工件或物料加热的工业炉。
电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、粉末冶金烧结和退火、低熔点金属熔化、砂型等。
组态王是一个监控系统软件，同时它也是一个新型的工业自动控制系统，它是通过标准工业计算机软和硬件平台构成的集成系统，进而取代传统的封闭系统。
同时它还具有较强的强适应性、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
我们通常把它们划分为三个层次结构加以区分，分别为控制层、监控层、管理层。
其中各个层次的功能如下所说：
其中监控层主要起到一个上传下达的功能，在自动控制系统对于现场控制是连接到控制层，对与画面的管理与操作室连接到管理层，以便实现对于机械和生产流程的控制，并且可以在实际的操控中对控制系统完成对于数据的上传、命令的通知的作用。
在选择软件的时候尤其考虑这三个方面问题：
画面、数据、动画。
对监控系统实现功能分析是采用组态王系统进行设计的。
组态王也为实验者提供了可视化的实时监控画面，方便试验者对于实时现场监控。
同时它充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并且可以用动画方式清晰的显示控制设备状态，组态王软件具有报警窗口、实时趋势曲线、历史趋势曲线等，可生成各种报表。
同时它还具有丰富的设备驱动程序与灵活的组态方式、数据链接功能。
1.2国外国内研究现状
自从70年代以来，对于工业过程控制需要增加，在微电子技术和计算机技术快速发展下和设计方法与自动控制理论发展推动下，国内国外温度的控制系统发展很快，且在智能化大环境下，自适应、参数整定的方面取得的成果，这方面，以美国、德国、日本、瑞典等国技术领先，生产出了一批商品化高、性能佳的仪器仪表温度控制器，且在各行各业得到广泛应用。
它们主要特点有：
1）适应于惯性大、滞后时间长等复杂的环境温度控制系统控制。
2）可以适应于难以建立温度控制受控系统数学模型系统控制。
3）可以适用于受控系参数时变、统过程复杂温度控制系统控制。
4）温度控制系统采用于自适应控制、模糊控制、自校正控制、人工智能等理论在计算机技术、运用先进的算法也适应范围也很广泛。
5）温度控制器具有参数整定功能。
可以借助于计算机软件技术，温度控制器具有控制参数及特性进行自我整定功能。
同时还具有自我学习功能。
6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的优点。
目前，国外温度控制系统与仪表正朝着高精度、智能化、小型化的方向发展。
国内的各个行业对于温度控制系统应用很广泛，但国内生产温度控制器来说，总体发展水平不高，仍和日本、美国、德国这些先进国家的相比仍然有着比较大差距。
目前，我国在这方面水平还处于20世纪80年代中后期，成熟的产品主要以“点位”控制及常规PID控制器为主，但是它只能适用于一般温度系统控制，不容易控制滞后、复杂、时变温度系统。
却能适应于较高控制场合的自适应和智能化控制仪表，单国内还不十分成熟。
伴随着科学技术不断发展，人们对温度控制系统要求变得越来越高，因此，人性化、智能化和高精度的温度控制系统是国内外发展的必然趋势。
1.3系统要求与工艺流程
利用监控软件对工作现场温度进行监测，把现场实时数据传输到控制室，通过监测画面对于电炉进行控制。
当电炉温度达到设定报警温度，电炉停止加热，停止5分钟电炉门打开，把物料传送到冷却区，然后开始进料，电炉进行加热。
由于是对金属物件进行加热所以对于温度要求不高，所以将不采用PID控制。
图1-1热处理控制总图
图1-1为PLC热处理控制总图，金属物料通过进料门A门进料，在加热炉进行加热，加热完毕通过进料门B门，到达传送装置，通过传送带传输到达出料门C门，进入冷却炉等待到达常温状态，通过出料门D。
如果在加热过程中出现物料出现损坏，通过进料门B，到达事故门直接传输出去。
该系统流程：
首先A门升起，金属物料由电机带动拉杆推入，到B门以后，由B门推杆推进冷却炉，再由C门推杆推到D门处，由D门拉杆推出来。
通过手动调整，将A、B、C、D四个拉杆回复至后限位，同时将A、B、C、D门下降至下限位，出料口没有物料，完成自动流程初始状态；启动系统，A门打开将物料送入加热炉进行加热，待到温度达到设定值停止加热，等待5分钟，B门打开将物料传送至C门，C门打开将物料推送至冷却炉，等待温度下降，B门打开将物料推送出去。
如果出现故障进行检修，总停设备停止运行，进行人工检查、维修。
2硬件概述
2.1PLC简介
PLC又被称为可编程逻辑控制器，它采用的存储器，是可以在其内部进行编程，然后计算机对于内部存储的程序进行提取，从而让机器去执行我们设定的操作等指令，而且我们也可以对其内部的程序进行提取，进行进一步的修改，让它去满足我们的控制要求。
PLC的编程语言是梯形图，然而由于每个厂家生产的PLC不同，它们汇编语言也有一定的差别，但是这种差别只是在汇编语言上的表现形式上，他们的本质内容是没有变化的。
所以我们在转换PLC的时候，要看它的所属的那种汇编语言，然后把相应的东西转换过去就可以了。
同时现在的PLC还有通讯功能，可以实现数据信息的交换。
我们未来的设想就是把PLC与网络连接起来，让我们可以真正意义上的通过网络实现对PLC的控制，让现在网络就可以是一个大的监控环境，而不是只是进行简单的数据交换，信息共享等功能，实现真正意义上的自动化。
2.2PLC结构
PLC的硬件部分由CPU、输入输出模块、接口模块和电源模块等构成。
PLC的CPU就像我们人类的大脑，算是中枢模块，主要负责运算、计数、计时等功能，在控制之中站着无比重要的位置。
而其它模块就像我们的四肢和一些器官，听从CPU的指令，按照CPU的指令进行运转，输入输出模块主要负责传输作用，而不是具体执行什么命令，但是它确实必不可少的，我们的电源模块就像后备保障中心，为整个系统正常运行提供保障，特别是在断电的情况下。
2.3PLC类型
PLC的类型可以按照大小划分、按照厂家划分和按照结构化分。
按照大小划分就是PLC的控制点数的多少进行划分的，控制点数小的一般为小型机，控制点数在500以上，10000点以下的我们叫做中大型机，而点数大于10000以上的就是超大型机了。
按照厂家划分就更加容易理解了，由不同公司生产的PLC，它们的类型也不尽相同，多多少少会有些差别，无论是性能还是质量价格上也会有所不一样，所以我们进行设计的时候，一定要了解清楚我们的设计要求，然后实地考察，总后进行选取哪种类型的PLC。
按照结构划分，PLC分为箱体式和摸款式两种类型。
箱体式的一般为微型机、小型机，因为箱体式把PLC的电源、内存、CPU、I/O系统都集中在一个小箱里，一个机箱就是一个完整PLC，就可以实现控制。
如果控制点数不足，还可以扩展箱体，一个主箱体和若干扩展箱形成大的系统，从而实现对于多点控制。
PLC的模块式是按功能划分成若干模块，如输入输出模块、电源模块、CPU模块等。
现在模块功能趋于单一化，但是种类增多了，这样便于系统配置，让PLC得到更多的利用，已达到更多的效益。
模块组成系统有三种方法：
1）没有底板，靠的是模块之间的接口直接连接，然后固定到相对应的导轨上，这样比较紧凑。
2）安装底板，所有的模块固定在底板上，这样的方法比较牢靠，但是底板槽数是有限的，槽数和实际模块数不统一，所以配置时可能有空槽。
这样既浪费，又占空间，还要把多余的槽块进行填充。
3）用机架替代底板，模块都固定在机架上。
但是这种结构复杂，却更加牢靠。
所以一些特大型机都用这种结构。
4）台达的PLC是集所有模块于一体的。
2.4PLC简史
从PLC的出现到现在短短几十年间，PLC的发展很是迅速。
子1968年美国通用公司提出新的控制要求以后，1969年美国数字公司就研究成功，世界上第一台PLC诞生为PDP-14，美国的通用公司是世界上第一个把PLC用在生产线上的公司，它的成功应用标志着PLC首次在工业中使用。
20世纪70年代初期，微处理器诞生了，它让PLC有了更多的功能，这个时候就是真正意义上的控制编程器，因为这时它包含了运算和数据传送的功能。
20世纪80年代初期，PLC已经在这个世界上工业比较发达的国家得到广泛的应用，而对于PLC的需求也日益增多，这也标志着PLC进入成熟期。
20世纪80年代到90年代可以说是PLC发展最为迅速的年代，也可以说是上升年代，因为个人计算机的发展也有巨大的带动作用，所以在以后的控制构成领域里面，PLC逐渐代替了DCS的统治地位。
20世纪末期，为了适应行业的需求，满足行业生产要求，PLC家族出现了两个极端的发展，一个就是大型化还有一个就是小型化。
同时还衍生出了一些新的功能，便于人们更加方便的操作。
3软件概述
3.1组态王简介
显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
组态王软件是一种工业监控软件，融合了控制设计、工厂资源管理与现场操作于一体，同时将企业内部各个生产系统和应用信息交换集中在一起，从而实现最优化管理。
还可以基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户还可以在企业的网络各个层次所有位置都能第一时间获得系统实时信息。
用组态王软件去开发工业监控，就能大大增强用户对于生产的控制力、提高生产力和工作效率、增强产品质量，从而减少成本和预料的消耗。
它还试用单一设备生产运营与故障自诊断，网络大型网络结构分布式集中监测控制管理系统的开发。
组态王软件的构成是由工程管理、运行系统和工程浏览三个部分组成。
工程管理器：
工程管理器主要负责新工程创建以及已经存在的工程进行管理，对于已经存在的工程进行搜索、备份、添加、和回复同时能实现数据词典导入与导出的功能。
工程浏览器：
工程浏览器是个管理工程开发设计的工具，并用于创建监测画面、监测设备的相关变量、命令语言、动画链接、报警控制及设定运行系统的配置等的工具。
运行系统：
运行系统是工程运行界面，通过采集设备的通讯数据，显示动态画面，从而实现人和设备控制的操作信息。
3.2组态王和I/O设备
组态王软件是一个开放型的工业监测软件，它支持国内外常见的智能模块、变频器、数据采集卡、智能仪表、PLC等（如：
欧姆龙PLC、台达PLC、三菱PLC、西门子PLC、莫迪康PLC、研华模块等）通过常规通信接口（如以太网、总线、串行方式、GPRS、USB接口方式等）进行数据通信。
组态王软件和I/O设备通信是通过调用*.d11d动态库实现的，但是不一样的设备、协议相对的动态库也不相同。
所以工程开发人员没有必要关心动态库代码和设备通信协议，只需要按照组态王提供的设备来定义向导就行，这样就能定义工程中要用的I/O设备，还可以通过定义变量去实现和I/O设备的连接，这样对于用户来说很简单又很方便。
3.2组态王仿真方法
1）对图形界面进行设计，图形画面可以将抽象的感念模拟到工业现场与相应的设备相连接。
2）构建数据库，就是创建一个具体数据库，通过这个数据库中的变量来表述被控制对象的各种属性，例如温度、流量、水位等等。
3）建立动画连接，通过动画连接对画面上的图像进行动画模拟，模拟现场设备的运行，同时可以让操控者可以通过监控进行控制。
4）打开组态王你所要监控的画面，运行系统进行实时监控。
4硬件的选型与设计
4.1PLC控制的设计原则
1）最大限度满足被控制对象要求，使得充分发挥PLC功能，这是PLC设计中的最重要一条原则。
2）确保PLC控制系统安全可靠，能够长期稳定运行，这也是设计PLC控制系统重要原则。
这要求工程师们从设计、元件选择、软件编程上全面考虑问题，从而确保控制系统稳定运行，即使在非正常情况下也可以正常运行。
3）要求经济、简单、使用和维修方便，因为一个新的控制工程能提高产品数量和质量，能带来巨大经济效益，但是新工程投入、设备维护、技术培训使得资金投入增加。
所以，在满足控制的要求下，一方面要不断的扩大工程效益，同样也要注意不断降低工程成本。
这样就要要求设计人员，不但要使控制系统简单、经济，也需要使控制系统维护与使用方便、成本低，不要一味的追求自动化与高指标。
4）适应发展需要，因为科学技术的发展迅速，控制系统要求不断提高，所以设计时要考虑到今后的控制系统发展与完善的需要。
这样就要求设计者选择PLC、I/O点数、输入/输出模块和内存容量的时候，就要适当留有余量，从而满足今后生产需要和工艺改进。
4.2PLC控制设计步骤
由于PLC工作方式比较独特，所以PLC的设计有以下特点：
1）首先要确定被控制对象和控制范围，通过了解被控制对的基本要求，从而确定要完成的动作顺序，总结出工作流程以及循环状态。
2）PLC的型号选定，根据现场生产要求，研究被控制对象的复杂度，进而确定I/O类型和I/O点数的统计，列出报表。
同时对于内存容量惊醒估计，留有余量便于今后扩展但又不浪费资源。
结合市场要求，实地考察，选用即实用性能又满足要求的PLC机型。
3）硬件设计主要是根据选择的PLC，了解其功能之后，结合实际情况，对外电路进行设计，然后绘制电气控制系统的总装配图与接线图。
4）在硬件设计的时候同样也要着手软件的设计，软件的设计工作主要是按照控制要求设计相对应的梯形图，这也是PLC程序编写的具体表现。
在设计中要标明用途，方便以后查阅。
模拟调试是将设计好的程序，通过编辑工具下载到PLC控制单元。
在外接信号源加入测试信号，通过观察各个指示灯的状态，来了解程序的运行状况，在观察输入/输出是否满足条件，如果不满足条件，及时对于程序进行修改调整，知道满足条件为止。
5）现场调试是在模拟调试完成之后，各项要求都符合条件的情况下，与现场设备进行连接，查看现场运行情况，有不适合的地方及时修改，。
调试完成后把程序固化在有长久记忆功能的储存器里，然后被分两份以上。
流程图看3-1
3-1.PLC控制设计步骤图
4.3PLC型号与硬件配置
4.3.1PLC型号选定
这里我们选用台达PLC，台达PLC也可以叫做台达可编程控制器、台达可编程等，台达PLC是专门为工业自动化设置的、可以实现数字操作运算的电子装置。
台达的编程存储器，可在内部实现逻辑运算、计时、运算、计数、顺序运算与算数运算等操作指令，并且可以通过模拟是与数字式的输入与输出控制各类型的机械或生产流程。
台达PLC是将所有的外围设备集为一体，时期扩展功能更为简单原则设计的。
台达PLC的特点有以下6点：
1）抗干扰能力强，可靠性强。
它的硬件措施：
主模块采用超大规模集成电路，无触点电子存储器完成大量的开关动作，I/O系统的设计确保了通道保护与信号调理电路的完善。
对CPU、电源变压器、编程器等主要硬件，用导磁性、导电性好的材料进行屏蔽，阻挡外界干扰。
对于输入电路及供电系统采取多种滤波方式。
电源的保护与调整是对微处理器所需要的+5v电源进行多级滤波，，采用集成电压调整，从而适应交流电网中的过电压、欠电压与波动的影响。
隔离措施是采用光隔离，有效隔离CPU和I/O接口之间的电的联系。
模块式的结构能使得在发生故障时，短时间修复。
软件措施：
对于故障进行自检测功能，软件会定时的检查工作环境，例如欠电压、过电压、电池电压过低、掉电及干扰信号等，以便及时的处理。
信息的保护与恢复是必不可少的，故障是不可避免的，发生故障时不会破坏PLC内部信息。
然而故障一旦解除机器就可以正常运转。
设置警钟就是程序进入死循环就会立刻产生报警。
程序的检查与校验是程序一旦出现错误，就会立即报警，程序停止运行。
后备电池是如果遇到停电的时候，可以利用后备电池，确保信息不会丢失。
2）使用方便，通用性强。
用户不需要自行设计硬件装置，因为设备包含各个类型PLC品种的硬件装置，能满足控制系统，只要改变控制程序就可以。
3）适应面广，因为现在的PLC包含了各种功能，小到对于一台机器的控制，大到可以控制一个生产过程。
4）易于编程。
现在的PLC控制是采用梯形图的形式，可以直观清晰的表达出控制要求，满足现在工厂工作人员的读图习惯。
5）设计时间减少了，施工量减轻了。
因为PLC内部的软件代替了时间继电器、中间继电器、计数器、运算器等器件，对于控制柜的要求也就减少了。
同时因为是模块化，所以维修起来更加便捷。
6）质量轻、体型小能耗低。
PLC是采用微电子设备，所以结构紧凑，牢固、质量轻、体型小。
4.3.2热电偶
热电偶分为多种类型，每一种的热电偶的功能各不相同，但是热电偶作为工业中经常使用的测量温度的东西，一定要具备以下几点要求，1.对于温度的测量精度一定要高，如果偏差大，将会导致许多问题。
2.响应时间要短，以便能够快速的做出反应。
3.对于温度检测范围要广，并且可以进行连续检测。
4.一定要可靠，耐使用性强，容易安装。
PT100为铂热电阻，它的阻值是随着温度变化而变化的。
PT100的100是指它的温度在0度的时候，它的阻值为100欧姆。
4.3.4可控硅
可控硅又称晶闸管，它具有三个PN结，四层结构的大功率半单体器件。
它的体积小，结构简单，功能强的特点使它成为比较常用的半导体。
它被广泛用于电子产品里面，其主要作用是逆变、变频、整流、无触点开关、调压。
可控硅在控制方面可以使器件从关闭或阻断状态转换为开启或导通状态，反过来它可以使器件从关闭或阻断状态转换为关闭或阻断状态。
现在的可控硅的额定电流可以从几毫安到5000毫安以上，额定电压可达到10000V以上。
4.3.2系统整体方案与硬件连接图
4-1系统总图
4-2硬件接线图
地址
名称
功能
X0
启动按键
按下按键，开始运行
X1
开关按键
按下按键，停止运行
X2
保护按键
按下按键，停止加热
Y0
运行灯
灯亮设备处于运行状态
Y1
停止灯
灯亮设备处于停止状态
Y2
温度状态灯（正常）
灯亮炉温处于正常状态
Y3
温度状态灯（报警）
灯亮炉温过高，非正常状态
Y4
继电器
灯亮电炉处于加热状态
4-3I/O接口地址分布
5软件设计
5.1下位机程序说明
本系统由系统结构与工艺流程图组成，它的工作方式有两种：
一种是自动，一种是手动。
当遇到故障的时候可以直接总停，也可以切换到手动，对设备进行维修。
控制系统的程序有三个部分组成：
自动程序、手动程序、公共程序。
自动程序是调用内部继电器工作，控制循环系统（5-1流程图）。
手动程序是通过控制界面单一的控制各个继电器进行运行。
然而公共程序是对初始状态的检查。
控制系统的工作状态：
自动/手动两种状态。
自动状态是系统初始化以后，等待进入自动流程，点击开始按钮。
系统进入运行状态，各个指示在执行到当前状态的时候运行。
如果系统出现故障就会产生报警，当故障得不到解决的时候，机器停止运转，发生故障的那个位置显示灯频闪红色灯光，待到故障解除之后，点击报警信息消除，系统恢复自运行状态。
如果物料发生损坏，将自动通过事故门，将物料传送出去。
手动状态是通过操作界面，将工作方式调节到手动控制。
按下A门开启，A门上升，当松开时或A门达到限位时自动停止，推杆将物料送进加热炉内，然后退出，按下A门下降，当松开时或达到下限位时自动停止。
其它门的操作也是如此。
5-1控制流程图
5.2程序截图
BOOL
输入
备注
BOOL
输出
备注
M4
SBA1
A门后限位开关
Y4
SEA1
A门进
M5
SBA2
A门中限位开关
Y5
SEA2
A门出
M6
SBA3
A门前限位开关
Y6
SEA3
A门进灯
M7
SBA4
A门上限位开关
Y7
SEA4
A门出灯
M8
SBA5
A门下限位开关
Y10
SPA1
A门上
M9
SQA1
手动A门进开关
Y11
SPA2
A门下
M10
SQA2
手动A门出开关
Y12
SPA3
A门上灯
M11
SQA3
手动A门上开关
Y13
SPA4
A门下灯
M12
SQA4
手动A门下开关
Y14
SPB1
B门上
M13
SBB1
B门上限位开关
Y15
SPB2
B门下
M14
SBB3
B门下限位开关
Y16
SPB3
B门上灯
M15
SQB1
手动B门上开关
Y17
SPB4
B门下灯
M16
SQB2
手动B门下开关
Y40
SEB3
B门进灯
M17
SQB3
手动B门出开关
Y43
SEB4
B门出灯
M18
SQB4
手动B门进开关
Y20
SEB1
B门进
M19
SBB1
B门后限位开关
Y21
SEB2
B门出
M20
SBB2
B门中限位开关
Y22
SEC1
C门进
M21
SBB3
B门前限位开关
Y23
SEC2
C门出
M22
SBC1
C门后限位开关
Y24
SEC3
C门进灯
M23
SBC3
C门前限位开关
Y25
SEC4
C门出灯
M24
SQC3
手动C门出开关
Y26
SPC1
C门上
M25
SQC4
手动C门进开关
Y27
SPC2
C门下
M26
SBC1
C门上限位开关
Y41
SPC3
C门向上灯
M27
SBC3
C门下限位开关
Y42
SPC4
C门向下灯
M28
SQC1
手动C门上开关
Y30
SED1
D门进
M29
SQC2
手动C门下开关
Y31
SED2
D门出
M30
SBD1
D门后限位开关
Y32
SED3
D门进灯
M31
SBD2
D门中限位开关
Y33
SED4
D门出灯
M32
SBD3
D门前限位开关
Y34
SPD1
D门上
M33
SBD4
D门上限位开关
Y35
SPD2
D门下
M34
SBD5
D门下限位开关
Y36
SPD3
D门向上灯
M35
SQD1
手动D门进开关
Y37
SPD4
D门向下灯
M36
SQD2
手动D门出开关
Y70
SEE1
事故门进
M37
SQD3
手动D门上开关
Y71
SEE2
事故门出
M38
SQD4
手动D门下开关
Y72
SEE3
事故门进灯
M39
SQE1
手动事故门进开关
Y73
SEE4
升级会员 