加热反应炉PLC控制系统设计.docx
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加热反应炉PLC控制系统设计
学号
10212408217
毕业设计（论文）
加热反应炉PLC控制系统的设计
教学系：
信息工程系
*********
专业班级：
自动化1082班
****************
二〇一二年五月
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
陶冶
专业班级
自动化1082班
指导教师
陈艳三
工作单位
信息工程系
设计（论文）题目:
加热反应炉PLC控制系统的设计
设计（论文）主要内容：
1．根据工艺过程的要求，设计PLC控制系统的原理图。
2．设计以下部分控制程序：
（1）送料控制
（2）加热反应控制
（3）泄放控制
要求完成的主要任务及其时间安排:
1.查阅不少于10篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告。
2.画出加热反应炉电气控制系统原理图。
3.编制PLC控制的I/O接口接线图。
4.用梯形图编写送料控制，加热反应控制和泄放控制等程序。
5.调试程序，模拟运行。
6.完成正文不少于10000字的毕业论文（设计说明书、5张图纸）。
必读参考资料：
[1]何刚，刘金贵.可编程序控制器在加热反应炉中的应用[J].郑州轻工业学院学报，1999，14：
41-42.
[2]刘广瑞，刘荣福.加热反应炉可视化控制技术[J],中国科技信息，2006，22：
75-80.
[3]吴作明.工控组态软件PLC应用技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2006.
[4]刘广瑞，刘荣福.加热反应炉可视化控制技术[J],中国科技信息，2006，22：
75-80.
指导教师签名：
教研室主任签名：
盖章
毕业设计（论文）开题报告
题目
加热反应炉PLC控制系统的设计
1．目的及意义
加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。
加热反应炉是工业常用的重要设备，过去仅依靠人工经验进行操作，往往存在送料、温度、压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品,造成原料浪费。
然而70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，计算机控制技术的发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，传统继电器控制技术被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代，而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
可编程序控制器PLC以其可靠性高、功能强、控制灵活等特点，已成为目前工业现场环境的首选控制装置。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。
在这方面尤其以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。
成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。
2．基本内容和技术方案：
加热反应炉控制系统主要由上位机的监控部分、PLC系统，信号检测部分及执行机构几部份组成通过在线实时记录、监控和显示数据，传递设备的实时状态，接受并执行系统实时控制命令，通过控制电磁阀开闭，满足系统控制的要求。
控制过程：
第一阶段：
送料控制
（1）检测下液面、炉内温度，炉内压力是否都小于给定值（逻辑值：
小于输出0，大于输出1）
（2）若小于给定值，则开启排气阀和进料阀。
（3）当液位上升到设定值时,应该关闭排气阀和进料阀。
（4）延时一段时间,开启氮气阀,氮气进入炉内,炉内气压上升。
（5）当压力上升到给定值,关闭氮气阀.送料过程结束。
第二阶段：
加热反应控制。
（1）交流接触器KM带电，接通加热炉加热器的电源。
（2）当温度升高到给定值时，切断加热器电源。
（3）延时一段时间后，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值。
（2）打开泄放阀，当炉内液面下降到到液面时，关闭泄放阀和排气阀，系统返回初始状态。
准备进入下一个循环。
3．进度安排：
第3--4周：
调研及方案论证，查阅相关资料，完成开题报告。
第5--7周：
完成PLC的加热反应炉控制的硬件设计。
第8--11周：
完成PLC的加热反应炉控制的软件设计。
第12周：
模拟调试
第13--14周：
撰写毕业设计论文
第15周：
整理论文，答辩
4．指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
郑重声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名：
日期：
摘要
从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。
加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用双闭环调节进行控制。
本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。
首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。
关键词：
西门子S7-300PLC；PLC；温度控制系统
ABSTRACT
Fromthelastcenturyto90inthemid80's,PLChasbeenrapiddevelopmentinthisperiod,PLCcapabilityindealingwithanaloganddigitalcomputingpower,man-machineinterfacecapabilitiesandnetworkcapabilitiesaregreatlyimproved,PLCgraduallyenteringthefieldofprocesscontrol,replacedinsomeapplicationsinthefieldofprocesscontroldominantDCS.PLChastheversatility,easeofuse,wideadaptation,highreliabilityandstronganti-interference,simpletoprogramandsoon.PLCcontrol,especiallyintheindustrialautomationsequencecontroltheposition,intheforeseeablefuture,isnosubstitute.
Temperaturecontrolsystemhasbeenwidelyusedintheindustrycontrolledfield，asthetemperaturecontrolsystemofboilersandweldingmachinesinsteelworks、chemicalplant、heat-engineplantetc.Heating-stovetemperaturecontrolhasalsobeenappliedwidelyinallkindsoffields.Thefurnacetemperatureofheating-stoveisalargeinertiasystem，sogenerallyusingPIDadjustingtocontrol.WiththeexpandingofPLCfunction,thecontrolfunctioninmanyPLCcontrollershasbeenexpanded.ThereforeitismorereasonabletoapplyPLCcontrollingintheapplicablefieldswherelogicalcontrolandDoubleclosedloopcontrolblendtogether.ThedesignhasutilizedthecontrolsystemwithwhichSiemensS7-300PLCcontrolthetemperatureheating-stove.Inthefirstplacethispaperpresentstheworkingprinciplesofthetemperaturecontrolsystemandtheelementsofthissystem.ThenitintroducesSiemensS7-300PLCandthespecificdesignproceduresofthehardwareandthesoftware.
Keywords：
SiemensS7-300PLC；ProgrammableLogicController;Thecontrol
Systemoftemperature;
1绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。
由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
2PLC基本概念
2.1PLC的定义和基本组成
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数运算操作的电子系统，专为在工业应用环境而设计的。
它采用一种可编程的存储器用于其内部存贮程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数及算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机器或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC
可编程控制器的组成:
PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、、底板或机架。
功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。
通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。
（1）CPU模块
CPU是PLC的核心，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO
数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
（2）I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。
信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。
在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。
（3）功能模块
为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。
主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。
（4）接口模块
CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。
接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。
（5）通信处理器
通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。
（6）编程器
编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。
编程器一般分为简易型和智能型两类。
简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。
而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。
操作方便且功能强大。
（7）电源
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
2.2PLC的特点及优势
（1）功能强，性能价格比高：
一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
（2）可靠性高，抗干扰能力强：
PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。
S7-300有极强的故障诊断能力。
PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。
（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。
（4）维修工作量小，维修方便：
PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
（5）体积小，能耗低：
对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。
（6）编程方法简单易学：
梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
2.3PLC的工作原理
可编程控制器的工作原理:
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描【5】。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
PLC工作的全过程可用图2-1所示的运行框图来表示。
图2.1可编程控制器运行框图
3PLC控制系统设计
本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计。
3.1系统工作原理
加热炉温度控制系统基本构成如图3.1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。
图3.1加热炉温度控制系统基本组成
加热炉温度控制实现过程是:
首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。
既加热炉温度控制得到实现。
其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。
3.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤
PLC控制系统设计的基本原则：
（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
（3）保证控制系统安全可靠。
（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有系统的调整和扩充。
PLC控制系统设计的一般步骤：
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。
然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。
最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置【4】。
PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：
（1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。
（2）确定I／O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I／O点数。
（3）选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。
（4）分配PLC的I／O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。
（5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。
由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。
（6）联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。
3.2.1I/O分配表
根据加热反应炉自动控制系统的要求，需要6个输入点，5个输出点，共11个I/O点。
结合PLC实验室现有资源，同时兼顾系统的经济性和技术指标，因此选用西门子S7--300型PLC该CPU基本单元共有8个输入点，8个输出点；它功能简单实用，价格便宜，主要用于小型开关量控制系于横排端子排，继电器输出。
其指令系统完全能达到加热反应炉自动控制系统的要求。
具体的I/O分配表见下表
表3.2I/O地址分配表
3.2.2变量名的定义
系统各部分均进行数据交换、处理和实现数据的可视化必须要做的两项任务:
定义数
据对象和数据对象的属性设置。
表3.3为各项变量的定义和属性设置。
表3.3变量的定义
3.2.3PLCI/O接线图
加热反应炉PLC接线如图3.4所示。
PLC控制系统构成必须和电源、主令装置、传感器设备以及驱动执行机构相连接。
外界输入器件可以是无源触点或是有源的传感器输入。
这些外部器件的两头，一头接到PLC的输入端（例如X0、Xl、…），另一头连在一起接到公共端上（COM端），形成闭合有源回路。
交流供电的S7--300型PLC提供辅助直流电源，供输入设备和部分扩展单元用。
辅助电源容量为250~60mA。
在容量不够的情况下，需要单独提供直流电源。
输出口与执行装置相连接，执行装置主要包括各种电磁阀。
这些设备本身所需的功率较大，PLC一般不提供执行器件的电源，需要外接电源。
由于执行器件都是相同幅值的电磁阀，因此可接同一个COM端。
【2】
图3.4PLCI/O接线图
3.2.4PLC的控制流程
由加热反应炉控制系统实现的功能，结合PLC可以设计如图3所示的系统控制流程。
按下启动按钮SB1后，系统运行；按下停止按钮SB2后，系统停止。
第一阶段：
送料控制，检测下液面SL1,炉内温度ST,炉内压力SP是否小于给定值（都为“0”）若是则开启排气阀YV1和进料阀YV2。
当液位上升到上液位设定值时，SL2=1,应关闭排气阀YV1和进料阀YV2。
延时10S,开启氮气阀YV3,氮气进入反应炉，炉内压力上升。
当压力上升到给定值时，即SP=1,关闭氮气阀。
送料过程结束。
第二阶段：
加热反应控制，接通反应炉电源KM,开始对反应炉加温。
当温度上升到给定值时（此时信号ST=1），切断加热电源。
延时10S，加热过程结束。
第三阶段：
泄放控制，打开排气阀YV1,使炉内压力降到给定值以下（此时SP=0）。
打开泄放阀YV4，当炉内溶液下降到下液面以下（此时SL1=0）,关闭泄放阀YV4和排气阀YV1。
系统恢复到原始状态准备进入下一循环。
本系统设计为条件型顺序控制系统，云霄速度快，可靠性高，功能强，输入为干接触式，输出为继电器形式。
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