PLC设计加热控制.docx
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PLC设计加热控制
课程设计
课程名称：
PLC课程设计
设计题目：
加热反应炉PLC控制系统的设计
院系：
专业：
年级：
姓名：
指导教师：
年月日
课程设计任务书
专业姓名学号
开题日期：
年3月23日完成日期：
年6月28日
题目加热反应炉PLC控制系统的设计
一、设计的目的
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。
采用PLC来对反应炉进行全自动控制，提高生产效率，并且降低劳动力成本。
二、设计的内容及要求
对反应炉的控制主要分为3个阶段。
第一阶段，送料控制，检测下液面、炉内温度和炉内压力是否小于给定值，若是则开启排气阀和进料阀。
当液位上升到上液位设定值时，关闭排气阀和进料阀。
延时20S，开启氮气阀,氮气进入反应炉，炉内压力上升。
当压力上升到给定值时，关闭氮气阀。
第二阶段，加热反应控制，接通反应炉电源,开始对反应炉加温。
当温度上升到给定值时，切断加热电源。
延时10min，加热过程结束。
第三阶段，泄放控制，打开排气阀使炉内压力降到给定值以下，打开泄放阀，当炉内溶液下降到下液面以下，关闭泄放阀和排气阀。
系统恢复到原始状态准备进入下一循环。
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师（签章）
年月日
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温度控制系统
第1章引言
1.1研究的目的和意义
加热反应炉是工业生产中常用的重要设备，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，给企业带来经济损失。
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。
它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，还能完成少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便。
使用自动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。
1.2国内外研究现状
国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。
我国现有工业锅炉中，很多设备自动化程度不高，热效率在40％左右，随着企业的经济增长模式向依靠技术进步转变，对生产自动化的要求越来越迫切，改变锅炉运行中传统手动、半自动操作方式，实现自动化控制和管理，提高热效率，保障安全运行已经势在必行。
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坯的升温过程的数学模型、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。
我国的加热炉相当一部分还处于基地式仪表控制，表盘显示的水平，软件操作不宜为普通工人所掌握。
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内采取最经济的方式把颅内的钢坯加热到所要求的状态。
可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成自动热处理线的趋势[1]。
第2章控制系统设备简介
2.1PLC的定义
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与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械或生产过程.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。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5.体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备[2]。
2.3PLC的组成
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2.1所示[3]。
图2.1PLC结构框图
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。
2.4PLC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。
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2.2所示的运行框图来表示。
图2.2可编程控制器运行框图
2.5加热反应炉简介
加热反应炉作为一种热能动力设备，在国民经济的领域具有广泛应用。
以继电—接触器为主的老一代控制系统已不能满足现代锅炉越来越高，越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的PLC又是使其计算机化的简便和可靠途径。
在系统中，硬件上采用技术比较的成熟的可编程逻辑控制器，开发了采用PLC的开关量和模拟量输入模块，实现对模拟量采集；方法上运用到的是过程控制中常用的前馈与串级控制方法，保证了系统的稳定性和安全性。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。
温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
故以PLC为基础的生产过程的计算机控制，使的企业总的自动化水平大大提高]
1.加热反应炉的输入输出设备表：
表2.1输入输出设备表
输入设备
输出设备
启动按钮
加热接触器
停止按钮
排气阀
上液面传感器
进料阀
下液面传感器
氮气阀
压力传感器
泄放阀
温度传感器
2.加热反应炉原理图：
加热反应炉整体由四个阀：
排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀，四个传感器：
压力传感器、温度传感器、上液面传感器、下液面传感器，锅炉，加热器及加热接触器等组成。
图2.3加热反应炉原理图
第3章控制系统的设计
3.1PLC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。
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。
3.1.1加热反应炉对电控系统的要求
1.进料控制
加热反应炉开始工作时，首先检测下液面SK1，炉温SK2，炉内压力SK4是否都小于给定值，即是否都为逻辑0，若为0，则开启排气阀KV1和进料阀KV2。
液面上升到设定位置时，使SK3闭合，并关闭排气阀和进料阀，延时20S后，开启氮气阀KV3使炉内压力上升，当压力上升到给定值时（SK4=1），关闭氮气阀，进料过程结束。
2.加热反应控制
当炉温低于给定值时（SK2=0），接通加热反应炉电源接触器KM1；当炉温高于给定值时（SK2=1）,切断加热电源，维持10min，在此时间内炉温实现通断控制，即保持SK2=1
3.泄放控制
打开排气阀KV1，使炉内压力降到起始值（SK4=0），并打开排放阀KV4，当炉内液面下降到下液面时（SK1=0）,关闭KV4和KV1，系统恢复到初始状态，进入下一个循环。
3.1.2I/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3.1I/O地址分配表
输入
地址
输出
地址
启动按钮QA
00000
排气阀YV1
01000
停止按钮TA
00001
进料阀YV2
01001
下液面SL1
00002
氮气阀YV3
01002
上页面SL2
00003
泄放阀YV4
01003
炉内压力
00004
加热丝KM
01004
炉内温度
00005
3.1.3PLCI/O接线图
加热反应炉PLC接线如图3.1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，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。
图3.1PLCI/O接线图
3.1.4PLC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3-2所示的系统控制流程。
按下启动按钮QA后，系统运行；按下停止按钮TA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20S，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10min，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，运算速度快，可靠性高，功能强，输入为干接触式，输出为继电器形式。
综上，其控制流程图如下3.2所示：
图3.2控制流程图
3.2PLC型号的选择及其简介
本温度控制系统采用德国西门子S7-300PLC。
S7-300是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-300系列具有极高的性能/价格比[5]。
3.2.1数字量输入模块与输出模块
数字量输入模块：
数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。
数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。
输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。
数字量输出模块：
SM322数字量输出模块将S7-300的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。
输出电流典型值为0.5~2A，负载电源由外部现场提供。
3.2.2模拟量输入模块与输出模块
模拟量变送器：
生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。
有的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分（例如气体中的含氧量）和频率等。
有的是强电电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率、功率因素等。
变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC0~10V和4~20mA。
SM331模拟量输入模块的基本结构：
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。
SM331也可以直接连接不带附加放大器的温度传感器（热电偶或热电阻），这样可以省去温度变送器，不但节约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。
模拟量输出模块的基本结构：
S7-300的模拟量输出模块SM332用于将CPU送给的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。
模拟量输出模块的技术参数：
SM332的4种模拟量输出参数均有诊断功能，用红色LED指示故障，可以读取诊断信息。
额定负载电压均为DC24V。
模块与背板总线有光隔离，使用屏蔽电缆时最大距离为200m。
都有短路保护，短路电流最大25mA,最大开路电压18V。
3.3系统软件的设计
本温度控制系统的软件的设计过程，是先跟据控制流程图画出梯形图，再由梯形图写
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