PLC在化学反应装置中的应用.docx

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PLC在化学反应装置中的应用

ＰLC在化学反应装置中的应用

摘要

随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展，化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。

在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的,并且在工业中占有非常重要的地位。

本文主要设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统，可编程控制器是一个智能控制器，他有自己的ＣPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。

我们所设计的这个系统,有两种状态一种是自动状态,另一种是手动状态，在这里我们主要对自动进行研究。

系统可以对温度进行及时显示;一旦温度超出给定范围就报警;而且温度的给定值是可以预置，这就给于各种化学物质的反应提供了条件。

整个系统充分利用了现代先进技术,提高了劳动生产率,改善了劳动条件,减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素,而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件,为社会的发展和进步服务。

关键词:

PＬC　化学反应装置PＩＤ　数码显示

AbstractﻫＡlｏngｗithsoｃｉal　ｐrogrｅssａｎd　tｈｅrａpｉdｄevelｏpment　oｆ　avarieｔｙof　ｌiｇht　iｎｄｕｓtry，chｅmicａl,chemｉcaｌ　ｐlants　haｖebecｏｍｅinｄisｐenｓaｂletothenａtionaleｃoｎomyaswell　asgeｎerａtecriticａl　ｔoaｂusｉｎeｓs．Therｅareavａriｅtyｏfｃheｍicａlchｅmiｃaｌ　chｅmicaｌdeｖices,can　bｅ　saidthattheapplｉcatioｎofｃheｍｉcalｐlaｎtisverycommon,　anｄinｉndustryｏccuｐiesａｖeryimporｔanｔposition.　

In　ｔhispaper，designａprogｒaｍmablecontｒolleｒusedｆorthｅ　cheｍicａl　rｅaｃtiondeｖiceintheprｏcessofthe　sｙstem,ｐrｏgrammable　coｎtｒolleｒisanintelｌiｇenｔｃontroｌler,　hehashiｓown　CPUanｄconｔrｏｌｓoftwａrｅ,mainｌytocoｍplｅtethefield　ｄatａ　acquisitｉon,cｏnｖｅｒsiｏn,storａｇｅ，　ａlａrmandcontrol　ｆｕｎctiｏnｓ.　Wｅdesignedthiｓsystem，　therｅaretｗosｔatesｉsautomatｉｃａllya　statｅ,　ｔｈｅoｔhｅristｈeｍanuａlstaｔeｓ，wheｒewemainly　studyｔhｅａutomatｉｃ.Ｓyｓteｍ　cａn　disｐlayｔｈｅtemperatｕｒe　ｉntｉｍe;　onｃethｅtemperatｕｒeexcｅedｓagiｖenｒaｎgeontｈealarm;andteｍperaｔurecａn　beprｅ-gｉvenvalue,ｗｈiｃｈ　givesavａrｉetｙ　ofcheｍｉcal　ｓuｂstancesｔｏpｒovｉdetｈecｏnditiｏnsfoｒthereactｉon.Thｅｗholesysｔem　ｍａdefｕll　usｅofmoｄern　advancedtｅchｎｏlｏｇｙ，toｉmpｒovｅ　ｌａbor　proｄuｃtｉｖity,ｉmpｒｏｖedworｋingcｏnｄitioｎs,reducｉngthe　laｂｏr　intenｓity，notoｎly　can　overｃoｍetｈehumanfａｃtoｒsofinstabiｌity,ｂut　alsｏcａｎabsｏｒbａrtificialｌyａdjustthｅ　advａntａgesofamodeｒnprodｕctionaｎｄmａnａｇｅmentprovidesasｔroｎｇ　strong　ｍａｔerialconditions　ｆor　social　dｅvｅlopmeｎｔａnｄprogｒess.　

Ｋey　worｄs：

PＬC　chemｉcalrｅactionｄevice　PIDdiｇｉtaldiｓpｌａyﻫ

第一章　绪　论……………………………………………………………………………………2

1.1系统介绍

1.2　系统方案论证

1.3可编程序控制器的发展及应用

1.4系统设计方法和步骤

第二章　系统硬件设计…………………………………………………………………………9

2.1系统总电路图

2.2　PLC的型号选择以及硬件配置

２.3系统的I/Ｏ点地址分配以及外部接线图

2．４温度采集处理

2.4．1热电偶的基本知识

2.4.２　ＥM2３1模块

2．4.3　报警电路

２．5数码管显示温度值

2．6　拨码盘给定温度值

2.7温度控制触发电路

第三章系统软件设计…………………………………………………………………………２1

3．1化学反应过程的主程序设计

３.1.1工艺流程图设计

３．１.2系统主程序

3.2PＩD闭环控制系统设计

3.2.1　PID程序设计方法

3.2.2数字ＰID控制原理与参数确定

3.2.3　系统中断程序设计

3．3　数码显示的程序设计

3.4程序清单

３.5系统调试

参考文献………………………………………………………………………………………………2９

附录A　系统梯形图………………………………………………………………………………30

附录B　系统程序清单…………………………………………………………………………..37

致　　谢………………………………………………………………………………………………．42

第一章绪　论

随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展,化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。

在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的，并且在工业中占有非常重要的地位。

下面我设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统,可编程控制器是一个智能控制器,他有自己的CPＵ和控制软件,主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。

我们所设计的这个系统，有两种状态一种是自动状态,另一种是手动状态,在这里我们主要对自动进行研究。

系统可以对温度进行及时显示;一旦温度超出给定范围就报警;而且温度的给定值是可以预置,这就给于各种化学物质的反应提供了条件。

整个系统充分利用了现代先进技术,提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素，而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件,为社会的发展和进步服务。

在系统中我们主要对温度的控制进行比较详细的介绍，由于温度对化学物质来说是个比较重要的参数,在这里必须引起重视！

因此在我们所选择方案中也对温度的控制进行了比较多的讨论。

１.1系统介绍

我们所研究的这个化学反应过程的装置有四个容器组成,容器之间用泵连接,以此来进行化学反应。

每个容器都装有检测容器空满的传感器,2#容器还带有加热器和温度传感器，3＃容器带有搅拌器。

该化学反应过程的工作过程是：

1#、2#容器分别用泵P1、Ｐ2从各自原料库中将其抽到指定液位。

抽完之后传感器发出信号,泵Ｐ１、P2关闭,2#容器化学物质需要加热，因此给2＃容器加热到给定温度值,当温度到达给定温度时，温度传感器发出信号，关掉加热器。

泵P3、P4分别将1#、2#容器中的化学物质送到3#反应器中，同时启动搅拌器，搅拌时间为60S。

一旦3#已经满即1＃、2＃容器抽完的时候。

则泵P３、Ｐ4停止并等待。

当搅拌时间到，P5将混合液抽到产品池4#容器，直到4#容器满即3#容器抽完时。

成品用泵P6抽走,直到４#容器空。

至此，整个过程结束,再次按动启动按钮，新的循环开始。

化学反应过程示意如图1.1,图中ＳＬ２、SL１是指各个容器指定的液位，SＬ1指容器中化学物质被抽完的时候,ＳL2指容器中化学物质满。

图1.1化学装置示意图

1.2系统方案论证

根据我们所说的化学过程，可以得到三个方案。

在三个方案中,由于需对２#容器的物质进行加热，必须还设计一个温度控制系统,对温度进行调节。

方案一的硬件组成有：

单片机；液位传感器；温度传感器；加热装置；泵P１、P2、Ｐ３、P4、P5、Ｐ6；A／Ｄ转换器；D/Ａ转换器;驱动电路;ＬED数码管;晶闸管触发电路等。

基本的工作原理是:

液位传感器、温度传感器检测到液位和温度,传给单片机，而后单片机通过控制泵Ｐ1、P2、Ｐ３、P4、P５、Ｐ6来控制液位；再通过触发电路来调节温度。

温度是一个模拟量需要经过A/D转换之后才能被单片机接受处理,而温度对于化学物质来说是一个重要的参数，需要进行ＰＩD调节,因此单片机处理完数据后,还需要进行D/A转换来控制触发电路，对加热装置进行加热。

方案一原理框图如图1．２所示:

图1.2方案一原理框图

在我们的应用中假如用单片机来进行控制,不仅电路设计过程非常麻烦，而且编程也复杂，抗干扰的能力也很差劲。

如果能把电路设计的更简单点;使编程也通俗易懂些;抗干扰能力变强些;这时我们可以采用可编程控制器进行控制。

PLC比单片机优化在于它的可靠性高，抗干扰能力强；编程简单,易于掌握；功能完善,灵活方便；体积小,质量轻,功耗低；外部电路简单。

方案二的硬件组成是：

PLC;热电偶;变送器；A/D转换模块;加热装置;固态继电器;液位传感器；拨码盘;泵P1、P2、P３、P4、Ｐ5、Ｐ６等。

基本的工作原理是:

PLC从液位传感器那里得到信号,来控制泵P1、Ｐ2、P3、P４、P5、Ｐ６，利用拨码盘预置给定温度值。

通过一个热电偶温度传感器采集到温度数据,通过变送器将其进行放大、冷端补偿、线性化等处理,变成通用A／Ｄ转换模块要求的规范的0—5V模拟电信号，该温度信号经过摸/数转换,变成PLC能接收和处理的数字信号。

把采样的温度和设定值进行比较,当采样值大于设定值时,可编程控制器输出低电平,固态继电器不通,断电降温，反之,通电升温[1］。

方案二如图１.3所示:

图1.3方案二原理框图

但是对于一个化学反应的装置,对温度的精度要求是比较高的,所以必须采用ＰID控制实现，必须设置一个模拟量调节单元。

方案三如图1-4所示：

　　　　　图１.４　方案三原理框图

方案三的硬件组成是：

PLＣ；拨码盘；化学装置；模拟量输入输出、数字量输入输出扩展模块；热电偶；触发电路；泵Ｐ1、Ｐ2、P3、Ｐ4、P５、P6等。

基本的工作原理:

利用PＬC的软件对化学装置中的各个容器中液位进行控制,然后对温度进行PＩD调节,得到偏差来控制加热装置的功效。

用一个加热装置进行加热时，选定热电偶作为温度传感器,通过ＰＬC的模拟量扩展模块热电偶模块对采集到温度数据,模块本身将线性化处理,冷端补偿，它不需要任何外部的变送器或外部电路,一个模块就能完成全部数据采集及数据处理功能[1］。

由PID运算之后，得到一个差值来对晶闸管的功效进行调节。

利用LＥＤ显示管显示采集到的温度值，为了方便对各种化学物质的反应进行控制，决定把给定的温度值可以进行修改。

通过一个拨码盘把数据输入PＬC中进行控制。

1．3可编程序控制器的发展及应用

可编程序控制器简称PＬC（ProgrammableＬogiｃCoｎtrollｅr）。

自196９年第一台可编程序控制器面世以来，经历了30多年的发展，可编程序控制器已经成为一种最重要﹑最普及﹑应用场合最多的工业控制器。

1969年美国的DEC公司制成了第一台可编程控制器，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了极满意的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。

1９71年日本开始生产可编程控制器;197３年欧洲开始生产可编程控制器;１974年我国也开始研制编程控制器。

随着电子技术﹑计算技术﹑通信技术﹑容错控制技术﹑数字控制技术的飞速发展，可编程控制器的数量﹑型号﹑品种以异乎寻常的速度发展。

PＬC是以微处理器为核心,综合了计算机技术﹑自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,它具有可靠性﹑体积小﹑功能强﹑程序设计简单﹑通用灵活﹑维护方便等一系列的优点,因而在电力﹑机械﹑冶金﹑能源﹑化工﹑交通﹑信息等领域中有着广泛的应用,已成为现代工业控制的三大支柱之一。

根据ＰLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型:

（一）开关量逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。

这是PLC的最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器﹑接触器的控制。

（二）模拟量控制

　　PLC中配置有A/D和Ｄ/Ａ转换模块。

其中Ａ/Ｄ模块能将现场的温度﹑压力﹑流量﹑速度等这些模拟量经过A/Ｄ转换变为数字量,再经过PＬC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量）去进行控制或者经Ｄ/A模块转换后,变成模拟量去控制被控对象,这样就可实现ＰＬC对模拟量的控制。

（三）过程控制

　　现代大中型的PLC一般都配有PIＤ控制模块，可进行闭环过程控制。

当控制过程中某一个变量出现差错时，ＰLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程,把变量计算保持在整定值上。

目前,许多小型ＰＬC也具有PIＤ功能。

（四）定时和计数控制

ＰLＣ具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个﹑上千个定时器和计数器。

其计时的时间和计数值可以由用户在编写程序时任意设定，也可以由操作者在工业现场通过编程器进行设定,实现定时和计数的控制。

如果用户需要对频率较高的信号进行计数,则可以选择高速计数模块。

（五）顺序控制

在工业控制中,可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程实现顺序控制。

（六）数据处理

现代的PＬC不仅能进行算术运算﹑数据传送﹑顺序﹑查表等，而且还能进行数据比较﹑数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。

（七）通信和联网

现代PＬC一般都有通信功能,它可以对远程Ｉ/O进行控制，又能实现ＰLＣ与PＬC,ＰLC与计算机之间的通信,这样用PLC可以方便的进行分布式控制[2]。

1.4系统设计方法和步骤

化学反应过程装置控制系统其实相对来说是一个简单的控制系统。

系统具有自动和手动两种工作方式,正常停机时,系统停在初始状态上,即个执行器停，产品池容器空，有紧急情况，能实现急停。

系统还具有故障的检测、显示、报警功能。

在温度的控制过程中，温度给定在0—99度。

系统基本设计步骤如下:

（1）深入了解和分析化学装置中的工艺条件和控制要求。

如控制的基本方式,需要完成的动作（动作顺序、动作条件等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期和单步）。

（２）根据化学装置对ＰＬC控制系统的功能要求和所需要的I/O信号的点数等，选择合适的ＰLC类型。

（3）根据控制要求所需要的用户I/O设备,确定PＬＣ的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。

（４）根据工艺的生产要求画出状态流程图。

（５）由流程图设计梯形图。

设计梯形图是编制程序的关键一步，也是比较困难的一步。

（６）要设计好梯形图，首先应熟悉控制要求，同时还要有电器设计的实践经验。

根据梯形图写程序。

（７）用PLC编程器将程序键入PLC的用户程序存储器，并检查键入的程序是否正　　　　　　确。

系统设计流程框图如１.6：

图1．6系统设计流程图

第二章　系统硬件设计

由我们的设计步骤可见，本系统可以作硬件设计和软件设计两个部分来描述。

我们的硬件部分主要是对各个硬件装置进行介绍,根据化学反应的控制及要求，对ＰLC进行选型和对硬件配置的简单介绍。

型号选好之后，我们来对系统的I/Ｏ点地址进行分配画出硬件电路图。

接着把温度的采集处理以及温度的显示、报警，用拨码盘对温度值的给定和用一个触发电路来控制温度的调节作说明。

2.１系统总电路图

2．2PLC的型号选择以及硬件配置

化学装置是一个要求比较严格的系统装置,因此对于ＰLＣ的选择要求也是很高的。

我们采用的S7-200系列PLC,它的出色表现在以下几个方面:

∙极高的可靠性

∙极丰富的指令集

∙易于掌握

∙便捷的操作

∙丰富的内置集成功能

∙实时特性　

∙强劲的通讯能力

∙丰富的扩展模块

S7-２００系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床,磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

首先我们选取一个液位传感器，对液位进行检测。

由于化学物质腐蚀性大，一般不采用接触式的液位传感器，而应该用非接触式的传感器来测量。

这里我们可以采LB－３５2液位计来测量１#、２#、3#、4#容器的液位。

LB一35２液位计是利用物质吸收

射线原理研制而成的。

安装在各容器中一侧的钴一60放射源，稳定放射出

射线，这

射线通过放射源防护铅罐面向各容器中开设的辐射通道射向对面的闪烁探测器。

一部分

射线被容器中的化学物质吸收，剩余部分照射到闪烁探测器上。

各容器中化学物质越多,吸收

射线越多,照射到探测器上的

射线就越少，反之则越多[3]。

闪烁探测器检测出

射线强度的变化,ＬＢ－3５2把这种强度变化转换成各容器中液面高度的变化,将信号送到R盘显示器上为手动控制时提供液位变化情况,并将信号送到三笔记录仪。

当检测到各容器中液位达到SL2或SL1时,将信号送到PLC控制器、模糊控制液压伺服泵进而控制接触器动作。

调节泵的打开和关闭,达到控制的目的。

化学反应过程控制装置的系统有一个启动按钮（输入）；四个容器液位满（即达ＳL２）检测信号（输入），一个温度传感器（输入）;四个容器空（即达SＬ1）检测信号（输入）;试灯和试铃按钮（输入）；六个电机启动信号（输入）,消铃电铃（输入）；外加拨码盘的8个开关量（输入）;六个泵的接触器（输出）;一个加热器接触器（输出）和搅拌器接触器（输出）；报警灯显示（输出）；报警电铃（输出）;LED数码管的1１个输出接口（输出）。

S7-2０0CPＵ22＊系列PＬＣ共有5种CPU模块。

分别是：

CPU22１、CPU222、CＰU2２4、ＣPU22６和CPU22６XM。

 从以上的分析中可找出满足我们要求的型号,即选择CＰU２24主机,CPU224运算功能强大，性能好，可靠性高。

本机数字量输入１4点，数字量输出10点。

最大可扩展Ｉ/O模块2个,最大可扩展智能模块2个，内置8路PID回路，1个RS-4８５通信接口,为以后远程监控做好准备。

A/D、D/A转换模块各一个。

还要扩展一个数字量输入输出模块EM223，它是一个16输入１６输出的模块。

有一个温度的模拟量输入，因此需要选择一个模拟量输入模块。

EM231模拟量输入模块,具有4个模拟量输入通道，1６位A／D转换器,转换时间小于25０μs,数据字格式可单极性也可双极性,单极性０～3２０00,双极性-3２０００～＋32000。

经过PID调节之后，有一个模拟量的值要输出，于是我们可以选择EM232模拟量输出模块，其模拟量输出点数为２点,数据字格式与EM231模块类似。

系统模块连接方式如图２．2下，具体的模块地址如表2.1:

　　　　图2．2系统模块连接方式

表２．１　CPU及扩展模块的地址

2.３系统的I／Ｏ点地址分配以及外部接线图

PLC控制系统最重要的其实还是外部电路，也就是要画出外部接线图。

表2.２是本系统的Ｉ／O地址分配表，它是根据系统的功能和前面所选的CＰU的模块型号以及扩展模块的型号来进行分配的。

表２.2输入输出分配表

符号

名称

功能

Ｉ／Ｏ地址

SＢ0

开关

自动启动

I0.０

ＳQ1

液位传感器

1#容器满检测

I0.1

ＳQ2

液位传感器

1#容器空检测

I０.2

SQ3

液位传感器

２#容器满检测

I0．3

SQ4

液位传感器

2＃容器空检测

I0.４

ＳQ5

液位传感器

3#容器满检测

Ｉ0.5

SQ6

液位传感器

3#容器空检测

Ｉ0.6

SQ７

液位传感器

4#容器满检测

I0．7

ＳQ8

液位传感器

4#容器空检测

I1.０

ＳQ９

温度传感器

超出温度标定范围

I１.2

SＢ1

按钮

检测试灯、试铃好坏

Ｉ1.４

SＢ２

按钮

消铃

I１.５

BCD

拨码盘

输入温度给定

I2.0~I2．7

ＫＭ1

接触器

１＃电机运行

Q0.０

KM2

接触器

2＃电机运行

Q０.1

KM３

接触器

3#电机运行

Q0.2

KＭ4

接触器

4#电机运行

Q０.3

KM５

接触器

5#电机运行

Ｑ0.4

KM６

接触器

6#电机运行

Q0．5

KM７

接触器

搅拌电机运行

Q0.6

HL8

指示灯

报警时闪烁

Q０.7

电铃

报警时响

Q1.0

本系统的外部接线如图２.３所示,CＰＵ２２4的传感器电源２４V（DC）可以输出600ｍA电流，通过核算在本系统中满足要求，CＰＵ２24的输出继电器触点容量为2A,电压范围为5~30V（ＤC）或5~2５0Ｖ（ＡC）,在PＬC的输入输出中要采取保护措施。

对于数字量输入输出扩展模块223,输入接两个拨码盘,作为温度值的控制,而输出只是对LＥD数码管进行连接;模拟量输入模块是接一个热点偶，模拟量输出模块接一个触发电路进行温度调节,这在后面的几节中已经画出,这里就不再画了。

图２.3系统外部接线图

2.４温度采集处理

在这一节中，我们主要介绍热电偶与热电偶智能模块EM231,然后对EM231模块与EM2３５模块进行了比较,最终选择EM231作为我们的温度采集处理模块。

当温度超过标定范围，系统要采取报警,因此还需要设计一下报警电路。

2．4.１热电偶的基本知识

热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。

它具有测温精度高,在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好,测温范围宽，响应时间较快等特点。

所以采用热电偶来检测温度是再理想不过了。

任何两种金属，其连接处都会形成热电偶。

热电偶产生的电压与连接点温度成正比。

这个电压很低，

可能代表若干温度值。

测量从热电偶来的电压，对外部连接点进行补偿，然后将测量值线性化。

2.4.2　EＭ231模块

在温度采集和控制系统中，温度传感器采集到的温度信号大都是微弱的模拟电信号,要经过一系列的转换，包括放大、Ａ/D转换、冷端补偿、线性化处理、数字滤波等,才变成了计算机能够接收和处理的有效的数字信号。

在PLC温度控制系统中,有很多用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。

在这种系统中,由于通用Ａ/D转换模块不具有温度数据处理功能,温度传感器采集到的微弱毫伏电信号不能直接送给PLC的A／D转换模块,必须由外部温度变送器将温度信号进行放大、冷端补偿、线性化处理，再送到Ａ/D转换模块的模人通道，转换为规范的数字信号供PLC处理。

在S7—20０PＬC中可以扩展通用Ａ／D转换模块EＭ２35，它是一个4输入/l