基于PLC控制的窯爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 基于PLC的立體保險柜控制系統(tǒng)的設(shè)計 系 （部）： 機械電子工程系 專業(yè)班級： 機械一 姓 名： 湯其東 學 號： 指導教師： 陳洪亮 2013年 4月 6日 前言 PLC即可編程邏輯控制器（可編程控制器件）?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，），它采用一類可的，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

2、可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。1.使用方便，編程簡單2.功能強，性能價格比高3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強4.可靠性高，抗干擾能力強5.系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少6.維修工作量小，維修方便21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，

3、會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制1。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復雜,特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。目錄 爐窯溫度控

4、制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及要求4第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 6選取PLC的類型及容量6溫度傳感器的選擇7 I/O地址的分配 9I/O地址的簡介9系統(tǒng)各元件對應(yīng)的I/O地址.10第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計10S7200軟件的介紹.10程序編輯和調(diào)試 11 總結(jié)22參考文獻.23 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及要求 1.1 任務(wù)描述 在傳統(tǒng)窯爐溫控PLC控制裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種自適應(yīng)的溫控PLC控制實訓裝置，該裝置需要具備以下主要功能：（1）斷窯時自動控制好窯爐溫度（2）實時利用傳感器體現(xiàn)窯爐溫度（3）精確控制所需溫度。邏輯圖如圖1.1（額定值設(shè)置為100-120）：初始化初始化 T80T60100T120

5、100T80T60100T120100T120 Y 定時定時綠燈亮 N N定時定時綠燈亮判斷溫度T60 Y Y Y Y判斷溫度T60 N N紅燈亮報警黃燈亮報警紅燈亮報警黃燈亮報警圖1.1邏輯控制圖 1.2 控制要求 將被控系統(tǒng)的溫度控制在給定值之間，當溫度低于或高于給定值時，應(yīng)能自動進行調(diào)整，當調(diào)整3分鐘后仍不能脫離不正常狀態(tài)，則應(yīng)采用聲光報警，以提醒操作人員注意排除故障。 系統(tǒng)設(shè)置一個啟動按紐-啟動控制程序，設(shè)置綠，紅，黃3個指示燈來指示溫度狀態(tài)。被控溫度在要求范圍內(nèi)，綠燈亮，表示系統(tǒng)運行正常。當被控溫度超過上限或低于下限時，經(jīng)調(diào)整3分鐘后仍不能回到正常范圍，則紅燈或黃燈亮，并有聲音報警，

6、表示溫度超過上限或低于下限。 在被控系統(tǒng)中設(shè)置4個溫度測量點，溫度信號經(jīng)變送器變成05V的電信號（對應(yīng)溫度0100度），送入4個模擬量輸入通道。PLC讀入四路溫度值后，再取其平均值作為被控系統(tǒng)的實際值。 若被測溫度超過允許范圍，按控制算法運算后，通過模擬兩輸出通道，向被控系統(tǒng)送出010V的模擬量溫度控制信號。 PLC通過輸入端口連接啟動按鈕，通過輸出端口控制綠燈的亮滅，通過輸出端口控制紅燈的亮滅，通過輸出端口控制黃燈的亮滅。 系統(tǒng)要求溫度控制在60度80度的范圍內(nèi)，為了控制方便，設(shè)定一個溫度較佳值，并以此作為被控溫度的基準值。另外，還需要設(shè)定輸出控制信號時的調(diào)節(jié)基準量，正常情況下，輸出基準量時

7、被控制溫度接近較佳值。 （3） 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)本次設(shè)計系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設(shè)計。整個控制系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示：整個控制系統(tǒng)是一個相對聯(lián)系的結(jié)合體，但是又可以分開討論。當被控對象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電信號送入PLC模塊。PLC將這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)計算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥的控制，達到溫度的恒溫控制,下面為溫度控制流程圖：爐窯溫度采集 爐窯溫度采集 比較判斷 計算輸出控制NY圖2.1爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖 流程圖是流經(jīng)一個系統(tǒng)的信息流、觀點流或部件流的圖形代表

8、。在企業(yè)中，流程圖主要用來說明某一過程。這種過程既可以是生產(chǎn)線上的工藝流程，也可以是完成一項任務(wù)必需的管理過程。 流程圖作為一種直觀的圖形，對準確了解事情是如何進行的，以及決定應(yīng)如何改進過程極有幫助。畫出正確的流程圖不僅可以幫我們直觀的分析設(shè)計的過程，也能讓我們更清楚明了的看見控制系統(tǒng)運作方向。 系統(tǒng)硬件設(shè)計選取PLC的類型及容量 S7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在

9、大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上?？刂坪诵牟捎梦鏖T子PLC的CPU224，提供數(shù)字量輸入點數(shù)14點，數(shù)字量輸出點數(shù)10點(提供給擴展單元DC5V電流能力為660mA)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關(guān)量輸入輸出點數(shù)的要求。CPU224本身不具備模擬量輸入和輸出單元，SiemensS7-200 主要功能模塊介紹： (1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設(shè)備中。CPU 負責執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸

10、出部分則輸出控制信號,驅(qū)動外部負載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 點.無擴展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一倍,它可以有 7 個擴展模塊,有內(nèi)置時鐘,它

11、有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。CPU226 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226XM 它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標和 CPU226相同。 (2)開關(guān)量 I/O 擴展模塊 當 CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行 I/O 擴 展,I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出

12、模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負載進行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應(yīng)仔細查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進行選擇。 由于

13、本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指標，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表：表2.1模擬量I/O配置表I/O信號信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入*210V/模擬量輸出010V020mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000+32000溫度傳感器的選擇 在此設(shè)計中, 爐窯窯頂安裝兩個熱電偶傳感器進行爐內(nèi)溫度采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳感器的

14、測量范圍為-501600，精度為（1%5%）。1號爐和2號爐的溫度分別由兩個熱敏電阻傳感器進行采集。按照測溫的范圍，選擇熱敏電阻傳感器。熱敏電阻：由具有很高電阻溫度系數(shù)的固體半導體材料構(gòu)成的熱敏類型的溫度檢測元件。熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。熱電偶溫度傳感器的工作原理：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路,當兩個接觸端T T

15、0時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體A、B稱為熱電極。 兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質(zhì)中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導線與顯示儀表相連。流量傳感器是對進入養(yǎng)護爐空氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式V錐流量傳感器FFM61S。工作原理：V錐流量計是由V錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8103Re5107）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。其測量理論是：由于實際流體都具有粘性，不是理想流體，當其在管道中流動時，在充分發(fā)展管內(nèi)流動的前提

16、下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。第三章 I/O地址的分配 3.1 I/O地址的簡介 輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 系統(tǒng)

17、各元件對應(yīng)的I/O地址 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所給資料和設(shè)計任務(wù)要求，現(xiàn)把各元器件對應(yīng)的I/O地址列在下表： 名稱地址名稱地址啟動I0.0綠燈亮Q0.2停止I0.1黃燈亮Q0.3加熱Q0.0警報響Q0,4紅燈亮Q0.1熱敏電阻I0.2 第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 S7200軟件的介紹 S7200 PLC編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。程

18、序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。梯形圖中的錯誤處的下方自動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且錯誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與PLC 連接，此時允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計算機與PLC 斷開連接，此時能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計算機上。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的PLC進行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后在下載到PLC 中。4.2 程序編輯和調(diào)試第五章 總結(jié)通過本學期我的課程設(shè)計，是我們對大大三學習的一次總結(jié)，它是教學計劃中學生必修的最后一個教學環(huán)節(jié)，是教學、科研、工程實踐結(jié)合的重要結(jié)合點。它的主要目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序和方法。通過課程設(shè)計，進行工程知識和工程技能的綜合訓練，使我們一走上工作崗位，就具有較強的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使用的技術(shù)去解決工程實際問題的能力。 四、主要參考