工業(yè)加熱爐裝置PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)加熱爐裝置 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名:叢葉斌班級(jí):電氣 0802 學(xué)號(hào):08140206目錄一:工藝情況介紹 . 11. 被控對(duì)象工藝流程描述 . 12. 工藝過程簡(jiǎn)介 . . 2二:西門子 S7-300系列 PLC 的介紹 . 3三 :S7-300PLC硬件選型 . 4四:程序設(shè)計(jì) . . 51. 模擬量輸入 (AI的設(shè)計(jì) . 52. 模擬量輸出 (AO的設(shè)計(jì) . 63. 數(shù)字量輸入(DI 的設(shè)計(jì) . 64. 數(shù)字量輸出(DO 的設(shè)計(jì) . . 7 五:總結(jié) . . 7 參考文獻(xiàn) . . 7一:工藝情況介紹1. 被控對(duì)象工藝流程描述所選被控對(duì)象為過程工業(yè)領(lǐng)域常見的加熱爐單元, 通過加熱爐對(duì)流傳

2、熱與輻 射傳熱將一定流量的物料 A 加熱至工藝要求的溫度。 待加熱物料 A 經(jīng)由上料泵 P1101泵出,分兩路,其中一路進(jìn)入換熱器 E1101與熱物料換熱后,與另外一路混合,進(jìn)入加熱爐 F1101的對(duì)流段。進(jìn)入換熱器 E1101的待加熱物料 A 走管程,一方面對(duì)最終產(chǎn)品(熱物料 A 的溫度起到微調(diào) (減溫的作用,另一方面也能對(duì)待加熱物料 A 起到一定的預(yù)熱作用。加熱爐對(duì)流段由多段盤管組成, 爐膛產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^管間, 與 管內(nèi)的物料 A 換熱,回收煙氣中的余熱并使物料 A 進(jìn)一步預(yù)熱。對(duì)流段流出的物料 A 全部進(jìn)入 F1101輻射段爐管, 接受燃燒器火焰的輻射熱 量,達(dá)到所要求的高溫

3、后出加熱爐, 進(jìn)入換熱器 E1101殼程, 進(jìn)行溫度的微調(diào)并 為冷物料預(yù)熱,最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。2. 工藝過程簡(jiǎn)介待加熱物料 A 流量為 F1101,溫度為常溫 20,經(jīng)由上料泵 P1101泵出。 流 量管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥 V1101,調(diào)節(jié)閥有前、后閥 XV1101和 XV1102,以及旁路閥 HV1101。待加熱物料 A 被分為兩路, 一路進(jìn)入換熱器 E1101預(yù)熱, 預(yù)熱后與另外一路 混合進(jìn)入加熱爐。兩路物料 A 管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥 V1102和 V1103。正常工況 時(shí), 大部分待加熱物料 A 直接流向加熱爐對(duì)流段, 少部分待加熱物料 A 流向換熱 器,其流量為

4、 F1102。燃料經(jīng)由燃料泵 P1102泵入加熱爐 F1101的燃燒器,燃料流量為 F1103,燃 料壓力為 P1101,燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥 V1104?？諝饨?jīng)由變頻風(fēng)機(jī) K1101送入 燃燒器,空氣量為 F1104。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒,產(chǎn)生熱量使輻射段爐 管內(nèi)的物料 A 迅速升溫。 燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱, 在對(duì)流段進(jìn)行余熱回收。 對(duì)流段煙氣出口處的煙氣溫度為 T1105。煙氣含氧量 AI1101設(shè)有在線分析 檢測(cè)儀表。煙道內(nèi)設(shè)有擋板 DO1101。出對(duì)流段、入輻射段的物料 A 溫度為 T1102。從輻射段爐管出來的溫度為 T1103的高溫物料 A 進(jìn)入換熱器 E1101,進(jìn)行

5、溫度的微調(diào)。最終產(chǎn)品(熱物料 A 的溫度為 T1104,流量為 F1105,出口管道上設(shè)流量調(diào)節(jié)閥 V1105。爐膛壓力為 P1102,爐膛中心火焰溫度為 TI1101,為紅外非接觸式測(cè)量, 僅 提供大致溫度的參考。工藝流程圖中的儀表及操作設(shè)備說明如下: 3. 開關(guān)閥 4. 手操閥二:西門子 S7-300系列 PLC 的介紹模塊化中小型 S7-300PLC 。它具有高速的計(jì)算能力,完整的指令集,多點(diǎn) 接口(MPI 和通過 SINEC LAN的連網(wǎng)能力;內(nèi)置功能,綜合的診斷能力,推出 的口令保護(hù), 簡(jiǎn)便的連接系統(tǒng)和無(wú)限的插入模塊組態(tài), 使系統(tǒng)組態(tài)處理更加方便 ; 極快的指令處理速度, 縮短了循環(huán)

6、時(shí)間; 高性能模塊和多種 CPU 為各種各樣的需 求提供了合理的解決方案; ;模塊擴(kuò)展能力最多可增加到 3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER , 極 高的安裝密度,背板總線安裝在每個(gè)模塊中,預(yù)先接線系統(tǒng)(TOP 接線 ,減少 了所需空間和費(fèi)用; 為連接 SIMATIC 系列各種部件提供了接口, 內(nèi)置的人機(jī)接口 (HMI 服務(wù), 對(duì)用戶友好的 Windows STEP7 Mini 編程軟件和功能強(qiáng)大的編程器。 S7-300是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合和擴(kuò)展。 它的主要組成部分有機(jī)架 (或?qū)к?、電源模塊、中央處理單元模塊、接口模塊、 信號(hào)模塊、功能模塊和通信處理模塊等。S7-300的機(jī)架是特

7、制的不銹鋼或鋁制異型板(稱為導(dǎo)軌 ,它的長(zhǎng)度有 160mm 、 482mm 、 530mm 、 830mm 、 2000mm 五種,可根據(jù)實(shí)際需要選擇。電源模塊 和 CPU 等都可以方便的安裝在導(dǎo)軌上。 除 CPU 模塊, 每塊信號(hào)模塊都帶有總線連 接器,安裝時(shí)先將總線連接器裝在 CPU 模塊上,并固定在導(dǎo)軌上, 然后將各模塊 裝入,通過背板總線將各塊從物理上和電氣上連接起來即可。電源模塊用于將 AC 120V/230V電源或 DC 24V轉(zhuǎn)換為 DC24V 和 5V 電源,供 CPU 、 I/O模塊、傳感器和執(zhí)行器使用。它與 CPU 模塊和其他信號(hào)模塊之間通過 電纜相連,而不是通過背板總線連

8、接。CPU 模塊種類很多, 它除了完成執(zhí)行用戶的程序外, 還為背板總線提供 DC 5V 電源, 并通過 MPI 與其他中央處理器或編程裝置通信。 它的編程裝置可以是西門 子專用編程器,也可以是通用微機(jī), 配以 STEP7軟件包, 與 MPI 卡和 MPI 編程電 纜構(gòu)成。接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架。信號(hào)模塊是模擬量輸 入、輸出模塊和數(shù)字量輸入、 輸出模塊的總稱, 他們是不同的過程信號(hào)電壓或電 流與 PLC 內(nèi)部的信號(hào)電壓匹配。S7-300PLC 的信號(hào)模塊種類有:數(shù)字量輸入 SM321和數(shù)字量輸出模塊 SM322、 數(shù)字量輸入、輸出模塊 SM323、模擬量輸入模塊 SM331

9、、模擬量輸出模塊 SM332和模擬量輸入、輸出模塊 SM334和 SM335。模擬量輸入可以是熱電阻、熱電偶、 DC420mA等多種類型和不同量程的模擬信號(hào)。每個(gè)信號(hào)模塊都配有自編碼的螺 栓鎖緊型前連接器,外部信號(hào)可方便的連接在信號(hào)模塊的前連接器上。功能模塊主要用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存儲(chǔ)計(jì)數(shù)量較大的過程信號(hào)處理任務(wù)。S7-300PLC 的功能模塊有：計(jì)數(shù)器模塊 FM350-1/2 和 CM35、快速/慢速進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 位置控制模塊 FM351、電子凸輪控制器模塊 FM352、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模塊 FM353、 伺服電動(dòng)機(jī)控制模塊 FM354、定位和連續(xù)路徑控制模塊 FM357-2、稱重模塊 SIWAREX

10、U/M 和智能位控制模塊 SINUMERIK FM-NC 等。 通信處理器模塊是一種智能模塊，它用于 PLC 之間、PLC 與計(jì)算機(jī)和其他智 能設(shè)備之間的通信，可以將 PLC 接入 PROFIBUS-DP、AS-I 和工業(yè)以太網(wǎng)，或用于 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。通用處理器可以減輕 CPU 通信處理之間的負(fù)擔(dān)，并減少用戶 對(duì) 通 信 的 編 程 工 作 。 S7-300PLC 有 多 種 用 途 的 通 信 處 理 模 塊 ， 如 CP340 、 CP342-5DP、CP343-FMS 等其中，既有對(duì)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì)模塊，也有為 PLC 上網(wǎng)到西門子的低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng) SINEC L2 和高速 SI

11、NEC H1 網(wǎng)而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口 模塊。 S7-300PLC 的特點(diǎn)： 1. 高度模塊化結(jié)構(gòu) 2. 指令集功能強(qiáng)大 3. 能夠滿足多樣化和個(gè)性化的需求 三:S7-300PLC 硬件選型 硬件主要包括下位機(jī)和上位機(jī)的硬件，共同構(gòu)成一個(gè)小型的控制系統(tǒng)。下位 機(jī)與上位機(jī)之間通過 MPI 協(xié)議通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)下位機(jī)的設(shè) 計(jì)，此次下位機(jī)采用 PLCS7-300。 下位機(jī)的硬件作為控制系統(tǒng)的核心，選用 PLCS7-300 可以提供強(qiáng)大的控 制、網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)功能，以及良好的擴(kuò)展能力和通訊能力，用以實(shí)現(xiàn)分布式的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)。該 PLC 選擇為: (1CPU 模塊：采用 S7-315-2-DP

12、具有 48KB/64KB,內(nèi)置 80/96KB 的裝載存儲(chǔ) 器（RAM） ，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)展裝載存儲(chǔ)器，最大容量為 521KB，指令執(zhí)行 速度為 300ns/二進(jìn)制指令，最大可擴(kuò)展 1024/2048 點(diǎn)數(shù)字量或 128/256 個(gè)模擬量通道。具有中到大容量存儲(chǔ)器和大規(guī)模 I/O 配置的 CPU。主要 用于執(zhí)行用戶程序，控制 I/O 模塊和上位機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)中根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)和程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度選擇上述 CPU 模塊。 (2電源模塊：選擇 PS307 系列電源模塊。它是西門子公司為 S7-300PLC 專 配的直流 24V 電源，可安裝在 PLCS7-300 的專屬軌道上，它具有防短路 和斷

13、路保護(hù)，輸入輸出之間有可靠的隔離特性，可用作負(fù)載電源。通過 背板總線像個(gè)部分供電。 (3接口模塊：選擇 IM361 接口模塊，它具有特性直流 24V 電源。用于各部 分之間的通信。 (4I/O 模塊：選用 SM322 系列的模塊。它包括數(shù)字量、模擬量模塊，用于 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口。 通過上述選擇的模塊構(gòu)成一個(gè)控制的 PLC 系統(tǒng)達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)要求的下位機(jī) 控制。上述選擇是合理且可以達(dá)到要求的。 4 四：程序設(shè)計(jì) 1.模擬量輸入(AI的設(shè)計(jì) 在工業(yè)控制中，當(dāng)輸入量是模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如電動(dòng)電磁閥和變 頻器等）要求 PLC 輸出模擬量信號(hào)，而 PLC 得 CPU 職處理數(shù)字量。模擬量首先被 傳感器和

14、變送器轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)量程的電流和電壓， 例如 4 到 20MA， 到 5V,0 到 10V。 1 PLC 用 A/D 轉(zhuǎn)換器將他們轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。 此次設(shè)計(jì)中被控對(duì)象是加熱爐單元，根據(jù)其工藝流程，其具有模擬量輸入， 必須應(yīng)用量化使其得到 CPU 可以處理的信號(hào)。 在進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)應(yīng)考慮變送器的輸入 輸出量程，找出被測(cè)物理量與數(shù)字量的關(guān)系。設(shè)計(jì)中的加熱器 PT1101 其就是模 擬量，以使其量化。量化的原理公式為： 數(shù)字量=數(shù)字量范圍/物理量范圍乘以（物理量-物理量下限）+數(shù)字量 下限 本次設(shè)計(jì)中假設(shè)（PT1101）量程為 0 到 10MPa 的壓力變送器的輸出信號(hào)為 DC4 到 20MA,模擬量輸入模塊

15、將 0 到 20MA 的轉(zhuǎn)換為 0 到 32000 的數(shù)字量， 設(shè)轉(zhuǎn)換 后得到的數(shù)字為 N，試求一 KPa 為單位的壓力值。 解： 100 10000 0 P= ( N 6400 KPa = ( N 6400 KPa 256 32000 6400 設(shè)計(jì)中其他的模擬量輸入與輸出可根據(jù)上述例子進(jìn)行量化。由于時(shí)間有限， 此次設(shè)計(jì)沒有進(jìn)行全部的數(shù)據(jù)量化。 量化公式程序 5 2.模擬量輸出(AO的設(shè)計(jì) 為滿足某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求模擬量輸出的要求，進(jìn)行模擬量的量化。量化后在 閉環(huán)控制系統(tǒng)中，CPU 將它與設(shè)定值相比較，并按照某種控制規(guī)律（PID）對(duì)誤 差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送給模擬量輸出模塊，經(jīng)過 D/A

16、轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娏餍盘?hào)或 電壓信號(hào)，用來控制調(diào)節(jié)閥的開度，通過它控制無(wú)料流量。 模擬量的 PID 控制調(diào)節(jié)是最常見的一種控制方式， 這是由于 PID 調(diào)節(jié)不需 要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于很難求出數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，使用 PID 可以 達(dá)到意想不到的結(jié)果，同時(shí) PID 調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)被控對(duì)象的 具體情況，采用不同的 PID 的變種，有較強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性。 PID 控制表示比例、積分、微分的縮寫。它的實(shí)質(zhì)是根據(jù)反饋后計(jì)算得到 的輸入作差值， 按比例、 積分、 微分的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算， 其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。 PID 控制的公式有位置式和增量式。 T u ( k = K P e (

17、k + TI e( j + j =0 k TD e ( k e ( k 1 + uc T 其中，TI 為積分常數(shù)；TD 為微分常數(shù)； K P 為比例系數(shù)； K I 為積分系數(shù)； K D 為微分系數(shù)。 u ( k = u ( k u ( k 1 = K P e ( k e ( k 1 + K I e ( k + K D e ( k e ( k 1 + e ( k 2 PID 控制器的優(yōu)點(diǎn) （1） 不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 （2） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn) （3） 有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性 （4） 使用方便 本次設(shè)計(jì)中，正是應(yīng)用 PID 控制器進(jìn)行模擬量輸出的設(shè)計(jì)。 3.數(shù)字量輸入（DI）的設(shè)計(jì) 數(shù)字量的設(shè)計(jì)相對(duì)模擬量而言，比較容易。本次數(shù)字量的設(shè)計(jì)以上料泵的 狀態(tài)為例來說明數(shù)字量輸入的設(shè)計(jì)。 當(dāng)輸入閉合時(shí)，Q0.0 工作，即上料泵開始工作。否則，上料泵不工作。 其它數(shù)字量的輸入設(shè)計(jì)按照上述上料泵的設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)。 6 4.數(shù)字量輸出（DO）的設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)以煙道擋板的數(shù)字量輸出為例來說明數(shù)字量輸出的設(shè)計(jì)。由工藝可 知，煙道擋板有兩個(gè)輸入控制，都滿足時(shí)，煙道擋板打開，進(jìn)行工作。 程序如下 當(dāng) I0.0 和 I0.1 閉合時(shí)，Q0.0 工作，即煙道擋板打開工作，否則，煙道擋 板不工作。 五：總結(jié) 通過本