加熱反應爐PLC控制系統(tǒng)設計

1、學號 畢 業(yè) 設 計（論 文）加熱反應爐PLC控制系統(tǒng)的設計教 學 系： 信息工程系 指導教師： 陳 艷 三 專業(yè)班級： 自動化1082班 學生姓名： 陶 冶 二一二年五月畢業(yè)設計(論文)任務書學生姓名陶 冶專業(yè)班級自動化1082班指導教師陳艷三工作單位信息工程系設計(論文)題目: 加熱反應爐PLC控制系統(tǒng)的設計設計（論文）主要內(nèi)容：1根據(jù)工藝過程的要求，設計PLC控制系統(tǒng)的原理圖。2設計以下部分控制程序：（1）送料控制（2）加熱反應控制（3）泄放控制要求完成的主要任務及其時間安排:1.查閱不少于10篇的相關資料，其中英文文獻不少于2篇，完成開題報告。2.畫出加熱反應爐電氣控制系統(tǒng)原理圖。3.

2、 編制PLC控制的I/O接口接線圖。4.用梯形圖編寫送料控制，加熱反應控制和泄放控制等程序。5.調(diào)試程序，模擬運行。6.完成正文不少于10000字的畢業(yè)論文（設計說明書、5張圖紙）。必讀參考資料：1 何剛，劉金貴. 可編程序控制器在加熱反應爐中的應用J. 鄭州輕工業(yè)學院學報，1999，14： 41-42.2 劉廣瑞，劉榮福. 加熱反應爐可視化控制技術J,中國科技信息，2006，22：75-80.3 吳作明. 工控組態(tài)軟件PLC應用技術M. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.4 劉廣瑞，劉榮福. 加熱反應爐可視化控制技術J,中國科技信息，2006，22：75-80.指導教師簽名： 教研室主

3、任簽名： 蓋章畢業(yè)設計(論文)開題報告題目加熱反應爐PLC控制系統(tǒng)的設計1目的及意義 加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。加熱反應爐是工業(yè)常用的重要設備，過去僅依靠人工經(jīng)驗進行操作，往往存在送料、溫度、壓力等條件變化時不能實施有效控制的問題，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)次品,造成原料浪費。然而70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛發(fā)展，計算機控制技術的發(fā)展，以及自

4、動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，傳統(tǒng)繼電器控制技術被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代，而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便?？删幊绦蚩刂破鱌LC以其可靠性高、功能強、控制靈活等特點，已成為目前工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的首選控制裝置。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展，并在智能化自適應參數(shù)自整定等方面取得成果。在這方面尤其以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應用。 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)

5、展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。2基本內(nèi)容和技術方案： 加熱反應爐控制系統(tǒng)主要由上位機的監(jiān)控部分、PLC 系統(tǒng)，信號檢測部分及執(zhí)行機構幾部份組成通過在線實時記錄、監(jiān)控和顯示數(shù)據(jù)，傳遞設備的實時狀態(tài)，接受并執(zhí)行系統(tǒng)實時控制命令

6、，通過控制電磁閥開閉，滿足系統(tǒng)控制的要求?？刂七^程：第一階段：送料控制（1）檢測下液面、爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)壓力是否都小于給定值（邏輯值：小于輸出0，大于輸出1）（2）若小于給定值，則開啟排氣閥和進料閥。（3）當液位上升到設定值時,應該關閉排氣閥和進料閥。（4）延時一段時間,開啟氮氣閥,氮氣進入爐內(nèi),爐內(nèi)氣壓上升。（5）當壓力上升到給定值,關閉氮氣閥.送料過程結束。第二階段：加熱反應控制。（1）交流接觸器KM帶電，接通加熱爐加熱器的電源。（2）當溫度升高到給定值時，切斷加熱器電源。（3）延時一段時間后，加熱過程結束。第三階段：泄放控制。（1）打開排氣閥，使爐內(nèi)壓力降到預定值。（2）打開泄放閥，當爐內(nèi)

7、液面下降到到液面時，關閉泄放閥和排氣閥，系統(tǒng)返回初始狀態(tài)。準備進入下一個循環(huán)。 3進度安排：第3-4周：調(diào)研及方案論證，查閱相關資料，完成開題報告。第5-7周：完成PLC的加熱反應爐控制的硬件設計。第8-11周：完成PLC的加熱反應爐控制的軟件設計。第12周：模擬調(diào)試第13-14周：撰寫畢業(yè)設計論文第15周： 整理論文，答辯 4指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 鄭 重 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人

8、簽名： 日期： 目 錄摘 要1ABSTRACT21 緒論31.1 課題背景及研究目的和意義32 PLC基本概念42.1 PLC的定義和基本組成42.2 PLC的特點及優(yōu)勢52.3 PLC的工作原理53 PLC控制系統(tǒng)設計73.1 系統(tǒng)工作原理73.2 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟73.2.1 I/O 分配表83.2.2 變量名的定義93.2.3 PLC I/O接線圖93.2.4 PLC的控制流程103.3 PLC型號的選擇及其簡介113.3.1 數(shù)字量輸入模塊與輸出模塊11模擬量輸入模塊與輸出模塊123.4溫度傳感器123.4.1.熱電偶123.4.2.熱電阻133.5固態(tài)繼電器144

9、軟件設計154.1 STEP7編程軟件簡介154.1.1 STEP7概述154.1.2 STEP 7的編程功能154.1.3 STEP 7的編程語言154.1.4 STEP 7的硬件組態(tài)與診斷功能164.2 加熱反應爐控制程序設計164.3 S7-300程序設計梯形圖17初次上電174.3.2 啟動/停止階段184.3.3 報警程序194.4 STEP7項目的創(chuàng)建20使用向導創(chuàng)建項目20直接創(chuàng)建項目22硬件組態(tài)與參數(shù)設置234.5 STEP7中的編程技術304.5.1 STEP7中的塊30結束語33參考文獻34致 謝35附錄36摘 要從上世紀80年代至90年代中期，PLC得到了快速的發(fā)展，在這

10、時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制領域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機的溫度控制系統(tǒng)等。加熱爐溫度控制在許多領域中得到廣泛的應用。這方面的應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)軟硬件設計較為復雜, 特別是涉及到邏輯控制方面更不是

11、其長處, 然而PLC 在這方面卻是公認的最佳選擇。加熱爐溫度是一個大慣性系統(tǒng)，一般采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)進行控制。本設計是利用西門子S7-300PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成，然后介紹了西門子S7-300PLC和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設計過程。關鍵詞：西門子S7-300PLC； PLC； 溫度控制系統(tǒng)ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80's, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing w

12、ith analog and digital computing power, man-machine interface capabilities and network capabilities are greatly improved, PLC gradually entering the field of process control, replaced in some applications in the field of process control dominant DCS.PLC has the versatility, ease of use, wide adaptat

13、ion, high reliability and strong anti-interference, simple to program and so on.PLC control, especially in the industrial automation sequence control the position, in the foreseeable future, is no substitute. Temperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the tem

14、perature control system of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields . The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to

15、control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and Double closed loopcontrol blend together. The design has utilized the control syste

16、m with which Siemens S7-300 PLC control the temperature heating-stove. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-300 PLC and the specific design procedures of the hardware and the sof

17、tware.Key words：Siemens S7-300 PLC；Programmable Logic Controller; The control System of temperature; 1 緒論1.1 課題背景及研究目的和意義 近年來，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采

18、用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。2 PLC基本概念2.1 PLC的定義和基本組成 PLC英文全稱Programmable Logic Controller,中文全稱為為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)應用環(huán)境而設計的。它采用一種可編程的存儲器

19、用于其內(nèi)部存貯程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)及算術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器或生產(chǎn)過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC 可編程控制器的組成:PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、底板或機架。功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝的機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡上，可以與計算機、其它PLC或其它設備通信。(1) CPU模塊CPU是PLC的核心，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)

20、據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。(2) I/O模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊一般簡稱為I/O模塊，開關量輸入/輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入/輸出模塊簡稱為AI模

21、塊和AO模塊，在S7-300中統(tǒng)稱為信號模塊。信號模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數(shù)字撥碼開關、限位開關、接近開關等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。(3) 功能模塊 為了增強PLC

22、的功能，擴大應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務。(4) 接口模塊 CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現(xiàn)中央機架和擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。(5) 通信處理器 通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于點對點通信。(6) 編程器 編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的。編程

23、器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。 (7) 電源 PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。2.2 PLC的特點及優(yōu)勢（1） 功能強，性能價格比高：一臺小型的PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現(xiàn)非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯(lián)

24、網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。（2） 可靠性高，抗干擾能力強：PLC用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器和時間繼電器，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點接觸不良造成的故障。S7-300有極強的故障診斷能力。PLC使用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強：PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接

25、外部接線。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應工藝條件的變化。（4）維修工作量小，維修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障時，根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。（5）體積小，能耗低：對于復雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，由于減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，開關柜的體積比繼電器控制系統(tǒng)小的多。（6）編程方法簡單易學：梯形圖是使用的最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易用，熟悉繼電器電路圖的電氣技

26、術人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。2.3 PLC的工作原理 可編程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描【5】。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。PLC工作的全過程可用圖 2-1 所示的運行框圖來表示。 圖 2.1 可編程控制器運行框圖3 PLC控制系統(tǒng)設計 本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)的設計步驟、PLC的硬件配置、外部電路設計。3.1 系

27、統(tǒng)工作原理 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構成如圖3.1所示，它由PLC主控系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、加熱爐、溫度傳感器等4個部分組成。圖3.1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組成 加熱爐溫度控制實現(xiàn)過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7-300PLC可識別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個控制信號控制固態(tài)繼電器的輸出端導通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。既加熱爐溫度控制得到實現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。3.2 PLC控制系統(tǒng)

28、設計的基本原則和步驟 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則：（1）充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便。（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。（4）應考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC的型號、IO點數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時，應留有 系統(tǒng)的調(diào)整和擴充。PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟：設計PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結構形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)

29、模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統(tǒng)的具體配置【4】。PLC控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行：(1)熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求。(2)確定IO設備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的IO點數(shù)。(3)選擇PLC 選擇時主要包括PLC機型、容量、IO模塊、電源的選擇。(4)分配PLC的IO地址 根據(jù)生產(chǎn)設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種

30、輸入輸出設備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部IO接線圖和編制程序。(5)設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。(6)聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。 I/O 分配表 根據(jù)加熱反應爐自動控制系統(tǒng)的要求，需要 6 個輸入點，5 個輸出點，共 11 個I/O 點。結合PLC 實驗室現(xiàn)有資源，同時兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟性和技術指標，因此選用西

31、門子S7-300型PLC 該CPU 基本單元共有8 個輸入點，8 個輸出點；它功能簡單實用，價格便宜，主要用于小型開關量控制系于 橫排端子排，繼電器輸出。其指令系統(tǒng)完全能達到加熱反應爐自動控制系統(tǒng)的要求。具體的 I/O 分配表見下表 表3.2 I/O地址分配表 變量名的定義系統(tǒng)各部分均進行數(shù)據(jù)交換、處理和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化必須要做的兩項任務:定義數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)對象的屬性設置。表3.3為各項變量的定義和屬性設置。表3.3 變量的定義3.2.3 PLC I/O接線圖加熱反應爐 PLC 接線如圖3.4所示。PLC 控制系統(tǒng)構成必須和電源、主令裝置、傳感器設備以及驅動執(zhí)行機構相連接。外界輸入器件可以是無

32、源觸點或是有源的傳感器輸入。這些外部器件的兩頭，一頭接到 PLC 的輸入端( 例如 X0、Xl、)，另一頭連在一起接到公共端上(COM 端) ，形成閉合有源回路。交流供電的S7-300型PLC 提供輔助直流電源，供輸入設備和部分擴展單元用。輔助電源容量為 25060mA。在容量不夠的情況下，需要單獨提供直流電源。輸出口與執(zhí)行裝置相連接，執(zhí)行裝置主要包括各種電磁閥。這些設備本身所需的功率較大，PLC 一般不提供執(zhí)行器件的電源，需要外接電源。由于執(zhí)行器件都是相同幅值的電磁閥，因此可接同一個 COM端。【2】 圖3.4 PLC I/O接線圖3.2.4 PLC的控制流程由加熱反應爐控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，

33、結合 PLC 可以設計如圖3 所示的系統(tǒng)控制流程。按下啟動按鈕SB1后，系統(tǒng)運行；按下停止按鈕 SB2 后，系統(tǒng)停止。 第一階段：送料控制 ，檢測下液面 SL1, 爐內(nèi)溫度ST, 爐內(nèi)壓力SP是否小于給定值（都為“0”）若是則開啟排氣閥 YV1 和進料閥 YV2 。當液位上升到上液位設定值時，SL2=1, 應關閉排氣閥YV1 和進料閥 YV2 。延時 10S, 開啟氮氣閥 YV3,氮氣進入反應爐，爐內(nèi)壓力上升。當壓力上升到給定值時，即 SP=1,關閉氮氣閥。送料過程結束。 第二階段：加熱反應控制，接通反應爐電源KM, 開始對反應爐加溫。當溫度上升到給定值時（此時信號 ST=1），切斷加熱電源。

34、延時 10S ，加熱過程結束。 第三階段：泄放控制，打開排氣閥 YV1,使爐內(nèi)壓力降到給定值以下（此時 SP=0）。打開泄放閥YV4 ，當爐內(nèi)溶液下降到下液面以下（此時 SL1=0 ）,關閉泄放閥 YV4 和排氣閥YV1 。系統(tǒng)恢復到原始狀態(tài)準備進入下一循環(huán)。本系統(tǒng)設計為條件型順序控制系統(tǒng)，云霄速度快，可靠性高，功能強，輸入為干接觸式，輸出為繼電器形式。綜上，其控制流程圖如下3.5所示：圖3.5 控制流程圖3.3 PLC型號的選擇及其簡介本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-300 PLC。S7-300 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-300

35、系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-300系列具有極高的性能/價格比【3】。3.3.1 數(shù)字量輸入模塊與輸出模塊數(shù)字量輸入模塊：數(shù)字量輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關和接近開關等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉換為PLC內(nèi)部的信號電平。輸入電路中一般設有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安。數(shù)字量輸出模塊：SM 322數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部電平信號轉化為控制過程所需的外部信號電平，同時具有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件

36、有驅動直流負載的大功率晶體管和場效應晶體管、驅動交流負載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器，以及既可以驅動交流負載又可以驅動直流負載的小型繼電器。輸出電流典型值為0.52A，負載電源由外部現(xiàn)場提供。3.3.2模擬量輸入模塊與輸出模塊模擬量變送器：生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。有的是強電電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率、功率因素等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如DC010V和420mA。SM331模擬量輸入模塊的基本結構：模擬量輸

37、入模塊用于將模擬量信號轉換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D（Analog/Digit）轉換器。SM331也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結構也更加緊湊。模擬量輸出模塊的基本結構：S7-300的模擬量輸出模塊SM332用于將CPU送給的數(shù)字信號轉換為成比例的電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉換器。模擬量輸出模塊的技術參數(shù)：SM332的4種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色LED指示故障，可以讀取診斷信息。額定負載電壓均為DC24V。模塊與背板總線有光隔離，使用

38、屏蔽電纜時最大距離為200m。都有短路保護，短路電流最大25mA,最大開路電壓18V。3.4溫度傳感器溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與

39、物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。3.4.1.熱電偶工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標準電流、電壓信號的溫度變送器，使用更加方便、可靠。對于實驗室等短距離的應用場合，可以直接把熱電偶信號引入PLC進行測量。熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，就會在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應；接上顯示儀表，儀表上就

40、會指示所產(chǎn)生的熱電動勢的對應溫度值，電動勢隨溫度升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關，而和熱電偶的長短粗細無關【1】。根據(jù)使用場合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強等特點，適宜安裝在裝配式熱電偶無法安裝的場合，它的外保護管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場合。隔爆式熱電偶通常應用于生產(chǎn)現(xiàn)場伴有各種易燃、易爆等化學氣體的場合，如果使用普

41、通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場合必須使用隔爆熱電偶。熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)應用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它

42、的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱電勢率和熱電偶相近的導線來傳輸信號，這種導線稱為補償導線。 3.4.2.熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測量元件。熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。當電阻值變化時，二次儀表便顯示出電阻值所對應的溫度值。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的。鉑熱電阻根據(jù)使用場合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。

43、若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標準電流信號或0-10V標準電壓信號，使用起來更為方便。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鉻、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。根據(jù)使用場合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與溫度的關系即分度特性符合IEC標準。分度號Pt100的含義為在0時的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。本設計選

44、用鎳鉻-鎳硅N型熱電偶【8】。 3.5固態(tài)繼電器（1）概述固態(tài)繼電器（Solid State Relay，簡稱SSR）與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。它是一種四端有源器件，其中兩端為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，如圖3.5所示。      &#

45、160;  圖3.6固態(tài)繼電器模塊示意圖 當輸入端有控制信號，輸出端從關斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)；控制信號撤消后，輸出端變?yōu)殛P斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)自動控制的用途。  固態(tài)繼電器的輸入端、輸出端之間采用光電隔離技術，使得弱電和強電隔離，因此從計算機等弱電設備輸出的信號可以直接加在固態(tài)繼電器的控制端上，無需另外的保護電路。(2) 固態(tài)繼電器的組成 固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸

46、出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管【9】。 4 軟件設計4.1 STEP7編程軟件簡介 STEP7概述STEP 7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管

47、理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中【10】。4.1.2 STEP 7的編程功能STEP 7的標準版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL），有鼠標拖放、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結構化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HiGraph和CFC，這四種語言對于標準版是可選的。STEP 7用符號表

48、編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化【11】。測試功能和服務功能包括設置斷點、強制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找STEP 7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開對話框，按F1鍵便可得到與它們有關的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“Help”“Contents”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關鍵詞，可以查找與某一關

49、鍵詞有關的幫助。 STEP 7的編程語言 STEP7的標準軟件包支持3中編程語言 ： （1）梯形圖編程語言LAD(Ladder Logic Programming Language)梯形圖和繼電器控制電路原理圖很相似，采用觸點和線圈等符號，這種編程語言簡單易學，便于掌握，對于沒有微機基礎而對繼電器控制電路比較熟悉的技術人員很容易學會。 （2）語句表編程語言STL（Statement List Programming Language）語句表包含豐富的STEP7指令，采用文本編程的方式，對于熟悉其他編程語言的程序員，這種編程語言比較容易理解。STL更接近程序員的語言，能夠使用所有指令，靈活性較強

50、。但STL語言不夠直觀，需要記憶大量的編程指令，而且要求對CPU內(nèi)部的寄存器等結構了解清楚。 （3）功能圖（FBD）功能圖語言類似數(shù)字電路里的邏輯功能圖，指令是不同的功能盒，根據(jù)一定的邏輯關系連接功能盒，實現(xiàn)一定的控制功能。4.1.4 STEP 7的硬件組態(tài)與診斷功能 硬件組態(tài)工具用于對自動化工程中使用的硬件進行配置和參數(shù)設置。主要包括：（1）系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。（2）CPU的參數(shù)設置：可以設置CPU模塊的多種屬性，例如啟動屬性、掃描監(jiān)視時間等，輸入的數(shù)據(jù)存儲在CPU的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。（3）模塊的參數(shù)設置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的的可調(diào)整

51、參數(shù)，包括功能模塊與通信處理器，不必通過DIP開關來設置。在參數(shù)設置屏幕中，有的參數(shù)由系統(tǒng)提供若干個選項，有的參數(shù)只能在允許的范圍輸入，因此可以防止輸入錯誤的數(shù)據(jù)。 通信的組態(tài)包括：連接的組態(tài)和顯示。設置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)，選擇通信的參與者，在表中輸入數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地后，通信過程中數(shù)據(jù)的生成和傳送均是自動完成的。設置用MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的事件驅動的數(shù)據(jù)傳輸，包括定義通信鏈路。從集成塊庫中選擇通信模塊（CFB），用通用的編程語言（例如梯形圖）對所選的通信模塊進行參數(shù)設置5。 STEP 7系統(tǒng)診斷：系統(tǒng)診斷為用戶提供自動化系

52、統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過2種方式顯示；（1）快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。（2）用顯示模塊的一般信息和模塊的圖形方式顯示硬件配置，例如狀態(tài)：顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。4.2 加熱反應爐控制程序設計由加熱反應爐控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，結合 PLC 可以設計如圖4.1 所示的系統(tǒng)控制流程。 按啟動按鈕SB1后，系統(tǒng)運行；按停止按鈕 SB2 后，系統(tǒng)停止。 第一階段：送料控制 ，檢測下液面 SL1, 爐內(nèi)溫度ST, 爐內(nèi)壓力SP是否小于給定值（都為“0”）若是則開啟排氣閥 YV1 和進料閥 YV2 。當液位上升到上液位設定值時，SL2=

53、1, 應關閉排氣閥YV1 和進料閥 YV2 。延時 10S, 開啟氮氣閥 YV3,氮氣進入反應爐，爐內(nèi)壓力上升。當壓力上升到給定值時，即 SP=1,關閉氮氣閥。送料過程結束。 第二階段：加熱反應控制，接通反應爐電源KM, 開始對反應爐加溫。當溫度上升到給定值時（此時信號 ST=1），切斷加熱電源。延時 10S ，加熱過程結束。 第三階段：泄放控制，打開排氣閥 YV1,是爐內(nèi)壓力降到給定值以下（此時 SP=0）。打開泄放閥YV4 ，當爐內(nèi)溶液下降到下液面以下（此時 SL1=0 ）,關閉泄放閥 YV4 和排氣閥YV1 。系統(tǒng)恢復到原始狀態(tài)準備進入下一循環(huán).圖 4.1 程序流程圖4.3 S7-300

54、程序設計梯形圖初次上電(1)讀入模擬信號，并把數(shù)值轉化顯示鍋爐的當前電壓(2)判斷爐溫是否在正常范圍，打亮正常運行指示燈/溫度越上限報警指示燈圖4.2 啟動/停止階段啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復位。打開運行指示燈Q0.0，熄滅并停止指示燈初始化PID。開始運行子程序0。停止過程：按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復位，點亮停止指示燈，熄滅運行指示燈。并把輸出模擬量AQW0清零，停止鍋爐繼續(xù)加熱。停止調(diào)用子程序0，仍然顯示鍋爐溫度。network圖 4.3圖4.4停止時模擬量輸出清零，防止鍋爐繼續(xù)升溫。4.3.3 報警程序 通過軟件編程實現(xiàn)報警功能相對硬件電路而言

55、更加簡單方便，其程序如下：圖4.54.4 STEP7項目的創(chuàng)建在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATIC S7、C7、和WinAC的數(shù)據(jù)。因此，掌握項目創(chuàng)建的方法就非常重要。4.4.1使用向導創(chuàng)建項目首先雙擊桌面上的STEP 7圖標，進入SIMATIC Manager窗口，進入主菜單【File】，選擇【New Project Wizard】,彈出標題為“STEP 7 Wizard：New Project”(新項目向導)的小窗口。 點擊【NEXT】按鈕，在新項目中選擇CPU模塊的型號為CPU 31

56、5-2DP。 點擊【NEXT】按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。 點擊【NEXT】按鈕，輸入項目的名稱，按【Finish】生成的項目。過程如圖4.1所示。 生成項目后，可以先組態(tài)硬件，然后生成軟件程序。也可以在沒有組態(tài)硬件的情況下，首先生成軟件。圖4.6 新建項目圖4.7 選擇CPU模塊的型號圖4.8 生成邏輯塊圖4.9 輸入項目名稱圖4.10 使用向導創(chuàng)建項目4.4.2直接創(chuàng)建項目進入主菜單【File】，【選擇New】, 將出現(xiàn)如圖4.7的一個對話框，在該對話框中分別輸入“文件名”、“目錄路徑”等內(nèi)容，并確定，完成一個空項目的創(chuàng)建工作。圖4.11 直接創(chuàng)建項目4.4.3硬件組態(tài)與參數(shù)設置（1） 硬件的組態(tài)硬件組態(tài)的任務就是在STEP 7種生成一個與實際的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，例如要生成網(wǎng)絡、網(wǎng)絡中各個站的導軌和模塊，以及設置各硬件組成部分的參數(shù)，即給參數(shù)賦值。所有模塊的參數(shù)都是用編程軟件來設置的，完全取消了過去用來設置參數(shù)的硬件DIP開關。硬件組態(tài)確定了PLC輸入/輸