基于plc的工业电炉控制设计---毕业设计

毕业设计毕业设计毕业设计毕业设计题题题题目目目目基于基于基于基于PLCPLC的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计学学学学院院院院控制科学与工程学院控制科学与工程学院控制科学与工程学院控制科学与工程学院专专专专业业业业姓姓姓姓名名名名学学学学号号号号指导教师指导教师指导教师指导教师二OO七年六月十四日控制学院班学生毕业设计第2页共50页目录摘要摘要摘要摘要4ABSTRACT51系统简介611选题背景612（热处理）系统结构和工艺流程图72系统方案确定921系统要求922中央控制器方案选择923工业控制计算机的方案选择924触摸屏在工业电炉中的应用925通讯网络在工业电炉中的应用1026光纤在施工现场中的应用1027系统方案的确定113硬件选型及设计1231硬件设备选型12311PLC选型12312上位机及人机界面（HMI）选型15313网络硬件及光纤选择1532硬件设计15321PLCI/O外部接线图设计15322工业电炉系统结构图设计16323一次回路电气图设计164软件设计1741下位机程序设计17411程序设计说明17412下位机程序语句表2142上位机程序设计2543人机界面程序设计29431人机界面功能简介29432触摸屏界面设计29433操作面板布局图设计335系统的模拟调试3551下位机程序模拟调试3552上位机程序模拟调试3653人机界面程序模拟调试3754网络调试3755调试过程中遇到的问题406操作说明4261主要技术指标4262系统操作说明4263故障自诊断及其处理方法437总结46控制学院班学生毕业设计第3页共50页致谢48参考文献49附录50控制学院班学生毕业设计第4页共50页基于基于基于基于PLC的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计的工业电炉控制设计摘要摘要摘要摘要本设计利用PLC网络实现自动控制工业电炉。设计中选用西门子S7300PLC作为控制核心，在硬件结构上采用多重保护，程序中采用时限保护，使得系统具有结构合理，可靠性高，可扩展范围广等特点；设计中采用了台达触摸屏的人机界面，使操作使用更加方便，人员操作更为便捷、灵活，更加人性化；系统采用了MCGS监控组态软件配以研祥工控机，充分利用其强大的实时性、开放性和网络功能，实现了对此系统的计算机监控。通过采用西门子CP3431模块和光纤设备，使系统数据能够通过以太网进行远程监控及数据传输更加安全、稳定。整个设计实现了系统的故障自诊断、报警、保护等功能；具有被控制执行机械结构容错能力强等特点。关键词关键词关键词关键词热处理；组态软件；网络；光纤；人机界面控制学院班学生毕业设计第5页共50页ABSTRACTTHISDESIGNUSEPLCNETWORKTOPUTAUTOCONTROLINDUSTRIALRADIATORINTOPRACTICEWECHOOSESIMENSPLCTOBETHEDOMINATOR,THEADOPTIONHASMULTIPLEPROTECTIONONTHEHARDWARE,ADOPTTIMELIMITPROTECTIONTOTHEPROCEDURE,THISMAKETHESYSTEMREASONABLE,CREDIBILITYANDHAVEAMOVEWIDERAREATOEXPANDADOPTMANMACHINEINTERFACETOMAKETHEOPERATIONCONVENIENCEANDLIVELYANDHUMANITYTHESYSTEMADOPTEDMCGSSUPERVISIONSOFTWARETOGOTOGHTERWITHEVOCINDUSTRYCONTROLCOMPUTER,MAKEFULLUSEOFITSSTRONGOPENCHARACTERANDNETWORKFUNCTION,REALIZETHECOMPUTERSUPERVISIONTOTHISSYSTEMTAKEADVANTAGEOFSIMENSCP3431MODULEANDFIBEREQUIPMENT,TOMAKETHESYSTEMDATACANUSEFARAWAYSUPERVISIONBYETHERNET,WHITCHMAKETHEDATADELIVERMORESAFERANDSTABLETHEWHOLEDESIGNACHIEVETHESYSTEMSSELFTROUBLESHOOTING,GIVEANALARMANDPROTECTFUNCTIONSTHEEXECUTEORGANIZATIONBEINGCONTROLLDEHASTHESTRONGABILITYTOPERMITWRONGKEYWORDSHEATTREATMENTCONFIGURATIONSOFTWARENETWORKSOPTICALFIBERHUMANMACHINEINTERFACE1系统简介系统简介系统简介系统简介11选题背景选题背景选题背景选题背景随着计算机技术和自动化技术的发展，计算机控制系统的广泛应用于工业自动化中，极大地提高了工厂装备的技术水平、促进了生产集成化、提高了产品质量、保证了生产的安全可靠。PLC已成为工业自动化1的三大支柱之一。但是在一些老的工业电炉热处理生产线2中，控制方面有的还停留在老式的继电器控制，人工操作等生产模式，既浪费资源而且生产效率、企业效益也不高，迫切的需要设备的技术改造。当今，新时代特征需要新的组织模式，科研与产业信息化、网络化成为必然趋势。“热处理网络化”是将一个地区乃至全国的热处理3车间、专业厂家和科技单位根据各自原有条件进行软、硬资源整合，从宏观角度发挥其自身优势和特点，利用信息和网络技术（主要是INTERNET/INTRANET/EXTRANET）形成动态联盟，建立热处理网络，实现智能化、网络化。当今众多行业利用新的科技成果，缩小企业规模，实现企业重组，提高整合外部资源的范围、规模、层次，把各方联合在一个“虚拟企业”之内，在共同信任的基础上建立一个长久的关系（联盟），以最低成本、最快速度响应市场。国际互联网（INTERNET）中国模具工业信息网也已于1998年建立，旨在促进中国模具业与世界各国的经贸合作，加强模具企业、模具科研与模具相关的企业、科研单位之间的交流，增强模具业科技实力，宣传我国的模具企业，提高其竞争能力。中国在国际互联网上建立中国模具行业网，国内外商家和科研看为可通过该网详细了解中国模具行业的经济技术、贸易信息及科研水平，在实现企业与市场对话的同时，加强了行业内的信息交流。在其他行业利用新的科技成果快速发展的今天，热处理业的发展面临着巨大的挑战，加快网络化建设是当务之急。基于我国热处理现状和与相关行业的联系必须实现热处理网络化，材料热处理计算机模拟、热处理CAD、热处理专家系统及热处理智能控制等项目的研究和实施，应避免重复，形成协同开发，急特实现热处理网络化，科研与企业相结合有待实现热处理网络化。科学技术的进步，特别是信息和网络技术的发展同科研和生产的密切结合，提供了巨大的技术可能性。热处理生产不仅应重视物流的通畅，更应将其与信息高速公路连为一体，使市场需求、先进工艺、生产设备、生产经验和科研成果等一系列资源通过网络交流与共享。实现热处理网络化的前景。将极大地促进中国热处理行业与世界各国的合作，加强热处理企业与其相关企业之间的交流，提高其竞争能力。国内外商家可通过热处理网站详细了解中国热处理行业的各种信息。实现企业与市场对话，加强行业内的交流。及时介绍国内外热处理最新科研和生产信息，入网单位将可免费获得网上信息和图文等资料，智能化地学习和获取工具以及工艺信息，使分布信息共享，避免重复性研究。控制学院班学生毕业设计第7页共50页12（热处理热处理热处理热处理）系统结构和工艺流程图系统结构和工艺流程图系统结构和工艺流程图系统结构和工艺流程图图11热处理生产线俯视示意图工业电炉的系统结构如图11热处理生产线俯视示意图所示，热处理工业炉进料门（A门），风冷室进料门（B门），风冷室出料门（C门）和热处理工业炉的出料门（D门）分别靠A门电机，B门电机，C门电机和D门电机带动开启（上升）或关闭（下降）。该系统流程为料盘首先由A门的电机带动丝杠推杆将料盘推入，到达B门的时候，由B门处的软推杆推进风冷室，再由C丝杠推杆推到D门口处，由D门出的丝杠拉杆拉出来。首先通过手动调整，将A、B、C和D四处的推杆（拉杆）恢复到后限位处，然后将A、B、C和D门关闭（下降）至下限位处，出料限位开关并不被触及（D门口无料），即完成了自动流程运行前的初始化过程，系统进入自动流程待启状态（具体操作详见三、3手动调整实现系统初始化状态），当自动流程启动以后，首先检测风冷室里的温度是否达到要求的温度400，当温度达到之后，C门开启，当C门到达上限位的时候，C门的丝杠推杆开始前推，（将料盘推入到低温保温炉），直到丝杠触及到前限位开关后推杆后退，当后退触及后限位开关的时候C门开始关闭，当丝杠触及到后限位开关的时候停止，而门碰到下限位开关的时候同样也是停止。这个时候，靠近D门的料盘触及到了D门的料位限位开关，D门开始开启，当触及到上限位开关的时候停止，同时D门丝杠开始前进，到达前限位停止，同时开始后撤，这个时候将最靠近D门的料盘拖出，当D杆触及到中限位的时候，料盘已经脱离了门的位置，这个时候D门开始关闭，当D杆触及到后限位停止，而D门触及到下限位也停止。当C门关闭的同时，B门开启，到达上限位停止，B门的软推杆开始向前推，使料盘进入风冷室，B软推杆到达前限位之后停止，B软杆开始后退，当B软杆推到中限位的时候，B门开始关闭，当B杆到达后限位后停止后退，门到达下限位停止下降，此时，A门上升，当到达上限位后停止上升，同时，A门的丝杠推杆开始前推，到达前限位停止前进并开始后撤，当A丝杠到达中限位的时候，A门开始下落，直到触及到下限位开关，门停止下落，此时A丝杠也触及到后限位，停止后退。一个周期控制学院班学生毕业设计第8页共50页的自动流程完毕。为了充分体现用户的利益，减少进出料过程中的热损耗，尽早关闭A门、B门和D门，而设置丝杠推杆中限位开关，目的是不必等待油缸推杆后拉到后限位即可提前关闭各门。控制学院班学生毕业设计第9页共50页2系统方案确定系统方案确定系统方案确定系统方案确定21系统要求系统要求系统要求系统要求实现上述热处理工艺流程的自动化顺序控制，设置必要的保护措施。为确保系统的安全性，当系统某一部分出现故障时如限位开关被撞坏、炉门打滑等，PLC能对它们实时监测，记忆锁存，并快速指示报警。在操作方式上，实现既能从进料到出料的整个过程自动化，又能实现各个环节的手动控制；在手动控制时，不仅能在操作室屏上进行控制，也能在现场触摸屏上实现控制。实现系统间的安全联锁，同时将数据通过网络进行上位机传输、完成远程的数据监控等功能。22中央控制器方案选择中央控制器方案选择中央控制器方案选择中央控制器方案选择S7300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。具有模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点，使得S7300成为各种由小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。西门子系列PLC相比于东方国外品牌（如欧姆龙、三菱等）及国内品牌（力阳等）牌子的质量与稳定性要好一些，与西方品牌（如AB等）价格相比要便宜一些，综合以上原因，为了使系统即稳定又经济，我们选择西门子PLC。西门子PLC种类繁多，为了实现该系统功能且保证稳定和经济，我们需对其进行选型。23工业控制计算机的方案选择工业控制计算机的方案选择工业控制计算机的方案选择工业控制计算机的方案选择工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。在过程自动化系统中，经过甄选的研祥各部件相互协同工作。高扩展性和坚固性、简单或冗余配置、丰富的通讯功能、集成系统功能，以及简单的集中式或分布式外围设备连接是该工控机的特点。甄选的各种产品型号以其优秀的性价比，可能灵活应对各种不同的任务要求。在所有自动化系统中，都标准集成有PCI总线。根据需要，还可以另外插入PROFIBUS通讯模板。综合以上原因，对本系统，我们选用研祥的工控机做为上位机控制。24触摸屏在工业电炉中的应用触摸屏在工业电炉中的应用触摸屏在工业电炉中的应用触摸屏在工业电炉中的应用触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统设计师们已经清楚的知道，触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。该系统从其功能及性价比的角度考虑，我们选择台达的DOPA75CSTD彩色工业触摸屏。控制学院班学生毕业设计第10页共50页25通讯网络在工业电炉中的应用通讯网络在工业电炉中的应用通讯网络在工业电炉中的应用通讯网络在工业电炉中的应用随着网络技术的发展，INTERNET正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。控制系统的结构从最初的CCS计算机集中控制系统，到第二代的DCS集散控制系统，发展到现在流行的FCS现场总线控制系统。而新一代的工业ETHERNET控制系统又将引起工控领域新的变革。为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络INFRANET。和INTERNET、INTRANET等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISOOSI7层模型中的3层物理层、数据链路层和应用层。现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票，确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CANBUS、PROFITBUS、INTERBUSS、MODBUS、FOUNDATIONFIELDBUS等等。同时网络的实时性和稳定性，在工业电炉现场控制的数据传输中起到了较好的作用。26光纤在施工现场中的应用光纤在施工现场中的应用光纤在施工现场中的应用光纤在施工现场中的应用光纤是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介。是一条玻璃或塑胶纤维，作为让讯息通过的传输媒介。由於光纤是一种传输媒介，它可以像一般铜缆线，传送电话通话或电脑数据等资料，所不同的是，光纤传送的是光讯号而非电讯号。因此，光纤具有很多独特的优点。如宽频宽、低损耗、屏蔽电磁辐射、重量轻、安全性、隐密性。光纤系统的传输过程也大致相同。电子讯号输入后，透过传输器将讯号数位编码，成为光讯号,光线透过光纤为媒介，传送到另一端的接受器,接受器再将讯号解码，还原成原先的电子讯号输出。光纤有许多优于铜线和同轴电缆的优点。因为它的抗张强度好，质量小，而且比较小巧，所以光缆能最大限度的扩大配线管道的使用率，并且能够尽可能的减小安装问题。这就是电话公司喜欢使用光纤的原因。许多现有的电缆管道已经完全装满了，不可能再增加新的电缆。把所有的电缆用光纤来代替可以节约很多空间，并且铜材料制造商在制造铜线时加价很多。光纤比铜线轻很多，1,000根1KM长的双绞线重达8,000KG，而容量更大的1KM长的两根光纤的重量只有100KG重，这就极大减少了必须维护的昂贵机械支撑系统的需要。对于新的线路，因为安装费用低廉，所以光纤要胜过铜线。因为光纤不带电，所以它们是用于易燃、易爆等危险环境的理想方法，在这种环境下，如果使用铜线，当铜线破裂时从缺口处爆出的火花将会引起爆炸事故的发生。而且，如果光纤被破坏，对人类也不会造成电击的危险。另外，并不像用于结构性配线安装的传统铜线和铝线会发生腐蚀一样，玻璃纤维是耐蚀的材料。尤其是在信号传输方面，光缆有着传统电缆所无可比拟的优点。因为光纤不会受电磁场的干涉影响，所以光纤提供了比铜线更清晰的信号。光纤也不会受到发动机转动或电源故障的影响。而且，光纤中的信号衰减较小，在长的线路上每30KM才需要一个中继器，而铜线每5KM就需要一个中继器，这使得光纤可以节约很多资金。另外，光缆完全可以连续使用550米（1800英尺）的长度。光纤技术为迎合未来的需要提供了不可比拟的弹性和扩展性。光纤可以提供比铜线高的多的带宽，这使得它被用于高级网络。超过10GBPS的数据传输率已经实现，这就使得光纤成为用控制学院班学生毕业设计第11页共50页于明日宽带网的理想基础光缆技术。最后，光纤不漏光并且难于拼接，所以光纤网络很难被窃听，安全系数很高。光纤优于铜线的原因是由于内部的物理结构不同。当电子沿铜线运动时，它们互相影响并且也会受到铜线外面的电子的影响。但是，光纤中的光子不仅不会互相影响（没有充放电），并且也不受光纤外光子的影响。但是光纤的不利因素，由于光的传输是单向的，双向传输需要两根光纤或在一根光纤上的两个频段。最后，光纤接口的价格比电子接口贵。但是将来超过几米距离的所有固定线路的数字通信都有可能使用光纤。27系统方案的确定系统方案的确定系统方案的确定系统方案的确定通过以上论述，最终选定西门子S7300，CPU3152DP的PLC做为系统的控制器，上位机选择研祥的工控机加CP5611卡，组态软件选择国产正版组态软件MCGS，触摸屏选用台达DOPA75CSTD彩色工业触摸屏，变频器选择台达22KW变频器，通信线选用光纤通信。该系统具有结构设计合理；可靠性高；可扩展范围广，操作使用人机界面优越，人员操作更为便捷、灵活；系统故障自诊断、报警、保护功能完备；对被控制执行机械结构容错能力强等特点。并可根据用户要求进行改装。能够实现设备的网络化，且数据传输采用光纤，彻底解决了现场强磁干扰的问题。因此本系统不仅有理论上的价值，而且更有经济实用上的价值。控制学院班学生毕业设计第12页共50页3硬件选型及设计硬件选型及设计硬件选型及设计硬件选型及设计31硬件设备选型硬件设备选型硬件设备选型硬件设备选型311PLC选型选型选型选型根据工艺流程及系统设计要求，所需的信号输入元件、输出执行元件如下。信号输入元件总停（总复位）开关（带机械自锁的红色蘑菇头开关，以下简称“总停开关”）任何情况下按下此开关均可实现紧急停机，同时切断二次母线，PLC程序复位，待重新初始化后方可重新进入自动运行（一般情况下无须使用此开关）。自动运行/暂停开关（带自锁的黄色蘑菇头开关，以下简称“暂停开关”）在自动流程中出现故障时，按下此开关可以实现自动流程的暂时全部停止并可切除声警报警的警笛声，释放此开关重新按下自启按钮，自动流程将继续运行（高容错性设计）。自动运行启动按钮（以下简称“自启按钮”）手/自转换开关旋至自动位置，点按此按钮，自动运行允许指示灯（以下简称“自动灯”）发出平光，装卸料工艺流程的自动运行被允许开始进行（为安全生产考虑）。如果在自动流程中需要进行手动调整时，可随时按下暂停开关进行手动调整（此时自动灯灭），手动调整完毕后，释放暂停开关此时请重新按一下此按钮，自动流程将继续进行下去。手动/自动转换开关（以下简称“手/自开关”）此开关用于手动/自动运行转换。为了实际生产的需要，在自动运行过程中，出现紧急情况时，按下暂停开关利用以下按钮进行手动调整，调整完毕后，释放暂停开关重新点动自启按钮，自动流程继续进行。B门处的红外检测开关，对加热炉里进料的前限位的二次保护。D门处的红外检测开关，对加热炉里出料口的料位检测。A门上升点动按钮（以下简称“A升按钮”）控制A门电机上升的启动、停止。A门下降点动按钮（以下简称“A降按钮”）控制A门电机下降的启动、停止。B门上升点动按钮（以下简称“B升按钮”）控制B门电机上升的启动、停止。B门下降点动按钮（以下简称“B降按钮”）控制B门电机下降的启动、停止。C门上升点动按钮（以下简称“C升按钮”）控制C门电机上升的启动、停止。C门下降点动按钮（以下简称“C降按钮”）控制C门电机下降的启动、停止。D门上升点动按钮（以下简称“D升按钮”）控制D门电机上升的启动、停止。D门下降点动按钮（以下简称“D降按钮”）控制D门电机下降的启动、停止。事故门上升点动按钮（以下简称“事故升按钮”）控制事故门电机上升的启动、停止。事故门下降点动按钮（以下简称“事故降按钮”）控制事故门电机下降的启动、停止。A门上限位开关控制A门上升行程和保护A门。A门下限位开关控制A门下降行程和保护A门。B门上限位开关控制B门上升行程和保护B门。B门下限位开关控制B门下降行程和保护B门。C门上限位开关控制C门上升行程和保护C门。C门下限位开关控制C门下降行程和保护C门。D门上限位开关控制D门上升行程和保护D门。D门下限位开关控制D门下降行程和保护D门。事故门上限位开关控制事故门上升行程和保护事故门。控制学院班学生毕业设计第13页共50页事故门下限位开关控制事故门下降行程和保护事故门。A门丝杠前限位开关、丝杠中限位开关、丝杠后限位开关。B门丝杠前限位开关、丝杠中限位开关、丝杠后限位开关。C门丝杠前限位开关、丝杠后限位开关。D门丝杠前限位开关、丝杠中限位开关、丝杠后限位开关。风冷室温度模拟信号输入，输出执行元件A门上升继电器A门上升指示灯/故障灯A门推杆推继电器A门下降继电器A门下降指示灯/故障灯A门推杆拉继电器B门上升继电器B门上升指示灯/故障灯B门推杆推继电器B门下降继电器B门下降指示灯/故障灯B门推杆拉继电器C门上升继电器C门上升指示灯/故障灯C门推杆推继电器C门下降继电器C门下降指示灯/故障灯C门推杆拉继电器D门上升继电器D门上升指示灯/故障灯D门推杆推继电器D门下降继电器D门下降指示灯/故障灯D门推杆拉继电器故障门上升继电器故障门上升指示灯/故障灯故障门推杆推继电器故障门下降继电器故障门下降指示灯/故障灯故障门推杆拉继电器自动运行灯手动运行灯D门料位检测灯电铃电笛风冷室加热丝启动灯暂停指示灯风冷室变频器模拟量控制具体变量表如表31变量表表31变量表开关量BOOL输入备注BOOL输出备注I04SQAA门后限位开关Q80SJAA门进I05SQAA门中限位开关Q81SJAA门出I06SQAA门前限位开关Q82A灯A门进灯I07SBA手动A门进Q83A灯A门出灯I10SBA手动A门出Q84SJAA门上I11SQAA门上限位开关Q85SJAA门下I12SQAA门下限位开关Q86A灯A门上灯I13SBA手动A门上Q87A灯A门下灯I14SBA手动A门下Q90SJBB门上I15SQBB门上限位开关Q91SJBB门下I16SQBB门下限位开关Q92B灯B门上灯控制学院班学生毕业设计第14页共50页I17SBB手动B门上Q93B灯B门下灯I20SBB手动B门下Q94B灯B门进灯I21SBB手动B门出Q95B灯B门出灯I22SBB手动B门进Q96SJBB门进I23SQBB门后限位开关Q97SJBB门出I24SQBB门中限位开关Q100SJCC门进I25SQBB门前限位开关Q101SJCC门出I26SQCC门后限位开关Q102C灯C门进灯I27SQCC门前限位开关Q103C灯C门出灯I30SBC手动C门出Q104SJCC门上I31SBC手动C门进Q105SJCC门下I32SQCC门上限位开关Q106C灯C门上灯I33SQCC门下限位开关Q107C灯C门下灯I34SBC手动C门上Q110SJDD门上I35SBC手动C门下Q111SJDD门下I36SQDD门后限位开关Q112D灯D门上灯I37SQDD门中限位开关Q113D灯D门下灯I40SQDD门前限位开关Q114D灯D门进灯I41SBD手动D门出Q115D灯D门出灯I42SBD手动D门进Q116SJDD门进I43SQDD门上限位开关Q117SJDD门出I44SQDD门下限位开关Q120自动灯自动运行灯I45SBD手动D门上Q121手动灯手动运行灯I46SBD手动D门下Q122D料灯D门料位检测灯I00SB自启启动开关Q123SJ电铃I01SB暂停Q124SJ电笛I02SB总停Q125SJ定时器I47A缸保护输入Q126加热丝风冷室加热丝I50B缸保护输入Q127SJE事故门上I51C缸保护输入Q130SJE事故门下I52D缸保护输入Q131E灯事故门上灯I53B红外A门进二次保护Q132E灯事故门下灯I54D红外D料位检测Q133启动灯续表31I55SQE事故门上限位I56SQE事故门下限位I57SBE手动事故门上I60SBE手动事故门下I61复位故障复位I03自动自动启动按钮模拟量AI输入备注AO输出备注PIW320温度风冷室温度检测PQW320变频变频器的控制由上面的论述可知，数字量输入点为49个，输出点为44个，模拟量1路输入，1路输出，故控制系统的核心部件PLC选用西门子公司的S7300系列的3152DP可编程控制器。电源，PS3072A；CPU的选择我们需要首先要考虑到需要中型的PLC，能够满足条件要求，控制学院班学生毕业设计第15页共50页系统需要两个DP口，一个需要连接DP网，另一个需要连接触摸屏，综上所述，选择CPU为3152DP。因为数字输入点是49个，输出数字点是44个，加上一路模拟输入和一路模拟输出，故不需要加扩展模块，因此，不需要连接模块，根据点数另加15的冗余，即数字输入点是58个，输出数字点是51个，所以需要两个输入32点模块，和两个32点的输出模块，即SM321，SM322各两个，因有一路模拟输入和一路模拟输出，需要加一个SM334模块，另需通过以太网模块组网，故需加一块CP3431以太网模块，共9个模块（3号插槽为连接模块，虽无模块，但需要空出来），因一个底板可插11个模块，故只需一个底板即可。312上位机及人机界面上位机及人机界面上位机及人机界面上位机及人机界面（HMI）选型选型选型选型上位机电脑的选型普通PC机仅为家庭用机，在现场情况下很难适应现场高灰尘，高辐射，高温等恶劣环境，切容易死机，不稳定，工控机在现场中，可靠性高，对环境要求较低，适应环境能力较高，综合选择，我们选择工控机，考虑到成本问题，我们选择研祥的工控机，配置为奔四30，1G内存，80G硬盘，其他均为主流配置。人机界面（HMI）的选型触摸屏的选型，在进行综合资料查询之下，选择了台达的DOPA75CSTD，这个触摸屏使用简单，支持常见的PLC，并且经济，从成本的角度考虑是完全可以接受的。313网络硬件及光纤选择网络硬件及光纤选择网络硬件及光纤选择网络硬件及光纤选择网络结构，考虑到工程的需要，采用双网络结构，一个是PROFIBUSDP网4，另一个是以太网5。前一个主要用于数据的传输和控制，后一个主要是用于远监控。因此硬件我们首先选择西门子的S76系列3152DP，含有两个DP口，满足PROFIBUSDP7网络的构建。另加一个CP3431以太网模块，便于组建工业以太网，用来实现远程监控。由于工业电炉的加热元件用的是辐射管，因此具有强磁场干扰，考虑到现场条件，选择光纤。因此需要使用光电转换器两个，光纤终端两个，光纤跳线3根（其中一根用于光纤终端盒里），由于DP网用的是两根线，且多膜光纤线贵辅助设备便宜，而单膜光纤线便宜，辅助设备贵，因此选择多膜四芯光纤。程32硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计321PLCI/O外部接线图设计外部接线图设计外部接线图设计外部接线图设计PLC的外观如图（如31）图31PLC外观图图31是该系统的PLC整体结构，共用了九个插槽，1号槽是PLC的电源，2号槽是CPU槽，3号槽是接口槽，改系统没有扩展槽，故没有用到接口槽，因此3号槽应空出来，四号槽、五号槽是两个32点的输入模块，六号槽、七号槽是两个32点的输出模块，八号槽是个四入两出的模拟量模块，九号槽是一个以太网模块，用来进行以太网通讯。控制学院班学生毕业设计第16页共50页各个插槽接线图见附录图JDTSHD2、JDTSHD3、JDTSHD4、JDTSHD5。322工业电炉系统结构图设计工业电炉系统结构图设计工业电炉系统结构图设计工业电炉系统结构图设计工业电路系统的结构图设计如图32图32系统结构图该系统的主站是装有CP5611卡的研祥工控机，从站是西门子S7300的一台PLC，之间是通过PROFIBUSDP8网络连接，由于现场的强磁干扰，距离比较远，DP信号线可能会受到强烈干扰，为了解决这个问题，中间的DP通讯线通过光纤来实现信号的传送。远程监控通过以太网来实现，触摸屏，智能仪表及其他信号线均用带屏蔽双绞线。系统通过工控机或触摸屏或控制柜对PLC进行控制，PLC采集上面的信号以及智能仪表的信号然后经过程序的逻辑运算，输出相应的信号给下位负载，另外远程的客户端还可通过以太网进行系统的监控。323一次回路电气图一次回路电气图一次回路电气图一次回路电气图设计设计设计设计一次回路电气图见附图JDTSHD1一次回路电气图，当05QF和05KM1闭合时，电动机正转，当05QF和05KM2闭合时，电机反转，回路在通电并且机旁按钮拨到自动档上时，备妥信号传到PLC，此时信号PLC可以按照程序设计向驱动发出信号，当0537输出时，05KA2闭合，即带动05KM1闭合，电动机正转；当0539输出时，05KA3闭合，即带动05KM2闭合，电动机反转。当电机正转时，05KM1闭合，通过0533将正转信号反馈给PLC；当电机反转时，05KM2闭合，通过0535将反转信号反馈给PLC。控制学院班学生毕业设计第17页共50页4软件设计软件设计软件设计软件设计41下位机程序设计下位机程序设计下位机程序设计下位机程序设计411程序设计说明程序设计说明程序设计说明程序设计说明由系统结构和工艺流程图，本系统的工作方式有两种手动和自动。有工作方式开关S1确定，在图32中，输入点I00接通时为自动，断开时位手动。在两种方式下的输入点共有49个，模拟输入为1路。控制系统的功能如下程序共分三部分公用程序、手动程序、自动程序。其中公用程序完成对初始状态的检查。在自动程序里，选用内部辅助继电器作为工作的步标志，控制循环动作（见流程图41程序流程图）。当系统从自动方式切换到手动方式下，应将代表各步辅助继电器以及代表自动方式的继电器复位。两种工作状态手动/自动。由手动进入自动时，先停止手动状态动作，按下自起按钮后，进行自动流程运行。由自动进入手动时，先停止自动状态工作，而后操作人员手动操作按钮，控制系统动作。手动工作通过操作面板。工作方式开关拨到手动位置，I00接通。按住A门上升按钮I13，A门上升，松开按钮或碰到上限位开关I11，A门上升停止。按住A门下降按钮I14，A门下降，松开按钮或碰到下限位开关I12，A门下降停止。其它手动按钮功能实现方式如上。通过上位机界面，在组态软件上，设置控制按钮，其功能如操作面板。通过此种方式，能进行远程控制。通过触摸屏，设置控制按钮，其功能如操作面板。通过此种方式也能进行远程控制。自动方式将自/手开按钮I00释放，即是自动状态。系统初始化状态实现以后，释放暂停开关I01，此时，实现了系统初始化状态，即进入自动流程待启状态，只要按一下自启按钮即可进入自动流程。各个运行指示灯和运行状态指示灯在执行各自机构动作时亮（平光）。系统出现故障时，或系统需要初始化状态以便进入各个自动运行而系统对应的部位状态不能满足要求时，对应的“运行状态指示灯”将发出1HZ频率的闪光。各个运行指示灯和运行状态指示灯在执行各自机构动作时亮（平光）。在自动运行过程中出现故障（或运行动作不顺畅情况）时，需要进行人工手动干预、调整或检修，故障排除后自动运行需要接着继续进行。因此运用如下操作可以实现上述要求按下暂停开关实现自动运行暂时停机（自动灯灭），然后利用其它手动操作按钮进行调整。调整完毕后，释放暂停开关，重新点动自启按钮（自动灯发出平光），自动流程将继续进行。在自动流程进行的过程中，如果有某个“运行状态指示灯”闪光，同时警笛响，则说明在运行过程中出现了故障而被对应的延时保护切除，这时应当立即按下暂停开关，警笛报警声随即停止，然后进行手动调整检查或检修（参照“63故障自诊断及其处理方法），直到故障排除，对应的“运行状态指示灯”发出平光。释放暂停开关后，重新按一下（点动）自启按钮，自动流程过程将继续进行。程序流程图（如图41程序流程图）。控制学院班学生毕业设计第18页共50页控制学院班学生毕业设计第19页共50页开始初始化N各执行器分别试机选择手动档或暂停YN自动档选择Y自动流程启动ND门开启D杆拉料停机、D门灯闪光、声光报警上限保护超时停机、D杆灯闪光、声光报警限位保护超时杆拉料D门关闭停机、D门灯闪光、声光报警下位保护超时YNNC门开冷却室温度检测YYNNY停机、C门灯闪光、声光报警上位保护超时NYC杆推料C杆灯闪光、停机、声光报警限位保护超时NY控制学院班学生毕业设计第20页共50页如图41程序流程图C门关停机、C门灯闪光、声光报警限位保护超时NYB门开停机、B门灯闪光、声光报警限位保护超时YB杆推料停机、B杆灯闪光、声光报警限位保护超时YNB门关停机、B门灯闪光、声光报警限位保护超时停机、A门灯闪光、声光报警限位保护超时A门开NYNYA杆推料停机、A杆灯闪光、声光报警限位保护超时NYA门关停机、A门灯闪光、声光报限位保护超时YN工艺流程周期时间继电器启动点、复位点分别合一次合定时时间到N总停机YY结束YN控制学院班学生毕业设计第21页共50页412下位机程序语句表下位机程序语句表下位机程序语句表下位机程序语句表系统程序的硬件配置工控机加CP5611卡作为DP主站，S7300CPU3152DP9作为系统的从站，其中CP3431为从站的一个以太网模块，具体配置如图42程序硬件配置。图42程序硬件配置程序主要由一个OB块、6个FC块、2个FB块、2个DB块组成。如图43主要程序组成。图43主要程序组成程序中OB块是主程序，其中主要调用FC子程序以及一些初始化程序。其程序语句表如图44初始化程序，45自动程序调用，46手动程序及公共程序调用。图44初始化程序控制学院班学生毕业设计第22页共50页图45自动程序调用图46手动程序及公共程序调用FC1是自动子程序，系统的自动运行程序主要在这里实现，部分语句表列出如图47D门上升子程序。控制学院班学生毕业设计第23页共50页图47D门上升子程序FC2是手动子程序，系统的手动控制部分主要是在这里实现，部分语句表列出如图48手动A门的上下。图48手动A门的上下FC3是公共程序，这里主要是汇总程序，部分语句表列出如图49D杆公共程序。控制学院班学生毕业设计第24页共50页图49D杆公共程序FC4为风冷室的PID调节程序，主要是把风冷室的温度采集上来进行PID控制，使风冷室的温度控制在400左右。语句表如下。A“故障复位“/PID复位；L00BLD103AM116/手动控制PID；L01BLD103AM110/外部设备输入过程变量选择；L02BLD103AM111/比例操作开关；L03BLD103AM112/积分操作开关；L04BLD103AM113/微分操作开关；L07BLD103A“自动启动“/启动PID调节；JNB_001CALL“CONT_C“,DB41/调用DB41数据块；COM_RSTL00MAN_ONL01PVPER_ONL02P_SELL03I_SELL04INT_HOLDI_ITL_OND_SELL07CYCLET20MS/设置扫描周期；SP_INTMD20/反馈值；PV_INMD24/输入值；PV_PERMANGAINMD28/比例参数设置值；控制学院班学生毕业设计第25页共50页TIMD32/积分参数设置值；TDMD36/微分参数设置值；TM_LAGDEADB_W0000000E000/死区宽度；LMN_HLM2764800E004/控制器输出上限值；LMN_LLM0000000E000/控制器输出下限值；PV_FACPV_OFFLMN_FAC1000000E000/控制器输出量的系数；LMN_OFF0000000E000/控制器输出量的偏移量；I_ITLVALDISV0000000E000/扰动输入变量；LMNMD44/控制器输出值；LMN_PERQLMN_HLMM115/控制器输出超过上限值；QLMN_LLMM114/控制器输出低于下限值；LMN_PLMN_ILMN_DPVER_001NOP0系统的PLC从站程序主要体现在这几个程序上，OB1主要是调用子程序及网络传送部分，它负责程序的跳转，当自动条件满足的时候主动调用自动程序，当手动条件满足的时候自动调用手动程序，包括公共程序的实时调用。FC1程序主要是用来实现自动程序，各个门之间协调发展通过自动程序来实现的，之间除了互锁之外，还加了更为多的保护，例如，A门的二次保护，限位开关的时限保护等。FC2程序主要是用来实现手动功能，包括程序调试时，各个部分的单独运行，当然里面有各自的互锁，例如，当A门推杆没有到达后限位的时候，A门的下是不能用的，被锁定了。同样，A门的关闭的时候A的推杆也是不能进的。FC3主要是程序的公共部分，包括各个部分的逻辑输出,报警输出等。FC4主要是风冷室的PID调节，只要对风冷室的温度进行控制。42上位机程序设计上位机程序设计上位机程序设计上位机程序设计上位机组态12界面提供了丰富的监控功能和保密措施，用户在打开文件时需要输入工程密码。如图410。控制学院班学生毕业设计第26页共50页图410工程密码输入界面这个设置防止非工作人员对程序进行非正常修改。另外是保护了设计人员的知识产权，当输入正确的密码之后就可以对原文件进行修改。进入运行界面之后首先是一个登陆界面（如图411监控登陆界面）。图411监控登陆界面在这个界面里，有用户登陆、退出登陆、修改密码、用户管理四个按钮，这四个按钮分别可以完成用户的登陆，退出已登陆的用户，修改已登陆的用户密码，增加或删除用户及修改用户的权限。用户登陆时需要输入用户名和用户密码，如图412登陆密码输入界面控制学院班学生毕业设计第27页共50页图412登陆密码输入界面用户名可以选择数据库里已经存在的用户名，不同的用户有不同的权限，管理者有最高的权限，可以进行任何操作和修改，可以添加删除用户，工程师可以进行全部操作，但是不能添加删除用户，操作员只能操作部分操作，一些关键的操作是要受到限制的，不同的人使用不同的身份登陆，从而保证系统的稳定性和安全性。用户登陆之后就可以进行相关的监视和控制，整个系统就动态的反映在工控机上了。如图413监控界面图413监控界面这里可以清楚的监控到各个部分的动作，以及风冷室温度的采集，并且可以对控制学院班学生毕业设计第28页共50页其进行部分控制。当进入手动模式时，点击“手动操控面板弹出”，这个时候会弹出一个面板如图414手动操控面板图图414手动操控面板图手动操控面板是弹出窗口，当系统转为手动状态的时候，操作面板弹出，按钮操作的时候不影响监控画面的监视。当按下主画面的“风冷室PID调节”按钮的时候，弹出风冷室的PID调节界面，这里可以自动调节PID，也可以手动调节，可以设置P、I、D三个参数，可以显示上、下限报警，并能显示温度曲线，如图415PID调节界面。控制学院班学生毕业设计第29页共50页图415PID调节界面43人机界面程序设计人机界面程序设计人机界面程序设计人机界面程序设计431人机界面功能简介人机界面功能简介人机界面功能简介人机界面功能简介支持任意字体的画面编辑器画面编辑器除了提供简体中文、繁体中文、以及英文等各种不同语言版本外，还提供WINDOWS系统可提供的字体来编辑。便利的运算与通讯巨集指令利用运算巨集帮助PLC处理复杂的运算功能,并配合通讯巨集指令，使用者可以自行撰写通讯协议，透过COMPORT与特定系统相接。使用USB快速上下载程序利用USBVER11上下载，将大大的缩短上下载时间。便利的配方功能提供方便好用类似EXCEL的配方编辑器，让使用者可以轻松的编辑配方；并且可以同时输入多组的配方（总大小限制为64K），一次下载多组配方，在人机端时，便可利用内部存储器来切换，使得使用上更加灵活。而下载时如果已经有编辑好的资料了，如果想更改配方，那么单独下载配方就可以了。可同时支持两台PLC可同时支持两个通讯PORT，可同时连接两台不同或是相同通讯协议的控制器。一台人机对多台PLC连线功能使用COM2的RS485接口，可串接多台的控制器（注控制器必须为支持RS485界面）。在线模拟功能及离线模拟功能编辑完成后，可直接使用PC连接控制器先行模拟人机动作是否正确，也可以不连接控制器在PC上进行模拟。SMC卡备份资料利用SMC卡来备份资料，或是以SMC卡里面的资料，来开启另一台人机，开启后，再把资料烧到FLASH里面，如此同样的资料就不需用PC来下载了。历史资料及警报讯息也可转存在SMC卡，使用者可利用卡片阅读机来读取此文件以供资料整理及打印。多重保密功能提供密码保护功能保障程序设计者的知识产权同时提供画面中元件使用权限密码功能，只有使用者权限等级高于此组件的状况下，使用者才可以使用此元件。MODE3之RS485接法为23对接成D,14对接成D。RS485RS422长距离传输时,建议提供良好的接地系统。不要将电缆包覆之FGND与GND接在一起,FGND请焊接在CONNECTOR的外壳上。如图415RS232TOPC、图416USBTOPC432触摸屏界面设计触摸屏界面设计触摸屏界面设计触摸屏界面设计触摸屏跟控制面板一样，是现场控制的重要组成部分之一；该系统中触摸屏提供了控制面板中所有的按钮跟大量的现场指示灯显示。程序在打开时需要输入工程密码，采用了密码保护充分保护了程序开发者的知识产权。如图416工程密码界面。控制学院班学生毕业设计第30页共50页图416工程密码界面程序运行之后欢迎界面主要有四部分，第一部分是系统目录，用来设置触摸屏系统选项，第二部分用来设置密码，第三部分密码输入，第四部分进入监控界面，如图417欢迎界面。图417欢迎界面进入监控界面后就可以操作系统了。系统的左上方显示当前日期，由上方显示当前时间。如图418监控界面。控制学院班学生毕业设计第31页共50页图418监控界面当按下风冷室PID调节的按钮时，就进入了风冷室的调节，在这里可以选择手动或者自动PID调节，可以设置输入值以及P、I、D三参数。如图419PID调节界面图419PID调节界面控制学院班学生毕业设计第32页共50页为了跟从站进行通讯，触摸屏程序需要设置必要的参数，界面种类DOPA75CSTD256COLORS；控制器选S7300（WITHOUTPCADAPTOR），通知位，2DBW0；PC通讯口为COM1参数设置如下（图420参数