毕业设计(论文)-基于PLC的电阻炉控制设计07866.doc

论文题目：基于plc的电阻炉控制摘 要本文介绍了一种电阻炉的控制方案,从软、硬件两方面阐述了系统的组成和功能,主要对温度控制系统做了介绍。本系统以fp0系列plc为控制核心,利用plc的强大功能,首先能顺利地进行金属材料的热处理工艺,同时电气装置也能够按照设计要求稳定运行。本系统还使用触摸屏代替普通按钮，加强了人机互动，既能随意修改程序段中的数值，又能实现热处理工艺过程的自动跟踪和监控，实现热处理工艺优化。本系统外部电路简单，控制精度较高，运算速度快，具有微型化和低功耗的优点。关键词：plc;触摸屏;电阻炉;温度控制a resistance furnace control based on plcabstractthis paper presents the applications of a control scheme in the resistance furnace. it mainly explains the composition and function of temperature control system in software and hardware aspects. taking fp0 series plc as control core, this system can carry out heating process for metallic materials while ensure electrical installations operate stably accordance with the design requirements using the powerful function of plc. the system also uses touch screen instead of the ordinary push button, enhance the interaction between human and computer. it can modify the numerical value in the program segment freely, and realize the optimization of heating process by automatic tracking and monitoring during heating treatment process. the system has the following advantages as simple external circuit, high control accuracy, high computing speed, low power consumption and miniaturization. keywords: plc, touch screen, resistance furnace, temperature control目 录1 绪论12 总体设计方案22.1 plc和单片机的比较22.2 系统结构图及说明22.3 设计要求23 电阻炉的选择及改造33.1 电阻炉的选择33.2 电阻炉的改造33.2.1 电阻炉炉盖部分的改造33.2.2 电阻炉内升降台的改造43.2.3 温度传感器类型及选择43.2.4 a/d模块的选择54 plc选择及接线图64.1 plc类型及选择64.2 i/o口的分配74.3 plc外部电路图85 各部位工作原理及其梯形图程序85.1 炉盖工作原理及梯形图85.1.1 炉盖液压回路的设计85.1.2 二位四通换向阀接线图95.1.3 炉盖打开关闭的梯形图95.2 升降台工作原理及梯形图95.2.1 升降台电机的选择95.2.2 电机接线图105.2.3 升降台上升下降的梯形图105.3 蜂鸣器鸣叫工作原理及梯形图115.4 led灯闪烁工作原理及梯形图115.5 风扇转动工作原理及梯形图125.6 全速加热时的温度控制原理及梯形图125.7 定时保温时的温度控制原理及梯形图125.8 温度超过上限时报警的原理及梯形图136 触摸屏的设置136.1 主页面136.2 开关炉盖页面146.3 加热控制页面146.4 温度控制页面156.5 plc和触摸屏的接线图157 系统总程序168 结束语17致谢18参考文献191 绪论电阻炉是将电流通入金属或非金属电热元件，使电能转化成热量，依靠辐射和对流将热量传递给被加热元件，从而使工件加热到规定温度。电阻炉结构简单，操作方便，工作温度范围广，炉热分布较均匀且容易控制。便于控制气氛，容易实现机械化和自动化操作。它在国民经济各部门有着广泛的应用，小功率的电阻式高温炉是矿物及金属分析、食品、药物和商品检验等各种实验室必不可少的设备。为了提高产品的质量，均须对炉温进行监测和控制。可编程逻辑控制器(plc)被研制成大约在1968年。plc是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。plc 通过输入/输出（i/o）装置发出控制信号和接受输入信号。由于plc综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了plc的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。可编程控制器plc本身具有可靠性高、功能强、易于实现过程控制等优点,使得plc在各种工业过程控制中得到广泛应用和迅猛发展。采用可编程控制器进行炉温控制,可大大提高控制精度和自动化水平,具有良好的经济效益和推广价值。长期以来，plc始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。 进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大的推动了plc的发展，使的plc的功能日益增强。如plc可进行模拟量控制、位置控制和pid控制等，易于实现柔性制造系统。远程通信功能的实现更使plc 如虎添翼。plc控制有以下几个主要特点:可靠性高,成本低,编程简单，使用方便，控制程序可变，采用自然语言:梯形图,功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强,方便的与上位机进行通讯。触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端，简称pt，是新一代高科技人机界面产品。专为plc应用而设计的触摸屏集主机、输入输出设备于一体，适合在恶劣的工业环境中使用(防护等级达ip65 )。用它作为人机界面，具有交互性好、可靠性高、编程简单以及与plc连接简便等优点。电阻加热炉广泛应用于各行各业,其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节,这种方法存在着某些固有的缺点。本文设计了一种电阻炉控制系统，本系统以松下fp0型plc为核心，使用触摸屏代替普通按钮。本系统外部电路简单，控制精度高，运算速度快，具有微型化和低功耗的优点。2 总体设计方案2.1 plc和单片机的比较单片机编程方法复杂，不容易上手，抗干扰能力差；而plc功能强大、可靠性好，编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。经过综合考虑，本系统决定选择plc做控制核心。2.2 系统结构图及说明本系统能够对电阻炉炉温实现自动控制与温度数值的显示，出现故障及时报警，实现热处理工艺过程的自动跟踪和监控，实现热处理工艺优化。系统结构见图1。1图1 系统的结构图本系统pc为上位机，plc为下位机。由pc把程序传输到plc，plc控制继电器，再由继电器分别控制风扇电机，升降台电机，led，蜂鸣器和电磁阀。由温度传感器检测加热单元的温度并传给plc，再由plc控制加热单元，是一个闭环系统。2.3 设计要求a.plc能够监控炉膛的温度；2b.按下触摸屏上的“开盖”按钮，炉盖自动打开，炉膛内升降台自动升起；c.按下触摸屏上的“关盖”按钮，炉膛内的升降台自动下降，当下降到最底端时炉盖自动关闭；d.按下触摸屏上的“回火”按钮后，led灯闪烁10秒，同时开始全速加热，当温度到达设定值时停止加热，进入定时保温阶段，定时半小时；2e.每1分钟检测一次炉膛内温度，并在触摸屏上显示检测结果；f.定时保温时间结束后，蜂鸣器鸣叫10秒告知热处理结束；g.加热时超过温度上限会报警，报警现象为led闪烁同时蜂鸣器鸣叫。基于以上的要求，所设计的系统必须要有以下结构模块：温度传感器单元，plc模拟量转换单元，触摸屏，led灯，蜂鸣器，电机。3 电阻炉的选择及改造3.1 电阻炉的选择电阻炉结构简单，操作方便，工作温度范围广，炉温分布较均匀，且便于控制气氛，容易实现机械化和自动化。电阻炉是将电流通入金属或非金属电热元件，使电能转化成热量，依靠辐射与对流将热量；传给被加热的元件，从而使工件加热到规定温度。热处理电阻炉一般分为箱式电阻炉和井式电阻炉。箱式电阻炉又分为高温箱式电阻炉，中温箱式电阻炉，低温箱式电阻炉。井式电阻炉也分为高温井式电阻炉，中温井式电阻炉，低温井式电阻炉。本文选择rj2-25-6低温井式电阻炉做研究对象。低温井式电阻炉的外壳是由钢板型钢焊接而成，炉衬是由轻质耐火砖石切成，电热元件呈螺旋状分布在炉膛内壁上。炉盖上装有风扇，主要是使炉内气体产生对流，促使加热均匀。3rj2-25-6井式电阻炉基本参数见表1。表1 小型rj2-25-6低温井式电阻炉基本参数型号额定功率kw额定温度相数加热元件接法炉膛尺寸*h (mm)外形尺寸l*b*h (mm)最大装载kgrj2-25-6256501串联400*5001600*1030*19001503.2 电阻炉的改造3.2.1 电阻炉炉盖部分的改造在炉盖完全打开的位置安装一个行程开关s2，在炉盖完全闭合的位置安装一个行程开关s1。具体见图2。s1给plc一个信号，代表炉盖完全关闭；s2给plc一个信号，代表炉盖完全打开。图2 电阻炉炉盖改装图3.2.2 电阻炉内升降台的改造在电阻炉内升降台上加一个齿条。在炉外安装一个电机，电机出来联轴器再接减速器，再接齿轮，齿轮和升降台上的齿条啮合，带动升降台上升下降，以方便入料和出料。在升降台的上极限位置安装一个行程开关s3，在升降台的下极限位置安装一个行程开关s4。具体见图3。s3给plc一个信号，代表升降台完全升起；s4给plc一个信号，代表升降台完全落下。图3 电阻炉内部改装图3.2.3 温度传感器类型及选择温度监控系统是将温度通过温度传感器传送到a/d模块，a/d模块将温度转换为数字量，再传送到plc。经过plc内部运算，将采集的温度与设定值做比较，同时做出相应的动作（控制加热器加热或控制加热器停止加热）。然后再由温度传感器采集温度。是一个闭环系统。温度传感器分热电偶温度传感器和热电阻温度传感两种。在选择温度传感器时根据不同的场合选择类型，本设计由于需要选用pt100温度传感器，铂热电阻pt100是国际温标its-90标准中的工业温度测量元件之一，所以利用pt100温度传感器具有一定的典型性，有利于工作系统的稳定。铂热电阻温度传感器是一种精度高，稳定性好，抗环境干扰能力强等。 铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性测量温度，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。当被测介质存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。铂电阻温度传感器的主要技术指标如下：a绝缘电阻：常温绝缘电阻的试验电压可取直流10100v，任意值。b热响应时间：在温度出现阶跃变化时，热电阻的电阻变化到相当于该阶跃变化的50%所需的时间，称为热响应时间， 用0.5表示。c精度：0.1%或0.1的最大值。d温度系数：0.015%/。e分辨率：1/4096。f测量范围：-200850。3.2.4 a/d模块的选择a/d与d/a插件是plc中最先出现的模拟量与数字量相互转换的控制插件,几乎所有的plc产品都配有这类插件。温度、压力、流量、速度传感器的测量信号经过合适的转换电路后,都可送入a/d插件,a/d插件将其转换为对应于04000之间的数值供plc控制系统使用。与fp0配接的a/d混合模块的型号为a21，在实际应用中往往需要通过模拟量所采集的值，对执行机构进行控制。与fp0配接的a/d模块有两个模拟输入通道，其所占用的i/o口分别为：ch0 wx2（x20x2f）ch1 wx3（x30x3f）其技术指标见表2表2： a21模块模拟输入信号范围模拟量输入范围电压05v电流020ma由于a21的输出数据是十进制的，也就是说dt0中的数据是十进制的，那么必须将温度转换为相应的十进制才可以比较，即数据转换的问题。可通过以下计算思路，得出温度与相对应的十进制值的关系。温度传感器的数据转换：温度传感器的输出信号为020ma的电流值，对应于0度800度的温度，温度与电流是线性的，则有：y1 = 40 x1其中 y1代表温度值，x1代表电流值。a21模块的数据转换：a21模块的输出信号为k0k4000，对应于020ma的输入电流，温度与电流是线性的，则有：k2 = 200 x2其中k2代表十进制，x2代表电流值。温度与十进制的数据转换：当x1 = x2是可以得出温度与十进制的转换关系。y1 / 40 = k2 / 200 其中y1代表温度值，k2代表相应的十进制。当温度值为500时，对应的十进制是k2500。根据以上分析，我们可计算出任意模拟量输出的物理量与计算机所能处理的十进制之间甚至二进制的关系，从而为计算机与物理量数据的交互提供了一个通道。在本文的应用中，通过plc模拟单元对数据的转换和传递，实现了实时模拟值与需求值不断比较，直到达到需求值时所应执行的动作。因此在程序中用k2500与dt1中的数据比较：用cmp指令或者基本比较指令实现，同时产生一个标志。本系统dt0，dt2，dt4中分别存储的是实时温度，设定的温度，设定的温度上限；dt1，dt3，dt5中分别存储的是实时温度所对应的十进制，设定的温度所对应的十进制，设定的温度上限所对应的十进制。本系统分为全速加热和定时保温两个阶段。第一个阶段加热器需要持续加热，一旦加热温度超过设定值就进入第二阶段。第二阶段时加热器不需要持续加热，当当前温度高于设定值时加热器停止加热，当当前温度低与设定值时，加热器开始加热。5之所以分两段程序是因为第二阶段加热器需要反复改变工作状态。若共用一段程序，则当进入第二阶段时，温度一低就加热，温度一高就停止加热。加热器工作状态改变太频繁，大大缩短了工作寿命。所以，第二段程序每一分钟采集一次温度再进行比较，降低了加热器工作状态改变的频率，延长了加热器的寿命。4 plc选择及接线图4.1 plc类型及选择目前，各个厂家生产的plc其品种、规格及功能都各不相同。由于本设计的需要我选择了日本松下电工公司的fp系列plc，即fp0。fp0是超小型plc，之所以选择松下公司生产的plc，是因为fp系列是plc市场上被称为“一匹黑马”的后起之秀，虽然进入中国市场较晚，但由于其设计上的独到之处和优良的控制功能，一经推出，就备受用户欢迎。其产品有以下几方面特点：a.丰富的指令系统：在fp系列plc中，即使是小型机也具有进200条指令；b.快速的cpu处理速度：fp系列机各种机型的速度均优于同类产品；c.大程序容量：fp系列机的用户程序容量较同类机型大，其小型机一般都可达到三千步左右，最高可达五千步；d.功能强大的编程工具：fp系列无论采用的是手持编程器还是编程工具软件，其编程及监控功能都很强；e.强大的网络通信功能：fp系列机的各种机型都提供了通信功能，而且一致的应用层通信协议为构成多级plc网络，开发plc网络应用程序提供了方便。fp0是松下电工超小型plc，是近几年开发的新产品，其体积小，但功能十分强大，具有5000步的大容量内存，运行速度快，每个基本指令执行速度为0.9s。fp0可实现轻松扩展，扩展单元无需任何电缆即可直接连接到主控单元上。同其他类型plc相比，它增加了许多大型机的功能和指令。本系统选用松下fp0型的plc。44.2 i/o口的分配表3 输入口的分配触摸屏上的“急停”按钮x0炉盖关闭极限位置处的行程开关s1x1炉盖打开极限位置处的行程开关s2x2升降台上升极限位置处的行程开关s3x3升降台下降极限位置处的行程开关s4x4触摸屏上的“开炉门”按钮（入料）x5触摸屏上的“关炉门”按钮（出料）x6触摸屏上的“回火”按钮x7表4 输出口的分配和电磁阀左位相连接的继电器k1y0和电磁阀右位相连接的继电器k2y1升降台电机正转继电器（上升）k3y2升降台电机反转继电器（下降）k4y3和蜂鸣器连接的继电器k5y4和led灯连接的继电器k6y5和电扇连接的继电器k7y6和加热单元连接的继电器k8y74.3 plc外部电路图图 4 plc外部电路图5 各部位工作原理及其梯形图程序5.1 炉盖工作原理及梯形图5.1.1 炉盖液压回路的设计当电磁阀左位接入液压回路中，液压油进入液压缸左腔，炉盖打开；当电磁阀右位接入液压回路中，液压油进入液压缸右腔，炉该盖关闭。具体见图5。图中的换向阀采用24ejf-m二位四通换向阀,国家机械工业委员会重型机械局企业标准:jb/zq4584-86。本标准适用于公称压力为40mpa的干油或稀油集中润滑系统以及液压系统中转换供油方向或切断供油的二位四通换向阀。换向阀适用介质为针入度不低于220（25，150g）1/10mm的润滑脂和粘度等级大于n68的润滑油。图5 炉盖的液压回路设计5.1.2 二位四通换向阀接线图见图6。图中k1,k2为继电器的控制触点，1y1,1y2为电磁阀的线圈。图6 电磁阀接线图5.1.3 炉盖打开关闭的梯形图炉盖打开的工作原理：按下触摸屏上开盖按钮后，plc收到触摸屏给出的信号，再由plc发出一个信号，使电磁阀左位接入液压回路，炉盖开始打开，当炉盖完全打开时会按下行程开关s2。炉盖关闭的工作原理当升降台下降到极限位置时会按下行程开关s4，行程开关s4给plc一个信号，plc再发出一个信号，使电磁阀右位接入液压回路中，炉盖开始关闭，当炉盖完全关闭时会按下行程开关s1。其梯形图程序见7。图7 炉盖部分梯形图5.2 升降台工作原理及梯形图5.2.1 升降台电机的选择功率的计算：炉高大约2米，5秒左右升降台完全升起v = s / t = 0.4 m / s p (max) = f (max) v = 150 0.4 = 60 w按照所计算的功率选择fz2-11型电机。其技术指标见表4。表5 fz2-11型电机技术指标机座号功率kw电压v电流a转速转 / 分钟fz2-110.42202.6815005.2.2 电机接线图见图8。图中k7为继电器控制触点，方块为风扇电机线圈。图8 升降台电机接线图5.2.3 升降台上升下降的梯形图当炉盖完全打开按下行程开关s2后，行程开关s2给plc一个信号，plc再发出一个信号，使升降台电机正转，升降台升起。当升降台升到最顶端时按下行程开关s3后，行程开关s3给plc发出一个信号，然后plc再发出一个信号使升降台电机停止转动，升降台停止上升。当按下触摸屏上的关盖按钮时，触摸屏给plc一个信号，plc再给升降台电机一个信号，使升降台电机反转，升降台开始下降。当升降台下降到最底端时按下行程开关s4，行程开关给plc一个信号，plc给升降台电机一个信号，使升降台电机停止转动，升降台就停止下降了。其梯形图程序见9。图9 升降台梯形图5.3 蜂鸣器鸣叫工作原理及梯形图选用型号为smd5020a的贴片式电磁蜂鸣器，规格为552mm，目前是其贴片系列中体积最小的产品，额定电压为3v，电流消耗不到100ma，谐振频率为4000hz，10cm的输出声压在75db以上，净重仅为0.3g。当定时保温的定时器t1定时结束后，plc给出一个信号使蜂鸣器开始鸣叫，同时另一个定时器t2开始计时。当计时结束后plc发出一个信号时蜂鸣器停止鸣叫。其梯形图程序见10。图 105.4 led灯闪烁工作原理及梯形图选用a6m-p3型高亮度led ，其内置限流电阻和保护二极管。机身小，省空间。照明色为黄色。内置保护二极管可保护100v 逆向电压（仅限5v dc）。其外部接线图见图11。图中k6为继电器控制触点。图11 led外部接线图当按下触摸屏上的回火按钮后，触摸屏给plc发出一个信号，plc给led灯发出一个信号使led灯开始闪烁，同时定时器t3计时开始，当计时结束后，plc给led灯一个信号，led灯停止闪烁。其梯形图程序见12。图12 led梯形图 5.5 风扇转动工作原理及梯形图当触摸屏上的回火按钮被按下后，触摸屏给plc发出一个信号，plc给风扇电机发出一个信号，风扇电机开始转动。当定时保温结束时，plc给风扇电机发出一个信号，风扇电机停止转动。其梯形图程序见13。图13 风扇电机梯形图5.6 全速加热时的温度控制原理及梯形图当按下回火按钮时，plc给出一个信号，加热机构开始加热。同时温度传感器不断的检测炉膛内的温度。当传感器检测到的温度低于所设定的值时，一直全速加热。当传感器检测到的温度高于所设定的值时，停止全速加热，进入定时保温阶段。比较时使用fp0型plc的基本比较指令实现。其梯形图见图14。 图14 全速加热时的梯形图5.7 定时保温时的温度控制原理及梯形图当全速加热一结束，plc内部一个定时器开始计时，同时温度传感器不断的检测炉膛内的温度。当传感器检测到的温度低于所设定的值时，继续加热。当传感器检测到的温度高于所设定的值时，停止加热。直到定时器定时结束，所有工作都停止。比较时使用fp0型plc的cmp指令实现。其梯形图见图15。图15 定时保温时的梯形图5.8 温度超过上限时报警的原理及梯形图温度超过上限时已经有可能损坏电阻炉，有必要报警。这里报警是这样实现的。触摸屏把上限值传送给plc，plc把上限值化成十进制后把他存储在dt5，那dt1和dt5不断比较。当dt1dt5时发出报警信号。梯形图程序见图16。图16 报警梯形图6 触摸屏的设置本系统选用台达公司的as38bstd型号的人机系列触摸屏。触摸屏的界面分四个，分别是主页面，加热控制页面，开关炉盖页面，温度监控页面。6.1 主页面图17为主页面，按下炉盖控制按钮后进入炉盖开关的控制界面，按下加热控制按钮后进入进入加热控制的界面，按下当前温度按钮后进入进入温度监控界面，按下急停按钮后系统所有工作停止。图 17： 主页面6.2 开关炉盖页面图18为开关炉盖的页面，按下开炉门按钮后，电磁阀左位接入液压回路，电磁炉炉盖打开，炉内升降台升起，按下关炉门按钮后，电磁阀右位接入液压回路，炉内升降台下降，炉门关闭。按下返回按钮后返回主页面。图 18： 开关炉盖6.3 加热控制页面图19为加热控制页面，按下输入设定温度按钮后会弹出对话框，在对话框中输入工件所要加热到的温度，当输入的值超过电阻炉的最大加热温度时会有相关提示，输入的数值放在dt2。按下输入温度上限按钮后会弹出对话框。在对话框输入工件加热的温度上限，当输入的值超过电阻炉的最大加热温度时会有相关提示，输入的数值放在dt4。按下回火按钮后电阻炉开始加热。图 19： 加热控制6.4 温度控制页面图20为温度控制页面，在此页面中仪表显示的是当前的温度，下面的数值显示的是记录的温度，共有5个数值，每5分钟记录一次。图 20： 温度监控6.5 plc和触摸屏的接线图12图21 plc和触摸屏接线图7 系统总程序图22 系统总程序8 结束语随着计算机控制技术的发展，可编程序控制器（plc）凭借其自身所具有的抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高、编程简单、维护量小等一系列特点，在现代控制领域占有越来越重要的地位。近年来，世界上各生产厂家相继推出多种新型plc，其主要特点是：功能强大，具有网络功能，不仅能实现复杂的逻辑控制，还能实现顺序和定时的闭环控制功能，并能组成分布控制系统等。然而plc在对模拟量处理中虽然厂家推出了各种模拟采集模块，但造价高、路数少、扩展麻烦，在模拟量多的控制场合中应用受到限制。本文利用plc完善的功能与温度传感器，触摸屏，led，a/d转换等相结合，有效而可靠地实现了对温度的自动控制。实践表明plc抗干扰能力好，寿命长，可靠性高，非常适合工业控制系统及类似的生产线。把触摸屏应用到以plc为控制系统中，不仅可以省略传统的按钮，按键和指示灯，还能减少大量配线，提高了控制系统的可靠性。本设计既充分利用plc的特点，又对plc的控制功能进行扩充，使其显示直观，运行可靠。致谢本论文设计在王老师的悉心指导和严格要求下完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着王老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，王老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向王老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 在临近毕业之际，我还要借此机会向在这