基于PLC的,正火炉回火炉自动控制系统设计.doc

浙江纺织服装职业技术学院浙江纺织服装学院ZHEJIANG TEXTILE & FASHION COLLEGE毕 业 设 计课题：基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计 学 院： 机电与信息工程学院 设计时间： 2009-9-4 班级： 07机电 学号： 0705020431 姓名： 鲁秀春 指导教师： 王昕 目 录摘要1Abstract21.控制系统的设计思想22.设计任务23.设计要求24.正火炉回火炉介绍25.控制系统36.控制要求37.PLC相关介绍48.控制系统流程图69.I/O分配79.1 输入79.2 输出79.3 PLC选型及输入输出信号编排710.硬件接线图811.正火自动控制程序13结束语15参考文献15基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计鲁秀春(浙江纺织服装学院机电与信息学院，浙江 宁波)摘要：根据货梯的基本设计思想，结合实际的PLC，设计了正火炉回火炉自动控制系统设计方案，并且从一定角度说明了该方案的合理性关键词：PLC; 自动控制;正火炉;回火炉; The design of Annealing stove and Normalizing furnace Automatic control system based on PLC Lu Xiu-chun ( The department of Electrical and Mechanical Engineering, Zhejiang Textile and Fashion College ,Ningbo，china）Abstract: According to the basic design of the Annealing stove and Normalizing furnace, combined with the actual PLC, Automatic control system scheme of a Annealing stove and Normalizing furnace is designed, and it is feasible from a certain perspective in industrial control areas.Keywords: PLC, Automatic control , Annealing stove ,Normalizing furnace1控制系统的设计思想在以PLC控制为核心、三相调压模块为基础的温度自动控制系统中，PLC将锅炉内胆温度设定值与温度传感器的测量值之间的比较，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。2设计任务用PLC控制正火炉回火炉，完成模拟量输入和模拟量输出的PLC控制3设计要求（1）、按下启动按钮,系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；（2）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度小于设定温度时，小车保持不动，火炉继续加温；（3）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度大于或等于设定温度时，小车从火炉内自动运行到炉外；（4）、设计PLC硬件电器连接图；（5）、画出系统操作流程图，设计PLC控制程序，包括绘出程序框图、状态转移图以及写出指令程序，另外程序必须加以注释说明其作用。4正火炉回火炉介绍被控对象为锅炉内胆温度，温度传感器检测锅炉内胆的温度信号，转换成420mA电信号，经AI-808变送器将电流信号转换成15V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PLC运算后，发出控制信号，控制三相移相SCR调压装置。三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。5控制系统图如图5-1所示图5-1 正火炉回火炉控制系统图6 控制要求（1）初始状态电动机M1=M2=OFF，小车停在SQ3位置，SQ3发光管亮，SQ4发光管灭，火炉门关闭SQ2亮，SQ1灭，电炉丝关断即OFF状态。（2）起动操作按下启动按钮，开始下列操作：1）电动机M2正转，炉门打开，SQ2灭。2）当炉门全部打开时，SQ1亮，M2停车。3）当M2停车时，M1正转，SQ3灭，运送工作的小车进入炉堂。4）当小车到达SQ4位置时，SQ4亮，M1停车，同时M2反转，SQ1灭，当火炉关闭时SQ2亮。5）处于室温的炉堂通过温度传感器将温度转换成电压信号，由ST接口将模拟的电压信号输入给PLC，在PLC内部与温度设定值进行比较和计算，PLC的模拟量输出口VC的输出电压接通电炉丝，小车上的工件开始加热，工件需要加热的温度可根据工艺要求来设定，例如1000，其设定值由PLC的另一个模拟的输出口输入给PLC。6）当炉温达到设定值1000时，保温一段时间。按下停止键后电炉丝关断停止加热，同时电动机M2正转，SQ2灭，炉门打开，SQ1亮，同时M2停车。7）当M2停车时M1开始反转，SQ4灭，小车推出炉堂，达到SQ3位置时，SQ3亮，M1停转，工件开始自然冷却。与此同时M2反转，SQ1灭，炉门关闭，SQ2亮，M2停转回到初始状态。经过一段时间后工件温度下降到室温，完成了工件的正火。7 PLC相关介绍（1）PLC的发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。 个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。 上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。（2）PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 （3）CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （4）I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （5）电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 （6）底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 （7）PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。8 控制系统流程图如图8-1所示 图8-1 控制系统流程图9 I/O分配（1）输入启动按钮 X0停止按钮 X1SQ1 X2SQ2 X3SQ3 X4SQ4 X5模拟量反馈输入（ST） WX10模拟量给定输入（设定值） WX9 （2）输出 M1电机正转 Y0 M1电机反转 Y1 M2电机正转 Y2 M2电机反转 Y3 模拟量输出（VC） WY9 （3）PLC选型及输入输出信号编排正火炉回火炉有 8 个输入信号，4 个输出信号，选择FP1系列PLC。输入、输出信号及地址编号如下表 9-1 所示。表9-1 输出信号地址编号10 硬件接线图根据小车运动控制的要求，可将4 个感应行程开关赋予不同的值；同时，将4 按钮也对应赋值。当小车到达某个感应行程开关位置时，该感应行程开关自动闭合或断开。当小车进入炉堂的同时炉门关闭，然后炉内自动开启加热装置，将小车上的工件加热到一定值，并将这个温度值与设定值进行比较，根据比较的结果对小车上的工件进行继续加热，直到温度达到设定值或设定值以上温度，小车在炉内保温一定段时间后自动移动到炉外进行自然冷却。由此可得到如图 10-1 所示的正火炉回火炉自动控制PLC外部接线图：图10-1 PLC外部接线图11 正火自动控制程序 根据设计的要求，按图11-1所示的梯形图输入程序。附：温度控制算法：PID算法：U(k) = U(k-1) + Kp a0e(k) - a1e(k-1) + a2e(k-2)其中，U(k)为PID算法的输出量可直接用来输出控制图11-1 正火自动控制梯形图结束语本设计中仅仅给出了有关基于PLC正火炉回火炉的硬件设计方案与设计思想，软件设计由同一组的另外一个同学完成，因此，在本设计中将不给出软件设计的具体方案，详细的软件设计方案请参阅同组学生温跃亮、郑荣雷等同学的毕业设计。通过对基于PLC正火炉回火炉的硬件设计，使我基本上了解了PLC的工作过程以及具体的设计过程，这将为我在今后从事与PLC控制有关的工作奠定一定的基础。本设计的依据主要来源于有关的资料。因此，其设计的合理与否，还有待于进一步的验证与提高。请专家多多指教。在此，十分感谢我的指导老师王昕老师，在他认真的指导下，使我通过毕业设计，