加热反应炉PLC控制系统设计

摘要加热反应炉是冶金、化工工业常用的重要设备，过去仅依靠人工经验进行操作，存在送料、温度、压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成原料浪费，给企业带来经济损失，采用PLC对加热炉进行送料控制、加热反应控制和泄放控制，能生大大提高产效率和控制系统稳定性。送料控制包括：检测下液面B1，炉内温度B3,炉内压力B4，其值是否都小于给定值，条件为真时开启排气阀Y1和进料阀Y2,当液位上升到上液面B2时，同时关闭排气阀和进料阀。加热反应控制：接通加热电源K1M，开始对反应炉加温。当温度升到给定值（B3=1）时，切断加热电源。延时10s，加热过程结束。泄放控制包括：打开排气阀，使炉内压力降到低于给定值，（B4=0）。打开泄放阀Y4，当炉内溶液降到下液面（下降沿）时，延时10s后关闭泄放阀和排气阀，系统恢复到原始状态，准备进入下一循环重复13控制。出现故障时，报警灯闪烁，报警器响，响过5次后停止。关键词：加热反应炉可编程控制器目录第一章绪论.1第二章PLC简介.22.1PLC定义.22.2PLC特点.22.3系统抗干扰措施.3第三章MCGS组态软件.43.1MCGS组态软件简介.43.2变量的定义.73.3控制画面.73.4控制程序.73.5数据显示画面.83.6报表输出.9第四章加热反应炉对电气控制系统的要求.114.1加热反应炉的概述.114.2加热反应炉的系统组成.11第五章加热反应炉的PLC设计.125.1加热反应炉的控制要求.125.2加热反应炉过程输入/输出表.125.3加热反应炉系统接线图.135.4加热反应炉的流程图.145.5加热反应炉工作梯形图.15致谢.17参考文献.18第0页共20页第一章绪论加热反应炉是冶金，化工工业常用的重要设备，过去仅靠人工经验进行操作，往往存在送料，温度，压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成原料浪费，给企业带来经济损失。可编程控制器（programmablelogiccontroller）以其可控性高，功能强，控制灵活等特点，已成为目前工业现场环境的首选控制装置。它不仅能实现复杂的顺序控制，还能完成少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便，所以，本文选用可编程控制器对加热反应炉电气设备进行改造并采用通用组态软件MCGS实现加热反应炉的可视化安全生产控制。组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态技术构成的计算机测控系统由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构等几部分组成。组态（Configuration）就是模块的任意组合。采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业PC机外，系统大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。利用组态控制技术，可以将加热反应炉生产过程的数据在控制室的计算机屏幕上直观地以曲线、图表、直方图、虚拟仪表等形式显示出来，还可以通过计算机鼠标或触摸屏上的按钮对现场的设备实施遥控。在控制室里监视和控制生产过程中，能及时发现和干预各种不安全状况；并且由于操作人员远离现场，可以极大地提高人员和设备的安全系数；所以，这种基于组态软件的可视化控制技术是一种很有效的安全生产技术。煤矿、化工过程、铁路沿线容易塌方的地段等都有这种技术的用武之地。尤其是在目前安全生产形势比较严峻的形势下，这项技术的采用更有其现实意义。第1页共20页第二章PLC简介2.1PLC的定义PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLCPLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:可编程逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等,面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、第2页共20页CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3系统抗干扰措施可编程控制器的主要应用场合是工业现场，工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系统中也不例外，有必要考虑系统的抗干扰措施。抗干扰的主要措施有：1)数据采集采用屏蔽电缆，所有屏蔽电缆层汇线接地，多芯电缆中的备用芯线也要一端接地，这样可扩大屏蔽作用，并抑制芯线间干扰。必要时可采用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆。2)信号回路汇线接，输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设，不能扎在一起，信号电缆接线端子均安装在柜体下侧。3)所有机柜、操作台等均需保护接地，台柜内需有独立的PLC直流地、机壳安全地、电缆屏蔽地接地端子，与结构内部未接地电路板在电气上隔离。电源柜、动力柜、交频柜进线方式均为：下进下出。4)引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。5)同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。因此对数字信号和模拟信号，在任何情况下，都必须分开电缆迸行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量加信号线的长度，并采用双芯屏蔽线作为信号线。6)保证PLC柜良好的通风环境，在设备现场，要充分考虑周围环境的影响，尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。第3页共20页第三章MCGS组态软件3.1MCGS组态软件简介组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即Supervision,ControlandDataAquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。（1）产品特点方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。（2）全新的高性能实时、历史数据库力控6.0重新设计了数据库内核部分。除了采用旋转门算法对历史数据进行压缩外，重第4页共20页新优化设计了磁盘存贮算法以实现对长年形成的海量历史数据的快速查询。支持的数据类型除原有的浮点型、布尔型、字符串型外，新增了对二进制型数据的支持。单台服务器容量可达100,000点，吞吐量支持每秒写入/查询20,000个数据点。历史数据库可在线备份。支持多服务器处理。当数据库构成双机冗余系统时增加了从站操作功能，即处于备用状态的从站可作为普通操作员站使用。（3）新增数据库快速访问接口DBIDBI是一套全新设计开发的实时数据库访问接口。它除了兼容原有接口DbCom的所有接口功能外，还增加了获取数据库结构信息的接口，并增加了动态控制变化数据集功能。由于DBI口采用了快速数据访问机制，数据访问吞吐量可达到20000次/秒，可以适合过程仿真、优化控制、专家诊断等多种行业应用。（4）进程管理新增的进程管理器可按照配置安全启动、停止各个程序进程，支持进程异常自动处理功能。可远程监测各进程状态，远程启、停进程，远程上传、下载工程应用或更新程序组件。（5）报警、事件处理强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能。（6）功能强大的、开放的过程可视化监控平台全面提升的HMI1）支持HMI图层操作，可灵活控制各图层的显示与隐藏。2）重新设计的HMI的对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性。3）完善了力控OCX容器的事件型脚本功能，支持更多类型的OCX控件。4）增强的SQL脚本。可根据SQL脚本函数返回值判断执行结果、支持模糊查询、支持时间类型字段的处理等。（7）灵活的报表生成器1）提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本。2）兼容Excel工作表文件，提供类Excel的绝大部分功能，包括：编辑功能、计算功能、图表功能等。3）支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式：Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。4）可实现多层表头，可以实现报表嵌套，可以制作复杂的报表格式。5）具备打印、打印预览、页眉页脚打印功能。6）报表数据源支持实时数据库和各种关系数据库，可显示、处理实时和历史数据。7）提供报表设计器，可以设计多套报表模板。（8）对标准组件和图库进行了大量更新与扩充1）重新设计、开发实时和历史趋势、XY曲线、多功能报警、历史报表、总貌画面、温控曲线、ADO历史曲线等标准组件。2）新增多功能图片显示、GIF透明动画、CAD图形组件等实用图形工具。3）优化、改造了文本输入、下拉框、列表框、复选框、多选按钮、起始时间、时间范围、历史追忆等Windows控件。第5页共20页4）优化、改造了多媒体播放器、Flash播放器、浏览器、幻灯片等子图。5）增加了大批如：PID调节器、手操器等实用子图。（9）新一代的网络功能1）Web发布不但支持自有的Web服务器，同时支持IIS服务器，开放的Web控件方便用户建立门户网站。2）支持掌上PDA终端访问网络服务器，浏览画面。3）丰富了XML数据传送接口。4）加强了GPRS/CDMA移动网络的并发数据功能，适合大型移动网络数据处理。（10）全面升级的I/O调度6.0的I/O调度在兼容原有全部驱动程序的前提下，进行了多项功能改进。1）通过简单组态配置，即可支持控制设备的的串口、以太网通道冗余以及控制器冗余。2）每个驱动可加载独立进程完成采集，彻底消除单进程容易产生的线程安全隐患。3)增加驱动管理器，可查看信道、设备的状态信息，信道的通信报文，对信道进行启、停控制。4）支持异种通信协议共享同一信道（如：采用RS485协议同时在一个链路上采集多种厂家、不同协议的设备）。5）增加了监控数据读写的优先级控制功能。（11）组态软件特点随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点：（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。第6页共20页3.2变量的定义3.2.1变量的分配变量的分配见表3-1：X3开关0上液面检测，开关量输入，液位超过上液位时为1，否则为0X4开关0炉内压力，开关量输入，压力超过设定值时为1，否则为0SB1开关0启动按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效SB2开关0停止按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效Y1开关1排气阀，开关量输出，0有效Y2开关1进料阀，开关量输出，0有效Y3开关1氮气阀，开关量输出，0有效Y4开关1泄放阀，开关量输出，0有效Y5开关1加热炉电源，开关量输出，0有效ZHV1开关0定时器时间到ZHV2开关0定时器启动ZHV3数值0定时器计时时间水数值0动态参数复位开关0复位按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效JIEDUAN数值0阶段标志3.3控制画面按照MCGS组态软件的要求，建立并编辑自动控制画面。画面画出了加热反应炉的简单示意图，并设计了九个指示灯，分别代表低液位传感器，温度传感器，上液位传感器，压力变送器，排气阀，进料阀，氮气泄放阀和加热炉电源的情况，运行时，指示灯随之做出相应指示。图中还设计了七个按钮，分别代表开始，停止，复位，X1,X2,X3,X4.其中X1,X2,X3,X4这几个按钮分别代表与之对应的传感器情况，用来模拟传感器信号；用鼠标点击开始，停止，复位这几个按钮可对系统进行控制操作。在软件中可以利用这些按钮来进行系统的调试，当调试完成后，安装板卡，接通实际对象，这些按钮可以去掉。3.4控制程序系统要求实现的功能（即工艺过程）在前面已经有过陈述，为了实现这些功能要编写控制程序。在MCGS中控制程序的编写采用的是策略组态的形式，所谓运行策略，可以简单理解为系统运行与控制的思想和方法。MCGS提供了许多“策略构件”，这里要用到其中的定时器，脚本程序。第7页共20页3.5数据显示画面在系统实际运行的时候，可能会发生一些意外情况，甚至可能会引发事故。为了进行实时的精确监控，需要系统进行实时的数据显示；当意外情况发生后，需要查找原因，这就需要系统显示历史数据，以避免今后再发生类似情况。可以说，系统重要的数据显示对安全生产非常重要。这里制作的显示画面包括：实时报表，历史报表，水位实时曲线和水位历史曲线。最终效果图如图3-1所示。图3-1自动控制画面第8页共20页3.6报表输出所谓数据报表就是根据实际需要以一定的格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，常用的报表有实时数据报表和历史数据报表。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是对生产过程中系统监控对象状态的综合记录。实时报表:实时报表用于将当前时间的数据变量按一定报告格式显示和打印出来。通常实时报表可以通过MCGS系统的自由表格构件来创建。具体操作步骤从略。历史报表:历史报表通常用语从历史数据库中提取数据记录，并以一定的格式显示历史数据。利用历史表格动画构件实现历史报表的步骤从略。3.6.1曲线显示对生产过程的重要参数进行曲线记录有两个好处:一是评价过去的生产情况，二是预测以后的生产过程，因此曲线显示在工控系统中是一个非常重要的部分。曲线显示有实时曲线显示和历史曲线显示。实时曲线:实时曲线可象笔绘记录仪一样与曲线形式实时显示一个或多个数据对象数值的变化情况。具体操作步骤从略。历史曲线:历史曲线主要用于事后查看数据和状态，分析变化趋势和总结规律。制作过程从略。3.6.2连接将画面与前面定义的数据对象关联起来，运行时，画面上的内容随变量的改变而变化。3.6.3编写控制程序按照系统所要求实现的功能，编写控制程序。在MCGS中，控制程序的编写采用的是策略组态的形式。所谓运行策略，可以简单理解为系统运行与控制的思想和方法。MCGS提供了许多“策略构件”，这里主要用到其中的定时器和脚本程序。3.6.4实时数据显示在系统实际运行的时候，可能会发生一些意外情况，甚至可能会引发事故。为了进行安全生产，需要系统显示实时的数据，并进行实时的精确监控；当意外情况发生后，需要及时查找原因，这就要求系统显示历史数据，以避免今后再次发生类似的情况。因此，系统重要数据的显示对安全生产非常重要。这也正是组态控制技术的主要优势，也是组态监控不同于普通摄像头监控录像之处。组态监控能够以各种方式灵活直观显示生产过程的参数及其变化，而普通摄像监控则不能深入到生产过程内部直观显示过程数据的变化。为了达到安全生产目的，需要制作数据显示画面，包括：实时报表、历史报表、水位实时曲线和水位历史曲线。第9页共20页根据加热反应炉对电气控制系统的要求，本设计控制系统包括手动，在内的共6个输入信号：下液面检测信号SK1，上液面检测信号SK3，分别输入PLC接点X1,X3,温度变送器SK2接PLC接点X2,；压力变送器输入信号SK4接PLC输入接点X4;SB1,SB2分别为自动手动切换按钮，接PLC输入接点X5,X6。PLC的7个输出信号Y1-Y7分别控制四个电磁阀KV1-KV4，一个加热炉电源接触器KM1的两个信号灯HL1,HL2.考虑到现场改造的实际情况，本系统采用FX20PLC对加热反应炉进行控制，该机提供的I/O点数为20个，其中有12个输入点和8个输出点，根据需要其I/O点数可扩展一倍，完全可以满足控制要求，本系统为条件型顺序控制系统，运行速度快，可靠性高，功能强，输入为干接触式，输出为继电器形式。第10页共20页第四章加热反应炉对电气控制系统的要求4.1加热反应炉的概述加热反应炉是石油，化工，制药等行业常用的设备，如依靠人工经验进行操作，往往存在送料，温度，压力，液位等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成原料浪费，给企业带来经济损失。而PLC可有效解决这些问题。加热反应炉控制，实现温度控制，适用于液体等控制。4.2加热反应炉的系统组成某加热反应炉系统由排气阀，进料阀，淡气阀，泄放阀，压力传感器，上液面传感器，下液面传感器，温度传感器和加热器组成。其示意图如4-1：图4-1加热反应炉示意图第11页共20页第五章加热反应炉的PLC设计5.1加热反应炉的控制要求反应炉