加热反应炉PLC控制系统设计.doc

学号10212408217 毕 业 设 计（论 文）加热反应炉PLC控制系统的设计教 学 系： 信息工程系 指导教师： 陈 艳 三 专业班级： 自动化1082班 学生姓名： 陶 冶 二一二年五月毕业设计(论文)任务书学生姓名陶 冶专业班级自动化1082班指导教师陈艳三工作单位信息工程系设计(论文)题目: 加热反应炉PLC控制系统的设计设计（论文）主要内容：1根据工艺过程的要求，设计PLC控制系统的原理图。2设计以下部分控制程序：（1）送料控制（2）加热反应控制（3）泄放控制要求完成的主要任务及其时间安排:1.查阅不少于10篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告。2.画出加热反应炉电气控制系统原理图。3. 编制PLC控制的I/O接口接线图。4.用梯形图编写送料控制，加热反应控制和泄放控制等程序。5.调试程序，模拟运行。6.完成正文不少于10000字的毕业论文（设计说明书、5张图纸）。必读参考资料：1 何刚，刘金贵. 可编程序控制器在加热反应炉中的应用J. 郑州轻工业学院学报，1999，14： 41-42.2 刘广瑞，刘荣福. 加热反应炉可视化控制技术J,中国科技信息，2006，22：75-80.3 吴作明. 工控组态软件PLC应用技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.4 刘广瑞，刘荣福. 加热反应炉可视化控制技术J,中国科技信息，2006，22：75-80.指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章毕业设计(论文)开题报告题目加热反应炉PLC控制系统的设计1目的及意义 加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。加热反应炉是工业常用的重要设备，过去仅依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。然而70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，计算机控制技术的发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，传统继电器控制技术被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代，而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。可编程序控制器PLC以其可靠性高、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。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面尤其以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。2基本内容和技术方案： 加热反应炉控制系统主要由上位机的监控部分、PLC 系统，信号检测部分及执行机构几部份组成通过在线实时记录、监控和显示数据，传递设备的实时状态，接受并执行系统实时控制命令，通过控制电磁阀开闭，满足系统控制的要求。控制过程：第一阶段：送料控制（1）检测下液面、炉内温度，炉内压力是否都小于给定值（逻辑值：小于输出0，大于输出1）（2）若小于给定值，则开启排气阀和进料阀。（3）当液位上升到设定值时,应该关闭排气阀和进料阀。（4）延时一段时间,开启氮气阀,氮气进入炉内,炉内气压上升。（5）当压力上升到给定值,关闭氮气阀.送料过程结束。第二阶段：加热反应控制。（1）交流接触器KM带电，接通加热炉加热器的电源。（2）当温度升高到给定值时，切断加热器电源。（3）延时一段时间后，加热过程结束。第三阶段：泄放控制。（1）打开排气阀，使炉内压力降到预定值。（2）打开泄放阀，当炉内液面下降到到液面时，关闭泄放阀和排气阀，系统返回初始状态。准备进入下一个循环。 3进度安排：第3-4周：调研及方案论证，查阅相关资料，完成开题报告。第5-7周：完成PLC的加热反应炉控制的硬件设计。第8-11周：完成PLC的加热反应炉控制的软件设计。第12周：模拟调试第13-14周：撰写毕业设计论文第15周： 整理论文，答辩 4指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目 录摘 要1ABSTRACT21 绪论31.1 课题背景及研究目的和意义32 PLC基本概念42.1 PLC的定义和基本组成42.2 PLC的特点及优势52.3 PLC的工作原理53 PLC控制系统设计73.1 系统工作原理73.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤73.2.1 I/O 分配表83.2.2 变量名的定义93.2.3 PLC I/O接线图93.2.4 PLC的控制流程103.3 PLC型号的选择及其简介113.3.1 数字量输入模块与输出模块113.3.2模拟量输入模块与输出模块123.4温度传感器123.4.1.热电偶123.4.2.热电阻133.5固态继电器144 软件设计154.1 STEP7编程软件简介154.1.1 STEP7概述154.1.2 STEP 7的编程功能154.1.3 STEP 7的编程语言154.1.4 STEP 7的硬件组态与诊断功能164.2 加热反应炉控制程序设计164.3 S7-300程序设计梯形图174.3.1初次上电174.3.2 启动/停止阶段184.3.3 报警程序194.4 STEP7项目的创建204.4.1使用向导创建项目204.4.2直接创建项目224.4.3硬件组态与参数设置234.5 STEP7中的编程技术304.5.1 STEP7中的块30结束语33参考文献34致 谢35附录36摘 要从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，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。温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 然而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用双闭环调节进行控制。本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。关键词：西门子S7-300PLC； PLC； 温度控制系统ABSTRACTFrom the last century to 90 in the mid 80s, PLC has been rapid development in this period, PLC capability in dealing with 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 adaptation, 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 temperature 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 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 system 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 software.Key words：Siemens S7-300 PLC；Programmable Logic Controller; The control System of temperature; 1 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义 近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于 PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。2 PLC基本概念2.1 PLC的定义和基本组成 PLC英文全称Programmable Logic Controller,中文全称为为可编程逻辑控制器，定义是：一种数运算操作的电子系统，专为在工业应用环境而设计的。它采用一种可编程的存储器用于其内部存贮程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数及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器或生产过程.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PLC 可编程控制器的组成:PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、底板或机架。功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。(1) CPU模块CPU是PLC的核心，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。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。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。(2) I/O模块 输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。(3) 功能模块 为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。(4) 接口模块 CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。(5) 通信处理器 通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。(6) 编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。 (7) 电源 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）。2.2 PLC的特点及优势（1） 功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。（2） 可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。S7-300有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。（4）维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。（5）体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。（6）编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.3 PLC的工作原理 可编程控制器的工作原理:PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描【5】。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。 图 2.1 可编程控制器运行框图3 PLC控制系统设计 本章主要从系统设计结构和硬件设计的角度，介绍该项目的PLC控制系统的设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计。3.1 系统工作原理 加热炉温度控制系统基本构成如图3.1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。图3.1 加热炉温度控制系统基本组成 加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。3.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 PLC控制系统设计的基本原则：（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、IO点数和存储器容量等内容时，应留有 系统的调整和扩充。PLC控制系统设计的一般步骤：设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置【4】。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：(1)熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。(2)确定IO设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的IO点数。(3)选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。(4)分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。(5)设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。(6)联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。3.2.1 I/O 分配表 根据加热反应炉自动控制系统的要求，需要 6 个输入点，5 个输出点，共 11 个I/O 点。结合PLC 实验室现有资源，同时兼顾系统的经济性和技术指标，因此选用西门子S7-300型PLC 该CPU 基本单元共有8 个输入点，8 个输出点；它功能简单实用，价格便宜，主要用于小型开关量控制系于 横排端子排，继电器输出。其指令系统完全能达到加热反应炉自动控制系统的要求。具体的 I/O 分配表见下表 表3.2 I/O地址分配表3.2.2 变量名的定义系统各部分均进行数据交换、处理和实现数据的可视化必须要做的两项任务:定义数据对象和数据对象的属性设置。表3.3为各项变量的定义和属性设置。表3.3 变量的定义3.2.3 PLC I/O接线图加热反应炉 PLC 接线如图3.4所示。PLC 控制系统构成必须和电源、主令装置、传感器设备以及驱动执行机构相连接。外界输入器件可以是无源触点或是有源的传感器输入。这些外部器件的两头，一头接到 PLC 的输入端( 例如 X0、Xl、)，另一头连在一起接到公共端上(COM 端) ，形成闭合有源回路。交流供电的S7-300型PLC 提供辅助直流电源，供输入设备和部分扩展单元用。辅助电源容量为 25060mA。在容量不够的情况下，需要单独提供直流电源。输出口与执行装置相连接，执行装置主要包括各种电磁阀。这些设备本身所需的功率较大，PLC 一般不提供执行器件的电源，需要外接电源。由于执行器件都是相同幅值的电磁阀，因此可接同一个 COM端。【2】 图3.4 PLC I/O接线图3.2.4 PLC的控制流程由加热反应炉控制系统实现的功能，结合 PLC 可以设计如图3 所示的系统控制流程。按下启动按钮SB1后，系统运行；按下停止按钮 SB2 后，系统停止。 第一阶段：送料控制 ，检测下液面 SL1, 炉内温度ST, 炉内压力SP是否小于给定值（都为“0”）若是则开启排气阀 YV1 和进料阀 YV2 。当液位上升到上液位设定值时，SL2=1, 应关闭排气阀YV1 和进料阀 YV2 。延时 10S, 开启氮气阀 YV3,氮气进入反应炉，炉内压力上升。当压力上升到给定值时，即 SP=1,关闭氮气阀。送料过程结束。 第二阶段：加热反应控制，接通反应炉电源KM, 开始对反应炉加温。当温度上升到给定值时（此时信号 ST=1），切断加热电源。延时 10S ，加热过程结束。 第三阶段：泄放控制，打开排气阀 YV1,使炉内压力降到给定值以下（此时 SP=0）。打开泄放阀YV4 ，当炉内溶液下降到下液面以下（此时 SL1=0 ）,关闭泄放阀 YV4 和排气阀YV1 。系统恢复到原始状态准备进入下一循环。本系统设计为条件型顺序控制系统，云霄速度快，可靠性高，功能强，输入为干接触式，输出为继电器形式。综上，其控制流程图如下3.5所示： 图3.5 控制流程图3.3 PLC型号的选择及其简介本温度控制系统采用德国西门子S7-300 PLC。S7-300 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-300系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-300系列具有极高的性能/价格比【3】。3.3.1 数字量输入模块与输出模块数字量输入模块：数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。数字量输出模块：SM 322数字量输出模块将S7-300的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流典型值为0.52A，负载电源由外部现场提供。3.3.2模拟量输入模块与输出模块模拟量变送器：生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分（例如气体中的含氧量）和频率等。有的是强电电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率、功率因素等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。SM331模拟量输入模块的基本结构：模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。SM331也可以直接连接不带附加放大器的温度传感器（热电偶或热电阻），这样可以省去温度变送器，不但节约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。模拟量输出模块的基本结构：S7-300的模拟量输出模块SM332用于将CPU送给的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。模拟量输出模块的技术参数：SM332的4种模拟量输出参数均有诊断功能，用红色LED指示故障，可以读取诊断信息。额定负载电压均为DC24V。模块与背板总线有光隔离，使用屏蔽电缆时最大距离为200m。都有短路保护，短路电流最大25mA,最大开路电压18V。3.4温度传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。这里我们主要介绍热电阻和热电偶。3.4.1.热电偶工业热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度。若配接输出4-20mA、0-10V等标准电流、电压信号的温度变送器，使用更加方便、可靠。对于实验室等短距离的应用场合，可以直接把热电偶信号引入PLC进行测量。热电偶的工作原理是,两种不同成份的导体,两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，这种现象称为热电效应；接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，而和热电偶的长短粗细无关【1】。根据使用场合的不同，热电偶有铠装式热电偶、装配式热电偶、隔爆式热电偶等种类。装配式热电偶由感温元件（热电偶芯）、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小、可任意弯曲、抗震性强等特点，适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合，它的外保护管采用不同材料的不锈钢管，可适合不同使用温度的需要，内部充满高密度氧化绝缘体物质，非常适合于环境恶劣的场合。隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有各种易燃、易爆等化学气体的场合，如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸，则在这种场合必须使用隔爆热电偶。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热电势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。 3.4.2.热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件。热电阻是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。当电阻值变化时，二次仪表便显示出电阻值所对应的温度值。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的。铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作为测温元件，它具有良好的传感输出特性，通常和显示仪、记录仪、调节仪以及其它智能模块或仪表配套使用，为它们提供精确的输入值。若做成一体化温度变送器，可输出4-20mA标准电流信号或0-10V标准电压信号，使用起来更为方便。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用铬、镍、锰和铑等材料制造热电阻。根据使用场合的不同，热电阻也有铠装式热电阻、装配式热电阻、隔爆式热电阻等种类，与热电偶类似。铂电阻的工作原理是，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性符合IEC标准。分度号Pt100的含义为在0时的名义电阻值为100，目前使用的一般都是这种铂热电阻。此外还有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等铂热电阻，Cu50、Cu100的铜热电阻等。本设计选用镍铬-镍硅N型热电偶【8】。 3.5固态继电器（1）概述固态继电器（Solid State Relay，简称SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。它是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，如图3.5所示。 图3.6固态继电器模块示意图 当输入端有控制信号，输出端从关断状态变为导通状态；控制信号撤消后，输出端变为关断状态，从而实现自动控制的用途。固态继电器的输入端、输出端之间采用光电隔离技术，使得弱电和强电隔离，因此从计算机等弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的控制端上，无需另外的保护电路。(2) 固态继电器的组成 固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管【9】。 4 软件设计4.1 STEP7编程软件简介4.1.1 STEP7概述STEP 7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中【10】。4.1.2 STEP 7的编程功能STEP 7的标准版只配置了3种基本的编程语言，梯形图（LAD）、功能块图（FDB）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。STEP 7专业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）、S7-GRAPH（顺序功能图语言）、S7 HiGraph和CFC，这四种语言对于标准版是可选的。STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化【11】。测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找STEP 7的帮助功能：选定想要得到的在线帮助的菜单目录，或打开对话框，按F1键便可得到与它们有关的在线帮助。执行菜单命令“Help”“Contents”进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。4.1.3 STEP 7的编程语言 STEP7的标准软件包支持3中编程语言 ： （1）梯形图编程语言LAD(Ladder Logic Programming Language)梯形图和继电器控制电路原理图很相似，采用触点和线圈等符号，这种编程语言简单易学，便于掌握，对于没有微机基础而对继电器控制电路比较熟悉的技术人员很容易学会。 （2）语句表编程语言STL（Statement List Programming Language）语句表包含丰富的STEP7指令，采用文本编程的方式，对于熟悉其他编程语言的程序员，这种编程语言比较容易理解。STL更接近程序员的语言，能够使用所有指令，灵活性较强。但STL语言不够直观，需要记忆大量的编程指令，而且要求对CPU内部的寄存器等结构了解清楚。 （3）功能图（FBD）功能图语言类似数字电路里的逻辑功能图，指令是不同的功能盒，根据一定的逻辑关系连接功能盒，实现一定的控制功能。4.1.4 STEP 7的硬件组态与诊断功能 硬件组态工具用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。主要包括：（1）系统组态：从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。（2）CPU的参数设置：可以设置CPU模块的多种属性，例如启动属性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU的系统数据块中。（3）模块的参数设置：用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的的可调整参数，包括功能模块与通信处理器，不必通过DIP开关来设置。在参数设置屏幕中，有的参数由系统提供若干个选项，有的参数只能在允许的范围输入，因此可以防止输入错误的数据。 通信的组态包括：连接的组态和显示。设置用MPI或PROFIBUS-DP连接的设备之间的周期性数据传送的参数，选择通信的参与者，在表中输入数据源和数据目的地后，通信过程中数据的生成和传送均是自动完成的。设置用MPI、PROFIBUS或工业以太网实现的事件驱动的数据传输，包括定义通信链路。从集成块库中选择通信模块（CFB），用通用的编程语言（例如梯形图）对所选的通信模块进行参数设置5。 STEP 7系统诊断：系统诊断为用户提供自动化系统的状态，可以通过2种方式显示；（1）快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。（2）用显示模块的一般信息和模块的图形方式显示硬件配置，例如状态：显示模块故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。4.2 加热反应炉控制程序设计由加热反应炉控制系统实现的功能，结合 PLC 可以设计如图4.1 所示的系统控制流程。 按启动按钮SB1后，系统运行；按停止按钮 SB2 后，系统停止。 第一阶段：送料控制 ，检测下液面 SL1, 炉内温度ST, 炉内压力SP是否小于给定值（都为“0”）若是则开启排气阀 YV1 和进料阀 YV2 。当液位上升到上液位设定值时，SL2=1, 应关闭排气阀YV1 和进料阀 YV2 。延时 10S, 开启氮气阀 YV3,氮气进入反应炉，炉内压力上升。当压力上升到给定值时，即 SP=1,关闭氮气阀。送料过程结束。 第二阶段：加热反应控制，接通反应炉电源KM, 开始对反应炉加温。当温度上升到给定值时（此时信号 ST=1），切断加热电源。延时 10S ，加热过程结束。 第三阶段：泄放控制，打开排气阀 YV1,是炉内压力降到给定值以下（此时 SP=0）。打开泄放阀YV4 ，当炉内溶液下降到下液面以下（此时 SL1=0 ）,关闭泄放阀 YV4 和排气阀YV1 。系统恢复到原始状态准备进入下一循环. 图 4.1 程序流程图4.3 S7-300程序设计梯形图4.3.1初次上电(1)读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压(2)判断炉温是否在正常范围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯图4.24.3.2 启动/停止阶段启动过程：按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。打开运行指示灯Q0.0，熄灭并停止指示灯初始化PID。开始运行子程序0。停止过程：按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。并把输出模拟量AQW0清零，停止锅炉继续加热。停止调用子程序0，仍然显示锅炉温度。network图 4.3图4.4停止时模拟量输出清零，防止锅炉继续升温。4.3.3 报警程序 通过软件编程实现报警功能相对硬件电路而言更加简单方便，其程序如下：图4.54.4 STEP7项目的创建在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便的浏览SIMATIC S7、C7、和WinAC的数据。因此，掌握项目创建的方法就非常重要。4.4.1使用向导创建项目首先双击桌面上的STEP 7图标，进入SIMATIC Manager窗口，进入主菜单【File】，选择【New Project Wizard】,弹出标题为“STEP 7 Wizard：New Project”(新项目向导)的小窗口。 点击【NEXT】按钮，在新项目中选择CPU模块的型号为CPU 315-2DP。 点击【NEXT】按钮，选择需要