工业加热炉装置PLC系统设计

1、工业加热炉装置PLC系统设计 姓名：任成龙学号：08140320 班级：电气0803目录一：工艺情况介绍11.被控对象工艺流程描述12.工艺过程简介2二：西门子S7-300系列PLC的介绍3三:S7-300PLC硬件选型4四：程序设计51.模拟量输入(AI)的设计52.模拟量输出(AO)的设计63.数字量输入（DI）的设计64.数字量输出（DO）的设计7五：总结7参考文献7一：工艺情况介绍1.被控对象工艺流程描述所选被控对象为过程工业领域常见的加热炉单元，通过加热炉对流传热与辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度。待加热物料A经由上料泵P1101泵出，分两路，其中一路进入换热器E110

2、1与热物料换热后，与另外一路混合，进入加热炉F1101的对流段。进入换热器E1101的待加热物料A走管程，一方面对最终产品（热物料A）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对待加热物料A起到一定的预热作用。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，达到所要求的高温后出加热炉，进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。2.工艺过程简介待加热物料A流量为F1101，温度为常温20，经

3、由上料泵P1101泵出。流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉

4、管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。工艺流程图中的仪表及操作设备说明如下：1.检测仪表位号检测点说明单位位号检测点说明单位AI1101烟

5、气含氧量%PT1101燃料压力MPaFT1101待加热物料A流量kg/sPT1102炉膛压力MPaFT1102去换热器的待加热物料A流量kg/sTI1101炉膛中心火焰温度FT1103燃料流量kg/sTT1102进入加热炉辐射段的物料A温度FT1104空气量m3/sTT1103出加热炉辐射段的物料A温度FT1105产品（热物料A）流量kg/sTT1104产品（热物料A）温度TT1105烟气温度2. 执行机构位号执行机构说明位号执行机构说明V1101待加热物料A管线流量调节阀V1104燃料管线流量调节阀V1102直接进入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀V1105产品（热物料A）管线流量调

6、节阀V1103去换热器的待加热物料A管线流量调节阀DO1101烟道挡板3. 开关阀位号执行机构说明XV1101物料A管线流量调节阀前阀XV1102物料A管线流量调节阀后阀4. 手操阀位号执行机构说明HV1101物料A管线流量调节阀旁路阀二：西门子S7-300系列PLC的介绍 模块化中小型S7-300PLC。它具有高速的计算能力，完整的指令集，多点接口（MPI）和通过SINEC LAN的连网能力；内置功能，综合的诊断能力，推出的口令保护，简便的连接系统和无限的插入模块组态，使系统组态处理更加方便;极快的指令处理速度，缩短了循环时间；高性能模块和多种CPU为各种各样的需求提供了合理的解决方案；模块

7、扩展能力最多可增加到3个扩展机架（ER），极高的安装密度，背板总线安装在每个模块中，预先接线系统（TOP接线），减少了所需空间和费用；为连接SIMATIC系列各种部件提供了接口，内置的人机接口（HMI）服务，对用户友好的Windows STEP7 Mini编程软件和功能强大的编程器。S7-300是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛的组合和扩展。它的主要组成部分有机架(或导轨)、电源模块、中央处理单元模块、接口模块、信号模块、功能模块和通信处理模块等。S7-300的机架是特制的不锈钢或铝制异型板（称为导轨），它的长度有160mm、482mm、530mm、830mm、2000mm五种，可根

8、据实际需要选择。电源模块和CPU等都可以方便的安装在导轨上。除CPU模块，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模块上，并固定在导轨上，然后将各模块装入，通过背板总线将各块从物理上和电气上连接起来即可。电源模块用于将AC 120V/230V电源或DC 24V转换为DC24V和5V电源，供CPU、I/O模块、传感器和执行器使用。它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆相连，而不是通过背板总线连接。CPU模块种类很多，它除了完成执行用户的程序外，还为背板总线提供DC 5V电源，并通过MPI与其他中央处理器或编程装置通信。它的编程装置可以是西门子专用编程器，也可以是通用微机，配

9、以STEP7软件包，与MPI卡和MPI编程电缆构成。接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。信号模块是模拟量输入、输出模块和数字量输入、输出模块的总称，他们是不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电压匹配。S7-300PLC的信号模块种类有：数字量输入SM321和数字量输出模块SM322、数字量输入、输出模块SM323、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入、输出模块SM334和SM335。模拟量输入可以是热电阻、热电偶、DC420mA等多种类型和不同量程的模拟信号。每个信号模块都配有自编码的螺栓锁紧型前连接器，外部信号可方便的连接在信号模块的前连接器上。功能

10、模块主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。S7-300PLC的功能模块有：计数器模块FM350-1/2和CM35、快速/慢速进给驱动位置控制模块FM351、电子凸轮控制器模块FM352、步进电动机控制模块FM353、伺服电动机控制模块FM354、定位和连续路径控制模块FM357-2、称重模块SIWAREX U/M和智能位控制模块SINUMERIK FM-NC等。通信处理器模块是一种智能模块，它用于PLC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PROFIBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通用处理器可以减轻CPU通信处理之间的负担，并减

11、少用户对通信的编程工作。S7-300PLC有多种用途的通信处理模块，如CP340、CP342-5DP、CP343-FMS等其中，既有对装置点对点的通信设计模块，也有为PLC上网到西门子的低速现场总线网SINEC L2和高速SINEC H1网而设计的网络接口模块。S7-300PLC的特点：1. 高度模块化结构2. 指令集功能强大3. 能够满足多样化和个性化的需求三:S7-300PLC硬件选型硬件主要包括下位机和上位机的硬件，共同构成一个小型的控制系统。下位机与上位机之间通过MPI协议通信进行数据传输。本次设计主要是对下位机的设计，此次下位机采用PLCS7-300。 下位机的硬件作为控制系统的核心

12、，选用PLCS7-300可以提供强大的控制、网络和组态功能，以及良好的扩展能力和通讯能力，用以实现分布式的系统结构。该PLC选择为:(1) CPU模块：采用S7-315-2-DP具有48KB/64KB,内置80/96KB的装载存储器（RAM），可用存储卡扩展装载存储器，最大容量为521KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。具有中到大容量存储器和大规模I/O配置的CPU。主要用于执行用户程序，控制I/O模块和上位机的通信。本设计中根据I/O点数和程序设计的复杂程度选择上述CPU模块。(2) 电源模块：选择PS307系列电源模

13、块。它是西门子公司为S7-300PLC专配的直流24V电源，可安装在PLCS7-300的专属轨道上，它具有防短路和断路保护，输入输出之间有可靠的隔离特性，可用作负载电源。通过背板总线像个部分供电。(3) 接口模块：选择IM361接口模块，它具有特性直流24V电源。用于各部分之间的通信。(4) I/O模块：选用SM322系列的模块。它包括数字量、模拟量模块，用于现场设备的接口。 通过上述选择的模块构成一个控制的PLC系统达到对设计要求的下位机控制。上述选择是合理且可以达到要求的。四：程序设计1.模拟量输入(AI)的设计 在工业控制中，当输入量是模拟量，某些执行机构（例如电动电磁阀和变频器等）要求

14、PLC输出模拟量信号，而PLC得CPU职处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转变成标准量程的电流和电压，例如4到20MA，1到5V,0到10V。PLC用A/D转换器将他们转化成数字量。此次设计中被控对象是加热炉单元，根据其工艺流程，其具有模拟量输入，必须应用量化使其得到CPU可以处理的信号。在进行转化时应考虑变送器的输入输出量程，找出被测物理量与数字量的关系。设计中的加热器PT1101其就是模拟量，以使其量化。量化的原理公式为： 数字量=数字量范围/物理量范围乘以（物理量-物理量下限）+数字量下限本次设计中假设（PT1101）量程为0到10MPa的压力变送器的输出信号为DC4到20MA,模拟

15、量输入模块将0到20MA的转换为0到32000的数字量，设转换后得到的数字为N，试求一KPa为单位的压力值。解： 设计中其他的模拟量输入与输出可根据上述例子进行量化。由于时间有限，此次设计没有进行全部的数据量化。量化公式程序2.模拟量输出(AO)的设计为满足某些执行机构要求模拟量输出的要求，进行模拟量的量化。量化后在闭环控制系统中，CPU将它与设定值相比较，并按照某种控制规律（PID）对误差值进行运算，将运算结果送给模拟量输出模块，经过D/A转换变为电流信号或电压信号，用来控制调节阀的开度，通过它控制无料流量。 模拟量的PID控制调节是最常见的一种控制方式，这是由于PID调节不需要求出控制系统

16、的数学模型。对于很难求出数学模型的控制系统，使用PID可以达到意想不到的结果，同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用不同的PID的变种，有较强的灵活性和实用性。 PID控制表示比例、积分、微分的缩写。它的实质是根据反馈后计算得到的输入作差值，按比例、积分、微分的关系进行运算，其运算结果用于输出控制。PID控制的公式有位置式和增量式。 其中， 为积分常数； 为微分常数； 为比例系数；为积分系数；为微分系数。 PID控制器的优点（1） 不需要被控对象的数学模型（2） 结构简单，容易实现（3） 有较强的灵活性和适应性（4） 使用方便本次设计中，正是应用PID控制器进行模拟量输出的设计。3.数字量输入（DI）的设计 数字量的设计相对模拟量而言，比较容易。本次数字量的设计以上料泵的状态为例来说明数字量输入的设计。当输入闭合时，Q0.0工作，即上料泵开始工作。否则，上料泵不工作。其它数字量的输入设计按照上述上料泵的设计来设计。4.数字量输出（DO）的设计此次设计以烟道挡板的数字量输出为例来说明数字量输出的设计。由工艺可知，烟道挡板有两个输