【《基于PLC的加热反应炉控制系统设计》16000字（论文）】

基于PLC的加热反应炉控制系统设计摘要本文研究的主要对象是一种基于plc的加热反应炉控制系统。对于加热温度控制的系统是反应炉的一种,他们所控制的温度和普通反应炉对于加热温度控制的方式基本一致,只不过我们是另外添加一个可以用来进行反应的气体或者液体来进行反应即可,这些对于气体或者是液体的温度控制一般都是通过一些电磁阀类的元件来进行控制。本次设计出的系统主要由氮气等气体化学物质检测控制系统、加热部分检测控制系统、压力检测控制系统、泄放部分检测控制系统等组成。根据本设计系统所需要实现的各种功能分析来看,可能是采用最常见的继电器-接触仪控制模块、plc控制模块以及单片机的控制模块中的任何一种。而根据我国自动化控制系统的发展情况来看，本文选择了PLC控制方式来完成本系统的具体设计任务。PLC生产厂家的选择是选择了三菱公司生产的FX2N系列系统PLC。这里所选用的是三菱公司所生产的FX2N系列PLC。本文设计主要从软件与硬件两个部分出发。系统软件设计方面；根据课题的要求先着手设计，得出系统的I/O分配表,以及控制流程图，再根据流程图的具体工作流程编写出系统的梯形图并做出系统的程序指令表，最后通过WORK2编程软件自带的仿真功能对梯形图进行了仿真调试，使得系统达到了预定的功能要求。硬件方面，首先设计系统的IO接线图，再设计系统的主电路图，最后根据电路图中所用到的电子元器件，完成对元器件的选型，并且列出系统的元器件分配表。关键字：三菱PLC感应炉压力检测梯形图电磁阀AbstractTheobjectofthispaperisthecontrolsystemofheatingreactionfurnace.Theheatingcontrolsystemofreactionfurnaceisakindofheatingfurnace.Itscontrolmodeisthesameasthatofordinaryheatingfurnace,onlyaddinganothergasorliquidforreaction.Thecontrolofthesegasesorliquidsisgenerallycontrolledbysolenoidvalves.Thesystemconsistsofnitrogengascontrolsystem,heatingcontrolsystem,pressuredetectioncontrolsystem,reliefcontrolsystemandotherparts.Accordingtothefunctionsrequiredbythesystem,itmayuseanyofthemostcommonlyusedrelaycontactorcontrolmode,PLCcontrolmodeandsinglechipmicrocomputercontrolmode.AccordingtothedevelopmentofautomationcontrolsysteminChina,thispaperselectsPLCcontrolmodetocompletethespecificdesigntaskofthesystem.ThechoiceofPLCmanufacturerisFX2NsystemPLCproducedbyMitsubishicompany.Inthispaper,thecontrolsystemofthereactionfurnaceisdesignedandstudiedfromthesoftwareandhardware.Intermsofsystemsoftware,accordingtotherequirementsoftheproject,theIOallocationtableofthesystemisdesignedfirst,thenthecontrolflowchartofthesystemisdesigned,andthentheladderprogramofthesystemisdesignedaccordingtotheworkingprocessoftheflowchart,andtheprograminstructionlistofthesystemismade.Finally,theladderissimulatedanddebuggedthroughthesimulationfunctionofthework2programmingsoftware,andthesystemachievesthepredeterminedfunctionPlease.Intermsofhardware,theIOwiringdiagramofthesystemisdesignedfirst,andthenthemaincircuitdiagramofthesystemisdesigned.Finally,accordingtotheelectroniccomponentsusedinthecircuitdiagram,theselectionofcomponentsiscompleted,andthecomponentdistributiontableofthesystemislisted.Theexpansiondesigndirectionofthissystemistocompletetheconfigurationcontroldesignofthesystem.Keyword:MitsubishiPLCMitsubishiPLCinductionfurnacePressuredetectionLadderdiagramSolenoidvalve

目录TOC\o"1-3"\h\u20762第1章绪论 I第1章绪论1.1加热反应炉研究的意义因为社会的飞速发展以及一些技术革命等等方面的需求，加热炉自动控制系统在我们日常生活中就起着十分重要的作用，且应用非常广泛。最常见的比方说医疗行业，纺织行业，餐饮行业，不仅仅是大型工业生产，我们平时日常所接触的领域都有所涉及。另外一个最直观的，它使人们控制温度的技术得到了提升与发展。而随着技术的不断精进，温度控制也变得越发的精确。这其中有使用了一些软件来帮助人们完成整个控制，这就是这个系统想要实现的结果。加热锅炉有着很为广阔的应用领域，加热锅炉的性能好坏决定了产品的质量优劣。目前加热锅炉的控制系统大都选用以CPU为核心的计算机控制技术，既提升了设备的自动化水平又提升了设备的控制准确性。工业反应炉是加热炉的一种，它是工业机械元件生产厂家经常选择的电气设备，它的主要作用是对已经处理好的生产品的表面进行加工，比如说表面渗碳渗氮等等，本文所研究的是一种对工件进行加氮的加热反应炉控制系统。这种系统对温度、压力等条件的控制要求较高，一定要控制好这些主要的工艺参数。不然对工业产品的质量有着重大影响。在以往的控制系统中，主要采用的是利用温度控制对温度进行控制，利用继电器等组成的逻辑电路对系统的工作过程进行控制，这种系统全部是有触点电路，控制精度不高，自动控制程度也不强，经常是实现半自动控制系统，对人工的依靠性较大。系统易出现各种软故障，因此产品的合格率往往不高，并且产品渗氮处理的质量也不稳定，因此很有必要采用一种新的自动化程度更高的控制系统，来完成对感应炉的自动控制。本文对感应炉控制采用PLC来进行工作过程的控制，这种控制系统结构紧凑，功能强大，有着很高的可靠性且控制过程十分灵活，很适合具有不同要求的工厂，现已成为目前工业现场环境的首选控制装置。它不仅可以实现复杂的逻辑顺序控制，还能完成少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便。使用自动控制系统能有效的提高生产的安全性，大大降低了事故的发生率，并能提高生产效率，使得原材料的使用率达到最大。当想要改变生产工艺要求时，往往只需要调整程序参数即便可以了。它具有生产效率高，设备对环境的适应能力强，运行可靠方便等等优点，可以大幅度减轻劳动者的劳动强度，甚至可以不再依赖劳动者的具体控制。因此这种控制方式的改变，对于现在的工业生产有着非常积极的意义。1.2自动反应炉控制系统国内外研究情况国际上对反应炉的优化控制开始于70年代，而我国是从80年代才开始对这方面进行研究。我国现有工业反应炉中，很多设备自动化程度不高且多半均是工作在半自动化的程度，热效率在也仅在40%左右，多数还停留在由温度控制器、继电器、压力继电器所共同建立的逻辑控制状态，不过这对于我国一个人口大国来讲可以说是并无太大影响，可若是对于当今这个飞速发展的先进社会来说就显得有一些力不从心甚至拖了后腿。国际上很多工业较为发达的国家，就在上世纪70年代，就已经开始着手研究一种用于摆脱继电器控制方式的工业反应炉控制系统。他们在控制电路的设计中，更加注重系统的自动化程序，更加注重数字电路和各种模拟电路的实现应用，而从八十年代开始，他们就出现了先进的单板机控制系统和小型单片机控制系统，这些控制系统都具有着一定的自动控制程度，可以通过改变系统的控制程序来改变调整反应炉的控制工艺要求，可以说得上是是使用较为方便，可是这种系统需要专门的系统软件来支持，而再后来就逐渐的发展出更加先进的控制系统。我国自80年代以后，改革开放逐渐进入了状态，我国的工业控制技术有了较大的发展和进步，特别是国家加重对自动控制系统开发的投入，以及对各种科研院校的重视，加强了对专业技术人员的培养，让各种控制技术通过引入、学习和改进，再将这种技术普及下去，完成技术的更新。在不断的学习与创新下，我国在控制领域也有了很大的提升，有些领域甚至已经超越了别国，比如通讯控制领域等。我国目前已研究出了许多不同控制原理的控制系统，比如基于单片机的控制模块以及基于PLC的自动化控制模块等。1.3PLC(可编程逻辑控制器)PLC（可编程逻辑控制器），是一种专门应用于工业控制方面的计算机，属于应用计算机应用、通讯技术以及自动控制等技术而发展起来的一种通用控制器。PLC技术属于可以执行的可编程控制器，属于与电子计算机技术相结合的优秀技术。在实际使用中，它可以构成一个自动化控制器，用来提高电气行业的自动化水平。当今的PLC技术正在以更快的速度发展，并且可以集成客户的需要以执行自动化控制。根据预先设计的计划的顺序和说明，可以控制日常任务。这种技术采用逻辑控制计算和梯形图编程语言模式，可以完成自动控制以及工业设备智能系统控制等，并在工业生产中具有关键作用。PLC技术的系统软件结构有两种模式：一是控制模块结构。包括控制控制部分，网络部分，CPU控制主板，开关电源，I/O部分等。其二，箱体结构。这种模式下，主要为主板，可充电电池以及控制面板【2】。另外，具有高可靠性是电气控制设备至关重要的性能之一。PLC因为采用的是现代大规模集成电路的技术，生产工艺制造十分谨慎严格，内部电路又采取的是先进的抗干扰技术，因此它可靠性极高。一些另外多增加CPU的PLC，它们平均能够正常无故障工作的时间会比普通的PLC更加长。从PLC的外电路来看，使用PLC建成的控制系统，和同样规模的继电接触器系统比较起来，PLC的接线以及开关接点等减少到数百甚至是数千分之一，因此也就大大地降低了故障发生的可能。另外，PLC还带有故障自动检测的功能，出现故障时能够及时的发出警报信息，提醒相关工作人员进行及时维修。而在一些应用软件中，应用者还可以编写一段故障自诊断程序，使建立的系统中除PLC以外的电路和设备也具有自动检测故障的能力从而保护整个系统。这样，也就不难奇怪为何系统有着如此之高的可靠性。我们目前的PLC（可编程逻辑控制器）主要是在以下几个方面有着广泛的应用，比如开关量的逻辑控制，工业过程控制，运动控制，数据处理以及通信及联网等等。随着社会的发展，我们的科技水平在不断提高，生产工艺也在不断提升，因此我们也渐渐的提高了对控制系统的要求。小到很久之前的人工手动控制，大到机械自动控制甚至是未来的智能控制，PLC（可编程逻辑控制器）都作出了巨大的贡献，尤其是电气这一行业。PLC与电气控制的共同合作使得电气行业蓬勃发展熠熠生辉。而在今天这种经济一体化、国家快速发展的趋势之下，如何才能提高生产力，创造出更多的价值就成为了各个国家之间竞争的关键。而这样，在生产体系之中运用各种先进技术以及融合资源策略使效率尽可能的提高就变得尤为重要【1】。PLC（可编程逻辑控制器）以其极高的可靠性、操作简单便于维护以及丰富的I/O接口模块等特点，使它使它广泛应用于自动化控制当中。现在，PLC正在向着电气，仪表，计算机控制一体化与网络信息化的方向飞速发展。目前，在工业体系中已经随处可见PLC的身影，例如钢铁，石油，化工，建材，电力，机械制造，汽车，交通，运输等等。尤其是在电气控制这方面的应用中，两者的恰当结合与同步提升将会使得生产效率得到极大的提高，促进社会的进步。第2章基于PLC的自动反应炉控制系统的方案论证目前自动反应炉控制技术尚未完全成熟，通过查找一些书籍资料再结合课题进行比较分析来探究，这里通过对自动反应炉控制系统的要求、简介以及控制系统的方案选型论证来进行说明并选择出最合适的器件来完成这个控制系统的生产。2.1自动反应炉控制系统的控制要求及控制简介2.1.1自动反应炉控制系统控制要求第一阶段：送料控制(1)检测下液面X1，炉内温度X2、看炉内压力X4是否都小于给定值(均为逻辑)。(2)如果均小于给定值，则开启排气阀Y1以及进料阀Y2。(3)检测液位位置，当液位上升到上液面X3时，则关闭排气阀Y1以及进料阀Y2。(4)关闭排气阀进料阀后延迟10秒钟，开启氮气阀Y3，则氮气进入反应炉，炉内压力上升。检测压力，当压力上升到给定值时，即X4=1，关断氮气阀，送料过程结束。第二阶段：加热反应控制(1)接通加热炉电源Y5，温度上升。(2)检测温度，当温度升到给定值时(X2=1)，切断加热电源。(3)延迟10秒钟，加热过程结束。第三阶段：泄放控制(1)打开排气阀，使炉内的压力下降到预定最低值(X4=0)。(2)打开泄放阀Y4，使液面下降。当炉内溶液降到下液面(X1=1)时，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。2.1.2自动反应炉控制系统控制简介自动反应炉控制系统的控制方式和普通的加热炉控制方式相差无异，只不过是另外添加一个用于反应的气体或液体而已，这些气体或液体的控制一般是通过电磁阀类器件来控制。根据系统控制要求，系统的启动和停止采用启动旋钮进行控制，当旋钮旋开时，X0接通，这时Y0输出，即系统启动，只有系统启动后，系统才可以正常工作。在Y0输出后，当检测下液面X1，炉内温度X2、炉内压力X4是否都小于给定值，即这三个输入均为动断点接通时，使Y1和Y2输出，即打开排气阀和打开进料阀进料，当液位上升到上液面X3时，应关闭排气阀Y1（这里用M10进行控制）和进料阀Y2，同时置位M0，用于控制T0定时10秒。当10秒时间到时，T0控制开启氮气阀Y3，氮气进入反应炉，炉内压力上升。当压力上升到给定值时，即X4=1，关断氮气阀，同时开启加热炉Y5的输出。送料过程结束。)当温度升到给定值时(X2=1)，复位Y5,即切断加热电源，同时置位M1，用于控制T1的定时。当T1延迟10秒钟，再次打开排气阀，这里用M11进行控制，打开排气阀，使炉内压力降到预定最低值(X4=0)。即当X4的下降沿到来时，即正好是X4=0，这时打开泄放阀Y4，当炉内溶液降到下液面(X1=1)时，关闭泄放阀和排气阀。即复位Y4和M11，这时X1，X2，X4均处于断开状态，即其动断点通，系统恢复到原始状态，即在Y0接通输出的情况下，系统又进入了下一循环的工作。本系统由氮气气体控制系统、加热控制系统、压力检测控制系统以及泄放控制系统等部分组成。本文对反应炉控制系统的研究从软件和硬件两个部分来着手设计和研究。系统软件部分是根据课题要求，首先设计出系统的地址分配情况，然后在画出系统的控制流程图，再根据流程图的工作过程进一步挑选出系统的控制软件来完成对控制系统的检测、分析以及运算，以便能够完成对系统的自动控制。硬件部分，首先画出系统的控制电路图，再画出系统的主电路图，最后根据电路图中所用到的各种电子元器件完成对元器件的选型，再列出系统的元器件分配表。加热反应炉控制系统是一种能自动控制加热时间和自动开关填充氮气气体，保证处理工件的质量要求。系统的填充氮气气体工作有可能通过几个步骤来完成，这个是根据器件生产工艺要求来决定的，在针对工艺要求进行调整时，对系统的控制过程和控制功能也会做出相应的调整。2.2自动反应炉控制系统的控制方案选型加热自动反应炉温度自动控制器的控制方式主要有三种方式：第一种是采用温度控制器加接触器的控制方式，即传统的温控器-接触器控制方式；第二种使用温度传感器检测，单片机作为主控制器的单片机锅炉控制方式；第三种也是利用温度传感器检测，采用工业通用控制器PLC作为加热自动反应炉温度自动控制器主控器的PLC控制方式，这里通过对这三种控制不同控制方式的优缺点进行比较，选择出最为可靠的控制方式来对系统进行控制。2.2.1温控器-接触器反应炉控制方式这种控制方式是企业广大技术人员和维修工作者最为了解的一种控制方式，也是初期投资成本最低的控制方式，得到了人们的广泛使用。可是这种系统虽然有着许多的优点，但其缺点也是非常明显的。首先，这种控制方式没有很高的使用可靠性，因为这种系统的逻辑功能均是由触点通过连线所组成的，而这些控制触点长期裸露在外，很容易受到粉尘以及有害气体等等的侵蚀从而造成线路的接触不良，因此这种系统在使用一段时间后，很容易就会出现各种原因不明的小故障，这种细小的故障排查起来甚是不容易，耗时耗力。其次，这种系统的逻辑均是由触点加连线所组成，因此这种控制系统随着控制逻辑的要求的增加，它的控制原理图也就会越来越复杂，进而系统所使用的控制器件和连线也就越多，这对于控制要求多的系统，连线会变得异常繁杂，特别是要对系统进行功能性改造时，使用这种系统差不多要对整个控制系统进行重新设计并且重新连线，这样改造与重新设计的工作量毫无疑问是巨大的，堪比重新安装一个系统，因此这种控制方式目前常用于功能简单的系统中，这里便不予采用。2.2.2单片机反应炉控制方式单片机控制系统有着结构紧凑，功耗低，系统响应时间短，有着较高的工作可靠性等等的一系列特点，但是其价格却也相对较高。这里以51单片机为例，它是新手们最容易着手学习并且应用的单片机，因为它经典的结构以及成熟的总线用寄存器的集合管制，非常多的逻辑位操作功用和面对控制的充足的指令系统，可以说是红极一时的典范了。单片机控制系统的最主要优点是，从里面的硬件直至软件，它有一系列完善的按位操作系统，也叫为位处理器。它所针对的是位而非字或者字节，它不仅仅能够处理内部一些特殊功用寄存器的某位，就像置位，它还可以实行位的逻辑计算，有着十分完善的功能，应用起来也更加的灵活自如。再者，它在内部ram区域还另外开发了一个有着两种功用的地址区域，为应用的人们供应了非常大的便利。另外，它的乘除指令也为程序的编写带来了方便。可即使是典范，它的缺点也不容忽视。其一，eeprom等功用需要依靠扩充来增加硬件以及软件的所能承受的负荷；其二，虽然I/O引脚使用容易，可是当输入电平高于输入高电压时，他就没有输出的能力，这也是这系列单片机最大的短板；其三，它的运转速度太迟缓，这一点改善的话程序编写将会更方便；其四，它不能很好地保护芯片，很容易将其烧掉。另外，单片机系统对使用环境的要求比较高，因为这种系统一般都是敷铜印刷电路，一旦受潮易出现电路板短路的现象进而造成系统的烧毁，因此完全不适宜在粉尘较多和潮湿的环境中使用。其次，单片机系统的控制程序是一种较高级的汇编语言程序，需要用汇编语言进行编制，这种程序的维护和编写人员需要经过专门的培训和实践后才能上任，而且，工作人员需要有一定的培养周期，更何况能够精通这些的人才并不多，因此就不是很容易使用，这在生产生活中就造成了不便。又因为设备后期都是要定期进行维护和升级的，且目前一般的电气维护人员都不能胜任这种程序的编写和更改工作，因此综合考虑下，本系统设计中不宜采用这种控制系统。2.2.3PLC反应炉控制方式PLC成长到现如今，又延伸出了各种规格型号的，适用于许多工业场合的一系列产物。现在的PLC基本都有着成熟的计算功能，这就能够运用到许多数字控制畛域中去。最近随着科技的发展，PLC的功能也在不断地发展完善，如今它已经能够进行各种控制例如温控等各种工业场合中，使工业生产变得更加简便。另外，它所使用的语言容易被工程师们接受学习，易于被人们所掌握，也为不了解电子，不擅长代码编写的新人提供了很大的便利。再者，PLC是存储逻辑而非接线，在很大程度上为设计师们节省了时间精力去设计外部接线，这就使得生产步骤得到简化，时间也大大的缩短。再加上他的通讯功能，使得它更加强大，也更为工程师们所喜欢。PLC控制方式的主要优点是：它和单片机控制系统一样，具有控制线路简洁，接线少并且接线方便的优点，这种系统的控制输入端口有二种形式，一种是数字量输出口；一种是模拟量输入口；分别通过PLC的输入端口或扩展模块的端口输入；同样输出口也是具有这二种端口和输出方式。PLC控制器的输出有三种形式，即继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型，可根据被控对象的类型进行选择，这种系统还具有响应时间短，运行可靠性高等特点。这种系统除具有上述诸多优点外，其控制程序的结构和传统的继电器控制逻辑极其相似，因此这种系统不论在硬件上，而且在控制软件上都有其它系统不可比拟的优越性，所以这种系统被工厂维修技术人员和系统设计者所广泛使用。这种系统的程序形式有多种，主要有梯形图方式、指令表方式和逻辑功能图方式、顺序功能图方式等，由编写人员的习惯自由使用。当然这种控制系统也有一定的缺点，即系统的第一次投资较大，特别是对于点位较多的大、中型PLC控制系统，价格一般都在万元以上，而本系统是一种小型系统，因此价格都并不是很高。综上所述，本次设计选用PLC控制方式。PLC的选择主要是根据系统的I/O分配表点数和点位来选择PLC所需要的具体型号，而PLC的输入点数和输出点数均是由型号来决定的，其型号里的数值越大，它输入点数和输出点数就越多。PLC的输出形式是由输出控制元器件的特性来确定的，当输出是开关器件时，我们就可以选用继电器输出型和晶体管输出型。由于系统的输入和输出信号均为数字量信号，而且，虽然这种PLC的响应时间没有晶体管输出型和晶闸管输出型快，但这种PLC的价格便宜，运行可靠性高，使用寿命长，维修要求不高，所以这里采用继电器输出型PLC。在选择PLC具体型号时，还需要再考虑PLC点数的备用情况，因为后期系统在运行时，有点位损坏的可能性，以及系统扩展功能和在后期的使用中发现系统还需要改造升级，这些都是需要有备用点数来支撑的，因此在选择系统的PLC型号时一般还应该考虑预留10%的备用系统IO点数，以便于系统输入输出口损坏时或系统升级时不需要再另行更换PLC控制器系统。所以这里选择的一个PLC型号是：西门子S7-1200系列PLC中的1214型PLC。由于本系统没有采用模拟量，所以单用一个PLC控制器即可，不用另行扩展模块。另一个选择的系统PLC型号是：三菱系列PLC中的FX2N-32MR。这种PLC的输入点数共16个点，输出点数也是16个点，所以选用三菱FX2N-32MR型PLC。

第3章基于PLC的自动反应炉控制系统硬件设计3.1系统组成框图基于PLC的自动反应炉控制系统，这里是设计采用PLC控制方式，本系统由控制旋钮、液面检测开关、温度检测控制器、压力继电器等组成。系统的组成另外还有供电系统和控制系统等，其基本组成方框图见下图3-1所示：图3.1基于PLC的自动反应炉控制系统的基本组方框图3.2系统主电路的设计根据基于PLC的自动反应炉控制系统所要实现的控制功能为：第一阶段：送料控制(1)检测下液面X1，炉内温度X2、炉内压力X4是否都小于给定值(均为逻辑)。(2)若是，则开启排气阀Y1和进料阀Y2。(3)当液位上升到上液面X3时，应关闭排气阀Y1和进料阀Y2。(4)延迟10秒钟，开启氮气阀Y3，氮气进入反应炉，炉内压力上升。当压力上升到给定值时，即X4=1，关断氮气阀。送料过程结束。第二阶段：加热反应控制(1)接通加热炉电源Y5。(2)当温度升到给定值时(X2=1)，切断加热电源。(3)延迟10秒钟，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最低值(X4=0)。(2)打开泄放阀Y4，当炉内溶液降到下液面(X1=1)时，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。主电路一般指控制负荷较大的电路，由控制系统的控制要求可知，本系统的主电路主要是实现对温度的控制，即由接触器来控制通断的发热元件通断电的电路，其电路图如下图3-2所示：图3-2基于PLC的自动反应炉控制系统自动控制主电路图基于PLC的自动反应炉控制系统自动控制器的主电路中使用QF1是一个具有带电通断作用的断路器来做为电源的闭合之用，采用一个电磁接触器KM1来控制加热元件380V电力的通电和断电的控制。系统加的热元件是三个星形连接的发热管，其额定电压是AC380V，在要启动系统工作时，先合上断路器控制开关QF1，再使控制PLC系统上电后旋开启动旋钮开关SA1，这时即根据所检测到的温度以及各保液位和炉内压力继电器的控制，实现工作过程的自动控制，在本电路中，断路器QF1同时还具有线路短路保护的作用。3.3系统IO地址分配情况设计根据PLC的自动反应炉控制系统的控制要求，结合控制元器件的符号和PLC的输入点和输出点的分布情况，可以做出系统的控制IO地址分配表，具体如下：表1PLC的自动反应炉控制系统IO地址分配表输入点分配输出点分配输入设备输入端子输出设备输出端子系统启停旋钮SA1X0系统启动指示灯HL1Y0下液面SQ1X1排气阀门YV1Y1炉内温度检测T1X2进料阀YV2Y2上液面SQ2X3氮气阀YV3Y3炉内压力KP1X4泄放阀YV4Y4加热炉电源KM1Y5

3.4系统IO接线图的设计基于PLC的自动反应炉控制系统的输入器件有系统启停旋钮SA1，下液面检测开关SQ1，其输入点是X1；炉内温度检测控制器控制口T1，其输入点是X2；上液面检测开关SQ2，其输入点是X3；反应炉炉内压力检测继电器KP1，其输入点是X4；输出部分有：系统启动指示灯，符号是HL，输出控制点是Y0；排气阀门控制阀YV1，输出控制点是Y1；进料阀控制阀YV2，输出控制点是Y2；氮气输出控制阀YV3，输出控制点是Y3；泄放输出控制阀YV4，输出控制点是Y4；加热炉电源控制接触器KM1，输出控制点是Y5。这里先根据系统的IO分配表绘制出系统的IO控制接线图，具体如下图3-3所示：图3-3基于PLC的自动反应炉控制系统自动控制器系统的IO接线图3.5系统主要元件选型由基于PLC的自动反应炉控制系统的主电路图和接线图可以看出，基于PLC的自动反应炉控制系统需要的一些主要输入控制件和输出控制件是由旋钮、液位检测开关、压力继电器、指示灯、接触器等组成，这里对这些元器件进行了具体选型，详细介绍如下：3.5.1系统加热元件的选型本系统的加热元件的额定功率是：10KW，发热元件的接线方法是三相电源所组成的星型连接形式，因为本系统加热的材料为溶液，所以这里选用发热管来进行加热。经过各种元件的对比，诺德朗是制作大型商用电热水机器的厂家，因此这里选用诺德朗10KW的三相发热元件组件，其外形如图2-5示：图3-5基于PLC的自动反应炉控制系统发热器组件图3.5.2系统接触器的选型交流接触器的工作原理是通过利用电磁力和弹簧弹力互相配合，来实现触头的接通与分断的。它总共有两种工作状态:失电状态(释放状态)以及得电状态(动作状态)。当我们操作吸引线圈通电后，静铁芯就会产生电磁吸力，使得衔铁被吸合关闭，与衔铁相连的连杆就会带动触头动作，使常闭触头断接触器处在得电状态。当吸引线圈断电时，电磁吸力随即消失，衔铁也就断开，使得常开触头闭合，在位弹簧作用下释放，所有触头便随之复位，这时接触器就处在失电状态。这里基于PLC的自动反应炉控制系统发热器组的通电和断电就由接触器KM1来进行控制，因此选择接触器就成为了控制主电路的关键。选择控制接触器的方法是先根据控制元器件的功率来计算出系统的线电流，这样就可以选择出系统接触器的主触点容量，这里需要先根据发热元件的功率来计算出线路中的电流值。三相有功功率的计算公式是：这里把发热元件的有功功率P：10KW，额定电压U：0.38KV，发热元件的功率因数较高，这里取：cosφ=0.9.因为加热反应炉炉体封闭极为严密，所以发热体的热利用率应该较高，这里效率值取：0.9。把这些值代入上述计算公式，可以求出系统主电路的额定工作电流I：21A。由基于PLC的自动反应炉控制系统接线图可知，驱动接触器线圈的控制电压是AC220V交流电，所以这里选择的是电压等级为AC220V的交流接触器，即交流线圈控制用接触器。实际选择接触器的额定电流一般只选择用比控制元器件的额定电流大出一定范围即可，本系统即选择40A的接触器，这里即指的是接触器的触点的可长期负荷电流值是40A。本接触器的品牌选：国产正泰公司的产品，因其线圈的控制电压是AC220V，所以其型号选NC1-4011,线圈电压是AC220V。在实际系统的控制当中，要求是一般先由PLC的输出Y点控制小型继电器的驱动线圈，再由小型继电器的5A控制用触点来控制主电路中的接触器的线圈。由于本系统是作为学生的毕业设计，和实际应用有条件的差异，主要是为了实现基于PLC的自动反应炉控制系统控制功能，我们只要求懂得实际应用时怎么实现控制即可，这里的接触器的主触点部分在上面，控制线圈在下面，本系统中所用接触器的外图如下图2-6所示：图3-6基于PLC的自动反应炉控制系统接触器外观图3.5.3系统启停控制旋钮SA1的选择系统的启动和停止所用的旋钮主要是用来控制PLC进而控制系统的启动和停止，旋钮向右侧旋转是为打开，即是控制X0动作，这时系统就会启动并且自动运行，系统启动指示灯也会亮起。根据调查，NP2（正泰）系列与XB2（施耐德）系列的按钮适用于交流50Hz或者60Hz、额定工作电压至380V以及直流工作电压至220V的工业控制电路中，是作为电磁起动器、接触器、继电器还有其它电气线路的控制之用，另外，它们还带有指示灯式按钮，可以适用于灯光信号指示的场合，很是符合加热反应炉控制系统，因此选用此系列的旋钮。其型号是：NP2-BD25（正泰），按钮下面触点头采用ZB2-BE101（施耐德），质量可靠，并且产品符合GB 14048.5标准，使用维护方便。其外形如下图3-7、3-8所示：图3-7基于PLC的自动反应炉控制系统旋钮外形图（正泰）图3-8基于PLC的自动反应炉控制系统旋钮外形图（施耐德）3.5.4系统液面开关的选择基于PLC的自动反应炉控制系统的液位开关并没有什么特殊的要求，只是需要它能够在液位的上位或下位可以作出动作就可以了。经调查，上海威尔泰仪表公司是一家多年专业从事感测技术研发、生产加销售为一体的高新科技企业，他们根据市场的需求，也专门从事各种传感器、变送器以及与之相关联的仪表产品的研发设计、生产检测、推广销售以及售后的质保维护。因为这是加热炉控制系统，所选择的器件一定是要耐的住高温，因此这里选用上海威尔泰仪表公司的铠甲耐高温型液位检测节点型传感器。其外形如下图3-9所示：图3-9基于PLC的自动反应炉控制系统液位检测传感器开关外形图3.5.5系统功能指示用信号灯HL1的选择这里的信号灯主要是用作系统启动的系统信号指示，根据调查，正泰ND16系列信号灯适用于交流50Hz(或60Hz)、额定电压380V及以下或者是直流工作电压380V及以下的电讯、电气等线路中，作为指示信号、预告信号、事故信号或者是其它指示信号之用，且外形小巧美观价格适中。这里选用的指示灯的型号是：ND16-22DS/4。这里采用绿色指示灯，电压是AC220V。其外形如下图3-11所示：图3-11基于PLC的自动反应炉控制系统系统功能指示用信号灯外形图3.5.6系统压力检测模块这一部分系统所要求的压力并不是很高，这里就选用一种带电接点的数显型压力结点表，这种表的压力报警以及控制点的驱动值是可以进行调整的。电接点压力表是用来测量对铜以及铜合金不起腐蚀作用的气体或者是液体介质的正负压力，并且在压力达到预定值时发出信号以及接通控制电路，从而达到自动控制的报警的目的。这里选择丰控牌，虽然价格略高，但是质量极好，使用方便功能完善。这里选用的型号为：0-1.6MPa的压力结点表。具体如3-12图所示：图3-12基于PLC的自动反应炉控制系统丰控牌电结点表外形图3.5.7系统进料阀的选择基于PLC的自动反应炉控制系统的进料阀是用来控制反应材料的进入和停止，这里采用2W-250-20的阀门。该装置结构简单、轻便、安装维护较为容易。它的特点是介质为空气，与液压介质相比较来说不易燃烧，故使用会更加安全。除了安全性，一般的电器元件的有效动作次数约为百万次，而该型号一般的电磁阀的寿命就大于3000万次，某些质量好的阀更是超过2亿次，因此它可靠性更高而且使用寿命更长。另外，全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力，与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用，很适合加热反应炉自动控制系统。安装的时候需要注意，这种阀是单向的，其流向必须按阀上箭头所标示的方向才可以，其孔径是由最后二位数字来表示，其外型如下图3-13所示：图3-13基于PLC的自动反应炉控制系统进料控制阀外形图3.5.8系统排气阀、氮气阀与泄放阀的选择这几个阀门的作用都是相同的，也都不需要有太多的功能要求，只是能够根据控制要求来对气体的通断进行控制，也就是说线圈通电时排气，断电时关闭就可以了。通过查找，最终选择了型号为2V025-08的电磁阀。这是个两位两通电磁阀，用来控制介质的开启和关闭，适用于水、轻油、空气等介质。它的电压一般为DC24V以及AC220V，这种电磁阀分常开和常闭两种：常开就是通电关闭，断电打开；常闭则为通电打开，断电关闭。那根据前面提到的加热炉系统的情况来看，这里就选择常闭，线圈电压是AC220V。这个电磁阀最大耐压为10公斤，符合系统需要。它的外形图如下图3-14所示：图3-14基于PLC的自动反应炉控制系统排气以及氮气控制阀外形图根据上面所研究的基于PLC的自动反应炉控制系统的元器件选型，可以做出基于PLC的自动反应炉控制系统的元器件明细表，具体内容如下表1所示。基于PLC的自动反应炉控制系统的元器件列出清单后，方便后期实际应用时对主要器件的选型以及采购。

表1基于PLC的自动反应炉控制系统主要元器件型号明细表序号代号名称型号品牌或厂家数量1R反应炉加热模块10KW诺德朗10KW12PLC可编程序控制器FX2N-32MR三菱13SA1启动停止旋钮NP2-BD25正泰14SQ1、SQ2液位检测多液位组合型上海威尔泰仪表公司15HL1指示灯ND16-22DS/4正泰16KM1交流接触器NC1-4011Z正泰17进料阀YV22W-250-2018排气阀门YV12V025-0819氮气阀YV32V025-08110泄放阀YV42V025-081

第4章基于PLC的自动反应炉控制系统软件的设计基于PLC的自动反应炉控制系统要想正确工作，除有正确可靠的主电路和控制电路外，还要有配套的软件来支持，相应的控制软件来对系统进行正确的控制。4.1自动反应炉控制系统流程图的设计针对基于PLC的自动反应炉控制系统的控制要求以及系统的工作过程，先设计出系统的工作流程图，再根据流程图来编写出系统工作的梯形图程序。系统的控制流程图就下图4-1所示：图4-1基于PLC的自动反应炉控制系统工作流程图4.2自动反应炉控制系统梯形图的设计如果想要基于PLC的自动反应炉控制系统正确、可靠的工作，除了应该具有具体的控制电路外，还应该要有相应的软件来控制、支持。这里根据上文所设计出的系统的工作流程图，应用三菱PLC的编程软件WORK2来进行梯形图程序的编写设计，具体具体程序内容以及讲解如下：当旋开系统的启动和停止旋钮SA1时，X0接通，由其控制Y0输出，同时置位M10，进行开排气阀的动作同时置位Y2，也就是打开进料阀控制。当断开旋钮开关SA1时，X0的下升沿使输出复位，即使系统停止。当进料直至检测器检测到上液面时，X3动作，这时复位排气阀并控制继电器M10和复位进料阀Y2，置位M0开始进行10秒延时控制。10秒延时结束后T0动作，控制Y3氮气阀打开，开始输入氮气，同时置位加热炉，控制加热炉电源Y5输出，进行加热控制。当炉内温度达到设定值时，X2动作，这时置位M1，复位加热输出Y5，同时由M1控制T1定时器延时10秒，10秒延时结束后，置位M11控制打开排气阀门。当排气阀打开后，炉内压力随即下降，当达到设定值时，X4就断开，由X4的下降沿控制Y4置位，即打开泄放阀，进行排液。当液面达到设定的下液面时，X1断开，其下降沿控制复位泄放阀和打开排气阀门，排气阀门控制输出。以上就是所有的梯形图程序，这些程序完成了该系统所有的控制要求。4.3自动反应炉控制系统程序图的设计基于PLC的自动反应炉控制系统在设计出梯形图后，可以列出系统的程序指令，具体指令如下所示：PLC信息:FXCPUFX2N/FX2NC步号指令I/O(软元件)步号指令I/O(软元件)0LDPX00016ANDY0022SETY00017SETM03LDFX00018RSTM105RSTY00019RSTY0026LDY00020LDM07ANIX00121ANDY0008ANIX00222OUTT09ANIX004K10010SETM1025LDPT011SETY00227ANDY00012LDPX00328SETY00314ANDM1029RSTM015ANDY00030LDPX00432ANDY00349SETM1133SETY00550LDFX00434RSTY00352ANDM1135LDPX00253ANDY00037ANDY00054SETY00438ANDY00555LDFX00139SETM157ANDY00040RSTY00558ANDY00441LDM159RSTY00442ANDY00060RSTM1143OUTT161LDM10K10062ORM1146LDPT163ANDY00048ANDY00064OUTY00165END4.4自动反应炉控制系统程序仿真调试在设计出基于PLC的自动反应炉控制系统的梯形图以及程序指令之后，我们还应该需要验证检测所设计的系统的梯形图程序的正确与否，这里利用的是work2软件所自带的仿真功能来对设计出的系统程序进行仿真调试，把不合理不正确的部分进行必要的修改，使程序达到这个设计要求的所有功能，具体的仿真过程如下所示：仿真1，旋开启动旋钮，系统启停旋钮X0动作，于是系统指示灯Y0开始输出，即系统启动。同时由M10控制Y1排气阀打开，进料阀Y2输出，即开始进料。仿真2，进料阀Y2输出，当液面上升到设定的上液面X3时，关闭排气阀Y1以及进料阀Y2,也就是复位Y1和Y2的输出，同时进行10秒的延时计时。仿真3，10秒延时结束后，即置位氮气阀Y3，也就是开启氮气阀Y3。仿真4，当氮气添加到一定程度，炉内的压力上升到给定值时，X4动作，这时关断氮气阀Y3，送料过程即结束，开始进行下一步加热反应控制，即加热炉电源Y5输出，反应炉加热输出。仿真5，当加热的温度到达给定值时，X2动作，这时加热炉电源Y5复位，即加热电源断电，同时T1开始进行10秒延时计时。仿真6，当10秒时间结束后，打开泄放阀Y4和排气阀Y1,即Y1、Y4输出，进行炉内泄放和排气。仿真7，当液面下降到设定的最低液面时，X1断开，即由其下降沿控制复位Y4,这时又开始下一个流程，即重新开始进料，即Y2动作。根据仿真调试情况，系统的运行达到了该系统的所有控制要求，梯形图，流程图等也均达到了设计的要求。4.5自动反应炉控制系统组态设计4.5.1MCGS组态软件的介绍MCGS组态软件的功能和特点可归纳为：1.本质简单，理解起来简单容易，使用方便；2.功能完善，为设计规划提供方便；3.延迟低（实时性），且能够同时处理两个或两个以上的处理机（并行性）；4.可以建立实时数据库，方便使用者分步组态，保证系统可靠运作；5.功能强大，能够快速构建出各种复杂的动画页面；6.能够让使用者自由控制系统运作过程；7.MCGS主要功能部件以构成形式来构造。不同的构造有着不同的功能且各自独立。三种基本类型的构件完成MCGS系统的三大方面的所有工作；8.MCGS中数据的存储用数据库来管理。使用这个软件时，使用者只需要通过简单组态就可建造出自己设计的系统，十分便捷方便。另外，组态时，系统生成的结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。综上所述，加热反应炉自动控制系统的设计就选用了MCGS进行组态。具体过程如下：首先是选择触摸屏页面，这里选择的是TPC1162Hi。下图为加热反应炉控制系统总画面的组态。系统变量的设计。4.5.2系统脚本程序的书写IF启停=1THEN排气=0启动指示灯=1ENDIFELSE进料=0启动指示灯=0上液面=1ENDIFENDIFIF液位=10THEN液位=液位+1IF启停=1AND上液面=0AND泄放=0THEN排气=1进料=1气压=气压+1IF上液面=1THEN氮气=1计时1=计时1+1IF计时1=10ENDIFAND泄放=0THENENDIF泄放=1IF气压=10THEN温度=温度-2氮气=0ENDIF加热=1IF泄放=1AND液位>0THEN温度1=温度1+5气压=气压-1ENDIF排气=1IF温度1=50THEN液位=液位-1温度=1时间3=时间3+1加热=0ENDIF计时2=计时2+1IF时间3=10THENENDIF泄放=0IF计时2=10THEN排气=0排气=1ENDIF这个组态完全实现了系统的功能要求，另外，系统在仿真一次结束后，开始进行能氮保护。如果下次还需要再次进行仿真时，需要先按下仿真停止按钮，然后再按启动（播放键）从而进行下一个周期的仿真。第5章PLC的未来展望通过这次的设计，我逐渐意识到，在21世纪随着社会的发展，PLC会拥有着更加广阔的发展空间。在技术层面来看