化学反应过程的PLC控制系统设计文档格式.docx

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1.1系统介绍

1.2系统方案论证

1.3可编程序控制器的发展与应用

1.4系统设计方法和步骤

第二章系统硬件设计…………………………………………………………………………9

2.1系统总电路图

2.2PLC的型号选择以与硬件配置

2.3系统的I/O点地址分配以与外部接线图

2.4温度采集处理

2.4.1热电偶的基本知识

2.4.2EM231模块

2.4.3报警电路

2.5数码管显示温度值

2.6拨码盘给定温度值

2.7温度控制触发电路

第三章系统软件设计…………………………………………………………………………21

3.1化学反应过程的主程序设计

3.1.1工艺流程图设计

3.1.2系统主程序

3.2PID闭环控制系统设计

3.2.1PID程序设计方法

3.2.2数字PID控制原理与参数确定

3.2.3系统中断程序设计

3.3数码显示的程序设计

3.4程序清单

3.5系统调试

参考文献………………………………………………………………………………………………29

附录A系统梯形图………………………………………………………………………………30

附录B系统程序清单…………………………………………………………………………..37

致谢……………………………………………………………………………………………….42

第一章绪论

下面我设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统，可编程控制器是一个智能控制器，他有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。

在系统中我们主要对温度的控制进行比较详细的介绍，由于温度对化学物质来说是个比较重要的参数，在这里必须引起重视！

因此在我们所选择方案中也对温度的控制进行了比较多的讨论。

我们所研究的这个化学反应过程的装置有四个容器组成，容器之间用泵连接，以此来进行化学反应。

每个容器都装有检测容器空满的传感器，2#容器还带有加热器和温度传感器，3#容器带有搅拌器。

该化学反应过程的工作过程是：

1#、2#容器分别用泵P1、P2从各自原料库中将其抽到指定液位。

抽完之后传感器发出信号，泵P1、P2关闭，2#容器化学物质需要加热，因此给2#容器加热到给定温度值，当温度到达给定温度时，温度传感器发出信号，关掉加热器。

泵P3、P4分别将1#、2#容器中的化学物质送到3#反应器中，同时启动搅拌器，搅拌时间为60S。

一旦3#已经满即1#、2#容器抽完的时候。

则泵P3、P4停止并等待。

当搅拌时间到，P5将混合液抽到产品池4#容器，直到4#容器满即3#容器抽完时。

成品用泵P6抽走，直到4#容器空。

至此，整个过程结束，再次按动启动按钮，新的循环开始。

化学反应过程示意如图1.1，图中SL2、SL1是指各个容器指定的液位，SL1指容器中化学物质被抽完的时候，SL2指容器中化学物质满。

图1.1化学装置示意图

根据我们所说的化学过程，以与通过查阅相关资料，可以得到方案。

方案中，由于需要对2#容器的物质经行加热，以与原料池1#、2#反应池与产品池的液位检测，实验室条件并不允许，固将液位检测与温度检测用手动开关模拟替代。

方案中的硬件组成是：

PLC；

模拟信号开关；

模拟泵P1、P2、P3、P4、P5、P6信号灯、加热开启指示信号灯、搅拌器以与搅拌时间信号灯等。

基本的工作原理是：

PLC从手动模拟液位开关那里得到信号，来控制泵P1、P2、P3、P4、P5、P6。

利用模拟预设温度开关发出温度达到信号，该温度信号可直接成为PLC能接收和处理的数字信号。

在顺序工作的同时，整个工作流程的单次过程控制必须能够达到单次循环未结束前，各项控制互不干扰，且在反应池和产品池工作过程中，原料1#、原料2#中没有原料的再次注入，即P1、P2的关闭控制，在单次循环结束后，各个元器件经行复位等待下一次循环的开始。

可编程序控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）。

自1969年第一台可编程序控制器面世以来，经历了30多年的发展，可编程序控制器已经成为一种最重要﹑最普与﹑应用场合最多的工业控制器。

1969年美国的DEC公司制成了第一台可编程控制器，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了极满意的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。

1971年日本开始生产可编程控制器；

1973年欧洲开始生产可编程控制器；

1974年我国也开始研制编程控制器。

随着电子技术﹑计算技术﹑通信技术﹑容错控制技术﹑数字控制技术的飞速发展，可编程控制器的数量﹑型号﹑品种以异乎寻常的速度发展。

PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术﹑自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性﹑体积小﹑功能强﹑程序设计简单﹑通用灵活﹑维护方便等一系列的优点，因而在电力﹑机械﹑冶金﹑能源﹑化工﹑交通﹑信息等领域中有着广泛的应用，已成为现代工业控制的三大支柱之一。

根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型：

（一）开关量逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。

这是PLC的最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器﹑接触器的控制。

（二）模拟量控制

PLC中配置有A/D和D/A转换模块。

其中A/D模块能将现场的温度﹑压力﹑流量﹑速度等这些模拟量经过A/D转换变为数字量，再经过PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量）去进行控制或者经D/A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。

（三）过程控制

现代大中型的PLC一般都配有PID控制模块，可进行闭环过程控制。

当控制过程中某一个变量出现差错时，PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量计算保持在整定值上。

目前，许多小型PLC也具有PID功能。

（四）定时和计数控制

PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个﹑上千个定时器和计数器。

其计时的时间和计数值可以由用户在编写程序时任意设定，也可以由操作者在工业现场通过编程器进行设定，实现定时和计数的控制。

如果用户需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数模块。

（五）顺序控制

在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程实现顺序控制。

（六）数据处理

现代的PLC不仅能进行算术运算﹑数据传送﹑顺序﹑查表等，而且还能进行数据比较﹑数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。

（七）通信和联网

现代PLC一般都有通信功能，它可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便的进行分布式控制[2]。

化学反应过程装置控制系统其实相对来说是一个简单的控制系统。

系统具有自动和手动两种工作方式，正常停机时，系统停在初始状态上，即个执行器停，产品池容器空，有紧急情况，能实现急停。

系统基本设计步骤如下：

（1）深入了解和分析化学装置中的工艺条件和控制要求。

如控制的基本方式，需要完成的动作（动作顺序、动作条件等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期和单步）。

（2）根据化学装置对PLC控制系统的功能要求和所需要的I/O信号的点数等，选择合适的PLC类型。

（3）根据控制要求所需要的用户I/O设备，确定PLC的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。

（4）根据工艺的生产要求画出状态流程图。

a

（5）由流程图设计梯形图。

设计梯形图是编制程序的关键一步，也是比较困难的一步。

（6）要设计好梯形图，首先应熟悉控制要求，同时还要有电器设计的实践经验。

根据梯形图写程序。

（7）用PLC编程器将程序键入PLC的用户程序存储器，并检查键入的程序是否正确。

系统设计流程框图如1.6：

图1.6系统设计流程图

第二章系统硬件设计

由我们的设计步骤可见，本系统可以作硬件设计和软件设计两个部分来描述。

我们的硬件部分主要是对各个硬件装置进行介绍，根据化学反应的控制与要求，对PLC进行选型和对硬件配置的简单介绍。

型号选好之后，我们来对系统的I/O点地址进行分配画出硬件电路图。

2.1系统总电路图

2.2PLC的型号选择以与硬件配置

化学装置是一个要求比较严格的系统装置，因此对于PLC的选择要求也是很高的。

我们采用的S7-200系列PLC，三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

　　特点-系统配置即固定又灵活；

-编程简单；

备有可自由选择，丰富的品种；

令人放心的高性能；

高速运算；

使用于多种特殊用途；

外部机器通讯简单化；

共同的外部设备。

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。

可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可根据电源与输出形式，自由选择。

程序容量：

内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。

便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。

数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。

特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。

外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。

时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。

化学反应过程控制装置的系统有一个启动按钮（输入）；

四个模拟容器液位满检测信号灯；

四个模拟容器空检测信号灯；

六个电机启动按钮；

六个模拟泵启动停止信号灯；

一个模拟加热器信号灯和模拟搅拌器接触器信号灯。

PLC控制系统最重要的其实还是外部电路，也就是要画出外部接线图。

表2.2是本系统的I/O地址分配表，它是根据系统的功能和前面所选的CPU的模块型号以与扩展模块的型号来进行分配的。

本系统的外部接线如图2.3所示，CPU224的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本系统中满足要求，CPU224的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5～30V（DC）或5～250V（AC），在PLC的输入输出中要采取保护措施。

对于数字量输入输出扩展模块223，输入接两个拨码盘，作为温度值的控制，而输出只是对LED数码管进行连接；

模拟量输入模块是接一个热点偶，模拟量输出模块接一个触发电路进行温度调节，这在后面的几节中已经画出，这里就不再画了。

图2.3系统外部接线图

在这一节中，我们主要介绍热电偶与热电偶智能模块EM231，然后对EM231模块与EM235模块进行了比较，最终选择EM231作为我们的温度采集处理模块。

当温度超过标定范围，系统要采取报警，因此还需要设计一下报警电路。

热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。

它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。

所以采用热电偶来检测温度是再理想不过了。

任何两种金属，其连接处都会形成热电偶。

热电偶产生的电压与连接点温度成正比。

这个电压很低，

可能代表若干温度值。

测量从热电偶来的电压，对外部连接点进行补偿，然后将测量值线性化。

在温度采集和控制系统中，温度传感器采集到的温度信号大都是微弱的模拟电信号，要经过一系列的转换，包括放大、A/D转换、冷端补偿、线性化处理、数字滤波等，才变成了计算机能够接收和处理的有效的数字信号。

在PLC温度控制系统中，有很多用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。

在这种系统中，由于通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，温度传感器采集到的微弱毫伏电信号不能直接送给PLC的A／D转换模块，必须由外部温度变送器将温度信号进行放大、冷端补偿、线性化处理，再送到A/D转换模块的模人通道，转换为规范的数字信号供PLC处理。

在S7—200PLC中可以扩展通用A／D转换模块EM235，它是一个4输入／l输出的模拟量混合模块，可以通过DIP配置开关组态为单极性或双极性，设置不同的输入信号，其A／D转换为12位。

显然，用这种通用A／D转换模块构成的温度采集和处理系统有两个方面的不足，一是要增加外部变送器，二是12位A／D转换精度不是太高。

S7—200PLC的扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块--EM231热电偶模块。

在模块中集成有16位A／D转换器（15位数据加1位符号位，分辩率达0．1℃），数据格式为二进制补码形式，能自动进行线性化处理，有冷端补偿功能．其使用非常方便，只要将热电偶接到EM231的接线端子上，不再需要任何外部变送器或外部电路，一个模块就能完成数据采集与数据处理功能。

EM231热电偶模块可以同时输入4路温度数据。

可以连接7种不同类型的热电偶（J、K、E、N、S、T、R）。

对我们使用的K型热电偶（镍铬一镍硅或镍铝），模块标定的有效温度范围为一200．0～+1300、0℃，其数字量对应为一2000～13000（F830H32C8H）．此外，还标定了一个超出范围，当采集到的信号超出该范围时，模块向PLC报告上溢出（7FFFH）或下溢出（8000H）．

EM231热电偶模块有8个DIP组态开关SW1～SW8，向上为1，向下为0。

SW1～SW3是热电偶类型选择，K型热电偶设为001。

SW4保留，SW5为断线检测方向，设为0，SW6为断线检测使能，设为0，Sw7为摄氏或华氏度选择，选摄氏度为0，SW8为冷端补偿选择，用模块具有的冷端补偿功能SW8=0。

用DIP开关对模块组态后，必须对PLC或用户电源重新上电，设置才会生效。

一路温度采集与控制时的热电偶模块与PLC接线如图2.4所示。

热电偶模块通过扁平电缆接到PLC，构成数据通道。

同时热电偶模块还必须外接+24V直流电源，接到M、L+接线端，可以接到PLC的+24V直流电源的输出端M、L+，由PLC向热电偶模块提供+24V工作电源，接上电源后模块上的+24VDC指示灯亮。

当设置了断线检测时，4个热电偶输入通道中未使用的通道必须短接，或者并接到其它通道上，否则模块上的SF指示灯闪烁，模块不能工作。

主机PLC用的是继电器输出型，PLC输出点输出的控制信号应与外部触发电路需要的触发信号相匹配，即高电平“1”应是+5V，低电平“0”为地。

因此PLC输出端外接电源不能用自身能够提供的+24VDC，必须接外部+5V电源，与外部双向晶闸管的触发电路共+5VDC，共地。

其接线方法一般采用PLC输出公共端1L接+5V，输出点Q0.1等通过一个大电阻接地。

PLC读取热电偶采集到的温度数据是按地址访问的，每个连接到PLC的热电偶输入通道都有一个固定的地址，该地址的确定按PLC扩展输入输出模块地址分配的规定，一个模块4个模拟量输入通道以2字节递增的方式分配地址．分别是A1W0、A1W2、AIW4、A1W6，PLC按此地址读数据[4]。

图2.4热电偶模块与PLC接线图

报警是电气自动控制中不可缺少的重要环节，标准的报警功能应该是声光报警。

当EM231智能模块采集到的温度信号超出标定范围时，向PLC发出信号，PLC报警指示灯闪烁，报警电铃或蜂鸣器响。

操作人员知道故障发生后，按消铃按钮，把电铃关掉，报警指示灯从闪烁变为长亮。

故障消失后，报警灯熄灭。

另外还应设置试、试铃按钮，用于平时检测报警指示灯和电铃的好坏。

与PLC的电路如图2.5所示：

图2.5报警电路与PLC的输出

对2#容器中化学物质进行温度检测、控制、显示。

系统采用3位LED数码管显示器进行显示，显示范围在0.0到99.0。

数码显示以其字体清晰、醒目（0.3到0.4英寸）的特点，在许多场合，尤其是在一些光线较弱的车间环境，能够发挥其独特的优势。

本系统用输出扩展模块EM223的Q2.0到Q3.2共11个输出点对3位LED数码管进行控制。

硬件原理如图2.6所示。

系统由CPU224、扩展模块EM223、八D锁存驱动器TPIC6273、共阳极七段数码管和电阻组成。

PLC将所需要显示的数据转换成段码，经晶体管输出口（Q2.0～Q2.7）送数据总线，相应的位码用Q3.0～Q3.2分别控制各数据锁存驱动器的CLK端，将段码送入相应的锁存器，锁存器驱动数码管显示数据。

硬件电路采用数码、位码相配合的输出控制方式。

PLC输出控制采用晶体管输出模块，开关速度快（0.4ms），适应数据实时动态显示特性。

TPIC6273数据锁存器具有漏源电压高（50V）、驱动电流大（150mA））和输入兼容性好的特点，当段码被锁存至驱动器后，静态数据显示，占用PLC扫描周期的时间可大大减少。

提拉电阻兄用于电平匹配。

当PLC输出为1时晶体管输出口导通，数据线为低电平，驱动器输出断开，数码管对应段灭。

当PLC输出为0时，晶体管输出口断开，数据线为高电平，驱动器输出导通，驱动数码管对应段点亮。

R2为限流电阻，其阻值依据电源VC与数码管型号进行选取。

硬件电路为负逻辑[5]。

图2.6数码显示硬件电路图

为了使系统更加好的对各种化学物质进行温度控制，在系统中我们可以设定温度值。

对于温度的预置，可以采用多种方法：

（1）利用PLC本身的电位器实现。

在PLC机身一般都有两个左右的模拟电位器，在其内部一般使用A/D转换器采样电位器的调整值，可以通过数据传送指令读取该值作为温度的预置值。

（2）利用微动开关实现修改温度值。

在前一个方法的应用中，调整电位器不太方便，若将电位器引出又不容易操作。

利用微动开关．占用极少的输入口也可以方便地作到温度预置值