加热反应炉的PLC控制课程设计学术参考.docx

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加热反应炉的PLC控制课程设计学术参考

扬州大学

本科生课程设计报告

题目加热反应炉的plc控制系统设计

课程电气控制及可编程控制器

专业电气工程及其自动化

班级电气81201

学号120010101

姓名

完成日期2015年6月

摘要：

加热反应炉的PLC控制，用于实现温度的控制，其炉内的真空度的控制，与其内部液面高度的控制。

关键词：

PLC设计加热反应炉监控

1.概述

1.1设计目的与意义

加热反应炉作为工业生产中的重要设备，在以前通常采用工人手工控制的方法进行控制，它作为一项要求精细的工作，常常会由于工人的经验不足以及其他的因素，而常常会造成产品质量不稳定甚至出现次品的问题，而造成原料的浪费，最终会给企业带来经济损失.

而当PLC技术的出现,其所具有的可靠性高、功能强、控制灵活等特点，使成为目前工业现场环境的首选控制装置。

使用PLC来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，使原材料的使用率达到最大。

而其发展趋势表明从长远来看，用PLC进行控制能大大的节约企业的成本。

1.2研究的内容

本课题主要研究通过可编程控制器对加热反应炉工作过程的控制，通过使用PLC软件，并结合现场的通用I/O设备（传感器和板卡），对加热反应炉进行进料和排料、进气和排气、加热等自动控制，主要分为三个阶段送料控制，加热反应控制和泄放控制.

2.设计要求

2.1课程要求

本次设计任务是设计一个PLC控制的加热反应炉。

控制要求

第一阶段：

送料控制

1、检测下液面SQ2、炉内温度ST、炉内压力SP是否都小于给定值（整定值均为逻辑量）。

2、若小于给定值，则开启排气阀YV1和进料阀YV2。

3、当液位上升到SQ1时，应该关闭排气阀和进料阀。

4、延时20S，开启氮气阀YV3，氮气进入炉内，炉内压力上升。

5、当压力上升到给定值，即SP=“1”时，关闭氮气阀。

第二阶段：

加热反应控制。

1、交流接触器KM带电，接通加热炉加热器发热器EH的电源。

2、当温度升高到给定值时（ST=“1”），切断加热器电源。

交流接触器KM失电。

3、延时10min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的最低值（SP：

“0”）。

2、打开泄放阀，当炉内液面下降到到下液面（SQ2=“0”）时，关闭泄放阀和排气阀。

系统恢复到初始状态，准备进入下一个循环。

3.设计方案

3.1．I／0地址

输入输出

I0.0：

启动开关Q0.0：

PLC运行指示

I0.1：

停止开关Q0.1：

排气阀QVl

I0.2：

上液面传感器SQlQ0.2：

进料阀QV2

I0.3：

下液面传感器SQ2Q0.3：

氮气阀QV3

I0.4：

压力传感器SPQ0.4：

泄放阀QV4

I0.5：

温度传感器STQ0.5：

控制加热装置EH的接触器KM

I/O地址分配：

根据控制要求可知，该系统需要6个输入点和5个输出点，其地址分配如下：

IN

输入点编号

OUT

输出点编号

启动开关

00000

PLC指示灯

01000

停止开关

00001

排气阀YV1

01001

上液面SQ1

00002

进料阀YV2

01002

下液面SQ2

00003

氮气阀YV3

01003

压力SP

00004

泄放阀YV4

01004

温度ST

00005

加热器

01005

3.2．设备选择

首先，选择机型。

目前PLC产品种类繁多，同一个公司生产出来的PLC也常常推出系列产品，这需要用户去选择最适合自己要求的产品。

正确选择产品中，首要的是选定机型。

只有选好机型，我们才能成功的做出产品，其选择方法有两种：

1.根据系统类型选择机型。

从选机型的角度看，控制系统可以分成单体控制小系统、慢过程大系统和快速控制大系统。

这些系统在PLC的选择上是有区别的。

1）单体控制的小系统：

这种系统一般使用一台PLC就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。

这种系统对PLC间的通信问题要求不高，甚至没有要求。

但有时功能要求全面，容量要求变化大，有些还要与设备系统的其他机器连接。

2）慢过程大系统：

对运行速度要求不高，但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求不高，如大型连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和共有系统、供风系统等。

对这一类型对象，一般不选用大型机，因为它编程调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。

一般都采用多台中小型和低速网相连接。

由于现在生产的控制器多为插件式模板结构，它的价格是随输入输出模板数和智能模板数的多少决定的，同一种机型输入输出点数少，则价格便宜，反之则贵。

所以一般使用网络相连后就不必要选用大机型。

这样选用每一台中小型PLC控制一台单体设备，功能简单，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面小，且容易查找。

3）快速控制大系统：

随着PLC在工业领域应用中的不断扩大，在中小型的快速系统中，PLC不仅能完成逻辑控制和主令控制，并已逐步进入了设备控制级，如高速线材、中低速热连轧等速度控制系统。

在这样的系统中，即使使用输入输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型PLC也难以满足控制要求。

如多台PLC，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。

采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。

高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。

对信息交换的速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，也可以采用PLC的输出端口与另一台PLC的输入端口硬件互联，，通过输出输入直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。

当然传送的信息不能太多，否则输入输出点占用太多。

2.根据控制对象选择机型

对控制对象要求进行估计，这对确定机型十分重要。

根据控制对象要求的输入输出点数的多少，可以估计出PLC的规模。

根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能。

根据控制对象的操作规则，可以估计出控制程序所占内存的容量。

有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。

为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。

1）对输入/输出点数的估计：

为了正确地估计输入/输出点数,需要了解下列问题。

对开关量输入，按参数等级分类统计。

对开关量输出，按输出功率要求及其他参数分类统计。

对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。

2）对PLC性能要求的估计：

为了正确地估计PLC性能要求，需要了解下列问题。

是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。

机房离现场的最远距离为多少？

现场对控制器响应速度有何要求。

在此基础上，选择控制器时尚需注意两个问题。

其一是PLC可带I/O点数。

有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，有时也称为扫描容量，需格外注意。

其二是PLC通信距离和速度。

手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。

但是如果PLC装有远程I/O模块时，由于远程I/O模块的响应速度慢，会使PLC的响应速度大大下降。

3.对所需内存容量的估计：

用户程序所需要的内存与下列因素有关。

逻辑量输入输出点数的估计。

模拟量输入输出点数的估计。

内存利用率的估计。

程序编制者的编制水平的估计。

程序中各条指令最后都是以机器语言形式存放在内存中。

控制系统中输入输出点数和存放系统用户机器语言所占用的内存字节之比为内存利用率。

内存利用率与编程水平有关。

内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资，缩短周期时间，提高系统的响应时间。

3.3．对象和范围的确定

PLC一般适合应用于环境差、而对安全性、可靠性要求比较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的自动化控制系统或者装置中。

当前的PLC不仅能对开关量能有效地进行控制，而且对模拟量的处理能力也非常强，可以完成复杂的自动控制任务。

在确定控制对象和控制范围之后，就要开始PLC的选型。

PLC的选择主要包括PLC容量的选择与确定、PLC外设的选择与确定、PLC生产厂家的选择与确定3个方面。

1.PLC容量的选择与确定。

PLC容量的选择，首先要对控制任务进行更加详细分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。

I/O点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是继电器、电磁阀，还是直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数可能大于实际点数。

因此PLC的输出点一般是几个组成一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。

这样就有可能造成输出点数的浪费，增加了生产成本。

因此在设计中要尽量避免这种情况的出现。

一般情况下，输出为继电器的PLC使用的最多，但是对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC。

分析与了解了这么多之后，就可以确定PLC的容量了，确定该使用多少点和I/O类型的PLC。

2.PLC外设的选择与确定。

PLC外设的选择也是在控制系统任务详细分析之后，根据实际的需要，选择与所使用的PLC相应的配套模块。

3.PLC生产厂家的选择与确定。

PLC生产厂家的选择与确定主要考虑以下几个方面。

1）功能方面：

所有的PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务，比如，对PLC的通信能力的要求，对PLC运算速度的要求，对PLC程序存储空间的要求等。

这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个比较详细的了解，以便做出正确的选择。

2）价格方面：

不同厂家的PLC产品价格相差会很大，有些功能类似、质量相当、容量相当的PLC，其价格却相差40%以上。

使用PLC作控制系统的开发与应用，必须考虑到生产成本的问题，必须要考虑PLC的价格。

3.4电路设计

PLC控制系统的硬件设计主要有PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和系统抗干扰设计等。

在选定了PLC以及其扩展模块与分配好I/O地址后，硬件设计主要包括以下几个方面的内容。

1.电气控制系统原理图的设计

电气控制原理图的设计包括主电路的设计和控制电路的设计。

主电路一般是指强电中的主干电路设计。

而控制电路主要是指PLC控制部分的设计，包括PLC的I/O接线、自动部分接线、手动部分接线等。

一般地，电气控制系统原理图中还应该标注器件代号，或者附上安装图、端子接线图等，以便控制柜的设计。

2.电气控制元、器件的选择

电气控制元器件的选择主要是指根据控制系统的需要，合理地选择开关按钮、传感器、保护电气、接触器、指示灯和电磁阀等PLC的辅助外部元器件。

合理地选择元、器件对整个控制系统的可靠性与实用性起到了很好的作用，由其是在工业设备的应用中，体现的更加鲜明。

3.控制柜的设计

设计控制柜的主要依据是电气控制原理图及相关的元、器件，还必须要考虑到控制现场的实际情况，以经济又实用的思想来设计，考虑相关的结构技巧。

若有发热大的硬件位于控制柜中，必须考虑控制柜的散热与通风情况。

在抗干扰设计中，要考虑控制柜的隔离、防尘及电磁辐射的问题。

3.5系统硬件图设计

在完成了电器电路设计后，必须通过计算机辅助设计，将设计的详细原理用图形化的形式定量地表现出来，这就需要有硬件电路图的计算机辅助设计工具。

常用于电器控制线路图设计的辅助工具有AutoCAD、Visio、ECAD等。

系统硬件构成示意图如图5所示

其中AutoCAD与ECAD常用于中型电气线路的辅助设计，而Visio是微软开发的专门用于各个领域图形设计的软件，能很好地与Word等文字处理软件兼容，非常适合于中、小型电气控制原理图的设计，并且简单易学，能够在短时间内掌握使用要领，这为硬件电路图的