某工厂反应炉控制系统设计.docx
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某工厂反应炉控制系统设计
摘要
水玻璃生产过程主要包括加、混料过程和加热炉燃烧换向过程，传统生产控制采用继电器—接触器电气控制系统，这样的系统存在线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。
本文分析了某工厂反应炉系统的控制原理，同时根据该系统的控制要求和特点，制定了采用PLC为核心的控制系统的设计方案，并完成了电气控制系统硬件和软件的设计。
其中硬件设计包括电机的选型、电机主电路图的绘制、阀门的选型、传感器的选型、PLC机型的选择、I/O端口的分配和I/O硬件接线图的绘制等；软件设计选用的是经验设计法，并根据设计方法设计出PLC的梯形图程序。
本文对PLC控制的加、混料过程和加热炉燃烧换向过程的工作过程作了详细阐述。
最后对该控制系统进行了模拟演示，通过调试，本设计能完成该系统所要求的控制功能。
通过采用PLC设计该工厂控制系统，使系统控制变得灵活、控制线路得到了简化、可靠性稳定性得到提高、故障率降低。
关键词:
水玻璃;PLC;控制;系统
Abstract
Water-glassproductionprocessincludesadding,mixingprocessandthecombustionfurnacecommutationprocess,thetraditionalproductioncontrolusingrelay-contactorelectricalcontrolsystem,suchasystemexistscircuitcomplexity,reliability,poorstability,faultdiagnosticsandtroubleshootingdifficultiesandotherproblems.
Thispaperanalyzesaplantreactorsystemcontroltheory,andaccordingtothesystemcontrolrequirementsandcharacteristicsdevelopedbyPLCasthecoreofthecontrolsystemdesign,andcompletedtheelectricalcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign.Thehardwaredesignincludestheselectionofthemotor,themotormaincircuitdrawing,valveselection,sensorselection,PLCchoiceofmodels,I/OportassignmentandI/Ohardwarewiringdiagramdrawing,etc.;softwaredesignempiricaldesignmethodischosenanddesignedaccordingtothedesignmethodofthePLCladderprogram.Inthispaper,plusPLCcontrol,mixingprocessandthefurnacecombustionprocessofcommutationprocessworkselaborated.
Atlast,thecontrolsystemwassimulateddemonstration,throughcommissioning,thedesignofthesystemtocompletetherequiredcontrolfunctions.
ByadoptingthePLCdesignthecontrolsystemoftheplant,thesystemcontrolbecomesflexiblecontrolcircuitissimplifiedandreliabilityimprovedstability,thefailurerateisreduced
Keywords：
Water-glass;PLC;control;system
1绪论
1.1研究背景与意义
本研究背景主要包括：
水玻璃主要生产过程和研究目的与意义。
1.1.1水玻璃主要生产过程
水玻璃生产主要有以下两个过程：
1.加、混料过程；2.加热炉燃烧换向过程。
原有的水玻璃加、混料过程往往采用电磁接触器控制电机的运行，由于水玻璃加、混料过程要求电机较为频繁的启动、正转、反转，这样会大量消耗电能，生产成本升高。
随着电子技术、自控技术和计算机技术的不断发展，采用PLC和单片机设计控制系统能够更快速，准确的控制各个过程，因此被广泛采用。
水玻璃生产中，温度直接影响产品质量，因此对加热炉燃烧控制尤为重要。
以往水玻璃生产过程中，对加热炉燃烧换向往往根据操作工人的经验来判断操作运行的，通过工人不断观察情况来调整加热炉燃烧状况，控制温度，由于人工操作在观测和操作频率上的限制及操作上的延迟，很难把加热炉温度长时间稳定在最佳生产温度，因此水玻璃往往品质不够好。
因此考虑采用PLC设计系统对加、混料过程和加热炉燃烧过程进行控制，由于PLC具有控制能力强、精度高、操作灵活方便、可靠性高的特点，不但具有复杂的逻辑能力，还具有控制能力强、精度高、操作灵活方便、可靠性高的特点，还具有复杂的运算能力，适宜长期连续工作，能工作在各类恶劣的环境下，可满足工业生产过程中的高效控制。
使系统工作在高效的状态下，这样提高了生产效率，减少了劳动强度，保证了人员安全，提高了产品质量。
1.1.2研究目的与意义
根据控制要求设计电气控制系统使之能满足现场对控制设备的需求，并考虑到实现简便、可靠、经济、适用等特点，使控制方式与控制需要相适应，与通用化程度相适应，能充分满足工艺要求，且具有良好的通用性和灵活性。
1.2PLC研究现状
1.2.1PLC的发展历史及定义
在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛地应用于工业生产的各个领域。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
这些功能是通过继电器控制系统来实现的。
但是随着工业生产规模的逐步扩大，市场竞争日趋激烈，继电器控制系统已经愈来愈难以适应，因为继电器控制电路通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。
它的控制功能也仅仅局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化就必须进行重新设计，重新布线、装配和调试。
显然这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。
这就迫使人们放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型工业控制系统。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了世界上第一台可编程序控制器。
在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序功能。
所以人们将可编程序控制器称为PLC（ProgrammableLogicalController），即可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
20世纪70年代末至80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，并且还可以对模拟量进行控制。
因此美国电气制造协会（NEMA,NationalElectricalManufacturersAssociation）将之正式命名为PC（ProgrammableController）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
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。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
1.2.2PLC的特点
1.功能强，性价比高。
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，具有很高的性价比。
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。
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.维修操作方便，扩展容易。
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。
7.采用循环扫描工作方式。
PLC是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触头竞争和时序失配的问题。
1.2.3PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
它的应用大致分为以下几类：
1.用于开关逻辑控制。
可用PLC取代传统继电控制，如机床电气、电机控制中心等，也可取代顺序控制，如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。
总之，PLC可用于单机、多机群以及生产线的自动化控制。
2.用于机械加工的数字控制。
PLC和计算机数控（CNC）装置组合成一体，可以实现数值控制，组成数控机床。
3.用于机器人控制。
可用一台PLC实现3~6轴的机器人控制。
4.用于闭环过程控制及构成DCS。
现代大型PLC都配有PID子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。
计算机-PLC-现场仪表是目前构成DCS的基本结构。
5.用于实现工厂的自动化管理。
现代的PLC均具有通信接口或专用网络通信模块，可组成多级控制系统，形成工厂自动化网络
1.3本设计的研究内容
当称料斗为空并且放料门关闭的情况下，开加料阀给料斗加料，当称料斗满时，关闭加料阀门，由控制台按钮打开放料门，将物料放到拌缸进行搅拌，经过一定时间后进行反应煅烧。
而当称重传感器检测到料斗已经空时，自动关闭放料门，准备下一次加料。
混料装置如图1.1所示。
煅烧的目的是把配好的反应物进行高温加热，进行化学反应，加热炉体分为南北两个炉体进行加热，为了减少热量的损失，节省能源，在南北烟道都设置了储热室，当北炉燃烧时，打开南烟道闸板，关闭北烟道闸板，助燃风通过北烟道，蓄热室到北炉，供北炉燃烧所需氧气，当南炉燃烧时则相反，由于助燃风通过蓄热室带走大部分热量，一方面节约了燃油的消耗，节省能源，另一方面也降低了烟道温度，保护了烟道。
工艺流程简图如图1.2所示。
控制时序图如图1.3所示。
图1.1混料装置示意图
图1.2工艺流程简图
图1.3换向控制时序图
根据生产控制要求，设计基于PLC的控制系统，主要内容有以下几点：
1.硬件选择。
主要包括：
PLC型号选择、电机型号选择、指示灯选择、称重传感器选择、阀门选择等。
2.控制程序设计。
主要就是PLC程序设计。
PLC程序主要包括系统顺序控制、时间控制、指示灯显示、电机启停，正反转控制。
3.在实验室模拟演示。
应用实验室设备，利用指示灯的亮灭来模拟演示控制过程。
2方案选择与确定
2.1方案一：
采用单片机为核心设计系统
该系统中的开关量、传感器信号、按钮等输入，经过单片机内程序运行后，输出信号作用于接触器、电磁阀、指示灯等受控元件，使之按控制要求要求动作。
系统框图如图2.1所示。
图2.1单片机控制系统框图
单片机又称单片微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它是由运算器，控制器，存储器，输入输出设备集成到一块集成芯片的微型计算机。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、厚度、角度、长度、湿度、温度、流量、速度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大；但是单片机对环境要求较高，不适合在恶劣环境下工作。
单片机的主要发展趋势有以下：
1.低功耗CMOS化。
随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化。
现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3.主流与多品种共存。
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
2.2方案二：
采用PLC为核心设计系统
该系统采用微机作为上位机，PLC为核心，与采用单片机为核心的主要区别在于，采用PLC为核心的系统使系统编程变得更加灵活和方便，同时使程序便于修改和调试。
系统框图如图2.2所示。
图2.2PLC系统框图
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称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，用来在其内部存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入和输出，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、RAM、ROM、底板或机架。
功能模块、接口模块、通信处理器、电源单元和编程单元组成，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。
可编程控制器主要由以下优点：
1.可靠性高，抗干扰能力强；2.配套齐全，功能完善，适用性强；3.易学易用，深受工程技术人员欢迎；4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5.体积小，重量轻，能耗低。
2.3方案比较与确定
PLC控制与单片机控制的区别：
1.PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，故两者不具有可比性。
2.单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。
3.不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。
这正是PLC获得广泛应用的基础。
而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。
从工程的角度，谈PLC与单片机系统的选用：
1.对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。
2.对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
方案确定：
由于此次设计题目属于工程实际，运用于工业环境。
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，而且20世纪90年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领了，因此，此次设计选择方案二，即采用PLC设计控制系统。
3硬件的设计及选择
3.1系统总框图
根据本设计研究内容和具体的控制要求，可由此得出该PLC控制系统主要有以下部分组成：
1.输入部分输入部分由总的控制开关、控制台按钮、砂称重信号、碱称重信号、砂加料阀电机停止按钮、碱加料阀电机停止按钮、砂放料门电机停止按钮、碱放料门电机停止按钮、各类电机热继电器、南烟闸回讯、北烟闸回讯、南汽阀回讯、北汽阀回讯、南油阀回讯、北油阀回讯等组成。
2.输出部分输出部分由电机接触器、电机状态指示灯、南烟闸、北烟闸、南汽阀、北汽阀、南油阀、北油阀、南烟闸指示灯、北烟闸指示灯、南汽阀指示灯、北汽阀指示灯、南油阀指示灯、北油阀指示灯等组成。
系统框图如图3.1所示。
图3.1系统总框图
3.2电机选择
3.2.1本设计中电机的选型
（3.1）
式3.1中，
为电机容量；
为短时容量；
为最长工作时间；
为发热时间常数。
本设计中电机主要工作在工厂车间，故额定电压为380V，频率为50Hz，同样由控制要求可以知道电机需正、反转，且较频繁的启停，因此它是短时工作制。
根据式3.1，经过计算和比较之后，考虑到初期投资和过渡过程损耗最小两方面因素，故本设计选用Y系列电机，选择的电机型号和参数如表3.1所示。
表3.1电机技术数据
型号
砂加料电机
Y100L1-4
2.2
380
5
1430
7.0
2.2
2.3
碱加料电机
Y100L1-4
2.2
380
5
1430
7.0
2.2
2.3
砂放料电机
Y132S-4
5.5
380
11.6
1440
7.0
2.2
2.3
碱放料电机
Y132S-4
5.5
380
11.6
1440
7.0
2.2
2.3
搅拌电机
Y160M1-4
11
380
22.6
1460
7.0
2.2
2.3
3.2.2电机主电路图
图3.2电机主电路图
图3.2为电机主电路图，图中各符号对应关系如表3.2所示。
表3.2符号对应表
电机符号
接触器符号
热继电器符号
熔断器符号
砂加料电机
M1
KM1、KM2
FR1
FU1
碱加料电机
M2
KM3、KM4
FR2
FU2
砂放料电机
M3
KM5、KM6
FR3
FU3
碱放料电机
M4
KM7、KM8
FR4
FU4
搅拌电机
M5
KM9
FR5
FU5
3.3接触器选择
接触器是一种能频繁地接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的控制电器。
它分为直流和交流两类。
它的控制对象主要是电动机、电炉、点灯、电焊机、电容器组等。
3.3.1接触器的结构与工作原理
1.接触器主要由电磁机构、触头系统、灭弧装置三部分构成。
（1）电磁机构电磁机构包括电磁线圈和铁芯，铁芯由静铁芯和动铁芯共同组成，铁芯的活动部分与受控电路的触头系统相连。
（2）触头系统触头又称为触点，是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。
触头的结构形式多种多样，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。
主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。
触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。
原始状态时断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态时闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。
（3）灭弧装置触头在分断电流瞬间，在触头间的气隙会产生电弧，电弧的高温能将触头烧损，并可能造成其他事故，因此，应采用适当措施迅速熄灭电弧。
常采用灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。
2.工作原理
交流接触器和直流接触器原理相似，即当线圈通电后，受电磁场的作用，使常闭触头断开，常开触头闭合，两者是联动的。
当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，是触头复原，即常开触头断开，常闭触头闭合。
3.3.2接触器选择原则
选择接触器时应考虑以下几点:
1.控制交流负载一般应选用交流接触器，控制直流负载一般应选用直流接触器；
2.接触器的使用类别应与负载性质相一致；
3.主触头的额定工作电压应略大于或等于负载电路电压；
4.主触头的额定工作电流应略大于或等于负载电路的电流；
5.线圈的额定电压应与控制回路电压一致，接触器，在电压达到额定电压85%及以上时应能可靠吸合。
3.3.3本设计中接触器的选型
（3.2）
式3.2中，
、
分别为接触器额定电压、负载电路额定电压。
（3.3）
式3.3中，
、
分别为接触器额定电流、负载电路额定电流。
根据公式3.2、3.3、接触器选择原则及电机参数，则本设计选择的接触器型号参数如表3.3所示。
表3.3接触器型号及参数
型号
频率/Hz
辅助触点额定电流/A
励磁线圈额定电压/V
额定电流/A
额定电压/V
砂加料电机接触器
CJ20-10
50
5
220
10
380
碱加料电机接触器
CJ20-10
50
5
220
10
380
砂放料电机接触器
CJ20-16
50
5
220
16
380
碱放料电机接触器
CJ20-16
50
5
220
16
380
搅拌电机接触器
CJ20-25
50
5
220
25
380
3.4热继电器选择
热继电器是利用电流的热效应原理
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