加热反应炉监控系统设计.docx
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加热反应炉监控系统设计
存档日期：
存档编号：
本科生毕业设计（论文）
论文题目：
加热反应炉监控系统设计
姓名：
**************************
院系：
电气学院
专业：
自动化
班级、学号：
10电51********
指导教师：
***************************
江苏师范大学教务处印制
摘要
加热炉是工业生产中的重要设备，为了实现安全生产，必须不断地监控，即加热炉监控系统。
它广泛应用于工业领域，如锅炉，焦化厂，火电厂温度控制系统。
温度控制大多基于PID控制（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））。
PID控制是整个控制系统的核心。
而现在许多PLC控制器中能实现PID控制功能,因此在反应炉监控系统中采用PLC控制是较为合理。
PID控制可由PLC的闭环控制模块来实现。
而我们所学过的三菱FX2N系列完全能胜任此功能。
本篇论文首先介绍温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后分别介绍了系统下位机三菱FX2N系列PLC和系统上位机监控层MCGS组态的具体设计过程。
关键词三菱FX2N系列PLC温度传感器加热炉
Abstract
Theheatingfurnaceisanimportantequipmentintheindustry,inordertoachievesafeproduction,mustbewatchinghimconstantly,namelythetemperaturecontrolsystem.Itiswidelyusedinindustrialfields,suchasboiler,cokingplant,thetemperaturecontrolsysteminthermalpowerplant.
温度控制大多基于PID控制。
PID控制是整个控制系统的核心，由PID的热反应炉温度闭环控制。
。
而现在许多PLC控制器中能实现PID控制功能,因此在反应炉监控系统中采用PLC控制是较为合理。
PID控制可由PLC的闭环控制模块来实现。
而我们所学过的三菱FX2N系列完全能胜任此功能。
本篇论文首先介绍温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了三菱FX2N系列PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。
TemperaturecontrolaremostlybasedonPIDcontrol（（proportion）、（integration）、（differentiation））.PIDcontrolisthecoreofthewholecontrolsystem,bythethermalreactionfurnacetemperaturecontrolloopPID..NowmanyofthePLCcontrollercanrealizethePIDcontrolfunction,sointhemonitoringsystemofreactorwithPLCcontrolismorereasonable.PIDcontrolledbythePLCclosed-loopcontrolmoduletorealize.AndwehavelearnedMitsubishiFX2Nseriesarefullyqualifiedforthisfunction.Workingprincipleandsystemcompositionofthispaperintroducesthetemperaturecontrolsystem,andthenintroducesthespecificdesignprocessMitsubishiFX2NseriesPLCandthesystem'shardwareandsoftware.
关键词：
三菱FX2N系列PLC温度传感器加热炉
KeywordsMitsubishiFX2NPLCseriestemperaturesensorheatingfurnace
第一章绪论
1.1系统设计背景
加热反应炉作为非常普遍的控制系统，温度是其生产过程中重要的被控制对象，冶金﹑食品﹑化工、火电等工业生产广泛使用的加热炉或者反应炉，对于温度都需要进行控制，将其控制在一定的范围。
所以，在生产过程中必须对温度这个参数进行监控。
而过去都是仅仅凭着人的经验和直觉进行操作，而各种因素对温度的影响是很大的。
后来继电器控制技术代替了人工经验操作，但控制系统存在着体积大，浪费电，效率低下而且容易出现系统故障，不能进行正常的生产，给企业带来不小的经济损失。
随着科技的不断发展，这种传统继电器控制技术被先进的PLC控制技术所代替。
而PLC可靠性高，其具有高效、稳定和易于使用的良好的控制性能和灵活的特点，并成为一种工业监控设备系统的必不可少的设备。
本课题通过学习三菱FX2N的原理与功能和它的编程程序，以PID算法控制为指导思想，利用MCGS模拟监控画面，再由PLC控制器对其进行控制。
1.2系统工作原理
加热炉温度控制系统基本结构如图所示，PLC主控系统、固态继电器、加热反应炉，温度和压力传感器4个部分构成了该系统。
图1-1加热炉温度控制系统基本功能框图
加热炉温度控制工作过程是:
首先温度和压力传感器将加热炉的温度和压力转化为电压信号，送进来的电压信号被其内部的A/D装换模块变成为三菱FX2NPLC可认识的数字量，然后，系统将在该温度值和温度反馈和比较，经过PID运算，再经D/A装换模块将运算后的数字量转化为控制信号，控制信号来控制固态继电器输出，以便加热炉加热或不，这就达到了加热炉系统控制的目的。
其中加热炉控制系统的核心就是PID控制的PLC系统。
1.3系统设计目标
该系统能够监控反应炉温度可控制在设定值范围内具有温度报警和故障报警功能
1.4系统组成
该系统的结构图如图所示。
图1-2系统的结构图
第二章系统下位机PLC设计
2.1三菱FX2N系列PLC（硬件）
2.1.1FX2N系列PLC介绍
PLC出现于20世纪60年代末。
美国通用公司率先提出PLC观念。
随着时代的进步，汽车推陈出新的周期愈来愈短，传统控制方式既费时，又费料的缺点愈来愈明显。
在之后的1969年，通用公司公开招标，要求用新的控制装置取代传统控制方式，由此提出PLC的概念。
此年末，美国DEC公司推出了世界第一台PLC控制器，并获得了巨大的成功。
很快PLC广泛的用于各个工业控制领域。
日本的三菱汽车公司是一个主要的PLC制造商，三菱PLC主要产品有F系列（F、F1、F2）、FX系列（FX0N、FX0、FX2C、FX1NC、FX1N、FX1S、FX2N、FX2NC、FX3U）、Q系列（Q4AR、QnAS、QnA）和A系列（A1、A2、A3）。
A和Q系列是三菱电机公司的中大型PLC机。
F和FX系列是三菱电机的小型PLC。
不过F系列已经停产。
其中FX2N系列是一个小型PLC三菱代表，以0.08us/步比FX2的运行速度快6倍。
。
FX3U是FX系列第三代产品，推出于2005年。
FX2N是三菱电机PLC小型功能设备，FX2n系列具能满足单个需求的大量特殊功能模块，具有强大的控制能力和灵活性，为不同的工厂自动化中的应用。
。
它的内部具有基本单元、扩展模块、扩展单元、特殊功能模块和程序编辑器五个部分。
基本单位是主机包括CPU，内存，电源和I/O接口，是PLC的最重要的部分。
。
扩展模块用于增加I/O端口号和I/O比值的变化，不需要电源，由基本单位中的电源供电。
扩展单元能根据系统需要使I/O口点数增多。
特殊功能模块是为了获得某些特殊功能的特殊功能模块。
程序编辑器用于输入程序、监视运行和分析故障等。
2.1.2模拟量输入模块
根据接线需要和PLC指令对其进行初始化设置，根据实际需要选择合适的模块。
本设计中适合选择FX2N-4AD模块。
FX2N-4AD具有达至12位高精度分辨率的特征；电压输入（±10V直流）或电流输入（±20mA或4~20mA直流）。
FX2N-4AD模块见下表
性能项目
电压输入
电流输入
输入信号为电流输入或电压输入时，使用端口不同
模拟量输入范围
-10~10V毫安（输入电阻200千Ω）
最大量程：
±15V
-20~20毫安直流（输入电阻200千Ω）
最大量程：
±32mA
数字输出
带符号的十二位二进制数（有效位为11位）。
范围：
-2048至2047
分辨率
5毫伏（10伏默认范围:
1/2000）
20微安（20毫安默认范围:
1/1000）
总体精度
±1%（范围-10~10伏）
±1%（范围-20~20毫安）
转换速度
15ms/通道的转换速度；6ms/通道（高速）
占有I/O点数
模块占用8个输出或输入点
2.1.3模拟量输出模块
本设计中的模拟量输出模块，我选用的FX2N-4DA模块.该模块的输出通道有4个。
可以将通道中接收到的数字信号转换成模拟信号，也成叫做D\A转换器。
高精度分辨率达到12位；4通道电流输入（4~20mA直流）或电压输出（±10V直流）。
FX2N-4DA模块技术指标见下表
性能项目
电压输出
电流输出
模拟量输出范围
直流：
-10~10伏（外接负载阻抗2千Ω~1MΩ）
直流：
0毫安~20毫安（外接负载阻抗500Ω）
数字输入
带符号的十二位二进制数字（有效位为11位）
分辨率
5mV（10伏×1/2000）
20μA（20毫安×1/1000）
总体精度
±1%（量程10伏）
±1%（量程20毫安）
转换速度
4通道2.1ms（占用的通道数变化没有导致转换速度改变）
占有I/O点数
该模块使用8个输出或输入点
2.1.4其它特殊功能模块
在这节中我们介绍其他三种特殊功能模块，高速计数模块FX2N-1HC、脉冲输出模块FX2N-1PG与FX2N-10PG、定位模块FX2N-20GM与FX2N-10GM。
高速计数模块FX2N-1HC是单相或者双相、可以通过50kHz计数器进行可以高速输入对象。
模块配有与高速一致输出功能，可运用硬件比较器来实现这一功能。
它还可以对双相进行计数，可设置乘1、乘2、乘4的乘法模式。
通过PLC或者外部输入进行复位或计数。
可以与线驱动器输出型编码器相连接。
脉冲输出模块FX2N-1PG的特点是它配拥有便于操作和控制的七种模式。
每个模块能够控制一个轴，FX2N系列PLC至多可以连接到8块。
输出脉冲频率能够达到100kHz。
脉冲输出模块FX2N-10PG的特点是它采用最优速度的控制模式。
可以接收从外部产生出来的最高可达到30kHz的输入脉冲。
它也可使编程更容易。
FX2N-20GM与FX2N-10GM的特点：
FX2N-10GM不仅能够解决中断定位和单速定位问题，而且能解决复杂的控制系统问题。
FX2N-20GM能同时执行双轴控制与线性、圆形插补。
它们都能够进行独立的操作，不需要与PLC连接。
每个定位单元都能控制一轴，FX2N系列连接的定位单元可达到8个。
输出脉冲频率最高达到200kHz。
可以用流程图来编程文件，使文件可视化。
2.2三菱FX2N系列PLC编程设计（软件）
2.2.1FX-PCS-WIN-C概述
三菱PLC编程软件市面上比较常见的有FX-PCS-WIN-C和GX系列，其中FX-PCS-WIN-C用的比较多，本设计选用了FX-PCS-WIN-C。
FX-PCS-WIN-C是三菱电机最常用的PLC软件，三菱FX系列三菱PLC程序设计软件（不含FX3U）,支持梯形图，指令表，SFC编程语言，编程线变化，监测和调试，具有远程读取和写入三菱PLC代码功能。
支持梯形图，梯形图和指令表的结构化编程语言，可以实现程序编辑，参数设置，网络设置，过程监控，调试和在线的变化，智能功能模块设置等功能。
2.2.2FX-PCS-WIN-C的基本应用
1．启动FX-PCS-WIN-C
启动桌面上的FX-PCS-WIN-C软件，FX-PCS-WIN-C程序窗口显示出来。
fx-pcs-win-c提供了一个生成的项目文件，该文件包含许多PLC需要生成，您可以定义每个PLC，梯形图，地址和网络字节、内存、I/O口、和符号。
2.介绍FX-PCS-WIN-C工程
FX-PCS-WIN-C工程由梯形图、地址和网络字节、PLC内存内容、I/O表、扩展指令以及符号组成。
每个FX-PCS-WIN-C文件都是各自独立的，是单独的一个文档。
FX-PCS-WIN-C不能同一时刻打开多个工程文件，但是能够使用FX-PCS-WIN-C来处理多个文件。
FX-PCS-WIN-C工程文件具有的文件扩展名。
项目必须被创建在PLC和符号信息的定义。
在创建一个好的项目，它就可以进行编程。
在梯形图，PLC程序按照从左到右，从上到下的顺序。
PLC程序指令可以在梯形图以图形方式输入。
该程序可以生成，监测。
2.2.3反应炉控制的过程
反应炉的PLC系统进入运行以后，按下选项SB1启动后，先用传感器检测液面高度、炉内的压力有没超过之前的设定值，直到判断为结果Y就开始送料阶段过程。
送料阶段过程，排气阀Y1与进料阀Y2打开，当反应炉内的水的液位超过所设的水位最高的上液面水的值时，系统控制命令将会使排气阀Y1和进料阀Y2同时关闭，送料阶段过程结束。
延时5s，使反应炉中的反应物料变的均匀。
这5s结束以后Y3开启，氮气从Y3阀进入反应炉内，炉中压力迅速增加，当炉中压力变化超过之前所设定值时并且压力传感器X04运行报警器工作，与此同时Y3关上，系统由送料阶段进入加热反应阶段。
在此过程之中加热电源Y5接通，炉中温度渐渐,上升。
温度上升到设定值ST时温度传感器X03动作并报警器工作，加热炉Y5关断，并且延时5S，使得炉中的反应物充分反应，加热阶段过程结束而系统此时进入泄料阶段过程。
排气阀Y1加热过程结束后被打开，炉内压力降低到SP2炉压下限值。
再将Y4打开。
当炉内液面高度降到设定的水高度的下限值时，排出阀和排气阀关闭Y1、Y4。
系统由此又变为到原来的初始状态，进入下一个同样的反应循环。
按下选项SB2，系统停止运行。
检测到炉中温度或者压力超过设定值，报警灯将会工作。
系统所给定的值有下液面SL1、上液面SL2、炉温上限值ST、炉压上限值SP1和炉压下限值SP2。
输入设备、输出设备两大部分构成了加热反应炉的I/O口分配表。
其中输入有开关选项和温度、压力传感器，输出有4个阀、指示灯、继电器，如图2-2系统PLC的I/O口分配表所示。
输入
PlC地址
电气符号
功能说明
X05
SB1
启动选项
X06
SB2
停止选项
X01
SQ1
下液位传感器
X02
SQ2
上液位传感器
X03
SQ3
温度传感器
X04
SQ4
压力上限传感器
X07
SQ5
压力下限传感器
输出
Y1
KM1
排气阀
Y2
KM2
进料阀
Y3
KM3
氮气阀
Y4
KM4
泄料阀
Y5
KM5
加热炉加热
Y6
KM6
报警灯
M1
KT1
继电器1
M2
KT2
继电器2
图2-2系统PLC的I/O口分配表
2.2.5PLC接线图、系统流程图
图2-3是根据系统的I/O线接线图所画出的PLC硬件接线图，这样就可以更加直观了解PLC的接线方式。
图2-3PLC的外部硬件接线图
图2-4系统流程图
系统流程图，它是根据系统所要求设计出来流程图，能够实现系统的控制要求，它直观的使设计程序看的更加清楚。
2.2.5加热炉程序梯形图设计
程序如下：
根据设计要求，本系统设计包括手动，自动的输入信号共六个：
低液面检测输入信号SQ1，高液面检测输入信号SQ2，分别接PLC的X01,X02口,温度传感器输入信号SQ3接PLC的X03口,压力上限传感器输入信号SQ4接PLC得X04口，压力下限传感器输入信号SQ5接PLC得X07口；SB1,SB2为启动选项和停止选项，分别接PLC的X05,X06口。
PLC的输出信号有8个，排气阀输出为Y1，进料阀输出为Y2，氮气阀输出为Y3，泄放阀输出为Y4，加热炉电源输出为Y5，报警灯输出为Y6，继电器1为M1,继电器2为M2。
根据本系统中的I/O口的外部硬件接线图，本系统软件梯形图如图所示，T0,T1，T2为定时器为0.1S定时器。
图2-5将启动信号传入继电器M1
图2-6系统进行排气
图2-7系统进行进料
图2-8将上液面的输入信号传入继电器M2
图2-9定时5S
图2-10系统进行供氮
图2-11打开加热炉电源
图2-12定时5S
图2-13开启排气阀
图2-14开启泄放阀
图2-15报警
第三章系统上位机监控层设计
3.1什么是组态控制技术
组态控制技术由传感器、被控对象、I/O口、计算机和执行机构组成的组态控制技术，只是一种是一种计算机控制技术。
传感器的作用是对被控对象的各个参数进行检测，能够知道系统的情况，将各种测量的参数显示出来。
并根据实际的测量值与设定值相比较，按照设定的控制算法的命令进行执行，从而完成控制任务。
如本系统的设计而言，加热反应炉控制系统中计算机通过水位传感器、温度传感器、压力传感器测量看看水位、压力、温度有无超过设定值，并将这一情况通过显示灯显示出来。
用算法程序对四个阀门进行控制，从而实现了本系统的要求。
通常传感器、执行机构还有被控对象一起被称为现场设备。
而计算机一般置于控制室。
组态控制技术传统技术的控制技术相比，优势明显，它不仅节省了硬件的开发时间，提高工业控制系统的可靠性。
组态控制技术为用户提供各种模块，不需要太多的编程语句可以完成复杂的项目非常好。
3.2MCGS组态软件的介绍
MCGS全称为“监视与控制通用系统”，英文全称是MonitorandControlGeneratedSystem。
MCGS具有完善的功能、简便的操作、直观性好、维护方便之类的特点。
MCGS的特点如下所示：
1．概念简单，理解和运用容易。
监控程序设计和运行操作上手容易。
2．功能齐全，方便的程序设计。
MCGS组态软件，功能丰富，常见的图形库可以使用。
3.能够及时处理事件。
MCGS的特点使计算机能够应用于工程测控领域。
4.，实时数据库的建立，保证系统安全运行。
5.“设备工具箱”可以是各种针在不同地方的外部设备，从各种不同的“成员”的选择，设置在设备窗口中，设置其相关连的属性，建立内外之间的连接。
6.“面向窗口”的组件增加了系统更加直观和易于操作。
构建用户操作系统的图形界面，配置简单、直观，灵活。
7.“动画组态”的功能能够迅速的模拟种种复杂画面。
以多种形式为用户实时提供系统在运行过程中的的各种状态以及报警信息。
8.MCGS软件引入“运行策略”的概念。
9.MCGS系统的功能部件主要由以组件的形式。
每个组件都有一个不同的功能，相互独立。
。
10.组态软件的数据存储是不是一个普通的文件，但数据库。
11.分类存储库配置对象，即对象库，解决问题的积累和重用的配置结果。
12.充分利用MCGS组态软件的分布式计算机协同工作模式，即现在，dccw技术，可以使分散在各个领域之间的数据采集系统和工作站一起相同的操作。
3.3.加热炉组态设计过程
3.3.1建立工程
（1）建立工程步骤：
1.双击桌面上的MCGS软件。
2.左击"文件”选项，弹出菜单，左击"新建工程”选项，如下图3-1。
3.点击“文件”选项，左，弹出菜单，点击“新建工程”选项，弹出文件保存窗口。
输入文件名“加热炉控制系统”，点击“保存”选项，建立完成。
图3-1
3.3.2定义变量
（1）变量的分配
变量定义前有必要对系统进行深入的分析，确定本系统所需要的变量，系统一般需要22个变量，见表3.1。
表3-1MCGS的数据库变量表
变量名称
类型
变量说明
X1
开关型
下液面检测传感器
X2
开关型
上液面检测传感器
X3
开关型
炉内温度检测传感器
X4
开关型
炉内压力上限传感器
X5
开关型
炉内压力下限传感器
SB1
开关型
启动选项
SB2
开关型
停止选项
Y1
开关型
排气阀
Y2
开关型
进料阀
Y3
开关型
氮气阀
Y4
开关型
泄发阀
Y5
开关型
加热炉加热
报警灯
开关型
警报灯
温度
数值型
炉内温度
压力
数值型
炉内压力
SB3
开关型
复位反应炉
水
数值型
炉内水的高度
T1
开关型
定时器时间到
T2
开关型
定时器启动
T3
数值型
定时器当前值
阶段
数值型
系统所处的阶段
数据组
组对象
数据对象组
（2）变量的定义步骤
1.双击“数据库”选项MCGS页面，输入实时数据库窗口。
2.左击右侧“新增对象”选项，左侧列表内马上就生成了新数据对象。
3.选取数据对象，点击右旁“对象属性”选项，出现“数据对象属性”的属性设置窗口。
4.我们把“对象名称”改成X1；“对象初值”改成0；对象的类型改成开关型；“对象内容注释”写上：
下液面是否超过值。
如图3-2所示
5.点击“确定”选项。
6.重复上述，定义剩下的变量。
7.点击“保存”选项。
图3-2
图3-3
3.3.3设计与制作控制界面
依据系统加热炉的要求，编辑出如图的控制画面。
这幅画是反应系统的简单示意图，并安排了十个小灯，分别代表下液位传感器X1、上液位传感器X2、温度传感器X3、压力上限传感器X4、压力下限传感器X5、排气阀Y1、进料阀Y2、氮气阀Y3、泄放阀Y4、加热电源Y5运行时，小灯会随着这些输出输入端口变出相应的颜色，绿色工作，红色停止。
（1）建立界面
1.点击页面左上角的工作台，出现工作台窗口。
2.点击“用户窗口选项卡”，进入“用户窗口”页面。
3.点击右旁的新建窗口选项，弹出“窗口0”图标。
4.点击“窗口属性”选项，出现“用户窗口属性”窗口。
将“加热炉控制系统”写入属性页窗口的标题栏，然后单击确定选项。
5.“工作台”内的用户窗口内，“窗口0”已经变成“加热反应炉控制系统”。
选择“加热反应炉控制系统”，点击它，在弹出的下拉窗口中选中“设置为启动窗口”，点击“保存”选项，如下图3-4。
图3-4
（2）编辑界面步骤
1．绘制反应炉
双击MCGS组态编辑选项，单击“插入”选项窗口，双击左边的“对象列表”中的“反应器”，选择合适的反应器。
。
点击“确定”选项。
然后再对其调整位置与大小，点击“保存”选项。
2．绘制其他元器件
用以上的方法绘制4个阀门、5个传感器、温度计、压力计、10个小灯、3个开关等元器件。
并调整好大小和位置，如图3-5
图3-5
3.3.4连接动画
连接动画，即通过
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