某化学反应过程的PLC控制系统设计.docx
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某化学反应过程的PLC控制系统设计
PLC在化学反应装置中的应用
摘要
随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展，化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。
在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的，并且在工业中占有非常重要的地位。
本文主要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。
我们所设计的这个系统，有两种状态一种是自动状态，另一种是手动状态，在这里我们主要对自动进行研究。
系统可以对温度进行及时显示；一旦温度超出给定范围就报警；而且温度的给定值是可以预置，这就给于各种化学物质的反应提供了条件。
整个系统充分利用了现代先进技术，提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素，而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件，为社会的发展和进步服务。
关键词：
PLC化学反应装置PID数码显示
Abstract
Alongwithsocialprogressandtherapiddevelopmentofavarietyoflightindustry,chemical,chemicalplantshavebecomeindispensabletothenationaleconomyaswellasgeneratecriticaltoabusiness.Thereareavarietyofchemicalchemicalchemicaldevices,canbesaidthattheapplicationofchemicalplantisverycommon,andinindustryoccupiesaveryimportantposition.
Inthispaper,designaprogrammablecontrollerusedforthechemicalreactiondeviceintheprocessofthesystem,programmablecontrollerisanintelligentcontroller,hehashisownCPUandcontrolsoftware,mainlytocompletethefielddataacquisition,conversion,storage,alarmandcontrolfunctions.Wedesignedthissystem,therearetwostatesisautomaticallyastate,theotheristhemanualstates,wherewemainlystudytheautomatic.Systemcandisplaythetemperatureintime;oncethetemperatureexceedsagivenrangeonthealarm;andtemperaturecanbepre-givenvalue,whichgivesavarietyofchemicalsubstancestoprovidetheconditionsforthereaction.Thewholesystemmadefulluseofmodernadvancedtechnology,toimprovelaborproductivity,improvedworkingconditions,reducingthelaborintensity,notonlycanovercomethehumanfactorsofinstability,butalsocanabsorbartificiallyadjusttheadvantagesofamodernproductionandmanagementprovidesastrongstrongmaterialconditionsforsocialdevelopmentandprogress.
Keywords:
PLCchemicalreactiondevicePIDdigitaldisplay
第一章绪论……………………………………………………………………………………2
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及应用
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的型号选择以及硬件配置
2.3系统的I/O点地址分配以及外部接线图
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
随着社会的不断进步和各种轻工业的飞速发展，化学化工厂已经成为不可缺少乃至对国民经济产生至关重要的一门行业。
在化学化工厂中有各种化学装置，可以说化学装置的应用是很普遍的，并且在工业中占有非常重要的地位。
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。
我们所设计的这个系统，有两种状态一种是自动状态，另一种是手动状态，在这里我们主要对自动进行研究。
系统可以对温度进行及时显示；一旦温度超出给定范围就报警；而且温度的给定值是可以预置，这就给于各种化学物质的反应提供了条件。
整个系统充分利用了现代先进技术，提高了劳动生产率，改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，不仅可以克服人为的不稳定因素，而且可以吸收人为调节的优点，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件，为社会的发展和进步服务。
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。
1.1系统介绍
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
1.2系统方案论证
根据我们所说的化学过程，以及通过查阅相关资料，可以得到方案。
方案中，由于需要对2#容器的物质经行加热，以及原料池1#、2#反应池及产品池的液位检测，实验室条件并不允许，固将液位检测及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、搅拌器以及搅拌时间信号灯等。
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。
1.3可编程序控制器的发展及应用
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﹑最普及﹑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]。
1.4系统设计方法和步骤
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。
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（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及要求，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的型号选择以及硬件配置
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。
可根据电源及输出形式，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。
2.3系统的I/O点地址分配以及外部接线图
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的模块型号以及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
2.4温度采集处理
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。
2.4.1热电偶的基本知识
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。
2.4.2EM231模块
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及数据处理功能。
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及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热电偶模块及PLC接线图
2.4.3报警电路
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
2.5数码管显示温度值
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及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
2.6拨码盘给定温度值
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
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