电气自动化 毕业设计 锻造加热炉控制系统设计.docx

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电气自动化毕业设计锻造加热炉控制系统设计

摘要

本设计主要讲述了锻造加热炉控制系统的设计。

控制系统主要有自动和手动运行两种方式。

下位机采用PLC对控制系统进行设计，通过Step7对控制系统的程序作了编写。

Step7是一种对西门子PLC进行组态和编程的专用集成软件包，它是西门子工业软件的一部分。

本设计中Step7只作为一种PLC的编程软件，其中控制系统的组态设计采用了北京杰控的FameView软件，FameView组态软件系统是集多年工程应用、开发和服务经验,基于Windows2000/2003/XP/7操作平台,独立研制开发的纯32位、高档次组态监控平台软件,其运行稳定、速度快、简单易用、功能强大、扩展性好,能为用户提供经济完善的工业自动化监控解决方案。

本文对控制系统的手动控制程序做了详细的编写，程序的编写采用简单易学的LAD梯形图，梯形图是使用最广泛的PLC编程语言。

然后对上位机监控画面做了简单设计和介绍。

上位机组态软件的编写采用的是FameView组态软件，软件界面设计简单美观，可以对变量进行统一管理，可以对参数进行设定和更改，并可以设置自动运行，即使在无人看守的情况下也可以保证系统安全运行，非常简单适用。

关键词：

PLC；FameView；Step7；梯形图

Abstract

Thisdesignfocusesonthedesignofasteelfurnacecontrolsystem.Thecontrolsystemforautomaticandmanualoperationintwoways.LowermachineadoptsPLCcontrolsystemdesign,made​​thepreparationofthecontrolsystemprogramwithStep7.Step7isaSiemensPLCconfigurationandprogrammingofapplication-specificintegratedpackage,whichispartoftheSiemensIndustrialSoftware.ThedesignoftheStep7onlyasaPLCprogrammingsoftware,includingtheconfigurationofthecontrolsystemdesignusingtheBeijingJiecontrolofFameViewofsoftware,FameViewconfigurationsoftwaresystemissetmanyyearsofengineeringdevelopmentandserviceexperience,basedontheWindows2000/2003/XP/7operatingplatform,independentresearchanddevelopmentofpure32,thehigh-endconfigurationmonitoringplatformsoftware,anditsrunningstable,fast,easytouse,powerful,scalableandcanprovideuserswithaneconomicindustrialautomatedmonitoringsolutions.

ManualcontrolproceduresforthecontrolsystemindetailthepreparationofthepreparationprocedureiseasytolearnLADladder,theladderisthemostwidelyusedPLCprogramminglanguage.Thenasimpledesignandpresentationofthehostcomputermonitorscreen.ThepreparationofthePCconfigurationsoftwareisFameViewconfigurationsoftware,thesoftwareinterfacedesignsimpleandbeautiful,unifiedmanagementofthevariables,youcansetandchangeparameters,andcanbesettorunautomatically,eveninthecaseofunattendedcanalsoguaranteethesafeoperationofthesystemisverysimpletoapply.

Keywords:

PLC;FameView;Step7;LAD

目录

1序言1

1.1PLC概述1

1.2Step7概述1

1.3FameView组态软件概述2

1.4锻造加热炉项目介绍2

2锻造加热炉控制系统设计4

2.1创建Step7项目4

2.2助燃风机控制系统设计6

2.2.1助燃风机的电气原理图6

2.2.2助燃风机控制程序7

2.2.3炉门升降控制系统设计9

2.3.1点火装置控制系统设计11

3组态画面制作15

3.1变量的设置15

3.2画面制作17

3.2.1工艺流程画面17

3.2.2过程曲线画面19

3.2.3实时报表画面19

4结束语24

参考文献25

致谢26

1序言

1.1PLC概述

PLC（ProgrammableLogicalController，可编程序控制器）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通新技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置[1]。

它具有体积小、功能强、灵活通用及维护方便等一系列优点。

特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，备受用户的青睐。

由于PLC具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，更适应于控制要求的编程语言，因此PLC可以视为一种特殊的工业控制计算机[2]。

但由于有特殊的接口器件以及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理和计算机也有一定的差别。

PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM／RAM）、I／O单元、编程器、电源等部件组成。

PLC工作过程分为3个阶段：

上电处理、PLC扫描过程和出错处理。

PLC上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化、I／O模块配置运行方式检查、停电保持范围设定及其它初始化处理等．这些是PLC内部处理阶段，这些程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户的程序运行时间相比，要短的多。

PLC上电完成以后进入扫描工作过程。

首先完成输入处理，其次完成与外设的通讯处理，再进行时钟、特殊寄存器的更新。

当CPU处于STOP模式时，转入执行自诊断检查。

当CPU处于RUN模式时，它将不断重复扫描过程。

扫描过程分为三个阶段：

输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。

输入采样阶段首先扫描所有输入端子，并将各输入端子状态存入内存中对应的输入映像寄存器。

此时，输入映像寄存器被刷新。

接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端内容。

1.2Step7概述

Step7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分[3]。

　　Step7具有以下功能：

硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

Step7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。

　　在Step7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。

Step7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。

实现Step7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在Step7中[7][9]。

　　Step7中集成三种基本编程语言：

梯形图（LAD）语言，语句表,（STL）语言，功能块图（FBD）语言[4]。

本课题PLC程序设计采用MicrosoftWindowsXP操作系统下SIMATICStep7V5．4软件，编程语言采用的是梯形图语言。

1.3FameView组态软件概述

FameView组态软件系统是集多年PLC工程应用、开发和服务经验,基WindowsNT、Windows2000/XP操作平台,独立研制开发的纯32位、高档次的软件。

其运行稳定、速度快、简单易用、功能强大、扩展性好,能为用户提供经济完善的工业自动化监控解决方案;已经被成功应用于冶金、化工、电力、环保、筑路、核辐照、烟草、啤酒、铁路、煤炭、楼宇、水处理、锅炉、码头输送等各个行业,经实践证实适合所有的大中小型自动化项目应用[5]。

自进入市场以来,FameView经过许多超大规模项目的磨练,已经发展成为稳定、快速、强大的组态软件,自开发初期,以WindowsNT作为开发平台,全部代码采用VC++进行编写,并自然过度到Windows2000/2003/XP平台,所以是纯32位代码,多任务系统,保证了软件系统内核的先进和稳定,无内存泄露,能长期运行,被誉为“不会死机”的组态软件。

FameView一直把可编程控制器（PLC）和DCS作为适用对象,定位于自动化应用的中高端,专门设计了设备数据表,能对数据进行批量处理,多线程同时处理多个通讯设备。

FameView除提供通讯、运行数据库、画面、报警、历史数据等功能外,还提供了实用的数据库应用、配方、数据服务、报表、用户编程等增强功能，是一款非常实用的软件。

1.4锻造加热炉项目介绍

本设计是室式炉电气控制设备设计，包括一台室式加热炉内所有用电设备的配电及控制设计。

该加热炉控制系统包括一台助燃风机控制，其中助燃风机可采用工频或变频控制，变频控制可以增加或减少频率，以达到控制助燃风机转速的控制。

该加热炉还有一可以升降控制的炉门，通过设计可以使炉门上升或下降。

另外还有一点火装置，设计一控制系统来控制点火装置的运行和关闭。

控制系统还可以手动和自动之间进行切换，既可以手动控制，也可以提前设置好参数，如温度，风速等，让控制系统自动控制设备的运行。

上位机系统软件的操作系统采用中文WindowsXPSP3；FameView上位组态软件；编程软件使用SIMATICStep7V5.4中文版。

上位机显示界面用FameView软件制作，应设有色彩美观的系全貌、参数设置、参数显示、设定曲线、过程曲线、过程模拟、报警界面和报表定时打印等工作界面。

系统全貌界面：

可视友好的控制界面，图像质量要高，用不同色彩全面显示设备主要结构、上下位构成的集散控制系统、温度控制、PLC控制系统示意图；炉体状态监控界面：

主要用于动画显示炉门、密封的工作状态，并有各到位显示和故障显示等；参数显示界面：

直观显示整个系统的实时运行状态和各主要参数的测控值。

过程曲线界面：

对于主控温度、监视温度、记录温度要实时显示温度和时间的变化，并具有局部放大功能，作为历史记录随时调用、显示。

2锻造加热炉控制系统设计

2.1创建Step7项目

（1）打开Step7软件，双击图标；

（2）新建项目，名称为“毕业设计”，保存路径保持默认；

图2.1新建项目名称

（3）插入300站

图2.2插入300站

（4）打开下级目录，点击硬件，进行硬件组态

图2.3硬件组态

（5）编写符号表

图2.4符号表

2.2助燃风机控制系统设计

助燃风机控制系统采用了2台风机，一台为主电机，另外一台为备用电机，当主电机发生事故时，为了保证加热炉的正常运行，备用电机可以投入使用。

风机的控制可以采用工频控制和变频控制两种方式，两种方式可以相互切换，变频控制采用变频器实现。

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）[7]是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

2.2.1助燃风机的电气原理图

图2.5助燃风机电气原理图1

图2.6助燃风机电气原理图2

2.2.2助燃风机控制程序

助燃风机的控制程序使用LAD梯形图编写，其控制程序如下：

2.2.3炉门升降控制系统设计

炉门升降的实现可以使用一台三相交流电动机，通过改变它们的相序可是实现电机的正转和反转，从而实现炉门的上升和下降，其原理图如图2.7：

图2.7炉门升降电气原理图

图2.8炉门升降电气原理图

其中2-SB1为炉门停止按钮，2-SB2为炉门上升按钮，2-SB3为炉门下降按钮。

当上升按钮闭合时线圈2-KM1得电，常开触点2-KM1闭合形成自锁，主触点2-KM1闭合，电机得电，炉门上升，当上升到顶位是，顶端的常开限位开关闭合，线圈2-KM1失电，电机停止运转。

下降时同上升的原理相似。

炉门升降的控制程序如下：

2.3.1点火装置控制系统设计

大型锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。

因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核，为了减少重油（天然气）的耗量，传统的做法是提高煤粉的磨细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等等，但是，这些方法已到了尽头，若要进一步减少燃油到最终不用油，必须采用与传统上完全不同的全新工艺，这种工艺应既可保证提高燃烧过程的经济性，又可以改善火电厂的生态条件——DLZ-200型等离子煤粉点火燃烧器[6]，采用直流空气等离子体做为点火源，可点燃挥发份较低的（10%）贫煤，实现锅炉的冷态启动而不用一滴油，是未来火力发电厂点火和稳燃的首选设备，采用等离子点火燃烧器，点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点：

（1）经济：

采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%，对于新建电厂，可以节约上千万的初投资和试运行费用；

（2）环保：

由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境；

（3）高效：

等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子（O2-、H2-、OH-、O-、H+）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧；

（4）简单：

电厂可以单一燃料运行，简化了系统，简化了运行方式；

　　（5）安全：

取消炉前燃油系统，也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。

等离子发生器工作原理

本发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成[8]。

其中阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成。

阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。

线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。

其拉弧原理为：

首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2接触后，整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。

一定压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105～106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。

等离子系统组成

等离子系统主要包括：

电气系统、冷风加热系统、冷却水系统、载体风系统、控制系统、监视系统。

电气系统

等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。

其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路将三相交流电源变为稳定的直流电源。

其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。

电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。

冷风加热系统

　　冷风加热系统使得锅炉冷态条件下直接启动制粉的能力。

在磨煤机入口的一次风道上加装了一套蒸汽暖风器，可将冷态时的磨入口风温加热至满足制粉要求。

暖风器蒸汽汽源取自厂用辅汽联箱，疏水排至地沟。

冷却水系统

冷却水系统采用闭式循环系统，由冷却水箱、冷却水泵、换热器及阀门、压力表、管路组成，冷却水泵两台互为备用。

主要是通过水冷的方式对形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极进行冷却。

载体风系统

等离子发生器的载体为洁净干燥的空气，因此等离子点火系统要消耗一定量的压缩空气（要求发生器前压力保持在0.015—0.1Mpa之间，每台发生器最大耗气量约为150NM3/H）。

为此，我们厂专门配备了两台风机。

另外，该风机出口风还可以用作等离子点火燃烧器的图像火检系统的冷却风。

控制系统

等离子控制系统由等离子控制柜和触摸屏组成，柜内PLC采用SIEMENSS7-300系列的可编程控制器完成。

该CPU模块中的Profibus接口，可简单地与多个点火控制器相连，以通过网络对所有点火装置进行集中控制。

由Digtal公司生产的GP触摸面板作为操作界面，为现场操作提供了简洁的操作模式、完整的信息显示。

点火装置电气原理图如图2.10

图2.9点火装置电气原理图

点火装置控制程序如图2.10:

图2.10点火装置程序

T1为扩展脉冲定时器，如果在启动（S）输入端有一个上升沿，S_PEXT（扩展脉冲S5定时器）将启动指定的定时器。

信号变化始终是启用定时器的必要条件。

定时器以在输入端TV指定的预设时间间隔运行，即使在时间间隔结束前，S输入端的信号状态变为"0"，只要定时器运行，输出端Q的信号状态就为"1"，此出定时时间是5s。

如果在定时器运行期间输入端S的信号状态从"0"变为"1"，则将使用预设的时间值重新启动（"重新触发"）定时器。

如果在定时器运行期间复位（R）输入从"0"变为"1"，则定时器复位。

当前时间和时间基准被设置为零。

其时序图如图2.11所示

图2.11扩展脉冲定时器时序图

3组态画面制作

3.1变量的设置

（1）打开FameView软件，双击桌面图标

（2）点击新建项目图标，

图3.1新建项目

（3）点击设备通讯中的“安装通讯”

图3.2安装通讯

（4）安装西门子MPI驱动

图3.3安装驱动

（5）启动驱动

图3.4启动驱动

（6）定义变量

图3.5定义变量

AR模拟读写变量

图3.6模拟读写变量

VA内部模拟变量

图3.7内部模拟变量

3.2画面制作

3.2.1工艺流程画面

（1）新建一个画面

图3.8新建画面

（2）画面制作，同时将各种变量，开关状态显示在画面上

图3.9加热炉控制流程画面

（3）画面介绍

通过“起始画面”按钮,可以选择显示画面的起始画面;如果选择“全屏显示”,则可以屏蔽掉显示画面窗口的标题、菜单、工具条、状态栏等,整个屏幕只显示画面的内容,如果画面的尺寸大于屏幕尺寸,会出现滚动条来漫游屏幕;如果选择“允许全屏/非全屏切换（用F12键）”,则可以用键盘上的F12键,使画面显示窗口在全屏/非全屏之间进行切换;如果不选择此选项,则画面显示窗口被全屏显示后,不能够再被恢复,甚至无法关闭它,所以应谨慎使用此选项;但通过脚本函数还可切换:

Picture.SwitchFullScreen全屏/非全屏切换;如果选择“对象被执行有声音提示”,则画面显示窗口中的对象被执行时,会发出声音提示;声音提示的内容由系统目录下的ViewObj.wav决定,通过改变此文件的内容来选择声音;

…如果选择“关闭口令”,则能够使画面显示程序时,出现口令输入窗口,只有正确的输入口令,才能关闭画面显示窗口；用来防止画面显示程序被非法关闭；要防止其他应用程序窗口覆盖画面显示窗口,应该选择“顶层窗口,不被其他窗口覆盖”,即使启动了其他应用程序,也不可能看到它；但也有可能系统本身的窗口也不能显示,所以建议在特殊情况下使用。

为防止操作者通过热键切换到其他窗口,应该选择“屏蔽ALT+Tab、Ctrl+ESC、任务栏”;为防止操作者通过热键关闭窗口,应该选择“屏蔽ALT+F4、Ctrl+F4、ALT+Esc”;为防止操作者进行系统操作,应该选择“屏蔽Ctrl+Alt+Del.系统运行时，可采用手动运行和自动运行两种方式。

手动运行时，可点击开关按钮，实现开关的开启和关闭。

画面将会动态显示各种变量的运行状态，空气的流量，温度的高低，风速的大小，都会在画面上以数值的形式直观的显示出来。

并且还可以设定参数的大小，比如可以设置风速的大小，此时，变频器将采集到所设定的数值，变频器的频率将会自动增加或减小以满足风速的大小。

系统运行的过程中将会自动记录下各种变量的变化过程，如需查阅历史记录，可以启动实时曲线，实时报表，历史曲线，历史报表等，各种变量的变化时间和数值，将会以图表的形式显示出来，随时可以打印和保存。

若系统运行过程中出现故障，如助燃风机不工作，温度过高或过低，炉门不能正常升降等，在画面上都会有红灯闪烁报警，提醒操作者注意，极大的减轻了工作的负担。

3.2.2过程曲线画面

图3.10过程曲线画面

3.2.3实时报表画面

（1）需启动“系统设置->启动任务”,出现图3.11对话框:

图3.11启动任务

（2）定义实时报表数据

需要从运行数据库中选择要参与实时报表的变量；

在组态管理器中,选择“实时报表”功能；

执行“1.定义实时报表数据”任务,出现下面对话框:

图3.12定义实时数据报表

（3）制作实时报表格式

定义了实时报表数据,需要建立报表格式进行输出；

用水晶星（Crystal）报表通过以下步骤建立实时报表格式

图3.13新建报表

新建报表,启动报表设计器；

报表设计器启动后,首先出现注册窗口,直接执行取消按钮；

然后执行New>菜单,出现图3.14的对话框:

图3.14启动报表设计器

从“ChooseanExpert”中选择标准报表格式；

出现下面对话框,选择数据库来源

图3.16选择数据源

需列表中选择数据源“FameViewReportDataSource”,（此数据源为系统所提供,在系统首次安装时建立的,