某化工加热炉控制系统设计PLC课程设计.docx
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某化工加热炉控制系统设计PLC课程设计
电器控制与可编程控制技术课程设计
设计题目：
某化工加热炉控制系统设计
学院：
职业技术学院
专业：
自动化
班级：
自动职101
2013年7月日
设计任务书
设计目的
1．了解电气控制与可编程控制技术的发展概况、动向和应用领域；
2．了解熟悉常用电气控制与可编程控制系统设备的结构机理、电气特性和主要参数；
3．理解和掌握基本的控制方法、电气控制、编程方法；
4．培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力；
5．锻炼个人的动手和思维能力；
设计任务
1.某化工加热反应釜的组成
某化工加热反应釜的结构示意图如图1所示。
图中排气阀Y1、进料阀Y2、氮气阀Y3和泄放阀Y4都为电磁阀，SL1和SL2为液位传感器，用于检测液面高度，当液位达到给定值时为ON状态，低于给定值时为OFF状态，温度传感器ST和压力传感器SP分别用于检测釜内温度和釜内压力，当温度和压力达到给定值时相应传感器为ON状态，低于给定值时为OFF状态。
要求设计符合反应釜加热工艺过程的控制程序。
2．反应釜加热工艺过程
（1）送料控制
①检测到液面SL2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时，传感器SL2、ST、SP均为OFF状态；
②打开排气阀Y1和进料阀Y2；
③当液位上升到液面SL1时，应关闭排气阀Y1和进料阀Y2；
④延时20s，打开氮气阀Y3，氮气进入反应釜，釜内压力上升；
⑤当压力上升到给定值，即SP为ON状态时，关闭氮气阀Y3，送料过程结束。
（2）加热反应过程控制
①交流接触器KM得电，接通加热器EH的电源；
②当釜内温度升高到给定值，即ST为ON状态时，交流接触器KM断电，切断加热电源；
③延时10s，加热过程结束。
（3）泄放控制
①打开排气阀，使釜内压力降到预定最低值，即SP为OFF状态；
②打开泄放阀，当釜内溶液降至液位下限，即SL2为OFF状态时，关闭泄放阀和排气阀，系统恢复到原始状态，准备进入下一循环。
（4）设置系统的启动按钮和停止按钮。
按下启动按钮系统开始工作，按下停止按钮时系统必须在一个循环的工作结束后才能停下来。
3．设计说明书应包括以下内容
（1）系统设计任务分析
（2）系统设计方案
（3）系统硬件设计
PLC的选型、I/O地址分配
PLC控制系统的外部接线图
（4）系统软件设计
程序流程图或功能图
控制程序梯形图
（5）程序编辑和调试
具体要求
1、根据指导教师给出的设计任务书编写相关相关程序、画出接线图及仿真系统图。
2、在设计任务书中对CPU的选择；输入/输出接口的分配；做出硬件设计、软件设计中的流程图、T型图及PLC外部接线图的过程和依据。
3、撰写课程设计任务书
目录
摘要I
第一章设计方案1
1.1设计任务书分析1
1.11设计要求2
1.1.2设计分析2
1.2设计思路3
1.3设计方案3
第二章硬件设计4
2.1功能模块设计4
2.2芯片介绍4
2.2.1微控制器CPU的选择4
2.2.2压力传感器4
2.2.3温度传感器5
2.2.4液位传感器5
2.3I/O地址分配6
2.4I/O接线图6
第三章程序设计7
3.1程序设计思路7
3.2程序设计工具简介7
3.2.1V4.0STEP7MicroWINSP6的功能和操作简介7
3.2.2STEP7-Micro/WIN的窗口组件7
3.2.3STEP7-Micro/WIN的入门操作9
3.2.4PLC控制程序的上传9
3.3S7-200的功能和操作简介10
3.4程序流程框图12
第四章系统调试14
4.1调试思路14
4.2调试方法及过程14
4.3问题及解决措施14
第五章总结15
5.1硬件15
5.2程序15
5.2运行结果15
心得体会16
参考文献17
附录一控制原理图18
附录二程序指令表22
摘要
随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域，特别是在自动控制领域取得了长足的发展，有了越来越多的应用。
PLC以其可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、保用方便等优点，在国民经济建设中得到十分广泛的普及应用。
本设计是基于S7-200PLC编程的某化工加热炉控制系统设计。
论述了加热炉控制系统的软硬件设计方案及其控制原理。
采用的是顺序控制继电器指令。
加热炉在一个周期内的工作由3段组成。
加热炉最初在原始状态，当按下启动按钮，加热炉自动循环地工作，若按下停止按钮，加热炉完成本次循环工作后，停止在初始状态。
关键词：
S7-200；顺序控制继电器指令；循环工作；CPU的选择；传感器；
第一章设计方案
1.1设计任务与分析
1.1.1设计要求
（1）送料控制
①检测到液面SL2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时，传感器SL2、ST、SP均为OFF状态；
②打开排气阀Y1和进料阀Y2；
③当液位上升到液面SL1时，应关闭排气阀Y1和进料阀Y2；
④延时20s，打开氮气阀Y3，氮气进入反应釜，釜内压力上升；
⑤当压力上升到给定值，即SP为ON状态时，关闭氮气阀Y3，送料过程结束。
（2）加热反应过程控制
①交流接触器KM得电，接通加热器EH的电源；
②当釜内温度升高到给定值，即ST为ON状态时，交流接触器KM断电，切断加热电源；
③延时10s，加热过程结束。
（3）泄放控制
①打开排气阀，使釜内压力降到预定最低值，即SP为OFF状态；
②打开泄放阀，当釜内溶液降至液位下限，即SL2为OFF状态时，关闭泄放阀和排气阀，系统恢复到原始状态，准备进入下一循环。
（4）设置系统的启动按钮和停止按钮。
按下启动按钮系统开始工作，按下停止按钮时系统必须在一个循环的工作结束后才能停下来。
1.1.2设计分析
在设计刚开始时，考虑的是用一般的电磁阀的接通与断开常见指令控制电磁阀和利用传感器开关来实现控制系统，我使用了顺序控制法把程序设计出来，调试运行后发现，使用顺序控制继电器指令确实是简单了许多，所有的内容一目了然。
加热炉在送料控制、加热反应过程控制、泄放控制时，可分别用定时器T38、T36；辅助继电器M0.0、M0.1、M0.2；传感器SL1、SL2、SP、ST来进行控制，因此根据加热炉的反应顺序，可以采用顺序控制继电器指令设计程序能够相对简单的实现此设计任务，把传感器放在不同的位置，就实现了按设计要求规定的周期自动循环控制。
1.2设计思路
本次设计采用CPU222作为主控制器，液位传感器输入液位信息，温度传感器采集温度信息，压力传感器输入压力信息，通过两个按钮实现加热炉的顺序自动控制。
1.3设计方案
中央处理单元：
采用CPU222对整个系统进行控制，
（1）它将温度、压强、液位的数据输送到CPU；
（2）接收温度传感器、压强传感器、液位传感器输入的温度、压力、液位数据，对加热炉的整套实施控制。
送料控制模块：
采集液位、压力、时间信息输送到CPU并进行需要的控制。
加热反应过程控制模块：
采集温度、时间信息输送到CPU并进行需要的控制。
泄放控制模块：
采集液位、压力信息输送到CPU并进行需的控制。
第二章硬件设计
2.1功能模块设计
2.2芯片介绍
2.2.1微控制器CPU的选择
选择西门子S7-200系列PLC作为加热炉控制系统的控制主机。
在西门子S7-200系列PLC中有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等。
加热炉控制系统总共有6个数字量输入，5个数字量输出，共需11个I/O口，根据I/O口数及程序容量，选择西门子系列中具有8个数字量输入，6个数字量输出的CPU222作为本控制系统的主机。
2.2.2压力传感器
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。
选择力学传感器中压阻式压力传感器作为本控制系统的压力采集
2.2.3温度传感器
温度传感器有四种主要类型热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器RTD和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类，工作方式有接触和非接触两种，接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触又称温度计；非接触式温度传感器它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。
非接触测温优点：
测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。
对于1800℃以上的高温主要采用非接触测温方法。
随着红外技术的发展辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展700℃以下直至常温都已采用且分辨率很高。
本设计要对温度上下数据采集，采用非接触式温度传感器。
2.2.4液位传感器
液位传感器可分为两大类：
第一类为接触式：
包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。
第二类为非接触式：
分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。
本设计由于要对上下液位的数据采集采用接触式电容式液位变送传感器。
2.3I/O地址分配
加热炉加热控制设计中，需要6个输入点和5个输出点，其输入/输出分配表如
表2-3所示
表2-3输入/输出分配表
输入
输出
功能
元件
PLC地址
功能
元件
PLC地址
启动按钮
SB1
10.0
排气阀
Y1
Q0.1
停止按钮
SB2
I0.1
进气阀
Y2
Q0.2
高液位
SL1
I0.2
氮气阀
Y3
Q0.3
低液位
SL2
I0.3
泄放阀
Y4
Q0.4
温度传感器
ST
I0.4
加热器
EH
Q0.5
压力传感器
SP
I0.5
2.4I/O接线图
加热炉运动控制的I/O接线图如图2-4所示
第三章程序设计
3.1程序设计思路
程序包括主程序若干子程序，系统每一个相应的功能都对应有一个子程序，在编写程序时每一功能都分开编写，通过主程序的调用使它们串联起来，实现其功能。
在编写程序前先画出其流程图，然后根据流程图写出其源程序。
3.2程序设计工具简介
3.2.1V4.0STEP7MicroWINSP6的功能和操作简介
STEP7MicrowinV4.0编程软件的使用
STEP7MicrowinV4.0编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件，使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。
3.2.2．STEP7-Micro/WIN的窗口组件
1.操作栏显示编程特性的按钮控制群组：
“视图”：
选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉参考及通讯显示按钮控制。
“工具”：
选择该类别，显示指令向导、文本显示向导、位置控制向导、EM 253控制面板和调制解调器扩展向导的按钮控制。
注释：
当操作栏包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，操作栏显示滚动按钮，使您能向上或向下移动至其他对象。
2.指令树
提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有指令的树型视图。
用户可以用鼠标右键点击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单元（POU）；也可以用鼠标右键点击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重命名子程序及中断例行程序。
可以用鼠标右键点击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令，以便隐藏整个树。
一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置。
可以将指令拖放在“偏好”文件夹中，排列经常使用的指令。
3、交叉参考
允许用户检视程序的交叉参考和组件使用信息。
4、数据块
允许用户显示和编辑数据块内容。
5、状态图窗口
允许用户将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。
您可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。
每个状态图在状态图窗口中有自己的标签。
6、符号表／全局变量表窗口
允许用户分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU）。
您可以建立多个符号表。
可在项目中增加一个S7-200系统符号预定义表。
7、输出窗口
在用户编译程序时提供信息。
当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。
当您编译程序或指令库时，提供信息。
当输出窗口列出程序错误时，您可以双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。
8、状态条
提供用户在STEP 7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息。
9、程序编辑器窗口
包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。
如果需要，用户可以拖动分割条，扩展程序视图，并覆盖局部变量表。
当您在主程序一节（MAIN）之外，建立子程序或中断例行程序时，标记出现在程序编辑器窗口的底部。
可点击该标记，在子程序、中断和OB1之间移动。
10、局部变量表
包含用户对局部变量所作的赋值（即子程序和中断例行程序使用的变量）。
在局部变量表中建立的变量使用暂时内存；地址赋值由系统处理；变量的使用仅限于建立此变量的POU。
11、菜单条
允许用户使用鼠标或键击执行操作。
您可以定制“工具”菜单，在该菜单中增加自己的工具。
12、工具条
为最常用的STEP7-Micro/WIN操作提供便利的鼠标访问。
用户可以定制每个工具条的内容和外观。
3.2.3．STEP7-Micro/WIN的入门操作
以三相异步电动机启停程序为例，熟悉STEP7-Micro/WINV4.0编程软件的使用方法。
梯形图如下：
1、打开新项目
双击STEP7-Micro/WIN图标，或从"开始"菜单选择SIMATIC>STEP7Micro/WIN，启动应用程序。
会打开一个新STEP7-Micro/WIN项目。
2、打开现有项目
从STEP7-Micro/WIN中，使用文件菜单，选择下列选项之一：
（1）打开－允许浏览至一个现有项目，并且打开该项目。
（2）文件名称－如果用户最近在一项目中工作过，该项目在"文件"菜单下列出，可直接选择，不必使用"打开"对话框。
3、进入编程状态：
单击左侧查看中的程序块，进入编程状态；
4、选择编程语言：
打开菜单栏中的 查看，选择梯形图语言；（也可选STL（语句表）、FBD（功能块））
3.2.4．PLC控制程序的上传
可选用以下3种方式进行程序上传：
1、点击“上载”按钮。
2、选择菜单命令文件>上载。
3、按快捷键组合Ctrl+U。
要上载（PLC至编辑器），PLC通信必须正常运行。
确保网络硬件和PLC连接电缆正常操作。
选择想要的块（程序块、数据块或系统块），选定要上载的程序组件就会从PLC复制到当前打开的项目，用户就可保存已上载的程序。
3.3S7-200的功能和操作简介
S7-200的仿真软件不是西门子公司编写的，国内有人将它汉化，其V2.0版可以对S7-200编程软件V4.0编写的程序仿真。
该仿真软件不能对S7-200的全部指令和全部功能仿真。
但是它仍然不失为一个很好的学习S7-200的工具软件。
该软件不需要安装，执行其中的“S7-200仿真.EXE”文件，就可以打开它。
点击屏幕中间出现的画面，输入密码6596后按回车键，开始仿真。
软件自动打开的是老型号的CPU214，应执行菜单命令“配置”→“CPU型号”，用打开的对话框设置CPU的型号为CPU22x。
下图左边是CPU224，CPU模块下面是用于输入数字量信号的小开关板。
开关板下面的直线电位器用来设置SMB28和SMB29的值。
双击CPU模块右边空的方框，用出现的对话框添加扩展模块。
仿真软件不能直接接收S7-200的程序代码，必须用编程软件的“导出”功能将S7-200的用户程序转换为扩展名为“awl”的ASCII文本文件，然后再下载到仿真PLC中去。
在编程软件中打开主程序OB1，执行菜单命令“文件”→“导出”，导出ASCII文本文件
在仿真软件中执行菜单命令“文件”→“装载程序”，在出现的对话框中选择下载什么块，点击“确定”按钮后，在出现的“打开”对话框中双击要下载的*.awl文件，开始下载。
下载成功后，CPU模块上出现下载的ASCII文件的名称，同时会出现下载的程序代码文本框和梯形图（见下图）。
执行菜单命令“PLC”→“运行”，开始执行用户程序。
如果用户程序中有仿真软件不支持的指令或功能，执行菜单命令“PLC”→“运行”后，出现的对话框显示出仿真软件不能识别的指令。
点击“确定”按钮，不能切换到RUN模式，CPU模块左侧的“RUN”LED的状态不会变化。
可以用鼠标点击CPU模块下面的开关板上的小开关来模拟输入信号，通过模块上的LED观察PLC输出点的状态变化，来检查程序执行的结果是否正确。
在RUN模式点击工具栏上的
按钮，可以用程序状态功能监视梯形图中触点和线圈的状态。
执行菜单命令“查看”→“内存监控”，可以用出现的对话框监控V、M、T、C等内部变量的值。
3.4程序流程框
控制指令图1的流程图：
控制指令图2的流程图：
第四章系统调试
4.1调试思路
调试是检验系统功能的环节，本次调试为软件调试，在V4.0STEP7MicroWINSP6和S7-200上进行，在V4.0STEP7MicroWINSP6平台上程序无误后，创立相关文件，打开S7-200仿真软件，通过显示屏观察功能实现，边调边改，直至系统功能全部实现。
4.2调试方法及过程
此次设计由于时间因素，来不及硬件调试，所以只能通过V4.0STEP7MicroWINSP6和S7-200仿真软件进行软件调试，在编译好源程序并检查无误后，在V4.0STEP7MicroWINSP6创建生成相关文件，进入S7-200仿真软件打开原理图，在S7-200里选中工程模块中PLC文件夹的.AWL文件，点击仿真开始按钮，观察其功能实现，边观察边修改程序，每次修改程序后都必须重新在S7-200里创建新的文件，直至系统功能正常实现。
4.3问题及解决措施
1.无法仿真。
解决措施：
经检查是未正确选择CUP。
2.没有按要求进行。
解决措施：
在V4.0STEP7MicroWINSP6程序里调整输入/输出接口。
3.在调试修改过程序后，在仿真软件上没有仿真样图。
解决措施：
经查询网络，原来是在修改程序后未在s7-200上重新点击查看按钮，点击查看按钮后后，仿真样图出现。
4氮气阀自启动。
解决措施：
串联上Q0.1、Q0.4的常闭让他们自身形成互锁。
第五章总结
5.1硬件
设计中的硬件包括CPU222，温度传感器、压力传感器、液位传感器。
CPU222作为控制核心，具有在线编程，低功耗，能在24V自带直流电源电压下工作。
5.2程序
程序由主程序和若模块程序构成，是实现S7-200控制器功能的重要组成部分，只有编译调试好了程序，S7-200控制器的功能才能得以实现。
在编写程序时，一步一步着手，在写每个模块程序前都要先画出其相应的流程图，然后再根据流程图写编写程序。
主程序主要有设备初始化。
5.3运行结果
当检测到液面SL2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时，传感器SL2、ST、SP均为OFF状态时按下启动开关SB1,排气阀Y1和进料阀Y2打开，当液位上升到液面SL1时，排气阀Y1和进料阀Y2关闭，在延时20s后，氮气阀Y3打开，氮气进入反应釜，釜内压力上升，当压力上升到给定值，即SP为ON状态时，氮气阀Y3关闭，交流接触器KM得电，接通加热器EH的电源；当釜内温度升高到给定值，即ST为ON状态时，交流接触器KM断电，切断加热电源；在延时10s后，打开排气阀、泄放阀，使釜内压力降到预定最低值，即SP为OFF状态；当釜内溶液降至液位下限，即SL2为OFF状态时，泄放阀和排气阀关闭，进入下一循环。
按下启动按钮SB1系统开始工作，当按下停止按钮SB2后系统在一个循环的工作结束后才能停下来。
实践证明，本设计所采用西门子公司生产的小型可编程控制器的硬件设计和程序设计是完全可行的。
所设计的以PLC为核心的加热炉循环控制系统，性能可靠、操作简单方便、易于维护、环境适应性强，还能容易的随时修改可编程序控制器程序，达到了预期效果。
心得体会
时间过得好快，一周的电气控制与可编程控制技术课程设计已经结束，在这个星期里我们学到了很多东西，在电气控制与可编程控制技术高度发速发展今天，我们学习的只是他的一种微乎其微的使用方法。
在本次课程设计中，我们仅使用PLC中CUP222，虽然他在使用系统中是最简单的CUP，但他确是其他电气控制与可编程控制技术应用的入门，因此它的实际操作对于我们初学者来说也并没有那么容易。
这次课程设计是在指导老师的指导和我个人工作下逐步完成。
在这次设计中，我最终在S7-200仿真情况下正常完美的显示出整个控制过程。
我为了实现这个加热炉的控制过程，我采取分块设计，遇到问题向老师询问和想同学寻求帮组，并向其他同学学习。
通过这次课程设计，我认为对电气控制与可编程控制技术的学习不能像学习其他课程那样可以投机倒把，恰恰相反，一个好的程序和清晰的思路以及程序的编写、调试才是最重要的。
由于CPU是硬件及软件的接口，因此一个好的外围电路是是否实现相应功能不可或缺的组成，这也就显出这两者之间的重中之重，密不可分。
通过这次的课程设计，让我认识到学习PLC可编程控制技术不仅是一门简单而又复杂的学科，而且也让我体会到PLC功能的强大性。
我们知道PLC目前常用的CPU是CPU226XM，可想而知，CPU222的就有这样强大的功能，CPU226XM的就更不用说了，所以在学习PLC可编程控制技术这门课上我们要走的路还很长，要想学好PLC可编程控制技术我们还要在以后的生活学习上继续努力。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你
参考文献
【1】张晓峰.电气控制与可编程控制技术及应用【M】.北京：
国防工业出版社，2012.1
【2】王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第二版）【M】.北京：
航天航空大学出版社，2008.2
【3】
【4】西门子公司.SIMATICS7-200可编程控制系统手册，2000.
【5】西门子公司.SIMATICS7-200可编程控制系统手册，2003.
【6】肖峰，贺哲荣.PLC编程100例【M】.北京：
中国电力出版社，2009
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