洛陽理工學(xué)院課程設(shè)計 基于PLC的加熱反應(yīng)爐自動控制的設(shè)計

1、課程設(shè)計題目：基于PLC的加熱反應(yīng)爐自動控制的設(shè)計學(xué)院：清華大學(xué)專業(yè)：電氣自動化技術(shù)班級：學(xué)號：姓名： 基于PLC的加熱反應(yīng)爐自動控制的設(shè)計 摘要：基于PLC的加熱反應(yīng)爐自動控制 能 夠 實 現(xiàn) 溫 度 的控 制，用于液體等控制。本次設(shè)計利用西門子S7-200PLC控制的加熱爐控制設(shè)備。關(guān)鍵詞：PLC 課程設(shè)計 加熱反應(yīng)爐概述：隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源短缺已成為制約我國工業(yè)發(fā)展的重要阻礙，如何保障被加熱后的金屬能夠在有效壓制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業(yè)控制技術(shù)研究的主要方向。近年來由于各企業(yè)重視節(jié)源效益，對加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動化控制水平也相應(yīng)提高和不斷

2、深入。目前面向節(jié)能降耗，提高壓制產(chǎn)品自量和產(chǎn)量設(shè)計的加熱爐工程控制計算機系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代冶金企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。 加熱爐生產(chǎn)過程主要是個燃燒與熱交換的物理化學(xué)過程，燃燒方面有一個如何使其在各種工況下特別是在熱負荷變化的動態(tài)過程中保持最佳節(jié)能燃燒的問題。另外從整個壓制生產(chǎn)線來看，加熱爐是局部環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是加熱鋼胚，使鋼呸在出爐時達到壓制所要求的溫度分布。評價加熱爐性能優(yōu)劣的主要指標是加熱爐的單位燃燒消耗，產(chǎn)量，鋼呸的加熱質(zhì)量，鋼配的氧化燒損等。影響這些指標的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用。我國的加熱爐大部分是六、七十年代的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)非常落后。相當一部分還

3、處于基地式儀表控制，表盤現(xiàn)實的水平，軟件操作不易為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進行加熱爐監(jiān)測和控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。加熱爐的工作目標是在最短的時間內(nèi)采取最經(jīng)濟的方式把爐內(nèi)的鋼呸加熱到所要求的狀態(tài)。特別是一些目前小的鋼鐵企業(yè)，對這種投資少、見效快的技術(shù)改造感興趣。本文主要講述加熱反應(yīng)爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。國際上對加熱爐的優(yōu)化控制開始與70年代，我國從80年代才開始對這方面進行研究。在鋼鐵領(lǐng)域，以前人們對加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼呸的升溫過程的控制模型、爐溫優(yōu)化設(shè)定以及燃燒控制，近年來智能控制技術(shù)正逐步被應(yīng)用到加熱爐爐溫控制中。目前，就我國帶鋼熱連壓加熱爐控制系統(tǒng)整體而言

4、，與國外相比，相差甚遠。在國外，多數(shù)帶鋼熱連壓加熱爐控制系統(tǒng)一經(jīng)采用了高智能型的專家系統(tǒng)，模糊控制或兩者相結(jié)合的控制系統(tǒng)。如美國的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)對帶鋼連熱壓加熱爐進行控制。而我國大部分鋼鐵企業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)仍是早期的DCS控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，有的好沒有達到這個水平，因而為了參加國際競爭，贏得產(chǎn)品聲譽，就必須對加熱爐控制系統(tǒng)進行換代或改造。對加熱爐控制系統(tǒng)的改造，國內(nèi)存在兩種觀點：一種認為要較好的實現(xiàn)加熱爐的控制，必須堅持HCA高成本高投入，大力提高自動化部分的控制水平，采用高智能型的集中控制。另一種為LCA低成本自動化。低成本不是低水平，

5、是在低成本前提下的先進性和實用性，LCA是簡易自動化的延伸，是全新自動化的補充。它往往成為中小企業(yè)的選擇。國內(nèi)現(xiàn)有帶鋼熱連壓加熱爐一千多座，由于資金技術(shù)等方面的原因，改造或換代為高智能型加熱爐數(shù)量很少。在這方面，由于寶鋼、鞍鋼等大型國有企業(yè)較重視科技在生產(chǎn)中的主要地位，在帶鋼連壓加熱爐改造中投入的力量較大，已成為我國鋼鐵行業(yè)領(lǐng)頭羊。本課題研究的內(nèi)容是，實現(xiàn)基于S7-200加熱反應(yīng)爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計。1、 工程分析在開始組態(tài)工程之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結(jié)構(gòu)、流程、需實現(xiàn)的功能及如何實現(xiàn)這些功能。工程框架：l 1個用戶窗口：加熱反應(yīng)爐控制系統(tǒng)。主要包括：加熱爐、加熱電阻絲、

6、四個閥、溫度計、壓力表、加熱指示燈、流動管件、兩個控制按鈕。l 3個策略：啟動策略、退出策略、循環(huán)策略數(shù)據(jù)對象：控制系統(tǒng)窗口：l 加熱爐、加熱電阻絲、加熱指示燈l 卸放閥、進料閥、氮氣閥、排氣閥、溫度計、壓力表l 六個控制按鈕、上下液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器。流程控制：按啟動按鈕后，反應(yīng)爐進入工作狀態(tài)。按停止按鈕后，反應(yīng)爐停止運行。 第一階段：送料控制1、檢測下液面X1、爐內(nèi)溫度X2、是否都小于給定值（邏輯值：小于輸出0，大于輸出1）。2、若小于給定值，則開啟進料閥Y2。3、當液位上升到上液面X4時，應(yīng)打開泄放閥Y4和關(guān)閉進料閥Y2。4、開啟氮氣閥X3，氮氣進入爐內(nèi)，爐內(nèi)氣壓上升。5、

7、當壓力上升到給定值，即X4=1時，關(guān)閉氮氣閥。送料過程結(jié)束。第二階段：加熱反應(yīng)控制。1、當液面大于20%且爐內(nèi)溫度X2小于給定值時，接通加熱爐電源Y3。2、當溫度升高到給定值時，即X2=1時，切斷加熱器電源，加熱的過程結(jié)束。第三階段：泄放控制。1、打開排氣閥，使爐內(nèi)壓力降到預(yù)定值（SP=0）。 當壓力大于最大值時，打開泄放閥。 當壓力小于給定值時，關(guān)閉排氣閥。打開泄放閥，當爐內(nèi)溶液降到下液面時，延時10秒后關(guān)閉泄放閥。2、課題要求 (1)根據(jù)控制要求制定合理的設(shè)計方案；（2）寫出系統(tǒng)流程；(3)設(shè)計電路并模擬調(diào)試；(4)PLC I/O點分配，并繪制I/O接線圖。（5）課程設(shè)計心得；整理技術(shù)材料

8、，編寫使用說明書。加熱反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖（原理圖）如下所示：（二）輸入輸出設(shè)備清單（三）控制流程圖（四）I/O接線圖I/O地址分配：根據(jù)示意圖和控制要求可知，該系統(tǒng)需要6個輸入點和5個輸出點，其地址分配如下：2、 建立工程可以按如下步驟建立樣例工程：1鼠標單擊文件菜單中“新建工程”選項，如果MCGS安裝在D盤根目錄下，則會在D：MCGSWORK下自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的順序號，如：0、1、2等)2 選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。3 在文件名一欄內(nèi)輸入“加熱反應(yīng)爐控制系統(tǒng)”，點擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。3、 制作

9、工程畫面 1、 建立畫面1 在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”。2 選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設(shè)置”。3 將窗口名稱改為：水位控制；窗口標題改為：機械手控制；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。4 在“用戶窗口”中，選中“加熱反應(yīng)爐控制”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設(shè)置為啟動窗口”選項，將該窗口設(shè)置為運行時自動加載的窗口。2、 編輯畫面選中“加熱反應(yīng)爐控制”窗口圖標，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫組態(tài)窗口，開始編輯畫面。3、 制作文字框圖1 單擊工具條中的“工具箱” 按鈕，打開繪圖工具箱。2 選擇“工具箱”內(nèi)的“標簽”按鈕，鼠標的光標呈

10、“十字”形，在窗口頂端中心位置拖拽鼠標，根據(jù)需要拉出一個一定大小的矩形。3 在光標閃爍位置輸入文字“加熱反應(yīng)爐監(jiān)控系統(tǒng)”，按回車鍵或在窗口任意位置用鼠標點擊一下，文字輸入完畢。4 如果需要修改輸入文字，則單擊已輸入的文字，然后敲回車鍵就可以進行編輯，也可以單擊鼠標右鍵，彈出下拉菜單，選擇“改字符”。5 選中文字框，作如下設(shè)置：第83章 點擊（填充色）按鈕，設(shè)定文字框的背景顏色為：沒有填充；第84章 點擊（線色）按鈕，設(shè)置文字框的邊線顏色為：沒有邊線。第85章 點擊（字符字體）按鈕，設(shè)置文字字體為：宋體；字型為：粗體；大小為：26第86章 點擊（字符顏色）按鈕，將文字顏色設(shè)為：藍色。4、圖形的繪

11、制1) 畫電阻絲：單擊繪圖工具箱中“畫線”工具按鈕，挪動鼠標光標，此時呈“十字”形，在窗口適當位置按住鼠標左鍵并拖曳出一條一定長度的直線。單擊“線色”按鈕選擇：黑色。單擊“線型”按鈕，選擇合適的線型。調(diào)整線的位置（按 鍵或按住鼠標拖動）。調(diào)整線的長短（按Shift和方向鍵，或光標移到一個手柄處，待光標呈“十字”形，沿線長度方向拖動）。調(diào)整線的角度（按Shift和方向鍵，或光標移到一個手柄處，待光標呈“十字”形，向需要的方向拖動）。線的刪除與文字刪除相同。單擊“保存”按鈕。2) 畫矩形的液面?zhèn)鞲衅鳎簡螕衾L圖工具箱中的“矩形”工具按鈕，挪動鼠標光標，此時呈“十字”形。在窗口適當位置按住鼠標左鍵并拖

12、曳出一個一定大小的矩形。單擊窗口上方工具欄中的“填充色”按鈕， 選擇：藍色。單擊“線色”按鈕， 選擇：沒有邊線。調(diào)整位置（ 按鍵盤的 鍵，或按住鼠標左鍵拖曳）。調(diào)整大?。ㄍ瑫r按鍵盤的 Shift鍵 和方向鍵中的一個；或移動鼠標，待光標呈橫向或縱向或縱向或斜向“雙箭頭”形，按住左鍵拖曳）。單擊窗口其他任何一個空白地方，結(jié)束第1個矩形的編輯。畫面2個矩形分別代表上下液面?zhèn)鞲衅鳎瑔螕簟氨４妗卑粹o。5、構(gòu)件的選取1 加熱爐的繪制：單擊繪圖工具箱中的（插入元件）圖標，彈出對象元件管理對話框，如圖：圖2 反應(yīng)爐構(gòu)件的選擇雙擊窗口左側(cè)“圖庫”中的“罐”，展開該列表項，單擊“罐1”，單擊“確定”按鈕。畫面窗口

13、中出現(xiàn)反應(yīng)器的圖形。在反應(yīng)器被選中的情況下，調(diào)整位置和大小。在機械手上面輸入文字標簽“機械手”。單擊“保存”按鈕。2 畫其他的構(gòu)件：利用“圖庫”工具，分別畫出四個閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度計、壓力計、指示燈等將大小和位置調(diào)整好。3選中工具箱內(nèi)的流動塊動畫構(gòu)件圖標，鼠標的光標呈“十”字形，移動鼠標至窗口的預(yù)定位置，點擊一下鼠標左鍵，移動鼠標，在鼠標光標后形成一道虛線，拖動一定距離后，點擊鼠標左鍵，生成一段流動塊。再拖動鼠標（可沿原來方向，也可垂直原來方向），生成下一段流動塊。4 畫按鈕：單擊畫圖工具箱的“標準按鈕” 工具，在畫圖中畫出一定大小的按鈕。調(diào)整其大小和位置。繪制2個按鈕。6、整

14、體畫面最后生成的畫面見圖1。四、定義數(shù)據(jù)對象前面我們已經(jīng)講過，實時數(shù)據(jù)庫是MCGS 工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括：1)指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍2)確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。在開始定義之前，我們先對所有數(shù)據(jù)對象進行分析。在本樣例工程中需要用到以下數(shù)據(jù)對象：下面以數(shù)據(jù)對象“JIEDUAN”為例，介紹一下定義數(shù)據(jù)對象的步驟：1 單擊工作臺中的“實時數(shù)據(jù)庫”窗口標簽，進入實時數(shù)據(jù)庫窗口頁。2 單擊“新增對象” 按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)對

15、象列表中，增加新的數(shù)據(jù)對象，系統(tǒng)缺省定義的名稱為“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多次點擊該按鈕，則可增加多個數(shù)據(jù)對象）。3 選中對象，按“對象屬性”按鈕，或雙擊選中對象，則打開“數(shù)據(jù)對象屬性設(shè)置” 窗口。4 將對象名稱改為：垂直移動量；對象類型選擇：開關(guān)型；在對象內(nèi)容注釋輸入框內(nèi)輸入：“系統(tǒng)所處的運行階段”，單擊“確認”。按照此步驟，根據(jù)上面列表，設(shè)置其他17 個數(shù)據(jù)對象。五、動畫連接由圖形對象搭制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設(shè)計，真實地描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。MCGS 實現(xiàn)圖形動畫設(shè)計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)

16、據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對象的實時采集值驅(qū)動，從而實現(xiàn)了圖形的動畫效果。本樣例中需要制作動畫效果的部分包括：1 爐內(nèi)液位的變化、各閥門、各傳感器的警戒變化、加熱指示燈的變化2 溫度計、及壓力計的動畫設(shè)置1、 按鈕的動畫設(shè)置SB1、SB2 按鈕的動畫連接：雙擊“開”，彈出“標準按鈕構(gòu)件屬性設(shè)置”窗口，單擊“左鍵動作”標簽，顯示該頁，輸入SB1=1、SB2=0 如圖3所示。選中雙擊“SB2”按鈕。用同樣的方法建立復(fù)位按鈕與對應(yīng)變量之間的動畫連接。輸入SB2=1，SB1=0單擊“保存”按鈕。2、 構(gòu)件動畫的設(shè)置1 排氣閥

17、、進料閥、氮氣閥、泄放閥關(guān)斷或者打開狀態(tài)表示。雙擊排氣閥構(gòu)件，彈出單元設(shè)置屬性菜單。打開動畫連接標簽，點選動畫連接頁面上的組合圖符。點擊組合圖符后面的”,彈出動畫組態(tài)屬性設(shè)置頁面。打開屬性設(shè)置標簽，選中顏色動畫連接項中的填充顏色。此時在動畫組態(tài)屬性頁面中出現(xiàn)填充顏色標簽。打開填充顏色標簽，表達式項選中數(shù)據(jù)庫的Y1參量，在下面的填充顏色連接中，增添兩個填充顏色，Y1的具體操作過程，由圖1和圖2所示。從圖2動畫組態(tài)單元中我們可以看出，實現(xiàn)動畫連接主要有顏色動畫連接、位置動畫連接、輸入輸出三大類，再每大類中又有三個小項。因此在本實訓(xùn)中表達排氣閥開關(guān)的動畫同時可以采用其他的動畫方式，顏色動畫模式僅供參

18、考。按照排氣閥的模式，同樣設(shè)置好進料閥、氮氣閥及泄放閥的顏色動畫設(shè)置。圖6 排氣閥單元屬性設(shè)置2 溫度傳感器、壓力傳感器、上下液面?zhèn)鞲衅魇欠襁_到設(shè)定值的動畫變化以及電阻絲的加熱狀態(tài)的動畫表示。該類構(gòu)件的動畫方法都采用顏色變化方式和排氣閥動畫設(shè)置類似。3 電熱絲指示燈的動畫設(shè)置。雙擊指示燈構(gòu)件。雙擊排氣閥構(gòu)件，彈出單元設(shè)置屬性菜單。打開動畫連接標簽，點選動畫連接頁面上的三維圓球。點擊組合圖符后面的”,彈出動畫組態(tài)屬性設(shè)置頁面。打開屬性設(shè)置標簽，選中特殊動畫連接項中的可見度。此時在動畫組態(tài)屬性頁面中出現(xiàn)可見度標簽。打開可見度標簽，表達式項填Y5=0。對單元設(shè)置屬性中的另外一個三維圓球進行同樣的動畫

19、設(shè)置。由圖所示。圖7 指示燈構(gòu)件單元屬性設(shè)置4 反應(yīng)爐水位變化及管道流動變化動畫設(shè)置。反應(yīng)爐液面設(shè)置，雙擊反應(yīng)爐構(gòu)件。彈出單元屬性設(shè)置頁面。打開動畫連接標簽，選中矩形，再點擊“”符號，彈出動畫組態(tài)屬性設(shè)置。點選位置動畫連接項中大小變化，在動畫組態(tài)屬性設(shè)置頁中生成大小變化標簽，打開大小變化標簽，進行設(shè)置，在表達式項里，選擇數(shù)據(jù)庫中的水參量，在大小變化連接項目里，最小變化百分比為0，表達式值取0，最大變化百分比100，表達式值80。變化方向取向上方向，變化方式取剪切式。具體設(shè)置如下圖所示。圖10 反應(yīng)爐單元屬性設(shè)置管道流動屬性動畫的設(shè)置。雙擊排氣閥兩端的管道，彈出流動塊屬性設(shè)置頁面。打開流動屬性標

20、簽。表達式項填Y1=1。當表達式非零時項，選流動塊開始流動。如下圖所示。圖12 管道流動塊構(gòu)件屬性設(shè)置5 溫度計和壓力表動畫屬性設(shè)置。雙擊溫度計構(gòu)件，彈出單元屬性設(shè)置頁面。打開動畫連接標簽，選中百分比填充，單擊“” 彈出百分比填充構(gòu)件屬性設(shè)置頁面。表達式選中數(shù)據(jù)庫里的溫度參量，在添充位置和表達式值的連接項中，0%的對應(yīng)值為0，100%的對應(yīng)值為100。圖13 溫度計動畫設(shè)置壓力計動畫設(shè)置。雙擊壓力計構(gòu)件。彈出單元屬性設(shè)置頁面，選中旋轉(zhuǎn)儀表，點擊后面的“”彈出旋轉(zhuǎn)儀表構(gòu)件屬性設(shè)置頁面，點擊操作屬性標簽，彈出操作屬性界面，在表達式項中填入壓力參量，其他的指針位置和表達式的連接值不變。圖14 壓力計

21、動畫設(shè)置3、控制程序的編寫腳本程序基本語句。共有四種語句。賦值語句的形式為：數(shù)據(jù)對象=表達式。賦值語句用賦值號（“=”）來表示，它具體的含義是：把“=”右邊表達式的運算值賦給左邊的數(shù)據(jù)對象。賦值號左邊必須是能夠讀寫的數(shù)據(jù)對象，如：開關(guān)型數(shù)據(jù)、數(shù)值型數(shù)據(jù)、事件型數(shù)據(jù)以及能進行寫操作的內(nèi)部數(shù)據(jù)對象。而組對象、事件型數(shù)據(jù)、只讀的內(nèi)部數(shù)據(jù)對象、系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)以及常量，均不能出現(xiàn)在賦值號的左邊，因為不能對這些對象進行寫操作。條件語句：條件語句有如下三種形式：If 表達式 Then 賦值語句或退出語句If 表達式 Then語句EndIfIf 表達式Then語句ElseEndIf條件語句中的四個關(guān)鍵字“If”

22、、“Then”、“Else”、“Endif”不分大小寫。如拼寫不正確，檢查程序會提示出錯信息。條件語句允許多級嵌套，即條件語句中可以包含新的條件語句，MCGS 腳本程序的條件語句最多可以有8 級嵌套，為編制多分支流程的控制程序提供了可能?！癐F”語句的表達式一般為邏輯表達式，也可以是值為數(shù)值型的表達式，當表達式的值為非0 時，條件成立，執(zhí)行“Then”后的語句，否則，條件不成立，將不執(zhí)行該條件塊中包含的語句，開始執(zhí)行該條件塊后面的語句。值為字符型的表達式不能作為“IF”語句中的表達式。退出語句：退出語句為“Exit”，用于中斷腳本程序的運行，停止執(zhí)行其后面的語句。一般在條件語句中使用退出語句，以便在某種條件下，停止并退出腳本程序的執(zhí)行。即可完成模擬調(diào)試。六、課程設(shè)計心得這次課程設(shè)計花