加热反应炉电气控制系统

湖南工程学院课程设计课程名称 电气控制与PLC课题名称 加热反应炉电气控制系统专业班级测控技术0801班姓 名学 号指导教师刘星平、赖指南2011年11月25日课程设计任务书课程名称 电气控制与PLC课题名称加热反应炉电气控制系统设计专业班级测控0801班姓 名 罗德顺学 号指导教师刘星平、赖指南审 批任务书下达日期2011年11月14日课程设计完成日期2011年11月25日设计内容与要求一.课程设计的性质与目的本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实 现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所 学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设 计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识 和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的 能力。二. 课程设计的内容1. 根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制 要求，确定控制方案。2. 绘制加热反应炉电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。3. 选择电器元件，列出电器元件明细表。4. 编写设计说明书。三. 课程设计的要求1. 所选控制方案合理，所设计的控制系统能够满足控制对象的工艺要求，并 且技术先进，安全可靠，操作方便。2. 所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728-84电气图用图形符 号、GB6988-87电气制图、GB7159-87电气技术中的文字符号制定通则。3. 所编写的设计说明书应重点突出，层次清楚，条理分明，篇幅不少于7000 字。主要设计条件编程软件及实物PLC，PLC实验室设计说明书装订顺序1. 课程设计说明书封面。2. 课程设计任务书。3. 说明书目录。4. 正文（按设计内容逐项书写）。5. 参考文献。6. 附录。7. 课程设计评分表。设计进度安排1. 第一周星期一上午：课题内容介绍。2. 第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集 设计资料，准备设计工具。3. 第一周星期二第一周星期五：确定控制方案。绘制加热反应炉电气 控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序 清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。4. 第二周星期二：试验调试5. 第二周星期三第二周星期五：编写设计说明书，答辩。参考文献1 刘星平.PLC原理及工程应用M.北京：中国电力出版社2 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社3 万太福.可编程序控制器及其应用M.重庆：重庆大学出版社4 工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册M.北京：水利电力出版社5 谢桂林.电力拖动与控制M.北京：中国矿业大学出版社6 刘星平.电气控制技术实验指导书.湖南工程学院附录：课题简介及控制要求1. 课题介绍加热反应炉结构：结构如上图所示。上液面、下液面传感器被液体淹没时为ON，即逻辑值为 1。压力传感器当炉内压力升到给定值时为ON，逻辑值为1。温度传感器当炉内 温度升高到给定值时为ON，逻辑值为1。阀Y1、阀Y2、阀Y3、阀Y4均为电磁阀， 线圈通电时打开，线圈断电时关闭。在加热回路中，接触器KM闭合时发热器开 始加热，断开时停止加热。2. 控制要求按以下动作要求设计PLC控制系统。加热反应炉工艺流程如下：加热反应炉的工艺过程如下：第一阶段：送料控制(1) .检测下液面、炉内温度、炉内压力是否都小于给定值，即下液面传感 器、温度传感器、压力传感器都为OFF (逻辑值为0)。(2) .若是小于给定值，则开启排气阀Y1和进料阀Y2。(3) .当液面上升到上液面时，即上液面传感器为ON，应关闭排气阀Y1和进 料阀Y2。(4) .延迟20S，开启氮气阀Y3，氮气进入反应炉，内压力上升。(5) .当压力升到给定值时，即压力传感器为ON，关闭氮气阀。送料过程结 束。第二阶段：加热反应控制(1) .交流接触器KM得电动作，接通加热炉发热器EH的电源。(2) .当温度升高到给定值，即温度传感器为ON时，交流接触器KM失电，切 断加热器的电源。(3) .延迟10min，加热过程结束。第三阶段：泄放控制(1) .打开排气阀，使炉内压力下降到预定的最低值，即压力传感器为OFF。(2) .打开泄放阀，当炉内液面下降到下液面，即下液面传感器为OFF时， 关闭泄放阀与排气阀。系统恢复到初始状态，准备进入下一循环。目录引言5第一章控制系统设备简介71.1 FX20 PLC软硬件简介71.2加热反应炉简介9第二章加热反应炉对电气控制系统的要求162.1进料控制162.2加热反应控制162.3泄放控制16第三章控制画面的创建173.1工程的建立173.2变量的定义173.3控制画面的设计与制作183.4动画连接193.5控制程序的编写203.6数据显示画面的设计与制作213.6.1组对象的定义213.6.2报表输出213.6.3曲线显示213.6.4数据显示画面的菜单连接223.6.5自动控制画面的菜单连接223.6.6 连接233.6.7编写控制程序233.6.8实时数据显示24第四章 电气控制系统软硬件设计25第五章系统的抗干扰措施305.1电磁干扰类型及其影响305.2 电磁干扰的主要来源305.2.1来自空间的辐射干扰305.2.2来自系统外引线的干扰305.2.3来自PLC系统内部的干扰305.3主要抗干扰措施315.3.1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰315.3.2正确选择电缆的和实施敷设325.3.3硬件滤波及软件抗干扰措施325.3.4正确选择接地点，完善接地系统32调试运行34结束语35设计总结361强化了高职高专教育的目的362贯彻了理论联系实际的原则363有助于提高了我适应未来岗位的能力36参考文献38致谢词39弓I言加热炉是轧钢生产企业中的主要耗能设备，如何提高燃料利用率，是节能降耗需解决的主 要问题。加热炉控制的核心燃烧过程控制，就是在各种燃烧工况条件下，找到合理的最佳 空燃比，使燃烧处于较佳状态，从而提高炉温控制精度，保证钢锭以较快的速度达到出钢温度， 节约能源，减少氧化烧损。我国工业加热炉的能源消耗大，浪费严重，普遍存在空气过剩系数 过大的问题。这主要是由于调节手段的落后，难以保证理想的燃烧工况。因此从提高工业加热 炉的热工检测与控制水平着手，将具有很大的节能空间。温度也是工业对象中很重要的一个参数，广泛的应用在冶金、化工、机械各类加热炉热处 理和反应炉等工业中，其中安全生产更是关系到人民群众生命财产安全，关系改革发展稳定的 大局。高度重视和切实抓好安全生产工作，是贯彻和落实科学发展观，维护广大人民群众的根 本利益及构建社会主义和谐社会的必然要求。所以在企业生产中，需要采用先进生产技术和措 施增加工作人员和生产设备的安全。加热反应炉是冶金，化工工业常用的重要设备，过去仅靠人工经验进行操作，往往存在送 料，温度，压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成 原料浪费，给企业带来经济损失。可编程控制器PLC (programmable logic controller)以其可控性高，功能强，控制灵活 等特点，已成为目前工业现场环境的首选控制装置。它不仅能实现复杂的顺序控制，还能完成 少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便，所以，选用可编程控制器对加热反应炉电气 设备进行改造实现加热反应炉的可视化安全生产控制。第一章 对加热反应炉控制总体设计方案1.1 PLC软硬件介绍PLC即可编程控制器(Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型 工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC 标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一 种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用 于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通 过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和 硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLCPLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指 令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的 外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为：可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与 算术操作等，面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功 能的原则设计。1.1.1 PLC的特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的 生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。三菱公司生产的F系列 PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC 的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关 接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能， 出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程 序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠 性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业 控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控 制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业 控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常 容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为 工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少 量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机 原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的 周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程 成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由 于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.2加热反应炉简介1.2.1加热反应炉的输入输出设备表：表1.11.2.2加热反应炉原理图及简介：图1.1：加热反应炉原理图原理图如上图所示。上液面、下液面传感器被液体淹没时为ON，即逻辑值为1。压力传感 器当炉内压力升到给定值时为ON，逻辑值为1。温度传感器当炉内温度升高到给定值时为ON，逻 辑值为1。阀Y1、阀Y2、阀Y3、阀Y4均为电磁阀，线圈通电时打开，线圈断电时关闭。在加热回 路中，接触器KM闭合时发热器开始加热，断开时停止加热。第二章加热反应炉对电气控制系统的要求2.1进料控制要求（1）.检测下液面、炉内温度、炉内压力是否都小于给定值，即下液面传感器、温度传感器、压力传感器都为OFF （逻辑值为0）（2）.若是小于给定值，则开启排气阀Y1和进料阀Y2（3）.当液面上升到上液面时，即上液面传感器为ON，应关闭排气阀Y1和进料阀Y2（4）.延迟20S，开启氮气阀Y3,氮气进入反应炉，内压力上升（5）.当压力升到给定值时，即压力传感器为ON，关闭氮气阀。送料过程结束2.2加热反应控制要求（1）.交流接触器KM得电动作，接通加热炉发热器EH的电源（2）.当温度升高到给定值，即温度传感器为ON时，交流接触器KM失电，切断加热器的电(3) .延迟10min,加热过程结束2.3泄放控制要求(1) .打开排气阀，使炉内压力下降到预定的最低值，即压力传感器为OFF。(2) .打开泄放阀，当炉内液面下降到下液面，即下液面传感器为OFF时，关闭泄放阀与排气阀。系统恢复到初始状态，准备进入下一循环。第三章电气控制系统的硬件设计3.1 PLC的I/O接线图系统I/O接线图如图3. 1所示：图3.1.系统硬件构成示意图3.2电气元件制作皮带传送机需要热继电器、点动开关、单刀开关、电压表、电流表、三相异步电机、 常闭开关、导线、继电器、熔断器、S7-200CPU221芯片。详情如32下表所示表32电气元件详情电气元件名称数量(个)热继电器1点动开关4三相异步电机1继电器4熔断器1PLC芯片1导线若干第四章电气控制系统软件设计4.1 PLC控制系统软件工艺流程图：图4.1 PLC控制系统软件工艺流程图4.2 PLC控制系统软件顺序功能图：图4.2 PLC控制系统软件顺序功能图4.3 PLC控制系统软件指令表：网络1LDSM0.1RM0.1,7网络2LDM0.7ANII0.3LDM0.0OLDOSM0.1ANM0.1=M0.0网络3LDM0.0AI0.0ANI0.1ANI0.2ANI0.3LDM0.1OLDANM0.2=M0.1RQ0.0,1R网络4LDALDOLDANTON网络5LDALDOLDANR网络6LDALDOLDANR网络7LDALDOLDANTONQ0.1,1M0.1I0.4M0.2M0.3M0.2T40, +200M0.2T40M0.3M0.4M0.3Q0.2,1M0.3I0.1M0.4M0.5M0.4Q0.3,1M0.4I0.2M0.5M0.6M0.5T41, +200网络8LDT41AM0.5LDM0.6OLDANM0.7=M0.6RQ0.0,1网络9LDM0.6ANI0.2LDM0.7OLDANM0.0=M0.7RQ0.4,1第五章控制程序调试运行将梯形图程序输入到可编程控制器，进行仿真后再进行系统调试。在仿真调试时，实际的 输入元件和输出元件不接，而要用小的扳动开关来模拟输入，输出通过输出端发光二极管来判 断，反馈信号如过流、高温信号等由I/O开关模拟。仿真调试要检查程序是否完全符合预定要求， 考虑各种可能的情况，对控制系统的工艺流程进行测试，如果发现问题应及时修正控制程序。 程序的仿真调试完成后，再进行联机调试。本系统调试时应将手动操作与自动制独立分开。手 动操作时先在低压下进行，检查各控制开关是否正常工作。待各部分调试成功后，再转入可编 程控制器自动控制方式，最后连接整个系统试运行，由软件在计算机上显示系统运行情况。结束语利用软件实现对加热反应炉的PLC自动控制，是在工控系统中的典型应用。通过使用PLC, 并结合现场的通用I/O设备（传感器和板卡），可以对加热反应炉进行进料和排料、进气和排气、 加热等自动控制，这样，既可以对加热反应炉进行现场的实时自动控制，又可以对加热反应炉 的状态进行实时数据监控，以避免事故的发生，提高人身和设备的安全系数。总之，加热反应炉 可视化安全生产控制技术的应用实现了企业生产中加热反应过程的远程监控，能预防和减少生 产过程中安全事故的发生，增加了生产设备和工作人员的安全，有利于提高企业的生产效益和 经济效益，体现了以人为本、关爱生命的思想，这项技术有着远大的发展前景和应用空间。第六章课程设计总结通过课程设计设计，使我提高了综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、 严格的技术及基本能力的训练。首先，由于新技术、新设备和不断应用，岗位能力要求越来越高，特别是要求从业人员能 主动适应并创造性地开展工作。因而应该培养更多具有创造力的技术型工人。课程设计作为一 种创新教育，给我了一种方法、一种全新的思维模式，激发了我的创新意识和潜能。其次，我进行的课程设计，是在专业理论知识的指导下，通过各种方式，解决一些实际性 的问题。在设计过程中，我将所学的理论知识运用到实践中，不仅加深了对专业理论知识的理 解，而且丰富和发展了书本上的理论知识，使之转化成更高层次的经验、技能和技巧。最后，由于社会生活的变革和科技进步对社会及个人的影响，认为学校能满足人生所有教育 需要的理性主义幻想已经破灭。社会的发展要求劳动者不断更新知识，每个人的职业不可能终 身不变。这一切都要求我除获取一定的理论知识和技能外，还必须培养自己进一步学习的能力。 课程设计加强了各门课程的联系，拓展一些相近或相关专业知识的技能，给我留下适应多项工 作所需要的知识的“接口 ”，为我的终身教育奠定知识基础和能力基础。致谢词经过两个星期紧张的准备，最终完成了我的PLC的课程设计，由于时间比较仓促，难免有许 多疏漏之处，但是经过敬爱的刘老师的指导，以及同学们的帮助，完成了加热反应炉的课程设 计。在这里，首先我要感刘老师，刘老师在我做课程设计的每个阶段都给予了我悉心的指导。 除了敬佩刘老师的专业水平外，他的教学态度和科研精神也是我永远学习的榜样，并将对我今 后的学习和工作产生积极的影响。最后，要感谢大学四年来所有的老师，为我电气测控技术与仪器专业知识打下了坚实的基础， 感谢我所有的同学，正是因为有了他们的支持与帮助。我才顺利的完成了课程设计。参考文献西门子公司.SETP 7 V 5.0编程手册.2001西门子公司.SIMATIC S7-300和S7-400梯形逻辑编程参考手册.2001 西门子公司.SIMATIC S7-300和S7-400语句列表编程参考手册.2001 日本三菱公司.FX系列编程手册（合并版）G. 1997.日本三菱公司.MELSECFX2系列使G. 1997.钱学森，宋健著.工程控制论.北京:科学出版社.1980孙平著.电气控制与PLC.北京:高等教育出版社.2004汪志锋著.可编程控制器原理与运用.西安：西安电子科技大学出版社.2003王兆义.可编程序控制器教程北京:机械工业出版社.1992.附录：PLC控制系统软件梯形图:初始化程序，启动排气和进料控制程序氮气阀控制程序加热控制程序 泄放控制程序电气信息学院课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案合理性与创造性(10%)开发板焊接及其调试完成情况*(10%)硬件设计或软件编程完成情况(20%)硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综合评分指导教师签名：日期：注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非6K 大小的图纸及程序清单)。