水玻璃炉的换向控制系统的设计

摘要介绍水玻璃炉的换向的控制方案,采用可靠性较高的可编程序控制器(PLC),实现换向的自动化。换向系统的控制是一个相对独立的部分,采用传统的继电控制,由其专用集成控制器完成。这种控制系统的缺点有:(1)可靠性差。检测元件串联连接,采用交流220 V供电,经常发生多个元件连锁击穿现象,并且控制系统包括集成控制器,本身相应保护功能不完善。(2)维修困难。由于控制系统的核心采用具有专利性质的集成控制器,控制原理不清楚,分析故障原因、查找故障点困难。(3)维修成本高。鉴于换向系统存在的上述问题,决定采用PLC控制系统对其进行改造。关键字：三菱PLC 节能 水玻璃炉的换向控制 目录第1章 绪论1第2章 PLC概述22.1 PLC的产生、特点和发展22.1.1 PLC的产生22.1.2 PLC的特点22.2 PLC的基本结构22.2.1 PLC的硬件系统22.2.2 PLC的软件系统42.3 PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法52.3.1 语言的形式52.3.2 编程指令52.3.3 基本指令系统特点 62.4、PLC的扫描工作方式72.5 PLC的扫描周期82.6 PLC的IO响应时间8第3章 水玻璃炉的换向控制系统93.1设计思想93.2控制方案93.3 换向控制时序93.3.1输入/输出元件的地址分配103.3.2输入/输出接线123.3.3外部接线图12第4章 水玻璃炉换向控制的程序1341运行程序134.1.1手动运行程序134.1.2回原点初始化程序164.1.3自动方式运行程序17第5章 系统调试215.1硬件调试215.2软件调试21致谢22参 考 文 献23附录24第1章 绪论 PLC是可编程控制器的简称，它是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。PLC在设计和制造过程中采取多层抗干扰和精选元件措施,非常适用于在恶劣的工业环境下使用，现以广泛应用于机械制造、冶金、化工、环保、轻工等各个领域，成为一种最普及、应用场合最广泛的传统继电接触器的替代物新一代的工业控制器，广泛的应用在模拟量控制、位置控制、监控、调速、数据管理、通讯等方面。近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶，PLC作为一个新兴的工业控制器，在多个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。它是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，它是以微处理器为核心, 并综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的最大特点就是体积小、功能强、响应速度快、可靠性高、控制过程均通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于PLC均由世界上有名的电气控制设备制造商专业化研究开发和批量生产，故生产成本低，价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快，市场竞争导致其价格有进一步下调的空间，为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。 第2章 PLC概述2.1 PLC的产生、特点和发展2.1.1 PLC的产生可编程控制器简写成 PLC，其中 L为逻辑（Logic）的意思，第一台可编程控制器是1969年在美国面世的。经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为重要、可靠、应用场合广泛的工业控制微型计算机。2.1.2 PLC的特点可编程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。可编程控制器具有诸多优点：1） PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标；2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点；3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备；4）PLC的扩展以及与外部联接极为方便。2.2 PLC的基本结构2.2.1 PLC的硬件系统一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入输出接口、内部电源）、IO扩展单元及外部设备组成。用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算结构。 A中央处理器 中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU的主要功能为：从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读指令，从数据总线上得到读出的命令，并存入CPU内的指令寄存器中。执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算和算术运算，将结果输出给有关部分。准备取下一个指令。CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。处理中断。CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。B存储器用于存放系统程序与用户程序。PLC用户存储器通常以B为单位来表示存储容量。同时，由于系统程序直接关系到PLC的性能，不能由用户直接存取。因而，通常PLC产品资料中所指的存储器类型或者存储方式及容量，是对于用户程序存储器而言。常用的存储器类型或存储方式有CMOSRAM，EPROM和EEPROM。信息外存常用盒式磁带和磁盘。C输入/输出部分这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进机内）等，通过输入电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。a）输入接口电路现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路成。光电耦合电路：采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。光电耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出段是靠光信号耦合的，在电器上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。微电脑的输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。b）输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路：一般由输出数据寄存器、选通电路和中断电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路：是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出。D电源部件将交流电源转换成供PLC所需的直流电源。目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。2.2.2 PLC的软件系统 PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。A 系统程序包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。输入电路CPUEPROMRAM输出电路基本单元内部电源扩展I/O接口各种外设接口输出信号现场输入信号主机编程器打印机PC机输入电路输出电路扩展单元输出信号扩展连接电缆至其他扩展单元现场输入信号图2-1系统软件和应用软件图它由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。系统管理程序其主要功能为：a）：时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序；b）：存储空间的分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址；c）：系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。用户指令解释程序：它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。供系统调用的标准程序模块：它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都由这部分来完成。B. 用户程序它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。开关量逻辑控制程序：它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容的编程语言。模拟量运算程序及闭环控制程序：通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和PID控制等的程序。操作站系统程：它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。2.3 PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法2.3.1 语言的形式 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。 虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。 2.3.2 编程指令指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。 a ）指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。在编程之前必须弄清PLC的指令系统。 b ）程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。 c ）梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。2.3.3 基本指令系统特点 可编程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。可编程控制器具有诸多优点：1） PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标；2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点；3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备；4）PLC的扩展以及与外部联接极为方便。开始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出处理NY2.4、PLC的扫描工作方式 图2-2 PLC的扫描模式图 可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-3所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与主要和PLC的处理速度有关，其次跟程序的大小有关。PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-3所示。输入端子输入映象寄存器输出映像寄存器输出锁存器输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读图2-3程序执行过程图2.5 PLC的扫描周期在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。2.6 PLC的IO响应时间PLC采用集中IO刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。 第3章 水玻璃炉的换向控制系统水玻璃(Na2O. mSiO2 ) 是生产各种硅酸铝催化剂、分子筛催化剂的原料。在水玻璃生产过程中,煅烧是最为重要的一个环节,它决定了水玻璃的质量。由于水玻璃炉煅烧的温度很高(达到1390 ) 和其本身的窑式结构以及节能的要求,需要换向燃烧,故水玻璃炉的换向控制是保证水玻璃质量的关键技术。本文介绍的是可编程序控制器在水玻璃炉换向控制中的应用。3.1设计思想煅烧的目的,是把按一定比例配好的砂和碱的混合物在水玻璃炉内高温加热,进行化学反应,生成水玻璃,放出二氧化碳。熔融状态的水玻璃出炉后被打入常压釜进行搅拌,冷却待均匀后,形成水玻璃成品打入储罐进行储存,其简要流程见图3-1。对于在蓄热式玻璃熔窑中,燃料燃烧后,产生了废气,蓄热室的格子砖吸收废气的部分能量,并将热量传给进入窑炉的二次空气,以提高窑炉的温度和热效率。蓄热室的工作包括在一段时间内由废气加热格子砖,在下一段时间内预热二次空气,格子砖逐渐冷却。为了使格子砖周期预热,火焰开始为一个方向,例如由左向右,然后再反过来由右向左,这种操作就叫做换向.图3-1 水玻璃的工艺流程简图3.2控制方案换向是一项十分重要的操作,包括动作的顺序、延续时间、各动作之间的间隔时间等都应满足一定的工艺要求。采用可靠性高的可编程序控制器,按适当的时间间隔与顺序自动地进行换向操作,可以稳定窑炉的热工制度,充分利用蓄室,提高热效率,保证窑炉安全经济地运行,减轻操作人员的劳动强度。各玻璃厂使用的窑炉其结构、运行特性、控制设备以及操作习惯均不相同,对应的换向操作控制系统也各异。 系统有自动和手动两种控制方式。本章采用日本三菱公司的FX2-48MR型PLC3.3 换向控制时序由于水玻璃炉的炉体较大,温度较高,故把它分为南北两炉交替对炉子加热。为了减少热量的损失来节省能源，在南北烟道都设置了畜热室。当北炉燃烧时，打开南烟道闸板，关闭北烟道闸板，助燃风通过北烟道，蓄热室至北炉，供北炉燃烧所需的氧气；当南炉燃烧时刚好相反。由于助燃风通过了蓄热室带走了大部分热量，一方面降低了燃油的消耗，节省能源；另一方面又降低了烟道温度，从而保护了烟道。当北炉燃烧时,要求南烟道闸板打开,北烟道闸板关闭,3 秒后北雾化蒸汽阀打开,6 秒后北油阀打开,894 秒后北油阀关闭,897 秒后北雾化蒸汽阀关闭,900 秒后南烟道闸板关闭,北烟道闸板打开。水玻璃炉换为南炉燃烧,当北烟道闸板打开3 秒后南雾化蒸汽阀打开,6 秒后南油阀打开,894 秒后南油阀关闭,897 秒后南雾化蒸汽阀关闭,900 秒后南烟道闸板打开,北烟道闸板关闭,水玻璃炉再换为北炉燃烧。自动换向时序图如图3-2。图3-2 水玻璃炉换向控制的时序图3.3.1输入/输出元件的地址分配表3-1 水玻璃炉的换向控制输入/输出元件的地址分配输入输出输入继电器电路元件作用输出继电器电路元件作用X000SQ1南烟闸开回信Y000KM1南烟闸（有信号开，无信号关）X001SQ2北烟阀关回信Y001KV1北汽阀（有信号开，无信号关）X002SQ3北汽阀开回信Y002KV2北油阀（有信号开，无信号关）X003SQ4北油闸开回信Y003KM2北烟闸（有信号开，无信号关）X004SQ5北烟闸开回信Y004KV3南汽阀（有信号开，无信号关）X005SQ6南烟闸关回信Y005KV4南油阀（有信号开，无信号关）X006SQ7南汽阀开回信Y010HL1南烟闸指示（开灯亮，关灯灭）X007SQ8南油阀开回信Y011HL2北汽阀指示（开灯亮，关灯灭）X010SA2开南烟闸开关Y012HL3北油阀指示（开灯亮，关灯灭）X011SA3关北烟闸开关Y013HL4北烟闸指示（开灯亮，关灯灭）X012SA4开北汽阀开关Y014HL5南汽阀指示（开灯亮，关灯灭）X013SA5开北油阀开关Y015HL6南油阀指示（开灯亮，关灯灭）X014SA5关北油阀开关X015SA4关北汽阀开关X016SA1手动X017SA1回原点X020SA3开北烟阀开关X021SA2关南烟阀开关X022SA6开南汽阀开关X023SA7开南油阀开关X024SA7关南油阀开关X025SA6关南汽阀开关X026SA1自动X027SA8换向3.3.2输入/输出接线本项目用三菱FX2-48MR型可编程控制器实现水玻璃炉的换向控制的输入/输出接线为了避免手动、回原点和自动等方式同时接通，X016、X017和X026输入信号用转换开关给定；同理X010与X021，X011与X020，X012与X015，X013与0X014，X022与X025，X023与X024的输入信号也用转换开关给定。 3.3.3外部接线图第4章 水玻璃炉换向控制的程序41运行程序4.1.1手动运行程序4.1.2回原点初始化程序S1闭合置位后，闭合X017使S10闭合并置位，南烟道闸板打开、北烟道闸板关闭并所有阀复位，所有指示灯复位，X000闭合南烟道指示灯亮。S11闭合置位后M8043工作并置位，回到原点。4.1.3自动方式运行程序按下按钮S20,M8041和M8044工作后闭合，时间延时继电器T1开始工作。当T1达到3秒后常开触头闭合,使S21闭合并置位，北气阀被打开；X002闭合后，T2开始工作同时北气阀指示灯亮，当到达3秒后闭合使S22闭合并置位。S22闭合后北油阀打开，XOO3闭合后，T3开始计时同时北油阀的指示灯。15分钟后使S23闭合并置位。 S23闭合后，关闭北油阀、北油阀指示灯灭同时T4开始计时 ，3秒后T4闭合使S24闭合并置位。S24闭合后北气阀被关闭北、气阀灯熄灭同时T5开始工作，3秒后常开触头闭合使S25闭合并置位。S25闭合后南烟阀和其指示灯同时关闭并开打北烟阀和北烟阀指示灯。X004、X005闭合后T6开始工作，3秒后常开触头闭合，使S26闭合并置位。S26闭合后，南气阀打开；X006闭合后南气阀指示灯亮同时T7开始工作，3秒后常开触头闭合使S27闭合并置位。S27闭合后南油阀被打开；X007闭合后南油阀指示灯亮同时T8开始工作，15分钟后使S28闭合并置位。S28闭合后南油阀被关闭、南油阀指示灯也熄灭同时T9开始工作，3秒后常开触头闭合使S29闭合并置位。S29闭合后，南气阀被关闭，南气阀指示灯也熄灭同时T10开始工作，3秒后常开触头闭合使S30闭合并置位。S30闭合后，北烟阀被关闭，南烟阀被开打同时北烟阀指示灯灭。X000闭合后南烟阀指示灯亮。X000、X001同时闭合后返回到S2并使闭合置位。第5章 系统调试5.1硬件调试 首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口,确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。5.2软件调试 调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，观察换向是否正确以及烟道口是否关闭蓄热室是否开启等。致谢本论文是在高姝烨老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！参 考 文 献【1】陈立定，苏开才 电气控制与可编程控制器.广州：华南理工大学出版社, 2001【2】李乃夫 可编程控制器原理、应用、实验（第二版）.北京：中国轻工业出版社, 2000【3】廖常初 PLC编程及应用.北京：机械工业出版社,2003【4】吕景泉 可编程控制器技术教程.北京：高等教育出版社, 2001【5】台方 可编程序控制器应用教程.北京：中国水利水电出版社, 2001【6】张万忠 可编控制器应用技术.北京：化学工业出版社, 2002【7】王兆义 小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社,2000【8】王永华 现代电气及可编程控制技术.北京：北京航空航天大学出版社, 2002【9】常斗南 可编程序控制器原理 应用 实验（第2版）.北京：高等教育出版社,2002【10】李俊秀，赵黎明 可编程控制器应用技术实训指导.北京：化学工业出版社, 2002附录第 26 页 共 29 页