基于PLC触摸屏φ76管坯加热炉的电控系统设计毕业论文.docx

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基于PLC触摸屏φ76管坯加热炉的电控系统设计毕业论文

基于PLC、触摸屏φ76管坯加热炉的电控系统设计毕业论文

第一章绪论

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数，传送和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，对当今社会的发展与进步起到了很大的作用。

1.1论文的背景

长期以来，我国能源资源以煤为主，城市煤气、工业炉窑、发电都以燃煤为主。

燃烧产物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量烟尘污染，使城市空气质量严重恶化。

而高效、洁净、方便的天然气能源的合理利用和优化利用，对优化我国能源结构、优化生态城市建设、优化理想人居空间，创造人和自然的和谐环境都具有非常重要的意义。

   常熟无缝钢管有限公司的管坯加热炉二十多年来一直以燃煤为主要能源，生产环境较差且由于煤气发生炉的老化，维修成本日益增加，对温度的控制也难以达到要求。

碳管车间的一台配套管坯加热炉的煤气发生炉已老化到急需更换的程度，天然气代替燃煤能否达到成本相当并进行恒温控制，直接影响到常熟无缝钢管有限公司产品的成本、质量及生产设备的正常运转。

我学院配合常熟无缝钢管有限公司从2006年8月份开始对该公司的穿孔机加热炉燃气系统进行了改造，把原来的发生炉煤气构成的手动加热系统改造成天然气全自动恒温加热控制系统，效果较好，达到了环保、节能、安全的预期效果。

2007年，我学院又与常熟无缝钢管有限公司签约了8台炉子的电控软件设计任务。

2010年我学院又与常熟无缝钢管有限公司签订了5台炉子的软件设计任务,φ76管坯加热炉是其中的一台。

本台炉子用PLC控制，触摸屏作为人机界面，对PLC进行监控。

1.2课题的目的和意义

加热炉是无缝钢管生产的主要耗能设备，如何保证被加热的管坯在有效轧制的前提下，尽可能的减少加热炉的能耗，是无缝钢管行业控制技术研究的主要方向。

近年来，国家加大节能减排的力度，各企业不断对加热炉的生产工艺进行改造和完善，加热炉的自动化控制水平有了显着的提高。

目前面向节能减排、提高轧制产品质量的加热炉工程控制计算机系统已广泛应用于各企业的加热炉生产控制中。

设计一套完善的管坯加热炉电控系统，有着巨大的经济价值和环保意义。

1.新设计的是通过触摸屏组态编程与PLC技术来实现对装置内设备的运行状况的显示、安全状况的监控。

使用触摸屏组态软件的记忆功能，记录信号历史工作状况，一旦出现故障，作为分析事故原因的依据之一。

2.课题是常熟无缝钢管有限责任公司提供，具有工程实践背景，体现新技术在工程实践中的应用研究，为PLC和计算机在加热炉上的应用拓展了渠道，是即将毕业同学一次很好的学习机会。

通过这次设计锻炼了每个同学的动手和解决问题的能力，提高了对以PLC为核心的控制系统的认识。

第二章系统设计要求

2.1系统概述

本设计在硬件部分使用PLC和模拟量输入输出扩展模块为核心控制部分，输出通过传感器把炉温传送给PLC系统，PLC根据温度设定值与反馈值进行比较,采用大、小火脉冲燃烧的方式实现恒温控制。

由于大小火燃烧方式喷口温度变化微小，由喷口总量的大小来恒定炉温，燃空比稳定，有效的降低能耗及炉温波动。

下位机采用PLC控制，上位机采用触摸屏组态软件进行控制，PLC与触摸屏组态软件之间建立通信。

2.2系统的配置

天然气加热炉顶喷式烧嘴采用大小火控制（每个烧嘴用两根空气管和两根天然气管供气），点火不成功在现场及操作室内发出报警信号并返回至PLC，在触摸屏上显示并保存记录；

在加热炉高温端安装K型热电偶将温度信号反馈至PLC进行温度采集；

在加热炉高温端安装K型热电偶将温度信号反馈至PLC进行温度采集；

对安装在烟道上的执行器通过PLC进行开度调节；

所有操作均在深圳人机电子的EasyBuilder500触摸屏上完成。

系统的整体配置如图

（1）所示：

图

（1）系统整体配置图

2.3本设计的主要要求与内容

2.3.1炉子系统的设计主要要求

1.通过触摸屏能对炉子进行自动控制与手动控制的操作。

2.加热炉总共有6个烧嘴，均采用大小火脉冲方式，正常情况下小火全部点着。

3.在加热系统中要求将炉子分为两个温区：

该路炉子总共有6个烧嘴，1#、2#烧嘴对应高温区的温度，由热电偶K1提供反馈信号；3#到6#烧嘴对应中温区的温度，由热电偶K2提供反馈信号。

4.在电控系统部分中，要求风机的压力和炉子的温度恒定，并且通过设备检测出来并能显示，来对天然气烟道的开度的大小进行控制，并将烟道的开度大小分为6档控制。

在开启1#到6#烧嘴大火的时候，高温区1#、2#烧嘴欠温，按照1#到2#顺序延时开启大火，超温则按照烧嘴2#到1#顺序延时关闭大火；中温区3#到6#烧嘴欠温时，按照3#到6#的顺序延时开启大火，超温时则按照烧嘴6#到3#的顺序延时关闭大火，上面的延时时间可以自行设定。

5.设计必要的保护电路，保证控制系统的安全可靠。

6.对故障能够进行报警并且有相应的报警记录。

7.采取必要的抗干扰措施。

2.3.2设计内容

1.设计电气控制原理图。

2.进行PLC选型及I/O分配。

3.PLC控制程序的编写，组态触目屏画面。

4.按要求撰写毕业设计说明书。

5.绘制设计图样。

6．在实验室进行程序调试。

第三章系统硬件设计

3.1PLC原理及其应用

3.1.1PLC原理及其应用

PLC具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式。

如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。

PLC则采用循环扫描工作方式，PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。

在运行模式，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可以分为五个阶段：

内部处理，通信服务，输入处理，程序执行，输出处理，其运行（RUN）模式与停止（STOP）模式工作过程框图如图

（2）所示：

图

（2）PLC的工作过程图

3.1.2PLC的特点及主要功能

1.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，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。

2.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的最关键性能之一。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用优质的电子元件与合理的系统结构设计，内部电路采取光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间很长。

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。

3.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周期大为缩短，同时维护变得容易起来。

更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。

4.模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（A）和数字量（D）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

5.过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

6.扩展功能

扩展功能是指通过连接输入输出单元（即I/O扩展单元）来增加输入输出点数，也可以通过附加各种功能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。

7.远程I/O功能

远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。

8.通信联网功能

通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等，实现I/O控制或数据交换，以完成较大规模的系统控制。

9.监控功能

监控功能是指PLC能监视系统各部分的运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设置值或强制I/O状态。

3.1.3PLC编程语言

在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。

梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。

这两种编程语言用的最为广泛。

3.2PLC的编程软件的选择

1.在学校里学的是西门子S7-200PLC编程软件。

2.实验室里有西门子S7-200PLC编程软件。

3.西门子S7-200PLC编程软件市场占有率很大，性价比比较高。

综合以上几点我选用的编程软件是西门子S7-200PLC。

3.3PLC的选择及I/O的确定

根据系统的控制要求及复杂程度，对所需要的I/O口要进行初步的估算。

PLC的输入输出点数是有限的，在设计一个PLC控制系统时可能遇到其I/O口的点数问题，可以选择I/O点数较多的PLC或增加扩展单元。

在此次的加热炉的系统的改造中，有6个烧嘴的大小火的输出，风机的运行输出，天然气的快切阀输出，报警输出，还有空气阀的输出，大概需要14个输出。

在输入方面，主要是控制系统的故障，主要包括：

风机故障，燃气压力过高或过低故障，1#到12#烧嘴故障，总共15个输入点，这样总共大概需要14个输出点和15个输入点。

在对炉子的风压和两个温区进行检测时，需要3个模拟量输入通道，在控制风机的频率和烟道执行器控制时，需要2个模拟量输出通道。

根据PLC选型的原则，输入输出点要求有20%备用，以防有个别输入输出点损坏时，可以及时更换备用点，而不必要换整台PLC，可以选用西门子S7-200P