某化学反应过程的PLC控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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1.1系统介绍
1.2系统方案论证
1.3可编程序控制器的发展及应用
1.4系统设计方法和步骤
第二章系统硬件设计…………………………………………………………………………9
2.1系统总电路图
2.2PLC的型号选择以及硬件配置
2.3系统的I/O点地址分配以及外部接线图
2.4温度采集处理
2.4.1热电偶的基本知识
2.4.2EM231模块
2.4.3报警电路
2.5数码管显示温度值
2.6拨码盘给定温度值
2.7温度控制触发电路
第三章系统软件设计…………………………………………………………………………21
3.1化学反应过程的主程序设计
3.1.1工艺流程图设计
3.1.2系统主程序
3.2PID闭环控制系统设计
3.2.1PID程序设计方法
3.2.2数字PID控制原理与参数确定
3.2.3系统中断程序设计
3.3数码显示的程序设计
3.4程序清单
3.5系统调试
参考文献………………………………………………………………………………………………29
附录A系统梯形图………………………………………………………………………………30
附录B系统程序清单…………………………………………………………………………..37
致谢……………………………………………………………………………………………….42
第一章绪论
下面我设计一种用可编程控制器用于化学反应装置过程中的系统,可编程控制器是一个智能控制器,他有自己的CPU和控制软件,主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警和控制等功能。
在系统中我们主要对温度的控制进行比较详细的介绍,由于温度对化学物质来说是个比较重要的参数,在这里必须引起重视!
因此在我们所选择方案中也对温度的控制进行了比较多的讨论。
我们所研究的这个化学反应过程的装置有四个容器组成,容器之间用泵连接,以此来进行化学反应。
每个容器都装有检测容器空满的传感器,2#容器还带有加热器和温度传感器,3#容器带有搅拌器。
该化学反应过程的工作过程是:
1#、2#容器分别用泵P1、P2从各自原料库中将其抽到指定液位。
抽完之后传感器发出信号,泵P1、P2关闭,2#容器化学物质需要加热,因此给2#容器加热到给定温度值,当温度到达给定温度时,温度传感器发出信号,关掉加热器。
泵P3、P4分别将1#、2#容器中的化学物质送到3#反应器中,同时启动搅拌器,搅拌时间为60S。
一旦3#已经满即1#、2#容器抽完的时候。
则泵P3、P4停止并等待。
当搅拌时间到,P5将混合液抽到产品池4#容器,直到4#容器满即3#容器抽完时。
成品用泵P6抽走,直到4#容器空。
至此,整个过程结束,再次按动启动按钮,新的循环开始。
化学反应过程示意如图1.1,图中SL2、SL1是指各个容器指定的液位,SL1指容器中化学物质被抽完的时候,SL2指容器中化学物质满。
图1.1化学装置示意图
根据我们所说的化学过程,以及通过查阅相关资料,可以得到方案。
方案中,由于需要对2#容器的物质经行加热,以及原料池1#、2#反应池及产品池的液位检测,实验室条件并不允许,固将液位检测及温度检测用手动开关模拟替代。
方案中的硬件组成是:
PLC;
模拟信号开关;
模拟泵P1、P2、P3、P4、P5、P6信号灯、加热开启指示信号灯、搅拌器以及搅拌时间信号灯等。
基本的工作原理是:
PLC从手动模拟液位开关那里得到信号,来控制泵P1、P2、P3、P4、P5、P6。
利用模拟预设温度开关发出温度达到信号,该温度信号可直接成为PLC能接收和处理的数字信号。
在顺序工作的同时,整个工作流程的单次过程控制必须能够达到单次循环未结束前,各项控制互不干扰,且在反应池和产品池工作过程中,原料1#、原料2#中没有原料的再次注入,即P1、P2的关闭控制,在单次循环结束后,各个元器件经行复位等待下一次循环的开始。
可编程序控制器简称PLC(ProgrammableLogicController)。
自1969年第一台可编程序控制器面世以来,经历了30多年的发展,可编程序控制器已经成为一种最重要﹑最普及﹑应用场合最多的工业控制器。
1969年美国的DEC公司制成了第一台可编程控制器,投入通用汽车公司的生产线控制中,取得了极满意的效果,从此开创了可编程控制器的新纪元。
1971年日本开始生产可编程控制器;
1973年欧洲开始生产可编程控制器;
1974年我国也开始研制编程控制器。
随着电子技术﹑计算技术﹑通信技术﹑容错控制技术﹑数字控制技术的飞速发展,可编程控制器的数量﹑型号﹑品种以异乎寻常的速度发展。
PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术﹑自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,它具有可靠性﹑体积小﹑功能强﹑程序设计简单﹑通用灵活﹑维护方便等一系列的优点,因而在电力﹑机械﹑冶金﹑能源﹑化工﹑交通﹑信息等领域中有着广泛的应用,已成为现代工业控制的三大支柱之一。
根据PLC的特点,可以将其应用形式归纳为以下几种类型:
(一)开关量逻辑控制
PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。
这是PLC的最基本最广泛的应用领域,它取代了传统的继电器﹑接触器的控制。
(二)模拟量控制
PLC中配置有A/D和D/A转换模块。
其中A/D模块能将现场的温度﹑压力﹑流量﹑速度等这些模拟量经过A/D转换变为数字量,再经过PLC中的微处理器进行处理(微处理器处理的是数字量)去进行控制或者经D/A模块转换后,变成模拟量去控制被控对象,这样就可实现PLC对模拟量的控制。
(三)过程控制
现代大中型的PLC一般都配有PID控制模块,可进行闭环过程控制。
当控制过程中某一个变量出现差错时,PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程,把变量计算保持在整定值上。
目前,许多小型PLC也具有PID功能。
(四)定时和计数控制
PLC具有很强的定时和计数功能,它可以为用户提供几十甚至上百个﹑上千个定时器和计数器。
其计时的时间和计数值可以由用户在编写程序时任意设定,也可以由操作者在工业现场通过编程器进行设定,实现定时和计数的控制。
如果用户需要对频率较高的信号进行计数,则可以选择高速计数模块。
(五)顺序控制
在工业控制中,可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程实现顺序控制。
(六)数据处理
现代的PLC不仅能进行算术运算﹑数据传送﹑顺序﹑查表等,而且还能进行数据比较﹑数据转换、数据通信、数据显示和打印等,它具有很强的数据处理能力。
(七)通信和联网
现代PLC一般都有通信功能,它可以对远程I/O进行控制,又能实现PLC与PLC,PLC与计算机之间的通信,这样用PLC可以方便的进行分布式控制[2]。
化学反应过程装置控制系统其实相对来说是一个简单的控制系统。
系统具有自动和手动两种工作方式,正常停机时,系统停在初始状态上,即个执行器停,产品池容器空,有紧急情况,能实现急停。
系统基本设计步骤如下:
(1)深入了解和分析化学装置中的工艺条件和控制要求。
如控制的基本方式,需要完成的动作(动作顺序、动作条件等)、操作方式(手动、自动、连续、单周期和单步)。
(2)根据化学装置对PLC控制系统的功能要求和所需要的I/O信号的点数等,选择合适的PLC类型。
(3)根据控制要求所需要的用户I/O设备,确定PLC的I/O点数,并设计I/O端子的接线图。
(4)根据工艺的生产要求画出状态流程图。
a
(5)由流程图设计梯形图。
设计梯形图是编制程序的关键一步,也是比较困难的一步。
(6)要设计好梯形图,首先应熟悉控制要求,同时还要有电器设计的实践经验。
根据梯形图写程序。
(7)用PLC编程器将程序键入PLC的用户程序存储器,并检查键入的程序是否正确。
系统设计流程框图如1.6:
图1.6系统设计流程图
第二章系统硬件设计
由我们的设计步骤可见,本系统可以作硬件设计和软件设计两个部分来描述。
我们的硬件部分主要是对各个硬件装置进行介绍,根据化学反应的控制及要求,对PLC进行选型和对硬件配置的简单介绍。
型号选好之后,我们来对系统的I/O点地址进行分配画出硬件电路图。
2.1系统总电路图
2.2PLC的型号选择以及硬件配置
化学装置是一个要求比较严格的系统装置,因此对于PLC的选择要求也是很高的。
我们采用的S7-200系列PLC,三菱FXPLC是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置,除输入出16~25点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
特点-系统配置即固定又灵活;
-编程简单;
备有可自由选择,丰富的品种;
令人放心的高性能;
高速运算;
使用于多种特殊用途;
外部机器通讯简单化;
共同的外部设备。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块,可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机,可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式,自由选择。
程序容量:
内置800步RAM(可输入注释)可使用存储盒,最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变,中断输入处理,直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取,16位数据的读取,矩阵输入的读取,7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出(20KHZ/DC5V,KHZ/DC12V-24V),脉宽调制,PID控制指令等。
外部设备相互通信,串行数据传送,ASCIIcode印刷,HEXASCII变换,校验码等。
时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
化学反应过程控制装置的系统有一个启动按钮(输入);
四个模拟容器液位满检测信号灯;
四个模拟容器空检测信号灯;
六个电机启动按钮;
六个模拟泵启动停止信号灯;
一个模拟加热器信号灯和模拟搅拌器接触器信号灯。
PLC控制系统最重要的其实还是外部电路,也就是要画出外部接线图。
表2.2是本系统的I/O地址分配表,它是根据系统的功能和前面所选的CPU的模块型号以及扩展模块的型号来进行分配的。
本系统的外部接线如图2.3所示,CPU224的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流,通过核算在本系统中满足要求,CPU224的输出继电器触点容量为2A,电压范围为5~30V(DC)或5~250V(AC),在PLC的输入输出中要采取保护措施。
对于数字量输入输出扩展模块223,输入接两个拨码盘,作为温度值的控制,而输出只是对LED数码管进行连接;
模拟量输入模块是接一个热点偶,模拟量输出模块接一个触发电路进行温度调节,这在后面的几节中已经画出,这里就不再画了。
图2.3系统外部接线图
在这一节中,我们主要介绍热电偶与热电偶智能模块EM231,然后对EM231模块与EM235模块进行了比较,最终选择EM231作为我们的温度采集处理模块。
当温度超过标定范围,系统要采取报警,因此还需要设计一下报警电路。
热电偶温度计在工业生产过程中极为广泛。
它具有测温精度高,在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系,稳定性和复现性较好,测温范围宽,响应时间较快等特点。
所以采用热电偶来检测温度是再理想不过了。
任何两种金属,其连接处都会形成热电偶。
热电偶产生的电压与连接点温度成正比。
这个电压很低,
可能代表若干温度值。
测量从热电偶来的电压,对外部连接点进行补偿,然后将测量值线性化。
在温度采集和控制系统中,温度传感器采集到的温度信号大都是微弱的模拟电信号,要经过一系列的转换,包括放大、A/D转换、冷端补偿、线性化处理、数字滤波等,才变成了计算机能够接收和处理的有效的数字信号。
在PLC温度控制系统中,有很多用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。
在这种系统中,由于通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能,温度传感器采集到的微弱毫伏电信号不能直接送给PLC的A/D转换模块,必须由外部温度变送器将温度信号进行放大、冷端补偿、线性化处理,再送到A/D转换模块的模人通道,转换为规范的数字信号供PLC处理。
在S7—200PLC中可以扩展通用A/D转换模块EM235,它是一个4输入/l输出的模拟量混合模块,可以通过DIP配置开关组态为单极性或双极性,设置不同的输入信号,其A/D转换为12位。
显然,用这种通用A/D转换模块构成的温度采集和处理系统有两个方面的不足,一是要增加外部变送器,二是12位A/D转换精度不是太高。
S7—200PLC的扩展模块中,有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块--EM231热电偶模块。
在模块中集成有16位A/D转换器(15位数据加1位符号位,分辩率达0.1℃),数据格式为二进制补码形式,能自动进行线性化处理,有冷端补偿功能.其使用非常方便,只要将热电偶接到EM231的接线端子上,不再需要任何外部变送器或外部电路,一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。
EM231热电偶模块可以同时输入4路温度数据。
可以连接7种不同类型的热电偶(J、K、E、N、S、T、R)。
对我们使用的K型热电偶(镍铬一镍硅或镍铝),模块标定的有效温度范围为一200.0~+1300、0℃,其数字量对应为一2000~13000(F830H32C8H).此外,还标定了一个超出范围,当采集到的信号超出该范围时,模块向PLC报告上溢出(7FFFH)或下溢出(8000H).
EM231热电偶模块有8个DIP组态开关SW1~SW8,向上为1,向下为0。
SW1~SW3是热电偶类型选择,K型热电偶设为001。
SW4保留,SW5为断线检测方向,设为0,SW6为断线检测使能,设为0,Sw7为摄氏或华氏度选择,选摄氏度为0,SW8为冷端补偿选择,用模块具有的冷端补偿功能SW8=0。
用DIP开关对模块组态后,必须对PLC或用户电源重新上电,设置才会生效。
一路温度采集与控制时的热电偶模块及PLC接线如图2.4所示。
热电偶模块通过扁平电缆接到PLC,构成数据通道。
同时热电偶模块还必须外接+24V直流电源,接到M、L+接线端,可以接到PLC的+24V直流电源的输出端M、L+,由PLC向热电偶模块提供+24V工作电源,接上电源后模块上的+24VDC指示灯亮。
当设置了断线检测时,4个热电偶输入通道中未使用的通道必须短接,或者并接到其它通道上,否则模块上的SF指示灯闪烁,模块不能工作。
主机PLC用的是继电器输出型,PLC输出点输出的控制信号应与外部触发电路需要的触发信号相匹配,即高电平“1”应是+5V,低电平“0”为地。
因此PLC输出端外接电源不能用自身能够提供的+24VDC,必须接外部+5V电源,与外部双向晶闸管的触发电路共+5VDC,共地。
其接线方法一般采用PLC输出公共端1L接+5V,输出点Q0.1等通过一个大电阻接地。
PLC读取热电偶采集到的温度数据是按地址访问的,每个连接到PLC的热电偶输入通道都有一个固定的地址,该地址的确定按PLC扩展输入输出模块地址分配的规定,一个模块4个模拟量输入通道以2字节递增的方式分配地址.分别是A1W0、A1W2、AIW4、A1W6,PLC按此地址读数据[4]。
图2.4热电偶模块及PLC接线图
报警是电气自动控制中不可缺少的重要环节,标准的报警功能应该是声光报警。
当EM231智能模块采集到的温度信号超出标定范围时,向PLC发出信号,PLC报警指示灯闪烁,报警电铃或蜂鸣器响。
操作人员知道故障发生后,按消铃按钮,把电铃关掉,报警指示灯从闪烁变为长亮。
故障消失后,报警灯熄灭。
另外还应设置试、试铃按钮,用于平时检测报警指示灯和电铃的好坏。
与PLC的电路如图2.5所示:
图2.5报警电路与PLC的输出
对2#容器中化学物质进行温度检测、控制、显示。
系统采用3位LED数码管显示器进行显示,显示范围在0.0到99.0。
数码显示以其字体清晰、醒目(0.3到0.4英寸)的特点,在许多场合,尤其是在一些光线较弱的车间环境,能够发挥其独特的优势。
本系统用输出扩展模块EM223的Q2.0到Q3.2共11个输出点对3位LED数码管进行控制。
硬件原理如图2.6所示。
系统由CPU224、扩展模块EM223、八D锁存驱动器TPIC6273、共阳极七段数码管和电阻组成。
PLC将所需要显示的数据转换成段码,经晶体管输出口(Q2.0~Q2.7)送数据总线,相应的位码用Q3.0~Q3.2分别控制各数据锁存驱动器的CLK端,将段码送入相应的锁存器,锁存器驱动数码管显示数据。
硬件电路采用数码、位码相配合的输出控制方式。
PLC输出控制采用晶体管输出模块,开关速度快(0.4ms),适应数据实时动态显示特性。
TPIC6273数据锁存器具有漏源电压高(50V)、驱动电流大(150mA))和输入兼容性好的特点,当段码被锁存至驱动器后,静态数据显示,占用PLC扫描周期的时间可大大减少。
提拉电阻兄用于电平匹配。
当PLC输出为1时晶体管输出口导通,数据线为低电平,驱动器输出断开,数码管对应段灭。
当PLC输出为0时,晶体管输出口断开,数据线为高电平,驱动器输出导通,驱动数码管对应段点亮。
R2为限流电阻,其阻值依据电源VC及数码管型号进行选取。
硬件电路为负逻辑[5]。
图2.6数码显示硬件电路图
为了使系统更加好的对各种化学物质进行温度控制,在系统中我们可以设定温度值。
对于温度的预置,可以采用多种方法:
(1)利用PLC本身的电位器实现。
在PLC机身一般都有两个左右的模拟电位器,在其内部一般使用A/D转换器采样电位器的调整值,可以通过数据传送指令读取该值作为温度的预置值。
(2)利用微动开关实现修改温度值。
在前一个方法的应用中,调整电位器不太方便,若将电位器引出又不容易操作。
利用微动开关.占用极少的输入口也可以方便地作到温度预置
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- 化学反应 过程 PLC 控制系统 设计
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