热处理车间PLC控制系设计.docx

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热处理车间PLC控制系设计

内容摘要

热处理车间PLC控制系统设计，是以PLC作为控制器，采用梯形图编程，完成工件运送、烘房升温、风机运转、烘房门控制等控制任务，实现热处理车间的热处理全过程自动化，提高热处理工艺水平。

从PLC控制技术的应用情况来看，PLC控制技术在机械切削加工工艺等方面应用相当普及，并达到了相当好的水平。

将先进的PLC控制技术，应用于热处理工艺过程的生产过程控制，有重要的实用意义。

关键词：

热处理车间温度控制PLC

前言…………………………………………………………………………………………3

第1章热处理车间概况和热处理车间烘房的工艺流程………………………………4

1.1热处理车间概况…………………………………………………………………4

1.2热处理车间烘房的工艺流程……………………………………………………4

第2章热处理车间的控制要求…………………………………………………………5

第3章PLC控制器………………………………………………………………………6

3.1PLC的产生与发展………………………………………………………………6

3.2PLC的基本结构…………………………………………………………………7

3.3PLC的基本工作原理……………………………………………………………8

3.4PLC的控制系统…………………………………………………………………9

3.5PLC的主要特点…………………………………………………………………10

3.6PLC与其他控制装置的比较……………………………………………………11

第4章热处理车间PLC控制系统硬件设计……………………………………………12

4.1PLC选型…………………………………………………………………………12

4.2I/O口地址分配表………………………………………………………………15

4.3I/O口接线图……………………………………………………………………16

第5章热处理车间PLC控制系统软件设计……………………………………………17

5.1PLC控制梯形图…………………………………………………………………17

5.2PLC控制指令表…………………………………………………………………20

结论…………………………………………………………………………………………22

致谢…………………………………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………………………………24

前言

金属热处理是机械加工过程中的一道重要制造工艺，不同的热处理工艺可以改善金属零部件的内部组织结构和外部机械性能（如硬度等），对于机械产品的质量至关重要。

热处理有严格的温度条件以及气氛条件，严格的升温、恒温、降温过程是热处理工艺成败的关键。

另外，热处理车间的环境条件相对比较差，劳动力强度也比较大，因此，如何实现热处理设备（烘房）的温度控制和热处理过程的传动控制，是提高热处理工艺质量和改善热处理劳动条件的重要措施。

特别是将先进PLC控制技术，应用于热处理工艺过程的生产过程控制，有重要的实用意义。

第1章热处理车间概况和热处理车间烘房的工艺流程

1.1热处理车间概况

热处理车间烘房分高温区和低温区。

烘房由电阻丝加热，电阻丝分成四组，即100KW、100KW、50KW、50KW，以便进行功率的调节，总功率为300KW。

1.2热处理车间烘房的工艺流程

热处理车间烘房的工艺流程如下：

关闭电动门2

开电动门2

工件吹冷

关闭电动门1

推进工件至低温区

开启烘房接通电阻丝

启动

风机

开电动门1

15min

推进工件出烘房

推进工件至高温区

电笛

15min

恒温

烘房进行工作前，先启动风机进行通风，然后才能开启烘房，接通电阻丝，由物料传送系统开始运送工件进入烘房，开电动门1，推进工件至低温区，随即关闭电动门1，15分钟后开启电动门1，推进工件至高温区，同时推进第二件工件至低温区，工件在高温区加热15分钟后开启电动门2，推进工件出烘房，随即关闭电动门2，将工件推进至风箱冷却，然后电笛发出警报，通知工作人员风冷完毕。

第2章热处理车间控制要求

控制要求：

1.工件运送：

工件连续不断地由物料传送系统送入烘房，即当第一个工件由低温区被送至高温区的同时，第二个工件被送入低温区。

工件由物料传送系统从烘房门自动送入烘房低温区预热15min，再由物料传送系统自动送入高温区继续加热15min，然后由物料传送系统自动送出烘房。

工件送出烘房后由轴流风机风吹冷却15min，然后电笛发出警报声，通知工作人员风冷完毕。

2.升温过程：

在初始状态启动烘房时，为了缩短空烘房的升温时间，提高升温速度，要求四组电阻丝全部接入电路进行加热。

当烘房高温区的温度超过200摄氏度，切除两组50KW的电阻丝；当烘房温度超过250摄氏度时，切除两组100KW的电阻丝，同时接入两组50KW的电阻丝；当烘房温度达到300摄氏度时，使两组50KW的电阻丝投入PID自动运行方式，控制电阻丝的输出功率，以确保烘房高温区的温度保持在300摄氏度的恒温，确保工件在恒温下进行热处理。

3．其他控制：

风机将冷空气从风道送入烘房低温区预热后，再送入高温区继续加热。

开启烘房时，应先接通风机，后接通电阻丝；反之，关闭烘房时，先切断电阻丝，后停止风机运转。

烘房进出各设有一个电动门，各有一台电动机带动，两个电动门均可独立控制。

当电动机正转时，烘房电动门打开；当电动机反转时，电动门关闭。

电动门的控制分为自动和手动两种控制方式。

电动门的开、关到位由行程开关控制。

烘房门关闭到位时指示灯亮，表示烘房门关闭到位。

物料传送系统采用气压控制，其推进气缸由电磁阀控制。

自动工作时，只有当电动门开到位时才允许推进工件；且只有当工件推进到位时才能关闭电动门。

工件推进到位时，行程开关被压下。

第3章PLC控制器

3.1PLC的产生与发展

在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。

众所周知，继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。

如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。

另外，大型控制系统用继电器接触器控制，实用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。

为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想，要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。

为此，特定以下10项公开招标的技术要求，即：

（1）编程简单方便，可在现场修改程序；

（2）硬件维护方便，采用插件式结构；

（3）可靠性高于继电器接触器控制装置；

（4）体积小于继电器控制装置；

（5）可将数据直接送入计算机；

（6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB；

（7）输入可以是交流115V；

（8）输出为交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；

（9）通用性强，扩展方便；

（10）成本上可与继电器接触器控制系统竞争。

美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。

其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。

在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能。

所以当时人们将可编程序控制器称为PLC。

随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。

因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC，但人们习惯上仍称之为PLC，以便与个人计算机PC相区别。

80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。

这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。

PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。

为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会（IEC）于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，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、计数和算术运算等操作命令，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。

可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。

”

3.2PLC的基本结构

目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。

它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。

实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。

PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。

对于整体的PLC，这些部件都在同一个机壳内。

而对于模块式结构的PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。

主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。

根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。

常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM写入器等。

PLC可以配置通信模块与上位机及其他的PLC进行通信，构成PLC的分布式控制系统。

3.3PLC的基本工作原理

我们已经知道PLC是一种存储程序的控制器。

用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。

PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。

PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。

而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。

然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。

我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。

每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。

另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。

微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。

PLC扫描工作方式主要分三个阶段：

输入采样、程序执行、输出刷新。

1）输入采样

PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存

输入状态的输入映像寄存器中，这个过程成为输入采样。

PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。

在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。

2）程序执行

PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并

分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。

再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。

但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。

3）输出刷新

在执行到END指令，即执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。

PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理，通信处理等工作。

在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。

3.4PLC的控制系统

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以及提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用，维修方便。

（3）保证控制系统的安全、可靠。

（4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。

因此，PLC控制系统的基本内容包括如下几点：

（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等）、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

这些设备属于一般的电气元件。

（2）PLC的选择。

PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。

（3）分配I/O点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。

（4）设计控制程序。

包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。

控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全可靠的关键。

因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

（5）必要时还需设计控制台（柜）。

（6）编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。

传统的电气图，一般包括电气原理图、电气布置图及电气安装图。

在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。

它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此，在电气原理图中应增加PLC的输入、输出电气连接图（即I/O接口图）。

此外，在PLC控制系统中，电气图还应包括程序图（梯形图），可以称之为“软件图”。

向用户提供“软件图”，可方便用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。

3.5PLC的主要特点

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

1）可靠性高，抗干扰能力强

由PLC的定义我们知道，PLC是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC

时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。

（1）硬件措施

1.屏蔽：

对PLC的电源变压器、内部CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的

材料进行屏蔽，以防对外界的电磁干扰。

2.滤波：

在PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰。

3.隔离：

在PLC内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有效

地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作。

4.采用模块式结构：

这种结构有助于在故障情况下短时修复。

因为一旦查出某一模

块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。

（2）软件措施

1.故障检测：

设计了故障检测软件定期地检测外界环境。

如掉电、欠电压、强干扰

信号等，以便及时进行处理。

2.信息保护和恢复：

信息保护和恢复软件使PLC偶发性故障条件出现时，将PLC内

部信息进行保护，不遭破坏。

一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。

3.设置了警戒时钟WDT：

如果PLC程序每次循环执行时间超过了WDT规定的时间，预

示程序进入死循环，立即报警。

4.对程序进行检查和检测，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

由于采取了以上抗干扰的措施，一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。

2）通用性强，使用方便

PLC产品已系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和

配套部件。

用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。

用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。

对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。

3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便

PLC的各部件，均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。

系统的功能和

规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。

4）编程语言简单、易学，便于掌握

PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。

其主要的使用对象是广大的电气技术人员。

PLC的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采取了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。

5）系统设计周期短

由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的可控制要求配备适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。

6）对生产工艺改变适应性强

PLC的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软

件编程来实现的。

当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。

这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。

7）安装简单。

调试方便、维护工作量小

PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。

PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。

模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。

由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。

如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除故障。

这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。

3.6PLC与其他控制装置的比较

现代工业控制的三大支柱为PLC控制、机器人控制和CAD/CAM控制。

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，和另外两种控制装置相比较，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用。

第4章热处理车间PLC控制系统硬件设计

4.1PLC选型

本课题热处理车间温度PLC控制程序采用三菱FX2N系列PLC编程。

三菱公司FX系列PLC吸收了整体式和模块式可编程序控制器的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和宽度相同。

它们的相互连接不需要基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。

其体积小，很适于在机电一体化产品中使用。

FX系列PLC是由基本单元，扩展单元及特殊功能单元构成。

基本单元包括CPU、存储器、I/O接口部件和电源，是PLC的主要部分。

扩展单元式扩展I/O点数的装置，内部有电源；扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元和扩展单元供给。

扩展单元和扩展模块内无CPU，必须与基本单元一起使用。

特殊功能单元是以下特殊用途的装置，如进行模拟量控制的A/D、D/A转换模块，高速计数模块（HC），过程控制模块（PID）等特殊功能单元。

其中FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的卫星可编程序控制器。

其基本单元如表1所示，扩展模块如表2所示，扩展单元如表3所示。

用户存储器容量可扩展到16K步。

I/O点最大可扩展到256点。

它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。

有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速技术模块、脉冲输出模块、位置控制模块，如表4所示。

有多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板。

使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。

这为应用程序的设计提供了丰富的资源。

表1FX2N系列PLC基本单元

型号

输入点数

输出点数

扩展模块可用点数

继电器输出

可控硅输出

晶体管输出

FX2N-16MR-001

--

FX2N-16MT-001

8

8

24～32

FX2N-32MR-001

FX2N-32MS-001

FX2N-32MT-001

16

16

24～32

FX2N-48MR-001

FX2N-48MS-001

FX2N-48MT-001

24

24

48～64

FX2N-64MR-001

FX2N-64MS-001

FX2N-64MT-001

32

32

48～64

FX2N-80MR-001

FX2N-80MS-001

FX2N-80MT-001

40

40

48～64

FX2N-128MR-001

--

FX2N-128MT-001

64

64

48～64

表2FX2N系列PLC扩展模块

型号

输入点数

输出点数

输入

继电器输出

可控硅输出

晶体管输出

FX2N-16EX

--

--

--

16

--

FX2N-16EX-C

--

--

--

16

--

FX2N-16EXL-C

--

--

--

16

--

--

FX2N-16EYR

FX2N-16EYR

--

--

16

--

--

--

FX2N-16EYT

--

16

--

--

--

FX2N-16YET-C

--

16

表3FX2N系列PLC扩展单元

型号

输入点数

输出点数

扩展模块可用点数

继电器输出

可控硅输出

晶体管输出

FX2N-32ER

____

FX2N-32ET

16

16

24～32

FX2N-48ER

____

FX2N-48ET

24

24

48～64

表4FX2N系列PLC特殊功能模块

种类

型号

功能概要

定位高速计数器

FX2N-1PG

脉冲输出模块、单轴用，最大频率100KHZ，顺序控制程序控制

FX2N-1HC

高速计数模块，1相1输入，1像2输入：

最大50KHZ，2相序输入：

最大50KHZ

模拟输入模块

FX2N-4AD

模拟输入模块，12位4通道电压输入：

直流±10V；电流输入：

±20mA

模拟量输出模块

FX2N-4AD-PT

模拟输出模块，12位4通道，电压输出：

±10V；电流输出：

（+4～±20）mA

FX2N-4AD-TC

PT–100型温度传感器用模块，4通道输入

FX2N-4AD-TC

热电偶型温度传