基于PLC的加热炉自动上料控制系统.docx

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基于PLC的加热炉自动上料控制系统

基于PLC的加热炉自动上料控制系统

摘要

可编程逻辑控制器是集微处理器，存储器，输入输出接口与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造，冶金，化工，能源，交通等各个行业。

PLC具有较强的逻辑运算能力，可以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制，在现代工业生产过程中，有许多连续变化的模拟量，如温度，压力，流量，液位等，可编程逻辑控制器可实现对模拟量的控制。

本次设计针对加热炉自动上料控制系统，考虑到生产实际工程，以工业生产中常见的加热炉为主体，分析并设计它的自动上料控制系统。

控制运料小车在生产轨道上的动作，生产轨道上设有行程开关，可以让小车自动发出信号，控制炉门的开闭，同时小车前进后退与卸料过程都可以自动实现。

这次设计完成了主电路，辅助电路的设计。

另外设计出了控制系统对应的梯形图，通过PLC编程程序，用STEP-7软件和S7-200联机调试，成功地仿真了整个生产工程，运行良好，达到了设计的目标。

通过组态王软件和S7-200联机调试，模拟加热炉自动上料控制系统的生产现场，也取得了很好的效果。

关键词：

S7-200PLC，加热炉，自动上料，STEP-7

PLC-BASEDAUTOMATICFEEDINGOFTHEFURANCECONTROLSYSTEM

ABSTRACT

Programmablelogiccontrollerisamicroprocessor,memory,input-outputinterfacewiththeinterruptionofthesysteminonedevice,hasbeenwidelyusedinmachinebuilding,metallurgy,chemicalindustry,energy,transportationandotherindustries.PLClogicwithstrongcomputingpower,canachieveavarietyofswitchfromthesimpletothecomplexlogiccontrol,intheprocessofmodernindustrialproduction,therearemanyanalogcontinuouschange,suchastemperature,pressure,flow,level,etc.,Programmablelogiccontrollercanberealizedontheanalogcontrol.

Thedesignforthefurnacecontrolsystemforautomaticfeeding,takingintoaccounttheproductionoftheactualworkstothecommonindustrialproductionforthemainfurnace,analysisanddesignofitscontrolsystemforautomaticfeeding.Thecontrolledcartrackintheproductionoftheaction,theproductionontrackwithtripswitch,sothatcarscanautomaticallysendasignaltocontroltheopeningandclosingdoor,atthesametimedischargingcarforwardandbackwardprocesscanbeself-fulfilling.Thedesigniscompletedthemaincircuit,auxiliarycircuitdesign.Inadditiontodesignacontrolsystemcorrespondstotheladder,throughthePLCprogrammingprocedures,theSTEP-7softwareandS7-200onlinedebugging,thesuccessfulsimulationoftheentireproductionengineering,agoodrun,reachingthedesigngoals.KingviewthroughS7-200softwareandonlinedebugging,simulationfurnaceautomaticcontrolsystemfortheproductionofmaterialsatthescene,butalsoachievedgoodresults.

KEYWORDS:

S7-200PLC,furnace,automaticfeeding,STEP-7

摘要

ABSTRACT

前言

第1章可编程控制器概述

1.1可编程控制器的产生背景

1.2继电器控制系统与PLC控制系统的比较

1.3可编程控制器的综述与发展趋势

1.3.1可编程控制器的特点

1.3.2可编程控制器的分类

1.3.3可编程控制器的应用范围

1.3.4可编程控制器的发展趋势

第2章可编程控制器的硬件结构和工作原理

2.1PLC的硬件结构

2.2PLC的扫描工作原理

2.3S7-200系列PLC

2.3.1S7-200系列PLC的主要功能

2.3.2S7-200系列的组网

2.4PLC的基本编程元件

第3章可编程控制器的设计技巧

3.1可编程控制器的编程

3.1.1可编程控制器的编程原则和技巧

3.1.2可编程控制器控制系统的设计步骤

3.2可编程控制器应用中常见的问题

第4章加热炉自动上料控制系统的设计

4.1设计的具体过程

4.1.1设计任务

4.1.2设计意义

4.1.3设计方案的选择

4.1.4设计流程图

4.2加热炉自动上料控制系统的方案实施

4.2.1分析生产过程并确定I/O点数

4.2.2合理分配I/O端口并制表

4.3绘制电路图与梯形图

4.3.1绘制主电路图

4.3.2绘制辅助电路接线图

4.3.3画出梯形图

4.4用STEP-7软件与S7-200联机调试

第4章组态王工程的建立与仿真

5.1组态主画面的建立

5.1.1组态画面的建立

5.1.2定义IO设备

5.1.3构造数据库

5.2建立动画连接

5.3组态王软件与S7-200联机模拟生产过程

致谢

参考文献

附录

外文资料译文

前言

可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）通常称为可编程控制器，英文缩写为PLC，是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更是得到用户的好评。

它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备。

目前已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并已跃居现代工业控制三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）的首位。

可编程控制器在工业控制领域中应用十分广泛，用继电器控制的系统中，要完成一个任务，需要有导线接入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与用若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑功能的控制电路相连接，然后通过输出设备（接触器、电磁阀等执行系统）去控制被控对象的动作或运行。

这种控制系统称作接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。

这种控制系统的设备体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高、通用性和灵活性差，已不能满足现代化生产过程中生产工艺复杂多变的控制要求。

传统的继电器—接触器控制模式，它是由接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制系统。

尤其是它在辅助电路方面的设计较为复杂，接线繁多。

另外它的使用具有单一性，即一台控制装置是针对某一固定程序的设备而设计，当程序变更是，就需要重新配线。

PLC以微处理器为核心的新兴工业控制器。

它把计算机的功能完备、灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制系统的操作方便、价格低、简单易懂等优点结合起来，成为一种适应工业环境的通用控制装置，并独具一格地采用以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使编程方法和程序输入更加简捷，即使不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。

对于工业生产尤其是车床或生产流水线的控制采用PLC控制，很容易实现，另外它的成本低，通用性和耐用性都很强.

在国外，可编程控制器产生于20世纪60年代末期，当时美国的汽车工业竞争十分激烈，各生产厂家为适应市场需求，不断更新汽车型号，要求相应的加工生产线随之改变，整个继电器—接触器顺序控制系统也要重新设计和配置。

这样不但造成设备的浪费，而且新系统的接线也十分费时。

为了尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线所需的成本和时间，1968年美国最大的汽车制造商—通用汽车公司（GM）向全球招标开发研制新型的工业控制装置以取代继电器控制装置，特定10项招标的技术要求：

（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）可靠性要高于继电器控制装置。

（4）体积小于继电器控制装置。

（5）可将数据直接送入管理计算机。

（6）成本上可与继电器控制装置竞争。

（7）输入可以是交流115V。

（8）输出交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。

（9）扩展时，原有系统只需做很小的改动。

（10）用户程序存储器的容量至少可以扩展到4KB。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据通用汽车公司（GM）向全球招标的技术要求，研制了第一台可编程逻辑控制器，投入通用汽车公司的生产线过程控制系统中，取得了极佳的效果。

1971年，日本从美国引进了这项技术，并很快研制成了日本第一台可编程控制器。

随后德国，法国也研制了自己的可编程控制器并在工业领域开始使用。

我国从1974年开始研制，并与1977年开始工业应用。

20世纪70年代末到80年代初，随着微电子技术的发展，微处理技术日趋成熟，使可编程控制器的处理速度大为提高，同时增加了许多特殊的功能：

数值运算、函数运算、查表等，使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。

进入20世纪80年代后，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位微处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性价比等方面有了重大突破。

可编程控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。

近10年来，我国的PLC研制、生产、应用也发展很快。

特别是在应用方面，在引进一些成套设备的同时，也配套引进不少PLC。

如上海宝刚第一期工程，就采用了250台，第二期也采用了108台。

又如天津化纤厂、秦川电站、北京吉普车生产线、西安的彩电和冰箱生产线等等都采用了PLC控制。

第1章可编程控制器概述

1.1可编程控制器的产生背景

在20世纪60年代以前，工厂里实现生产过程自动控制的设备主要是以继电器为主要元件的控制装置，复杂的控制系统可能要使用成百上千个各式各样的继电器，用成千上万根导线连接起来。

在当时，这种控制装置在生产上取得了广泛的成果。

但是它本身固有的缺陷也大大限制了它的应用范围。

比如，由于它是采用大量的继电器作为主要元件，机械触点过多，特别是复杂的控制系统，如果某一个继电器损坏，甚至某一对触点接触不良都会影响整个系统的正常运行，因此可靠性不高；当系统出现故障时，要进行检查和排除又非常困难，因此，不便与维护；一个复杂的控制装置的安装、接线的工作量极大，采用继电器元件过多，因此，价格昂贵；当工艺要求发生变化时，控制装置需要重新设计、安装、调试，因此可移植性差。

随着现代社会生产的发展和技术进步，人们迫切需要一种新的控制装置，使控制系统工作更可靠、更便于维护、可移植性更强。

社会的呼声越来越高，在这种情况下，1969年研制出第一台可编程控制器，并投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了极佳的效果，从此开创了可编程控制器的新纪元。

可编程序控制器简称PLC，是20世纪60年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。

它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。

当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色。

1.2继电器控制系统与PLC控制系统的比较

一、继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器-接触器的触点串联或并联组成控制系统，连线多，体积大，触点数量有限。

系统一旦设计成功之后，改变或增加功能十分困难。

PLC采用计算机技术，控制逻辑以程序的方式存放在存储器中，采用“软继电器”的概念，实质上是存储器单元的状态，因此软继电器的触点是无限的，要改变或增加功能，只需改变程序即可，与外部的硬件接线关系不大，并且系统连线少，体积小，功耗少。

二、继电器控制电路采用并行的工作方式，电源接通后，电路中所有的继电器都处于受制约的状态，该吸合的继电器吸合，不该吸合的继电器受制约不能吸合。

PLC采用串行工作方式，循环扫描，受同一条件制约的各个继电器动作次序决定于程序扫描顺序。

三、继电器控制系统依靠机械触点的动作来实现控制，机械触点容易出现抖动，工作频率低。

PLC通过程序指令控制，程序指令执行的时间通常以微秒级累加的，因此“软继电器”不存在抖动的问题。

四、继电器控制系统采用大量的机械触点，存在机械磨损和电弧烧伤的问题，寿命短，系统连线多，可靠性和可维护性差。

PLC控制系统开关动作由无触点的半导体电路完成，其寿命长，可靠性高，患有自诊断功能，自动查出故障显示给工作人员，为现场维护和调试提供了方便。

考虑到上述的区别，本次对加热炉控制系统的设计采用PLC编程，有很大的优势和应用前景。

1.3可编程控制器的综述与发展趋势

1.3.1可编程控制器的特点

一、可靠性高，抗干扰能力强

工业生产对控制设备的可靠性要求：

①平均故障间隔时间长，②故障修复时间（平均修复时间）短。

任何电子设备产生的故障，通常为两种：

①偶发性故障。

由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。

这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。

但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

②永久性故障。

由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。

为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。

二、通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

三、功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

四、编程简单，容易掌握

目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图的习惯与编程水平，所以非常容易接受和掌握。

梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工能够很快就能学会用梯形图编制控制程序。

同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

五、减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

六、体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

七、对生产工艺改变适应性较强，可进行柔性生产。

1.3.2可编程控制器的分类

一、小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

二、中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。

它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

三、大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软、硬件功能极强。

具有极强的自诊断功能。

通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。

大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

1.3.3可编程控制器的应用范围

1.开关逻辑控制

2.模拟量控制

3.顺序（步进）控制

4.定时计数控制

5.闭环过程控制

6.数据处理

7.通信和联网

1.3.4可编程控制器的发展趋势

一、向高速度、大容量方向发展

为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。

目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。

PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。

为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

二、向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

三、PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

PLC的联网通信有两类：

一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

四、增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：

在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。

因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

五、编程语言多样化

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。

六、加强PLC通信联网的信息处理能力

在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。

小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。

随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。

也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。

七、PLC向开放性发展

早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。

目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。

十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC 61131-3、IEEE 802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。

例如，AEG Schneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC 61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。

高度分散控制是一种全新的工业控制结构，不但控制功能分散化，而且网络也分散化，所谓高度分散化控制，就是控制算法常驻在该控制功能的节点上，而不是常驻在PLC上或PC上，凡挂在网络节点上的设备，均