基于plc控制的加热炉温度控制系统设计[1]

基于plc控制的加热炉温度控制系统设计[1]内容摘要：

凑的次数增多，因此增加了得到最佳整定参数的难度。 采样信号和控制量分析 本系统共有一个模拟量（温度）信号，从模拟量地址的 288 读入 PLC。 三个数字量控制固态继电器。 其余变量如表 22所示。 表 22 变量表 序号 采样信号名称 性质（开关、模拟） 传感器 占用硬件资源 说明 1 AI0 模拟量 热电 偶 I288 从外界读入的温度 信号 2 DI0 开关 量 启动信号 3 DI1 开关量 停止信号 4 DI2 开关量 温度继电器高温信 号 5 DI3 开关量 温度继电器低温信 号 6 DI5 开关量 缺相报警输入 7 DI6 开关量 过载保护信号 8 DO0 开关量 A 相固态继电器控 制信号 9 DO1 开关量 B 相固态继电器控 制信号 10 DO2 开关量 C 相固态继电器控 河北机电职业技术学院 8 制信号 11 DO3 开关量 缺相报警 12 DO4 开关量 高温指示灯 13 DO5 开关量 低温指示灯 14 DO6 开关量 KA线圈 系统组成 本系统的结构框图如图 23所示。 图 23 系统结构框图 由图 23可知，温度传感器采集到数据后送给 S7300PLC， S7300PLC 通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。 上位机是编写 PLC程序以及监控温度的变化。 河北机电职业技术学院 9 第三章 硬件设计 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领 域。 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。 为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。 可编程序控制器（ Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。 本章主要介绍西门子 S7300 系列 PLC 以及其它硬件的组成与选型。 PLC 的基本概念 可编程序控制器简称为 PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。 PLC 已 经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中， PLC 在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。 模块式 PLC 的基本结构 这里我们主要介绍的是西门子 S7300， S7300 属于模块式 PLC。 西门子的 PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。 S7300 模块式 PLC，主要由机架、 CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。 通过 CPU模块或通信模块上的通信接口， PLC 被 连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC 或其它设备通信。 图 31是 PLC 控制系统的示意图。 河北机电职业技术学院 10 图 31 PLC 控制系统示意图 CPU 模块： CPU 模块主要由微处理器和存储器组成， S7300 将 CPU 模块简称为CPU。 在 PLC 控制系统中， CPU 模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。 信号模块：输入（ Input）模块和输出（ Output）模块一般简称为 I/O 模块，开关量输入 /输出模块简称为 DI 模块和 DO 模块，模拟量输入 /输出模块简称 为 AI模块和 AO 模块，在 S7300 中统称为信号模块。 信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。 在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管 、小型继电器等器件来隔离 PLC 的内部电路和外部的输入、输出电路。 功能模块：为了增强 PLC 的功能，扩大应用领域，减轻 CPU 的负担， PLC 厂家开发了各种各样的功能模块。 主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。 接口模块： CPU 模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。 接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。 河北机电职业技术学院 11 通信处理器：通信处理器用于 PLC 之间、 PLC 与远程 I/O 之间、 PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以 将 PLC 接入 MPI、 PROFIBUSDP、 ASi 和工业以太网，或者用于点对点通信。 电源模块： PLC 一般使用 AC 220V 电源或 DC 24V 电源，电源模块用于将输入电压转换为 DC 24V 和背板总线上的 DC 5V 电压，供其他模块使用。 编程设备： S7300 使用安装了编程软件 STEP7 的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。 程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。 程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。 编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。 PLC 的特点 编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的 PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 功能强，性能价格比高：一台小型的 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。 与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。 PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强： PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。 可靠性高，抗干扰能力强： PLC 用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。 S7300 有极强的故障诊断能力。 PLC 使用 了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC 已被公认为最可靠的工业控制设备之一。 系统的设计、安装、调试工作量少： PLC 用软件功能取代了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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。 这种设计方法很有规律，容易掌握。 可以在实验室模拟调试 PLC 的用户程序，用小开关来模拟 河北机电职业技术学院 12 输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的 多。 维修工作量小，维修方便： PLC 的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。 PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据 PLC 上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。 PLC 的工作原理 PLC 的循环处理过程 CPU 中的程序分为操作系统和用户程序。 操作系统用来处理 PLC 的起动、刷新输入 /输出过程 映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。 用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。 STEP7 将用户程序和程序所需的数据放置在块中，功能块 FB 和功能 FC 相当于用户编写的子程序，系统功能 SFC 和系统功能块 SFB 是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。 PLC 采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。 OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。 PLC 得电或由 STOP 模式切换到 RUN 模式时 ， CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。 此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块” OB100，完成用户指定的初始化操作。 以后进入周期性的循环运行。 图 32是扫描过程。 结合图简要介绍下扫描过程： （ 1）操作系统启动循环时间监控； （ 2） CPU 将输出过程映像区的数据写到输出模块； （ 3） CPU 读输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区； （ 4） CPU 处理用户程序，执行用户程序中的指令； （ 5）在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务 ； （ 6） CPU 返回第一阶段，重新启动循环时间监控。 河北机电职业技术学院 13 图 32 扫描过程 在启动完成后，不断地循环调用 OB1，在 OB1 中可以调用其他逻辑块（ FB、 SFB、FC、 SFC）。 循环程序处理过程可以被某些事件中断。 如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。 该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。 在 PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输 入过程映像区和输出过程映像区。 PLC 梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。 在循环程序处理过程中， CPU 并不直接访问 I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问 CPU 内部的过程映像区。 在写输出模块阶段， CPU 将输出过程映像区的状态传送到输出模块。 梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为 1 状态。 信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中的线圈“断电”，对应的输出过程映像位为 0 状态，在写输出模块阶段之后， 继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。 在读输入模块阶段， PLC 把所有外部输入电路的接通 /断开状态读入输入过程 河北机电职业技术学院 14 映像区。 外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位为 1 状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。 外部输入触点电路断开时，对应的输入过程映像位为 0状态，梯形图中对应的输入位的常开触点断开，常闭触点通。 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入过程映像位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块 阶段被读入。 用户程序的执行过程 PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。 在没有跳转指令和块调用指令时， CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。 在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的 0、 1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容随着程序的执行而变化。 循环时间是指操作系统执行一次如图 所示的循环操作所需的时间，包括执行 OB1 中的程 序段和中断该循环的系统操作的时间，也称扫描循环时间或扫描周期。 循环时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。 S7300简介 S7300 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。 品种繁多的 CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。 S7300 有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有 350 多条指令，其编程软件 STEP7 功能强大，可以使用多种编程语言。 S7300 采用紧凑的、无 槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。 数字量输入模块 数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。 数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为 PLC 内部的信号电平。 输入电路中一般设有 RC。