反應(yīng)釜溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25974反應(yīng)釜溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計案例 182341.1PLC控制系統(tǒng)概述 1305601.1.1PLC系統(tǒng)組成 271601.1.2PLC工作原理 3120201.2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 4136661.2.1 I/O數(shù)量統(tǒng)計 4242911.2.2PLC硬件選型 5315381.2.3現(xiàn)場儀表 6118391.2.4PLC硬件設(shè)計 7178801.3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 9211801.3.1創(chuàng)建項目的具體流程 9161831.3.2軟件仿真 10在我們?nèi)粘９に嚋乜氐倪^程中，其重點在于對PLC的生產(chǎn)過程進行有效的溫度控制，實際上是對溫度、液位、流量等參數(shù)進行控制，然后能通過顯示屏來實時監(jiān)控反應(yīng)釜的狀態(tài)并加以調(diào)整規(guī)范。1.1PLC控制系統(tǒng)概述最開始我們所了解的PLC系統(tǒng)只是單純的對邏輯開關(guān)、順序控制、定時、計時等指令有所研究，但隨著技術(shù)的進步，在原有的基礎(chǔ)上又添加了模擬量處理和運動控制指令等。在控制系統(tǒng)中在運動控制、過程控制中發(fā)揮著極其重要的作用之外，其在邏輯控制中的作用是最大的[24]。如圖1.1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1.1PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.1PLC系統(tǒng)組成（1）PLC主要由CPU、RAM、ROM、電源、I/O口等元件組成。系統(tǒng)硬件的基本機構(gòu)大致相同，硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2PLC硬件圖PLC其本質(zhì)是一種用于工業(yè)控制的微型計算機。硬件系統(tǒng)的功能組件如下所示：CPU是PLC控制系統(tǒng)的核心部分。在執(zhí)行系統(tǒng)程序和用戶程序時，通過掃描系統(tǒng)各部分的程序運算、診斷、執(zhí)行狀態(tài)等功能時，相應(yīng)的儲存單元儲存著相應(yīng)的操作結(jié)果。PLC的存儲單元是存儲器，分為RAM和ROM兩種，RAM存儲器可用于讀寫操作，也可用于某些程序的讀寫；用于系統(tǒng)程序和工作數(shù)據(jù)的存儲的是只讀ROM存儲器。PLC與外部設(shè)備的接口是I/O口。I口單元的功能：接收到的信號是由外部設(shè)備傳送的，O口單元的功能：將PLC的輸出信號送給受控制設(shè)備，對執(zhí)行元件進行控制。通常，PLC電源中使用220V交流或24V直流電，為CPU內(nèi)部電路和PLC內(nèi)存進行供壓（5V、12V、24V），來保證它的正常運作。能在兩個接口模塊間（基本單元和功能模塊）靈活走動來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種要求的是擴展I/O口的功能。1.1.2PLC工作原理PLC的工作過程：當PLC開啟時，第一步就是對系統(tǒng)進行初始化，下載到PLC存儲器中的用戶程序進行自診斷。如果CPU、內(nèi)存和I/O部件異常，將發(fā)出錯誤報警。如果沒有異常情況，系統(tǒng)將繼續(xù)向下掃描。檢查完畢后，PLC檢查外部設(shè)備的通信請求，如果有相應(yīng)的處理后，則在上述工作流程完成中后，用戶程序就可開始啟動運行，掃描過程則是由順序掃描完成，其三個階段為下圖1.3所示中間部分的階段，這三個階段一旦完成則就稱之為一個完整的時間周期。圖1.3PLC工作原理圖中間階段的第一部分中，PLC讀入輸入接口信號狀態(tài)應(yīng)該在執(zhí)行用戶程序之前進行，并將輸入過來的信號存儲在對應(yīng)的位置上，這樣就完成了第一部分的過程。在此部分循環(huán)中，用于運行后續(xù)程序的輸入信號的值全部取自輸入圖像記錄單元中之前已經(jīng)保存過的信息加以利用。在此階段內(nèi)，掃描周期輸入采樣值變不變化與輸入接口的信號狀態(tài)變不變化沒有實質(zhì)性的關(guān)系。在中間部分的第二階段中中，讀取用戶指令程序由CPU完成，讀取程序中使用的信息，根據(jù)用戶程序的具體要求，進行數(shù)據(jù)操作處理等，而且在此過程中就已經(jīng)完成了相應(yīng)寄存單元數(shù)據(jù)的修改。在中間部分的第三個階段中，CPU運行完用戶程序之后，會記錄相應(yīng)的結(jié)果并寫入相應(yīng)的輸出映像寄存單元，然后將信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的數(shù)據(jù)單元中，用于輸出鎖存。通過PLC隔離電路和導(dǎo)電功率放大電路，向外界發(fā)出必要的控制信號可以由輸出端完成，并對執(zhí)行元件進行控制。其掃描時間取決于CPU速度、模塊I/O數(shù)量和用戶程序的復(fù)雜性。以上即為一個掃描周期介紹。1.2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.2.1 I/O數(shù)量統(tǒng)計了解并分析反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的工藝流程要求后，對I/O口的各項分布也要有個明確的總結(jié)。這些東西是要在確定反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)硬件選型之前完成的，下表1.4為I/O口的分配情況。表1.4I/O地址分配表PLC輸入點功能PLC輸出點功能I0.0啟動Q0.0原料閥門I0.1停止Q0.1電機運行I0.2急停Q0.2冷卻水泵PIW0高液位傳感器Q0.3冷卻水閥PIW2低液位傳感器Q0.5自動運行指示燈PIW4反應(yīng)釜內(nèi)溫度Q0.6故障指示燈PIW6反應(yīng)釜夾套溫度Q0.7卸料閥PIW8反應(yīng)釜PQW8攪拌器變頻控制PQW10加熱控制I/O口分配時不能對其進行隨意分配，它是有自己的安排的要根據(jù)控制點的實際需要進行連接的。我們?nèi)绻粚Ψ磻?yīng)釜的結(jié)構(gòu)和環(huán)節(jié)進行討論的話，就有可能忽視主要環(huán)節(jié)溫度控制（核心）。PLC溫度控制系統(tǒng)涉及的控制點主要分為以下幾種：（1）PIW（模擬量輸入）為溫度、液位、流量等檢測信號。（2）數(shù)字量輸入（I）主要包括電機的手動狀態(tài)、電機的運行狀態(tài)、閥門開/關(guān)等信號值。（3）數(shù)字量輸出（D）主要包括閥門的啟停信號、電機的啟停信號、冷卻系統(tǒng)合適啟動和停止等。1.2.2PLC硬件選型體積小、速度快、功能強大、可靠性高等是西門子S7系列PLC被大眾所認可的優(yōu)點，因此它被大部分工廠企業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為了構(gòu)建出較為完善的溫度控制系統(tǒng)我們就采用了S7-300PLC。各硬件結(jié)構(gòu)介紹如下：（1）中央處理單元模塊（CPU）CPU作為PLC的核心，必須根據(jù)CPU的存儲空間、計算速度、通信資金和編程資源的要求來選擇。如表1.5所示為不同類型CPU的分類。經(jīng)濟性和穩(wěn)定性是所有工廠企業(yè)優(yōu)先考慮的事情，故PLC的性能要求一定要滿足這兩個特點才能在社會上被優(yōu)先考慮。在日常工藝生產(chǎn)的不斷發(fā)展中，控制系統(tǒng)會不斷地改變或增加新的功能，因此選用的PLC也必須具有一定的可擴展性，綜合考慮后選用CPU312C-2DP，即性價比高、具有一定的可擴展性。表1.5CPU選型表CPU型號AIAODIDO集成功能CPU312C00106MPICPU313C422416MPICPU312C-2PtP001616MPI、RS422/485接口CPU313C-2DP001616MPI、ProfibusDP主/從站接口CPU314C-2PtP422416MPI、RS422/485接口CPU314C-2DP422416MPI、ProfibusDP主/從站接口CPU314C-2/PNDP422416MPI、ProfibusDP主/從站接口、Profinetl/O設(shè)備接口（2）電源模塊（PS）上面中已經(jīng)提到過這個模塊就是把交流電轉(zhuǎn)化成所需要的直流電對各個模塊進行持續(xù)不斷的供電。（3）接口模塊（IM）它將擴展機架（ER）連接到主機架（中央機架，CR），安裝位置在CPU的右側(cè)。。S7-300PLC上的CPU機架稱為主機。當主機中的I/O模塊數(shù)量（最多8個）達不到系統(tǒng)所需要求時，那么擴展口就起到了相應(yīng)的作用，就可以對系統(tǒng)進行擴充I/O口。（4）信號模塊（SM）I/O模塊的一貫說法就是這個，它會供應(yīng)相應(yīng)的電流電壓處理信號，使CPU與外部設(shè)備連接，5V的直流電是CPU的工作狀態(tài)下的電壓，24V、4~20mA的標準直流電為I/O模塊所需的電壓電流。1.2.3現(xiàn)場儀表（1）溫度傳感器對釜內(nèi)原料的溫度和管內(nèi)導(dǎo)熱油的溫度進行監(jiān)測一定要放在反應(yīng)釜反應(yīng)之前。它的精度測量甚至影響到控制器的控制輸出信號而且還對最終的產(chǎn)品、安全問題有直接影響。綜上所述我們所選的傳感器一定要穩(wěn)定且準確?？梢詫囟绒D(zhuǎn)化成輸出信號的傳感器就是它，熱電阻具有強度高、抗壓、性能可高、穩(wěn)定等優(yōu)點故被絕大多數(shù)企業(yè)和工廠所用。它還能在不需要補償導(dǎo)線的強狂下測量出此實驗中所產(chǎn)不管氣液固等東西只要在-200-500℃溫度范圍內(nèi)的溫度[25]。（2）流量計流量計廣泛應(yīng)用于石油、化工、電能、輕工等工業(yè)管道中的液體或氣體流量的測量，流量計無需移動機械部件，可靠性高，維護量小。（3）調(diào)節(jié)閥簡單來說它就是借助外界力量來改變閥門的大小進而可以控制原料、液體、固體等的流速。選擇調(diào)節(jié)閥是一個非常重要的決定，因為它牽扯到安全性和可靠性等。它的調(diào)節(jié)非常的非常的重要，因為不管是簡單的、復(fù)雜的控制系統(tǒng)它都在最后階段才施行。若調(diào)節(jié)閥動作不到位，會直接影響系統(tǒng)的正常工作[26]。本實驗沒有對調(diào)節(jié)閥開度做過多深入研究。（4）變頻器它主要是調(diào)節(jié)循環(huán)泵和電機/功率并進行不同的變速操作，它不僅可以在運行過程中對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，還能節(jié)能。因此變頻器被多數(shù)工藝所使用。變頻器也可不加在工藝過程中通過經(jīng)驗來對電機進行手動控制。1.2.4PLC硬件設(shè)計（1）PLC控制柜電路：PLC控制柜電路采用從整體到局部。柜內(nèi)元件包括UPS電源、PLC、功能模塊、開關(guān)電源、斷路器、變壓器、接線端子等。程序流程圖如圖1.6所示。圖1.6程序流程圖（2）I/O端口程序設(shè)計如圖1.7所示：啟動按鈕按下自動運行指示燈亮起，通過經(jīng)驗手動打開電機進行轉(zhuǎn)動，當原料到達高液位時，原料閥門關(guān)閉，若在低液位時，原料閥門開啟對反應(yīng)釜內(nèi)添加原料。通過模擬量輸入反應(yīng)釜內(nèi)溫度過高時，冷卻系統(tǒng)啟動，對釜內(nèi)壁充冷卻水進行降溫；當釜內(nèi)溫度過低時，加熱系統(tǒng)就會對釜內(nèi)溫度進行加熱；當檢測到反應(yīng)釜夾套溫度過低時，加熱系統(tǒng)又重新進行加熱。按下急停按鈕時，故障指示燈亮起。所有模塊均無毛病時，卸料閥打開生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品。圖1.7I/O設(shè)計圖1.3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計用Step7進行PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的步驟為：（1）設(shè)計相應(yīng)的自動化解決方案要根據(jù)工藝流程及其控制要求。（2）創(chuàng)建項目在Step7中。（3）硬件組態(tài)在此項目創(chuàng)建中進行。（4）編寫PLC程序。（5）保存下載下來并進行調(diào)試。1.3.1創(chuàng)建項目的具體流程我們要根據(jù)用戶每個人的具體要求再在Step7管理器中調(diào)整，當用戶第一次進入Step7管理器界面時候，就需要建立一個項目來管理和運行自己程序操作。之后出現(xiàn)新建項目的向?qū)?。再點“下一步”之后，在這個界面對CPU選型找到所需要的CPU及CPU314C-2DP。CPU選型完成后，有一個完成選項點擊，之后就成功建立新項目成功。如果自己所選設(shè)備與實際設(shè)備不相符時，就需要用戶自己自行選擇正確的類型設(shè)置。再點“下一步”即可。上述結(jié)束之后，就會出現(xiàn)一個窗口，在窗口中項目的名稱可以根據(jù)自己的想法修改，這樣可以方便自己找到并使用。之前的步驟完成后就可以點擊“完成”，一個全新的項目就此建立成功?；谖鏖T子PLCS7-300的間歇反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)主要由OB1主程序、OB100系統(tǒng)初始化模塊、OB34循環(huán)中斷程序等功能模塊組成。當PLC被觸發(fā)時，其工作狀態(tài)從停止模式變?yōu)閳?zhí)行模式。PLC的CPU單元首先執(zhí)行OB100系統(tǒng)初始化模塊，對系統(tǒng)的控制參數(shù)進行賦初值，并將控制執(zhí)行器恢復(fù)到初始控制狀態(tài)，為系統(tǒng)下一步做準備。當CPU完成系統(tǒng)參數(shù)初始化、故障診斷等操作后,開始循環(huán)運行主程序OB1，主程序OB1主要負責調(diào)動預(yù)先準備編制好的功能塊（FB）、功能（FC）等程序塊，順利完成對應(yīng)的控制功能。1.3.2軟件仿真自動運行指示燈：停止、急停按鈕處于常閉狀態(tài)，