反應(yīng)釜溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì) 4136661.2.1 I/O數(shù)量統(tǒng)計(jì) 4242911.2.2PLC硬件選型 5315381.2.3現(xiàn)場(chǎng)儀表 6118391.2.4PLC硬件設(shè)計(jì) 7178801.3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 9211801.3.1創(chuàng)建項(xiàng)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^(guò)程中，其重點(diǎn)在于對(duì)PLC的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效的溫度控制，實(shí)際上是對(duì)溫度、液位、流量等參數(shù)進(jìn)行控制，然后能通過(guò)顯示屏來(lái)實(shí)時(shí)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(kāi)始我們所了解的PLC系統(tǒng)只是單純的對(duì)邏輯開(kāi)關(guān)、順序控制、定時(shí)、計(jì)時(shí)等指令有所研究，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，在原有的基礎(chǔ)上又添加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制指令等。在控制系統(tǒng)中在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)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(jī)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(jì)算機(jī)。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(hù)程序時(shí)，通過(guò)掃描系統(tǒng)各部分的程序運(yùn)算、診斷、執(zhí)行狀態(tài)等功能時(shí)，相應(yīng)的儲(chǔ)存單元儲(chǔ)存著相應(yīng)的操作結(jié)果。PLC的存儲(chǔ)單元是存儲(chǔ)器，分為RAM和ROM兩種，RAM存儲(chǔ)器可用于讀寫(xiě)操作，也可用于某些程序的讀寫(xiě)；用于系統(tǒng)程序和工作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的是只讀ROM存儲(chǔ)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(hào)是由外部設(shè)備傳送的，O口單元的功能：將PLC的輸出信號(hào)送給受控制設(shè)備，對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)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(jìn)行供壓（5V、12V、24V），來(lái)保證它的正常運(yùn)作。能在兩個(gè)接口模塊間（基本單元和功能模塊）靈活走動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種要求的是擴(kuò)展I/O口的功能。1.1.2PLC工作原理PLC的工作過(guò)程：當(dāng)PLC開(kāi)啟時(shí)，第一步就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，下載到PLC存儲(chǔ)器中的用戶(hù)程序進(jìn)行自診斷。如果CPU、內(nèi)存和I/O部件異常，將發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警。如果沒(méi)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(qǐng)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(hù)程序就可開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行，掃描過(guò)程則是由順序掃描完成，其三個(gè)階段為下圖1.3所示中間部分的階段，這三個(gè)階段一旦完成則就稱(chēng)之為一個(gè)完整的時(shí)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(hào)狀態(tài)應(yīng)該在執(zhí)行用戶(hù)程序之前進(jìn)行，并將輸入過(guò)來(lái)的信號(hào)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的位置上，這樣就完成了第一部分的過(guò)程。在此部分循環(huán)中，用于運(yùn)行后續(xù)程序的輸入信號(hào)的值全部取自輸入圖像記錄單元中之前已經(jīng)保存過(guò)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(hào)狀態(tài)變不變化沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的關(guān)系。在中間部分的第二階段中中，讀取用戶(hù)指令程序由CPU完成，讀取程序中使用的信息，根據(jù)用戶(hù)程序的具體要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)操作處理等，而且在此過(guò)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(gè)階段中，CPU運(yùn)行完用戶(hù)程序之后，會(huì)記錄相應(yīng)的結(jié)果并寫(xiě)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(guò)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(hào)可以由輸出端完成，并對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行控制。其掃描時(shí)間取決于CPU速度、模塊I/O數(shù)量和用戶(hù)程序的復(fù)雜性。以上即為一個(gè)掃描周期介紹。1.2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1.2.1 I/O數(shù)量統(tǒng)計(jì)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(duì)I/O口的各項(xiàng)分布也要有個(gè)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(diǎn)功能PLC輸出點(diǎn)功能I0.0啟動(dòng)Q0.0原料閥門(mén)I0.1停止Q0.1電機(jī)運(yùn)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(dòng)運(yùn)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(shí)不能對(duì)其進(jìn)行隨意分配，它是有自己的安排的要根據(jù)控制點(diǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行連接的。我們?nèi)绻粚?duì)反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和環(huán)節(jié)進(jìn)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(diǎn)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(cè)信號(hào)。（2）數(shù)字量輸入（I）主要包括電機(jī)的手動(dòng)狀態(tài)、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、閥門(mén)開(kāi)/關(guān)等信號(hào)值。（3）數(shù)字量輸出（D）主要包括閥門(mén)的啟停信號(hào)、電機(jī)的啟停信號(hào)、冷卻系統(tǒng)合適啟動(dòng)和停止等。1.2.2PLC硬件選型體積小、速度快、功能強(qiáng)大、可靠性高等是西門(mén)子S7系列PLC被大眾所認(rèn)可的優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)空間、計(jì)算速度、通信資金和編程資源的要求來(lái)選擇。如表1.5所示為不同類(lèi)型CPU的分類(lèi)。經(jīng)濟(jì)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(mǎn)足這兩個(gè)特點(diǎn)才能在社會(huì)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(huì)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(kuò)展性，綜合考慮后選用CPU312C-2DP，即性?xún)r(jià)比高、具有一定的可擴(kuò)展性。表1.5CPU選型表CPU型號(hào)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(guò)這個(gè)模塊就是把交流電轉(zhuǎn)化成所需要的直流電對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行持續(xù)不斷的供電。（3）接口模塊（IM）它將擴(kuò)展機(jī)架（ER）連接到主機(jī)架（中央機(jī)架，CR），安裝位置在CPU的右側(cè)。。S7-300PLC上的CPU機(jī)架稱(chēng)為主機(jī)。當(dāng)主機(jī)中的I/O模塊數(shù)量（最多8個(gè)）達(dá)不到系統(tǒng)所需要求時(shí)，那么擴(kuò)展口就起到了相應(yīng)的作用，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充I/O口。（4）信號(hào)模塊（SM）I/O模塊的一貫說(shuō)法就是這個(gè)，它會(huì)供應(yīng)相應(yīng)的電流電壓處理信號(hào)，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(biāo)準(zhǔn)直流電為I/O模塊所需的電壓電流。1.2.3現(xiàn)場(chǎng)儀表（1）溫度傳感器對(duì)釜內(nèi)原料的溫度和管內(nèi)導(dǎo)熱油的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)一定要放在反應(yīng)釜反應(yīng)之前。它的精度測(cè)量甚至影響到控制器的控制輸出信號(hào)而且還對(duì)最終的產(chǎn)品、安全問(wèn)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(zhǔn)確?？梢詫囟绒D(zhuǎn)化成輸出信號(hào)的傳感器就是它，熱電阻具有強(qiáng)度高、抗壓、性能可高、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)故被絕大多數(shù)企業(yè)和工廠所用。它還能在不需要補(bǔ)償導(dǎo)線的強(qiáng)狂下測(cè)量出此實(shí)驗(yàn)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(jì)流量計(jì)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(cè)量，流量計(jì)無(wú)需移動(dòng)機(jī)械部件，可靠性高，維護(hù)量小。（3）調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就是借助外界力量來(lái)改變閥門(mén)的大小進(jìn)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(gè)非常重要的決定，因?yàn)樗鼱砍兜桨踩院涂煽啃缘?。它的調(diào)節(jié)非常的非常的重要，因?yàn)椴还苁呛?jiǎn)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(dòng)作不到位，會(huì)直接影響系統(tǒng)的正常工作[26]。本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度做過(guò)多深入研究。（4）變頻器它主要是調(diào)節(jié)循環(huán)泵和電機(jī)/功率并進(jìn)行不同的變速操作，它不僅可以在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(guò)程中通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制。1.2.4PLC硬件設(shè)計(jì)（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(kāi)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(jì)如圖1.7所示：?jiǎn)?dòng)按鈕按下自動(dòng)運(yùn)行指示燈亮起，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)打開(kāi)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)原料到達(dá)高液位時(shí)，原料閥門(mén)關(guān)閉，若在低液位時(shí)，原料閥門(mén)開(kāi)啟對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)添加原料。通過(guò)模擬量輸入反應(yīng)釜內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)釜內(nèi)壁充冷卻水進(jìn)行降溫；當(dāng)釜內(nèi)溫度過(guò)低時(shí)，加熱系統(tǒng)就會(huì)對(duì)釜內(nèi)溫度進(jìn)行加熱；當(dāng)檢測(cè)到反應(yīng)釜夾套溫度過(guò)低時(shí)，加熱系統(tǒng)又重新進(jìn)行加熱。按下急停按鈕時(shí)，故障指示燈亮起。所有模塊均無(wú)毛病時(shí)，卸料閥打開(kāi)生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品。圖1.7I/O設(shè)計(jì)圖1.3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)用Step7進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的步驟為：（1）設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)化解決方案要根據(jù)工藝流程及其控制要求。（2）創(chuàng)建項(xiàng)目在Step7中。（3）硬件組態(tài)在此項(xiàng)目創(chuàng)建中進(jìn)行。（4）編寫(xiě)PLC程序。（5）保存下載下來(lái)并進(jìn)行調(diào)試。1.3.1創(chuàng)建項(xiàng)目的具體流程我們要根據(jù)用戶(hù)每個(gè)人的具體要求再在Step7管理器中調(diào)整，當(dāng)用戶(hù)第一次進(jìn)入Step7管理器界面時(shí)候，就需要建立一個(gè)項(xiàng)目來(lái)管理和運(yùn)行自己程序操作。之后出現(xiàn)新建項(xiàng)目的向?qū)?。再點(diǎn)“下一步”之后，在這個(gè)界面對(duì)CPU選型找到所需要的CPU及CPU314C-2DP。CPU選型完成后，有一個(gè)完成選項(xiàng)點(diǎn)擊，之后就成功建立新項(xiàng)目成功。如果自己所選設(shè)備與實(shí)際設(shè)備不相符時(shí)，就需要用戶(hù)自己自行選擇正確的類(lèi)型設(shè)置。再點(diǎn)“下一步”即可。上述結(jié)束之后，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窗口，在窗口中項(xiàng)目的名稱(chēng)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(diǎn)擊“完成”，一個(gè)全新的項(xiàng)目就此建立成功?；谖鏖T(mén)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(dāng)PLC被觸發(fā)時(shí)，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(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)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(zhǔn)備。當(dāng)CPU完成系統(tǒng)參數(shù)初始化、故障診斷等操作后,開(kāi)始循環(huán)運(yùn)行主程序OB1，主程序OB1主要負(fù)責(zé)調(diào)動(dòng)預(yù)先準(zhǔn)備編制好的功能塊（FB）、功能（FC）等程序塊，順利完成對(duì)應(yīng)的控制功能。1.3.2軟件仿真自動(dòng)運(yùn)行指示燈：停止、急停按鈕處于常閉狀態(tài)，