1、課程設計題目：基于PLC的加熱反應爐自動控制的設計學院：清華大學專業：電氣自動化技術班級：學號：姓名： 基于PLC的加熱反應爐自動控制的設計 摘要：基于PLC的加熱反應爐自動控制 能 夠 實 現 溫 度 的控 制，用于液體等控制。本次設計利用西門子S7-200PLC控制的加熱爐控制設備。關鍵詞：PLC 課程設計 加熱反應爐概述：隨著我國經濟的迅速發展，能源短缺已成為制約我國工業發展的重要阻礙，如何保障被加熱后的金屬能夠在有效壓制前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業控制技術研究的主要方向。近年來由于各企業重視節源效益，對加熱爐生產工藝的不斷完善和優化，加熱爐生產自動化控制水平也相應提高和不斷

2、深入。目前面向節能降耗，提高壓制產品自量和產量設計的加熱爐工程控制計算機系統已廣泛的應用于現代冶金企業的加熱爐生產控制中。 加熱爐生產過程主要是個燃燒與熱交換的物理化學過程，燃燒方面有一個如何使其在各種工況下特別是在熱負荷變化的動態過程中保持最佳節能燃燒的問題。另外從整個壓制生產線來看，加熱爐是局部環節，其主要任務是加熱鋼胚，使鋼呸在出爐時達到壓制所要求的溫度分布。評價加熱爐性能優劣的主要指標是加熱爐的單位燃燒消耗，產量，鋼呸的加熱質量，鋼配的氧化燒損等。影響這些指標的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用。我國的加熱爐大部分是六、七十年代的產品，其控制系統非常落后。相當一部分還

3、處于基地式儀表控制，表盤現實的水平，軟件操作不易為普通工人所掌握。為改變這種落后狀況，有效途徑之一就是進行加熱爐監測和控制系統的技術改造。加熱爐的工作目標是在最短的時間內采取最經濟的方式把爐內的鋼呸加熱到所要求的狀態。特別是一些目前小的鋼鐵企業，對這種投資少、見效快的技術改造感興趣。本文主要講述加熱反應爐自動控制系統的設計。國際上對加熱爐的優化控制開始與70年代，我國從80年代才開始對這方面進行研究。在鋼鐵領域，以前人們對加熱爐優化控制研究主要集中在鋼呸的升溫過程的控制模型、爐溫優化設定以及燃燒控制，近年來智能控制技術正逐步被應用到加熱爐爐溫控制中。目前，就我國帶鋼熱連壓加熱爐控制系統整體而言

4、，與國外相比，相差甚遠。在國外，多數帶鋼熱連壓加熱爐控制系統一經采用了高智能型的專家系統，模糊控制或兩者相結合的控制系統。如美國的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統相結合的控制系統對帶鋼連熱壓加熱爐進行控制。而我國大部分鋼鐵企業加熱爐控制系統仍是早期的DCS控制系統或PLC控制系統，有的好沒有達到這個水平，因而為了參加國際競爭，贏得產品聲譽，就必須對加熱爐控制系統進行換代或改造。對加熱爐控制系統的改造，國內存在兩種觀點：一種認為要較好的實現加熱爐的控制，必須堅持HCA高成本高投入，大力提高自動化部分的控制水平，采用高智能型的集中控制。另一種為LCA低成本自動化。低成本不是低水平，

5、是在低成本前提下的先進性和實用性，LCA是簡易自動化的延伸，是全新自動化的補充。它往往成為中小企業的選擇。國內現有帶鋼熱連壓加熱爐一千多座，由于資金技術等方面的原因，改造或換代為高智能型加熱爐數量很少。在這方面，由于寶鋼、鞍鋼等大型國有企業較重視科技在生產中的主要地位，在帶鋼連壓加熱爐改造中投入的力量較大，已成為我國鋼鐵行業領頭羊。本課題研究的內容是，實現基于S7-200加熱反應爐自動控制系統設計。1、 工程分析在開始組態工程之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結構、流程、需實現的功能及如何實現這些功能。工程框架：l 1個用戶窗口：加熱反應爐控制系統。主要包括：加熱爐、加熱電阻絲、

6、四個閥、溫度計、壓力表、加熱指示燈、流動管件、兩個控制按鈕。l 3個策略：啟動策略、退出策略、循環策略數據對象：控制系統窗口：l 加熱爐、加熱電阻絲、加熱指示燈l 卸放閥、進料閥、氮氣閥、排氣閥、溫度計、壓力表l 六個控制按鈕、上下液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器。流程控制：按啟動按鈕后，反應爐進入工作狀態。按停止按鈕后，反應爐停止運行。 第一階段：送料控制1、檢測下液面X1、爐內溫度X2、是否都小于給定值（邏輯值：小于輸出0，大于輸出1）。2、若小于給定值，則開啟進料閥Y2。3、當液位上升到上液面X4時，應打開泄放閥Y4和關閉進料閥Y2。4、開啟氮氣閥X3，氮氣進入爐內，爐內氣壓上升。5、

7、當壓力上升到給定值，即X4=1時，關閉氮氣閥。送料過程結束。第二階段：加熱反應控制。1、當液面大于20%且爐內溫度X2小于給定值時，接通加熱爐電源Y3。2、當溫度升高到給定值時，即X2=1時，切斷加熱器電源，加熱的過程結束。第三階段：泄放控制。1、打開排氣閥，使爐內壓力降到預定值（SP=0）。 當壓力大于最大值時，打開泄放閥。 當壓力小于給定值時，關閉排氣閥。打開泄放閥，當爐內溶液降到下液面時，延時10秒后關閉泄放閥。2、課題要求 (1)根據控制要求制定合理的設計方案；（2）寫出系統流程；(3)設計電路并模擬調試；(4)PLC I/O點分配，并繪制I/O接線圖。（5）課程設計心得；整理技術材料

8、，編寫使用說明書。加熱反應爐的結構示意圖如圖（原理圖）如下所示：（二）輸入輸出設備清單（三）控制流程圖（四）I/O接線圖I/O地址分配：根據示意圖和控制要求可知，該系統需要6個輸入點和5個輸出點，其地址分配如下：2、 建立工程可以按如下步驟建立樣例工程：1鼠標單擊文件菜單中“新建工程”選項，如果MCGS安裝在D盤根目錄下，則會在D：MCGSWORK下自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的順序號，如：0、1、2等)2 選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。3 在文件名一欄內輸入“加熱反應爐控制系統”，點擊“保存”按鈕，工程創建完畢。3、 制作

9、工程畫面 1、 建立畫面1 在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”。2 選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”。3 將窗口名稱改為：水位控制；窗口標題改為：機械手控制；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。4 在“用戶窗口”中，選中“加熱反應爐控制”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動窗口”選項，將該窗口設置為運行時自動加載的窗口。2、 編輯畫面選中“加熱反應爐控制”窗口圖標，單擊“動畫組態”，進入動畫組態窗口，開始編輯畫面。3、 制作文字框圖1 單擊工具條中的“工具箱” 按鈕，打開繪圖工具箱。2 選擇“工具箱”內的“標簽”按鈕，鼠標的光標呈

10、“十字”形，在窗口頂端中心位置拖拽鼠標，根據需要拉出一個一定大小的矩形。3 在光標閃爍位置輸入文字“加熱反應爐監控系統”，按回車鍵或在窗口任意位置用鼠標點擊一下，文字輸入完畢。4 如果需要修改輸入文字，則單擊已輸入的文字，然后敲回車鍵就可以進行編輯，也可以單擊鼠標右鍵，彈出下拉菜單，選擇“改字符”。5 選中文字框，作如下設置：第83章 點擊（填充色）按鈕，設定文字框的背景顏色為：沒有填充；第84章 點擊（線色）按鈕，設置文字框的邊線顏色為：沒有邊線。第85章 點擊（字符字體）按鈕，設置文字字體為：宋體；字型為：粗體；大小為：26第86章 點擊（字符顏色）按鈕，將文字顏色設為：藍色。4、圖形的繪

11、制1) 畫電阻絲：單擊繪圖工具箱中“畫線”工具按鈕，挪動鼠標光標，此時呈“十字”形，在窗口適當位置按住鼠標左鍵并拖曳出一條一定長度的直線。單擊“線色”按鈕選擇：黑色。單擊“線型”按鈕，選擇合適的線型。調整線的位置（按 鍵或按住鼠標拖動）。調整線的長短（按Shift和方向鍵，或光標移到一個手柄處，待光標呈“十字”形，沿線長度方向拖動）。調整線的角度（按Shift和方向鍵，或光標移到一個手柄處，待光標呈“十字”形，向需要的方向拖動）。線的刪除與文字刪除相同。單擊“保存”按鈕。2) 畫矩形的液面傳感器：單擊繪圖工具箱中的“矩形”工具按鈕，挪動鼠標光標，此時呈“十字”形。在窗口適當位置按住鼠標左鍵并拖

12、曳出一個一定大小的矩形。單擊窗口上方工具欄中的“填充色”按鈕， 選擇：藍色。單擊“線色”按鈕， 選擇：沒有邊線。調整位置（ 按鍵盤的 鍵，或按住鼠標左鍵拖曳）。調整大小（同時按鍵盤的 Shift鍵 和方向鍵中的一個；或移動鼠標，待光標呈橫向或縱向或縱向或斜向“雙箭頭”形，按住左鍵拖曳）。單擊窗口其他任何一個空白地方，結束第1個矩形的編輯。畫面2個矩形分別代表上下液面傳感器，單擊“保存”按鈕。5、構件的選取1 加熱爐的繪制：單擊繪圖工具箱中的（插入元件）圖標，彈出對象元件管理對話框，如圖：圖2 反應爐構件的選擇雙擊窗口左側“圖庫”中的“罐”，展開該列表項，單擊“罐1”，單擊“確定”按鈕。畫面窗口

13、中出現反應器的圖形。在反應器被選中的情況下，調整位置和大小。在機械手上面輸入文字標簽“機械手”。單擊“保存”按鈕。2 畫其他的構件：利用“圖庫”工具，分別畫出四個閥門、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度計、壓力計、指示燈等將大小和位置調整好。3選中工具箱內的流動塊動畫構件圖標，鼠標的光標呈“十”字形，移動鼠標至窗口的預定位置，點擊一下鼠標左鍵，移動鼠標，在鼠標光標后形成一道虛線，拖動一定距離后，點擊鼠標左鍵，生成一段流動塊。再拖動鼠標（可沿原來方向，也可垂直原來方向），生成下一段流動塊。4 畫按鈕：單擊畫圖工具箱的“標準按鈕” 工具，在畫圖中畫出一定大小的按鈕。調整其大小和位置。繪制2個按鈕。6、整

14、體畫面最后生成的畫面見圖1。四、定義數據對象前面我們已經講過，實時數據庫是MCGS 工程的數據交換和數據處理中心。數據對象是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程也就是定義數據對象的過程。定義數據對象的內容主要包括：1)指定數據變量的名稱、類型、初始值和數值范圍2)確定與數據變量存盤相關的參數，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。在開始定義之前，我們先對所有數據對象進行分析。在本樣例工程中需要用到以下數據對象：下面以數據對象“JIEDUAN”為例，介紹一下定義數據對象的步驟：1 單擊工作臺中的“實時數據庫”窗口標簽，進入實時數據庫窗口頁。2 單擊“新增對象” 按鈕，在窗口的數據對

15、象列表中，增加新的數據對象，系統缺省定義的名稱為“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多次點擊該按鈕，則可增加多個數據對象）。3 選中對象，按“對象屬性”按鈕，或雙擊選中對象，則打開“數據對象屬性設置” 窗口。4 將對象名稱改為：垂直移動量；對象類型選擇：開關型；在對象內容注釋輸入框內輸入：“系統所處的運行階段”，單擊“確認”。按照此步驟，根據上面列表，設置其他17 個數據對象。五、動畫連接由圖形對象搭制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，真實地描述外界對象的狀態變化，達到過程實時監控的目的。MCGS 實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數

16、據庫中的數據對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性。在系統運行過程中，圖形對象的外觀和狀態特征，由數據對象的實時采集值驅動，從而實現了圖形的動畫效果。本樣例中需要制作動畫效果的部分包括：1 爐內液位的變化、各閥門、各傳感器的警戒變化、加熱指示燈的變化2 溫度計、及壓力計的動畫設置1、 按鈕的動畫設置SB1、SB2 按鈕的動畫連接：雙擊“開”，彈出“標準按鈕構件屬性設置”窗口，單擊“左鍵動作”標簽，顯示該頁，輸入SB1=1、SB2=0 如圖3所示。選中雙擊“SB2”按鈕。用同樣的方法建立復位按鈕與對應變量之間的動畫連接。輸入SB2=1，SB1=0單擊“保存”按鈕。2、 構件動畫的設置1 排氣閥

17、、進料閥、氮氣閥、泄放閥關斷或者打開狀態表示。雙擊排氣閥構件，彈出單元設置屬性菜單。打開動畫連接標簽，點選動畫連接頁面上的組合圖符。點擊組合圖符后面的”,彈出動畫組態屬性設置頁面。打開屬性設置標簽，選中顏色動畫連接項中的填充顏色。此時在動畫組態屬性頁面中出現填充顏色標簽。打開填充顏色標簽，表達式項選中數據庫的Y1參量，在下面的填充顏色連接中，增添兩個填充顏色，Y1的具體操作過程，由圖1和圖2所示。從圖2動畫組態單元中我們可以看出，實現動畫連接主要有顏色動畫連接、位置動畫連接、輸入輸出三大類，再每大類中又有三個小項。因此在本實訓中表達排氣閥開關的動畫同時可以采用其他的動畫方式，顏色動畫模式僅供參

18、考。按照排氣閥的模式，同樣設置好進料閥、氮氣閥及泄放閥的顏色動畫設置。圖6 排氣閥單元屬性設置2 溫度傳感器、壓力傳感器、上下液面傳感器是否達到設定值的動畫變化以及電阻絲的加熱狀態的動畫表示。該類構件的動畫方法都采用顏色變化方式和排氣閥動畫設置類似。3 電熱絲指示燈的動畫設置。雙擊指示燈構件。雙擊排氣閥構件，彈出單元設置屬性菜單。打開動畫連接標簽，點選動畫連接頁面上的三維圓球。點擊組合圖符后面的”,彈出動畫組態屬性設置頁面。打開屬性設置標簽，選中特殊動畫連接項中的可見度。此時在動畫組態屬性頁面中出現可見度標簽。打開可見度標簽，表達式項填Y5=0。對單元設置屬性中的另外一個三維圓球進行同樣的動畫

19、設置。由圖所示。圖7 指示燈構件單元屬性設置4 反應爐水位變化及管道流動變化動畫設置。反應爐液面設置，雙擊反應爐構件。彈出單元屬性設置頁面。打開動畫連接標簽，選中矩形，再點擊“”符號，彈出動畫組態屬性設置。點選位置動畫連接項中大小變化，在動畫組態屬性設置頁中生成大小變化標簽，打開大小變化標簽，進行設置，在表達式項里，選擇數據庫中的水參量，在大小變化連接項目里，最小變化百分比為0，表達式值取0，最大變化百分比100，表達式值80。變化方向取向上方向，變化方式取剪切式。具體設置如下圖所示。圖10 反應爐單元屬性設置管道流動屬性動畫的設置。雙擊排氣閥兩端的管道，彈出流動塊屬性設置頁面。打開流動屬性標

20、簽。表達式項填Y1=1。當表達式非零時項，選流動塊開始流動。如下圖所示。圖12 管道流動塊構件屬性設置5 溫度計和壓力表動畫屬性設置。雙擊溫度計構件，彈出單元屬性設置頁面。打開動畫連接標簽，選中百分比填充，單擊“” 彈出百分比填充構件屬性設置頁面。表達式選中數據庫里的溫度參量，在添充位置和表達式值的連接項中，0%的對應值為0，100%的對應值為100。圖13 溫度計動畫設置壓力計動畫設置。雙擊壓力計構件。彈出單元屬性設置頁面，選中旋轉儀表，點擊后面的“”彈出旋轉儀表構件屬性設置頁面，點擊操作屬性標簽，彈出操作屬性界面，在表達式項中填入壓力參量，其他的指針位置和表達式的連接值不變。圖14 壓力計

21、動畫設置3、控制程序的編寫腳本程序基本語句。共有四種語句。賦值語句的形式為：數據對象=表達式。賦值語句用賦值號（“=”）來表示，它具體的含義是：把“=”右邊表達式的運算值賦給左邊的數據對象。賦值號左邊必須是能夠讀寫的數據對象，如：開關型數據、數值型數據、事件型數據以及能進行寫操作的內部數據對象。而組對象、事件型數據、只讀的內部數據對象、系統內部函數以及常量，均不能出現在賦值號的左邊，因為不能對這些對象進行寫操作。條件語句：條件語句有如下三種形式：If 表達式 Then 賦值語句或退出語句If 表達式 Then語句EndIfIf 表達式Then語句ElseEndIf條件語句中的四個關鍵字“If”

22、、“Then”、“Else”、“Endif”不分大小寫。如拼寫不正確，檢查程序會提示出錯信息。條件語句允許多級嵌套，即條件語句中可以包含新的條件語句，MCGS 腳本程序的條件語句最多可以有8 級嵌套，為編制多分支流程的控制程序提供了可能。“IF”語句的表達式一般為邏輯表達式，也可以是值為數值型的表達式，當表達式的值為非0 時，條件成立，執行“Then”后的語句，否則，條件不成立，將不執行該條件塊中包含的語句，開始執行該條件塊后面的語句。值為字符型的表達式不能作為“IF”語句中的表達式。退出語句：退出語句為“Exit”，用于中斷腳本程序的運行，停止執行其后面的語句。一般在條件語句中使用退出語句，以便在某種條件下，停止并退出腳本程序的執行。即可完成模擬調試。六、課程設計心得這次課程設計花