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电器控制与可编程控制技术课程设计设计题目某化工加热炉控制系统设计学院职业技术学院专业自动化班级自动职1012013年7月日设计任务书设计目的1.了解电气控制与可编程控制技术的发展概况、动向和应用领域;2.了解熟悉常用电气控制与可编程控制系统设备的结构机理、电气特性和主要参数;3.理解和掌握基本的控制方法、电气控制、编程方法;4.培养综合应用所学理论知识分析解决工程实际问题的能力;5.锻炼个人的动手和思维能力;设计任务
1.某化工加热反应釜的组成某化工加热反应釜的结构示意图如图1所示图中排气阀Y
1、进料阀Y
2、氮气阀Y3和泄放阀Y4都为电磁阀,SL1和SL2为液位传感器,用于检测液面高度,当液位达到给定值时为ON状态,低于给定值时为OFF状态,温度传感器ST和压力传感器SP分别用于检测釜内温度和釜内压力,当温度和压力达到给定值时相应传感器为ON状态,低于给定值时为OFF状态要求设计符合反应釜加热工艺过程的控制程序2.反应釜加热工艺过程
(1)送料控制
①检测到液面SL
2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时,传感器SL
2、ST、SP均为OFF状态;
②打开排气阀Y1和进料阀Y2;
③当液位上升到液面SL1时,应关闭排气阀Y1和进料阀Y2;
④延时20s,打开氮气阀Y3,氮气进入反应釜,釜内压力上升;
⑤当压力上升到给定值,即SP为ON状态时,关闭氮气阀Y3,送料过程结束
(2)加热反应过程控制
①交流接触器KM得电,接通加热器EH的电源;
②当釜内温度升高到给定值,即ST为ON状态时,交流接触器KM断电,切断加热电源;
③延时10s,加热过程结束
(3)泄放控制
①打开排气阀,使釜内压力降到预定最低值,即SP为OFF状态;
②打开泄放阀,当釜内溶液降至液位下限,即SL2为OFF状态时,关闭泄放阀和排气阀,系统恢复到原始状态,准备进入下一循环
(4)设置系统的启动按钮和停止按钮按下启动按钮系统开始工作,按下停止按钮时系统必须在一个循环的工作结束后才能停下来3.设计说明书应包括以下内容
(1)系统设计任务分析
(2)系统设计方案
(3)系统硬件设计PLC的选型、I/O地址分配PLC控制系统的外部接线图
(4)系统软件设计程序流程图或功能图控制程序梯形图
(5)程序编辑和调试具体要求
1、根据指导教师给出的设计任务书编写相关相关程序、画出接线图及仿真系统图
2、在设计任务书中对CPU的选择;输入/输出接口的分配;做出硬件设计、软件设计中的流程图、T型图及PLC外部接线图的过程和依据
3、撰写课程设计任务书目录TOC\o1-3\h\z\u摘要I第一章设计方案
11.1设计任务书分析
11.11设计要求
21.
1.2设计分析
21.2设计思路
31.3设计方案3第二章硬件设计
42.1功能模块设计
42.2芯片介绍
42.
2.1微控制器CPU的选择
42.
2.2压力传感器
42.
2.3温度传感器
52.
2.4液位传感器
52.3I/O地址分配
62.4I/O接线图6第三章程序设计
73.1程序设计思路
73.2程序设计工具简介
73.
2.1V
4.0STEP7MicroWINSP6的功能和操作简介
73.
2.2STEP7-Micro/WIN的窗口组件
73.
2.3STEP7-Micro/WIN的入门操作
93.
2.4PLC控制程序的上传
93.3S7-200的功能和操作简介
103.4程序流程框图12第四章系统调试
144.1调试思路
144.2调试方法及过程
144.3问题及解决措施14第五章总结
155.1硬件
155.2程序
155.2运行结果15心得体会16参考文献17附录一控制原理图18附录二程序指令表22摘要随着科学技术的发展,电气控制技术在各领域,特别是在自动控制领域取得了长足的发展,有了越来越多的应用PLC以其可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、保用方便等优点,在国民经济建设中得到十分广泛的普及应用本设计是基于S7-200PLC编程的某化工加热炉控制系统设计论述了加热炉控制系统的软硬件设计方案及其控制原理采用的是顺序控制继电器指令加热炉在一个周期内的工作由3段组成加热炉最初在原始状态,当按下启动按钮,加热炉自动循环地工作,若按下停止按钮,加热炉完成本次循环工作后,停止在初始状态关键词S7-200;顺序控制继电器指令;循环工作;CPU的选择;传感器;第1章设计方案
1.1设计任务与分析
1.
1.1设计要求
(1)送料控制
①检测到液面SL
2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时,传感器SL
2、ST、SP均为OFF状态;
②打开排气阀Y1和进料阀Y2;
③当液位上升到液面SL1时,应关闭排气阀Y1和进料阀Y2;
④延时20s,打开氮气阀Y3,氮气进入反应釜,釜内压力上升;
⑤当压力上升到给定值,即SP为ON状态时,关闭氮气阀Y3,送料过程结束
(2)加热反应过程控制
①交流接触器KM得电,接通加热器EH的电源;
②当釜内温度升高到给定值,即ST为ON状态时,交流接触器KM断电,切断加热电源;
③延时10s,加热过程结束
(3)泄放控制
①打开排气阀,使釜内压力降到预定最低值,即SP为OFF状态;
②打开泄放阀,当釜内溶液降至液位下限,即SL2为OFF状态时,关闭泄放阀和排气阀,系统恢复到原始状态,准备进入下一循环
(4)设置系统的启动按钮和停止按钮按下启动按钮系统开始工作,按下停止按钮时系统必须在一个循环的工作结束后才能停下来
1.
1.2设计分析在设计刚开始时,考虑的是用一般的电磁阀的接通与断开常见指令控制电磁阀和利用传感器开关来实现控制系统,我使用了顺序控制法把程序设计出来,调试运行后发现,使用顺序控制继电器指令确实是简单了许多,所有的内容一目了然加热炉在送料控制、加热反应过程控制、泄放控制时,可分别用定时器T
38、T36;辅助继电器M
0.
0、M
0.
1、M
0.2;传感器SL
1、SL
2、SP、ST来进行控制,因此根据加热炉的反应顺序,可以采用顺序控制继电器指令设计程序能够相对简单的实现此设计任务,把传感器放在不同的位置,就实现了按设计要求规定的周期自动循环控制
1.2设计思路本次设计采用CPU222作为主控制器,液位传感器输入液位信息,温度传感器采集温度信息,压力传感器输入压力信息,通过两个按钮实现加热炉的顺序自动控制
1.3设计方案中央处理单元采用CPU222对整个系统进行控制,
(1)它将温度、压强、液位的数据输送到CPU;
(2)接收温度传感器、压强传感器、液位传感器输入的温度、压力、液位数据,对加热炉的整套实施控制送料控制模块采集液位、压力、时间信息输送到CPU并进行需要的控制加热反应过程控制模块采集温度、时间信息输送到CPU并进行需要的控制泄放控制模块采集液位、压力信息输送到CPU并进行需的控制第二章硬件设计
2.1功能模块设计
2.2芯片介绍
2.
2.1微控制器CPU的选择选择西门子S7-200系列PLC作为加热炉控制系统的控制主机在西门子S7-200系列PLC中有CPU
221、CPU
222、CPU
224、CPU226等加热炉控制系统总共有6个数字量输入,5个数字量输出,共需11个I/O口,根据I/O口数及程序容量,选择西门子系列中具有8个数字量输入,6个数字量输出的CPU222作为本控制系统的主机
2.
2.2压力传感器力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制选择力学传感器中压阻式压力传感器作为本控制系统的压力采集
2.
2.3温度传感器温度传感器有四种主要类型热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器RTD和IC温度传感器IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类,工作方式有接触和非接触两种,接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触又称温度计;非接触式温度传感器它的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表非接触测温优点测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制对于1800℃以上的高温主要采用非接触测温方法随着红外技术的发展辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展700℃以下直至常温都已采用且分辨率很高本设计要对温度上下数据采集,采用非接触式温度传感器
2.
2.4液位传感器液位传感器可分为两大类第一类为接触式包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器,浮球式液位变送器,磁性液位变送器,投入式液位变送器,电动内浮球液位变送器,电动浮筒液位变送器,电容式液位变送器,磁致伸缩液位变送器,侍服液位变送器等第二类为非接触式分为超声波液位变送器,雷达液位变送器等本设计由于要对上下液位的数据采集采用接触式电容式液位变送传感器
2.3I/O地址分配加热炉加热控制设计中,需要6个输入点和5个输出点,其输入/输出分配表如表2-3所示表2-3输入/输出分配表输入输出功能元件PLC地址功能元件PLC地址启动按钮SB
110.0排气阀Y1Q
0.1停止按钮SB2I
0.1进气阀Y2Q
0.2高液位SL1I
0.2氮气阀Y3Q
0.3低液位SL2I
0.3泄放阀Y4Q
0.4温度传感器STI
0.4加热器EHQ
0.5压力传感器SPI
0.
52.4I/O接线图加热炉运动控制的I/O接线图如图2-4所示第三章程序设计
3.1程序设计思路程序包括主程序若干子程序,系统每一个相应的功能都对应有一个子程序,在编写程序时每一功能都分开编写,通过主程序的调用使它们串联起来,实现其功能在编写程序前先画出其流程图,然后根据流程图写出其源程序
3.2程序设计工具简介
3.
2.1V
4.0STEP7MicroWINSP6的功能和操作简介STEP7MicrowinV
4.0编程软件的使用STEP7MicrowinV
4.0编程软件是专为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件,使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信,进行程序的下载与上传及在线监控
3.
2.2.STEP7-Micro/WIN的窗口组件
1.操作栏显示编程特性的按钮控制群组“视图”选择该类别,为程序块、符号表,状态图,数据块,系统块,交叉参考及通讯显示按钮控制“工具”选择该类别,显示指令向导、文本显示向导、位置控制向导、EM 253控制面板和调制解调器扩展向导的按钮控制注释当操作栏包含的对象因为当前窗口大小无法显示时,操作栏显示滚动按钮,使您能向上或向下移动至其他对象
2.指令树提供所有项目对象和为当前程序编辑器(LAD、FBD或STL)提供的所有指令的树型视图用户可以用鼠标右键点击树中“项目”部分的文件夹,插入附加程序组织单元(POU);也可以用鼠标右键点击单个POU,打开、删除、编辑其属性表,用密码保护或重命名子程序及中断例行程序可以用鼠标右键点击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令,以便隐藏整个树一旦打开指令文件夹,就可以拖放单个指令或双击,按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置可以将指令拖放在“偏好”文件夹中,排列经常使用的指令
3、交叉参考允许用户检视程序的交叉参考和组件使用信息
4、数据块允许用户显示和编辑数据块内容
5、状态图窗口允许用户将程序输入、输出或变量置入图表中,以便追踪其状态您可以建立多个状态图,以便从程序的不同部分检视组件每个状态图在状态图窗口中有自己的标签
6、符号表/全局变量表窗口允许用户分配和编辑全局符号(即可在任何POU中使用的符号值,不只是建立符号的POU)您可以建立多个符号表可在项目中增加一个S7-200系统符号预定义表
7、输出窗口在用户编译程序时提供信息当输出窗口列出程序错误时,可双击错误信息,会在程序编辑器窗口中显示适当的网络当您编译程序或指令库时,提供信息当输出窗口列出程序错误时,您可以双击错误信息,会在程序编辑器窗口中显示适当的网络
8、状态条提供用户在STEP 7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息
9、程序编辑器窗口包含用于该项目的编辑器(LAD、FBD或STL)的局部变量表和程序视图如果需要,用户可以拖动分割条,扩展程序视图,并覆盖局部变量表当您在主程序一节(MAIN)之外,建立子程序或中断例行程序时,标记出现在程序编辑器窗口的底部可点击该标记,在子程序、中断和OB1之间移动
10、局部变量表包含用户对局部变量所作的赋值(即子程序和中断例行程序使用的变量)在局部变量表中建立的变量使用暂时内存;地址赋值由系统处理;变量的使用仅限于建立此变量的POU
11、菜单条允许用户使用鼠标或键击执行操作您可以定制“工具”菜单,在该菜单中增加自己的工具
12、工具条为最常用的STEP7-Micro/WIN操作提供便利的鼠标访问用户可以定制每个工具条的内容和外观
3.
2.3.STEP7-Micro/WIN的入门操作以三相异步电动机启停程序为例,熟悉STEP7-Micro/WINV
4.0编程软件的使用方法梯形图如下
1、打开新项目双击STEP7-Micro/WIN图标,或从开始菜单选择SIMATICSTEP7Micro/WIN,启动应用程序会打开一个新STEP7-Micro/WIN项目
2、打开现有项目从STEP7-Micro/WIN中,使用文件菜单,选择下列选项之一
(1)打开-允许浏览至一个现有项目,并且打开该项目
(2)文件名称-如果用户最近在一项目中工作过,该项目在文件菜单下列出,可直接选择,不必使用打开对话框
3、进入编程状态单击左侧查看中的程序块,进入编程状态;
4、选择编程语言打开菜单栏中的 查看,选择梯形图语言;(也可选STL(语句表)、FBD(功能块))
3.
2.4.PLC控制程序的上传可选用以下3种方式进行程序上传
1、点击“上载”按钮
2、选择菜单命令文件上载
3、按快捷键组合Ctrl+U要上载(PLC至编辑器),PLC通信必须正常运行确保网络硬件和PLC连接电缆正常操作选择想要的块(程序块、数据块或系统块),选定要上载的程序组件就会从PLC复制到当前打开的项目,用户就可保存已上载的程序
3.3S7-200的功能和操作简介S7-200的仿真软件不是西门子公司编写的,国内有人将它汉化,其V
2.0版可以对S7-200编程软件V
4.0编写的程序仿真该仿真软件不能对S7-200的全部指令和全部功能仿真但是它仍然不失为一个很好的学习S7-200的工具软件该软件不需要安装,执行其中的“S7-200仿真.EXE”文件,就可以打开它点击屏幕中间出现的画面,输入密码6596后按回车键,开始仿真软件自动打开的是老型号的CPU214,应执行菜单命令“配置”→“CPU型号”,用打开的对话框设置CPU的型号为CPU22x下图左边是CPU224,CPU模块下面是用于输入数字量信号的小开关板开关板下面的直线电位器用来设置SMB28和SMB29的值双击CPU模块右边空的方框,用出现的对话框添加扩展模块仿真软件不能直接接收S7-200的程序代码,必须用编程软件的“导出”功能将S7-200的用户程序转换为扩展名为“awl”的ASCII文本文件,然后再下载到仿真PLC中去在编程软件中打开主程序OB1,执行菜单命令“文件”→“导出”,导出ASCII文本文件在仿真软件中执行菜单命令“文件”→“装载程序”,在出现的对话框中选择下载什么块,点击“确定”按钮后,在出现的“打开”对话框中双击要下载的*.awl文件,开始下载下载成功后,CPU模块上出现下载的ASCII文件的名称,同时会出现下载的程序代码文本框和梯形图(见下图)执行菜单命令“PLC”→“运行”,开始执行用户程序 如果用户程序中有仿真软件不支持的指令或功能,执行菜单命令“PLC”→“运行”后,出现的对话框显示出仿真软件不能识别的指令点击“确定”按钮,不能切换到RUN模式,CPU模块左侧的“RUN”LED的状态不会变化可以用鼠标点击CPU模块下面的开关板上的小开关来模拟输入信号,通过模块上的LED观察PLC输出点的状态变化,来检查程序执行的结果是否正确 在RUN模式点击工具栏上的按钮,可以用程序状态功能监视梯形图中触点和线圈的状态执行菜单命令“查看”→“内存监控”,可以用出现的对话框监控V、M、T、C等内部变量的值
3.4程序流程框控制指令图1的流程图#0;#0;#0;START初始化I
0.3=I
0.4=I
0.5=OFF启动Q
0.
1、Q
0.2关闭Q
0.
1、Q
0.2,启动M
0.1T37启动Q
0.3关闭Q
0.
3、启动Q
0.5启动M
0.2启动T36启动Q
0.1,Q
0.4SB2是否按下?I
0.0I
0.2T37I
0.5I
0.4M
0.2T36I
0.3NY关闭Q
0.1Q
0.4I
0.1控制指令图2的流程图#0;#0;#0;START初始化I
0.3=I
0.4=I
0.5=OFF启动Q
0.
1、Q
0.2关闭Q
0.
1、Q
0.2,启动M
0.1T37启动Q
0.3关闭Q
0.
3、启动Q
0.5启动M
0.2启动T36启动Q
0.1SB2是否按下?I
0.0I
0.2T37I
0.5I
0.4M
0.2T36I
0.5NY启动Q
0.4I
0.1关闭Q
0.1,Q
0.4I
0.3第四章系统调试
4.1调试思路调试是检验系统功能的环节,本次调试为软件调试,在V
4.0STEP7MicroWINSP6和S7-200上进行,在V
4.0STEP7MicroWINSP6平台上程序无误后,创立相关文件,打开S7-200仿真软件,通过显示屏观察功能实现,边调边改,直至系统功能全部实现
4.2调试方法及过程此次设计由于时间因素,来不及硬件调试,所以只能通过V
4.0STEP7MicroWINSP6和S7-200仿真软件进行软件调试,在编译好源程序并检查无误后,在V
4.0STEP7MicroWINSP6创建生成相关文件,进入S7-200仿真软件打开原理图,在S7-200里选中工程模块中PLC文件夹的.AWL文件,点击仿真开始按钮,观察其功能实现,边观察边修改程序,每次修改程序后都必须重新在S7-200里创建新的文件,直至系统功能正常实现
4.3问题及解决措施
1.无法仿真解决措施经检查是未正确选择CUP
2.没有按要求进行解决措施在V
4.0STEP7MicroWINSP6程序里调整输入/输出接口
3.在调试修改过程序后,在仿真软件上没有仿真样图解决措施经查询网络,原来是在修改程序后未在s7-200上重新点击查看按钮,点击查看按钮后后,仿真样图出现4氮气阀自启动解决措施串联上Q
0.
1、Q
0.4的常闭让他们自身形成互锁第五章总结
5.1硬件设计中的硬件包括CPU222,温度传感器、压力传感器、液位传感器CPU222作为控制核心,具有在线编程,低功耗,能在24V自带直流电源电压下工作
5.2程序程序由主程序和若模块程序构成,是实现S7-200控制器功能的重要组成部分,只有编译调试好了程序,S7-200控制器的功能才能得以实现在编写程序时,一步一步着手,在写每个模块程序前都要先画出其相应的流程图,然后再根据流程图写编写程序主程序主要有设备初始化
5.3运行结果当检测到液面SL
2、炉内温度ST、釜内压力SP都小于给定值时,传感器SL
2、ST、SP均为OFF状态时按下启动开关SB1排气阀Y1和进料阀Y2打开,当液位上升到液面SL1时,排气阀Y1和进料阀Y2关闭,在延时20s后,氮气阀Y3打开,氮气进入反应釜,釜内压力上升,当压力上升到给定值,即SP为ON状态时,氮气阀Y3关闭,交流接触器KM得电,接通加热器EH的电源;当釜内温度升高到给定值,即ST为ON状态时,交流接触器KM断电,切断加热电源;在延时10s后,打开排气阀、泄放阀,使釜内压力降到预定最低值,即SP为OFF状态;当釜内溶液降至液位下限,即SL2为OFF状态时,泄放阀和排气阀关闭,进入下一循环按下启动按钮SB1系统开始工作,当按下停止按钮SB2后系统在一个循环的工作结束后才能停下来实践证明,本设计所采用西门子公司生产的小型可编程控制器的硬件设计和程序设计是完全可行的所设计的以PLC为核心的加热炉循环控制系统,性能可靠、操作简单方便、易于维护、环境适应性强,还能容易的随时修改可编程序控制器程序,达到了预期效果心得体会时间过得好快,一周的电气控制与可编程控制技术课程设计已经结束,在这个星期里我们学到了很多东西,在电气控制与可编程控制技术高度发速发展今天,我们学习的只是他的一种微乎其微的使用方法在本次课程设计中,我们仅使用PLC中CUP222,虽然他在使用系统中是最简单的CUP,但他确是其他电气控制与可编程控制技术应用的入门,因此它的实际操作对于我们初学者来说也并没有那么容易这次课程设计是在指导老师的指导和我个人工作下逐步完成在这次设计中,我最终在S7-200仿真情况下正常完美的显示出整个控制过程我为了实现这个加热炉的控制过程,我采取分块设计,遇到问题向老师询问和想同学寻求帮组,并向其他同学学习通过这次课程设计,我认为对电气控制与可编程控制技术的学习不能像学习其他课程那样可以投机倒把,恰恰相反,一个好的程序和清晰的思路以及程序的编写、调试才是最重要的由于CPU是硬件及软件的接口,因此一个好的外围电路是是否实现相应功能不可或缺的组成,这也就显出这两者之间的重中之重,密不可分通过这次的课程设计,让我认识到学习PLC可编程控制技术不仅是一门简单而又复杂的学科,而且也让我体会到PLC功能的强大性我们知道PLC目前常用的CPU是CPU226XM,可想而知,CPU222的就有这样强大的功能,CPU226XM的就更不用说了,所以在学习PLC可编程控制技术这门课上我们要走的路还很长,要想学好PLC可编程控制技术我们还要在以后的生活学习上继续努力对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜让我知道了学无止境的道理我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你参考文献【1】张晓峰.电气控制与可编程控制技术及应用【M】.北京国防工业出版社,
2012.1【2】王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第二版)【M】.北京航天航空大学出版社,
2008.2【3】http://wenku.baidu.com/view/e99fa8620b1c59eef8c7b4b
1.html【4】西门子公司.SIMATICS7-200可编程控制系统手册,
2000.【5】西门子公司.SIMATICS7-200可编程控制系统手册,
2003.【6】肖峰,贺哲荣.PLC编程100例【M】.北京中国电力出版社,2009附录一控制原理图图1排气阀Y
1、进气阀Y4同时打开图2先排气阀Y
1、是压力传感器SP断开时进气阀Y4打开附录二程序指令表图1指令表Network1停止按钮LDI
0.0OM
0.0ANI
0.1=M
0.0Network2启动与循环LDNI
0.3OQ
0.1AM
0.0ANI
0.2ANI
0.5ANI
0.4OM
0.3=Q
0.1Network3对排气阀控制LDQ
0.1ANQ
0.4ANM
0.3=Q
0.2Network4定时T37LDI
0.2OM
0.1ANT37=M
0.1TONT37,200Network5对氮气阀的控制LDT37OQ
0.3ANI
0.5ANQ
0.1ANQ
0.4=Q
0.3Network6对加热器控制LDI
0.5OQ
0.5ANI
0.4=Q
0.5Network7定时T36LDI
0.4OM
0.2ANT36=M
0.2Network8LDM
0.2TONT36,1000AI
0.3=Q
0.1Network9对排气阀、泄放阀控制LDT36OM
0.3AI
0.4=Q
0.4图2指令表S7-200PLCCPU222送料控制加热反应过程控制泄放控制微控制器S7-200PLCCPU222温度采集压力采集负载液位采集驱动输出按钮输入。