【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用大、小火脈沖燃燒的方式實(shí)現(xiàn)恒溫控制。由于大小火燃燒 方式噴口溫度變化微小，由噴口總量的大小來恒定爐溫，燃空比穩(wěn)定，有效的降低能耗及爐溫波動(dòng)。 下位機(jī)采用 PLC控制，上位機(jī)采用觸摸屏組態(tài)軟件 進(jìn)行 控制， PLC 與觸摸屏組態(tài)軟件之間建立通信。 系統(tǒng)的配置 天然氣加熱爐頂噴式燒嘴采用大小火控制（每個(gè)燒嘴用兩根空氣管和兩根天然氣管供氣），點(diǎn)火不成功在現(xiàn)場(chǎng)及操作室內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并返回至 PLC，在觸摸屏上顯示并保存記錄； 在加熱爐高溫端安裝 B 型熱電偶將溫度信號(hào)反饋至 PLC 進(jìn)行溫度采集； 在加熱爐高溫端安裝 K 型熱電偶將溫度信號(hào)反饋至 PLC 進(jìn)行溫度采集； 對(duì)安裝在煙道上 的執(zhí)行器通過 PLC 進(jìn)行開度調(diào)節(jié)； 所有操作均在觸摸屏上完成。 系統(tǒng)的整體配置如圖 所示： 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 系統(tǒng)整體配置圖 加熱爐的主要技術(shù)參數(shù) 加熱爐有效寬度： 2088mm 加熱爐有效長(zhǎng)度： 14860mm 穿孔管坯最大長(zhǎng)度： 1800mm 穿孔管坯規(guī)格： 50～ 75mm 最大生產(chǎn)能力： 噸 /小時(shí) 正常工作的高溫區(qū)溫度： 1100 到 1300 度 正常工作的中溫區(qū)溫度： 900 到 1100 度 爐子燃燒系統(tǒng)控制原理圖見圖 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 爐子燃燒系統(tǒng) 圖中的代號(hào)： 1 變頻風(fēng)機(jī) (功率為 )； 2 天然 氣減壓閥； 3， 4 手動(dòng)球閥； 5 高壓力開關(guān)； 6 低壓力開關(guān)； 7 電動(dòng)閥； 8 手動(dòng)閥； 9 空氣蝶閥； 10 電動(dòng)執(zhí)行器和蝶閥；11， 12 電磁閥； 13， 14 手動(dòng)球閥； 15 燃燒控制嘴和變壓器； 16 燃?xì)鉄?(總共有 1到12燒嘴 12個(gè)，圖中只畫了 1個(gè) )； 17 .煙道執(zhí)行器。 本設(shè)計(jì)的主要要求與內(nèi)容 爐子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要要求 1. 通過觸摸屏能對(duì)爐子進(jìn)行自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的操作。 2. 加熱爐總共有 12個(gè)燒嘴，均采用大小火 脈沖 方式，正常情況下小火全部點(diǎn)著。 3. 1 號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 1， 2燒嘴； 2 號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 3， 4燒嘴； 3 號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 5， 6燒嘴； 4 號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 7， 8燒嘴；5號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 9， 10燒嘴； 6 號(hào)燒嘴對(duì)應(yīng)觸摸屏中大小火 11， 12燒嘴。 4. 在加熱系統(tǒng)中要求將爐子分為兩個(gè)溫區(qū)：總共有 12個(gè)燒嘴， 1號(hào) 、 2號(hào) 燒嘴對(duì)應(yīng)高溫區(qū)的溫度，由熱電偶 K1提供反饋信號(hào)； 3號(hào) 到 6號(hào) 燒嘴對(duì)應(yīng)中溫區(qū)的溫度，由熱電偶 K2提供反饋信號(hào)。 5. 在電控系統(tǒng)部分中，要求風(fēng)機(jī)的壓力和爐子的溫度恒定，并且通過設(shè)備檢測(cè)出來常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 并能顯示，來對(duì)天然氣煙道的開度的大小 進(jìn)行控制，并將煙道的開度大小分為 6檔控制。在開啟 1號(hào) 到 6號(hào) 燒嘴大火的時(shí)候，高溫區(qū) 1號(hào) 、 2號(hào) 燒嘴欠溫，按照 1號(hào) 到 2號(hào) 順序延時(shí)開啟大火，超溫則按照燒嘴 2號(hào) 到 1號(hào) 順序延時(shí)關(guān)閉大火；中溫區(qū) 3號(hào) 到 6號(hào) 燒嘴欠溫時(shí)，按照 3號(hào) 到 6號(hào) 的順序延時(shí)開啟大火，超溫時(shí)則按照燒嘴 6號(hào) 到 3號(hào) 的順序延時(shí)關(guān)閉大火，上面的延時(shí)時(shí)間可以自行設(shè)定。 6. 設(shè)計(jì)必要的保護(hù)電路，保證控制系統(tǒng)的安全可靠。 7. 對(duì)故障能夠進(jìn)行報(bào)警并且有相應(yīng)的報(bào)警記錄。 8. 采取必要的抗干擾措施。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1. 設(shè)計(jì)電氣控制原理圖。 2. 進(jìn)行 PLC選型 及 I/O分配。 3. PLC控制程序的編寫 ，組態(tài)觸目屏畫面。 4. 按要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 5. 繪制設(shè)計(jì)圖樣。 6． 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 程序 調(diào)試。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 原理及其應(yīng)用 PLC 原理及其應(yīng)用 PLC具有微機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或 I/O掃描方式，有鍵按下或 I/O動(dòng)作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無(wú)鍵按下則繼續(xù)掃描。 PLC則采用循環(huán)掃描工作方式， PLC有兩種基本的工作模式，即運(yùn)行（ RUN）模式與停止（ STOP）模式。在運(yùn)行模式， PLC通過反復(fù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至 PLC停機(jī)或切換到 STOP模式。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中， PLC還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可以分為五個(gè)階段 ：內(nèi)部處理，通信服務(wù)，輸入處理，程序執(zhí)行，輸出處理，其 運(yùn)行（ RUN）模式與停止（ STOP）模式 工作過程框圖如圖 ： 圖 PLC的工作過程 圖 PLC 的特點(diǎn)及主要功能 ，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代內(nèi)部處理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 RUN STOP 內(nèi)部處理 通信服務(wù) 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 PLC多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC滲透到了位置控制、溫度控制， CNC等各種工業(yè)控制中。加上 PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 ，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的最關(guān)鍵性能之一。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)的電子元件 與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部電路采取光電隔離、數(shù)字濾波、故障診斷等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間很長(zhǎng)。從 PLC的機(jī)外電路來說，使用 PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。 、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)變 得容易起來。更重要的是可以使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程。 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ A）和數(shù)字量（ D）之間的A/D轉(zhuǎn)換及 D/A轉(zhuǎn)換。 PLC廠家都生產(chǎn)配套的 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào) 節(jié)方法。大中型 PLC都有 PID模塊，目前許多小型 PLC也具有此功能模塊。 PID處理一般是運(yùn)行專用的 PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 6. 擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出單元（即 I/O擴(kuò)展單元）來增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可以通過附加各種功能單元及特殊功能單元來提高 PLC的控制能力。 7. 遠(yuǎn)程 I/O功能 遠(yuǎn)程 I/O功能是指通過遠(yuǎn)程 I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與 PLC主機(jī)常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號(hào)、傳出輸出信號(hào)。 8. 通信聯(lián)網(wǎng)功能 通信聯(lián) 網(wǎng)功能是指通過 PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、 PLC與上位計(jì)算機(jī)的連接等，實(shí)現(xiàn) I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模的系統(tǒng)控制。 9. 監(jiān)控功能 監(jiān)控功能是指 PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等設(shè)置值或強(qiáng)制 I/O狀態(tài)。 PLC編程語(yǔ)言 在 PLC中有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 ,它們是梯形圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、功能表圖語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等。梯形圖語(yǔ)言和布爾助記符語(yǔ)言是基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它通常由一系 列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡(jiǎn)單的控制功能，例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等，通過擴(kuò)展或增強(qiáng)指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。這兩種編程語(yǔ)言用的最為廣泛。 PLC的選擇及 I/O 的確定 PLC的型號(hào)選擇 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求及復(fù)雜程度，對(duì)所需要的 I/O口要進(jìn)行初步的估算。 PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)是有限的，在設(shè)計(jì)一個(gè) PLC控制系統(tǒng)時(shí)可能遇到其 I/O口的點(diǎn)數(shù)問題，可以選擇 I/O點(diǎn)數(shù)較多的 PLC或增加擴(kuò)展單元。 在此次的加熱爐的系統(tǒng)的改造中，有 12個(gè)燒嘴的大小火的輸出 ，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行輸出，天然氣的快切閥輸出，報(bào)警輸出，還有空氣閥的輸出，大概需要 14個(gè)輸出。在輸入方面，主要是控制系統(tǒng)的故障，主要包括：風(fēng)機(jī)故障，燃?xì)鈮毫^高或過低故障， 1到 12燒嘴故障，總共 15個(gè)輸入點(diǎn)，這樣總共大概需要 14個(gè)輸出點(diǎn)和 15個(gè)輸入點(diǎn)。 根據(jù) PLC選型的原則，輸入輸出點(diǎn)要求有 20%備用 ??5 ，以防有個(gè)別輸入輸出點(diǎn)損壞時(shí)，可以及時(shí)更換備用點(diǎn)，而不必要換整臺(tái) PLC， 所以我 選用 西門子 S7200PLC CPU226為主機(jī) 。 在對(duì)爐子的風(fēng)壓和兩個(gè)溫區(qū)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要 3個(gè)模擬量輸入通道，在控制風(fēng)機(jī)的頻率和煙道 執(zhí)行器控制時(shí)，需要 2個(gè)模擬量輸出通道。 所以我選用 EM231為 模擬量輸入 模塊 和EM232為 模擬量輸出 模塊。 西門子 S7200PLC CPU226的介紹 S7200 系列 PLC 可提供 4 種不同的基本單元和 6 種 型號(hào) 的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器等。 S7200 系列的基本單元如表 所 示。 表 S7200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元 型號(hào) 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 可帶擴(kuò)展模塊數(shù) S7200CPU221 6 4 0 S7200CPU222 8 6 2個(gè)擴(kuò)展模塊 S7200CPU224 24 10 7個(gè)擴(kuò)展模 塊 S7200CPU224XP 24 16 7個(gè)擴(kuò)展模塊 S7200CPU226 24 16 7個(gè)擴(kuò)展模塊 本論文采用的是 CUP226。它具有 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 26K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID控制器。 2個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和 自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 輸入輸出模塊的介紹 EM231 是常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了 4 路模擬量輸入。下面以 EM231 為例講解模擬量擴(kuò)展模塊接線圖，如圖 所示。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 EM231模擬量擴(kuò)展模塊接線圖 圖 1演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入 X＋和X－；對(duì)于電流信號(hào)，將 RX 和 X＋短接 后接入電流輸入信號(hào)的“＋”端；未連接傳感器的通道要將 X＋和 X－短接。 對(duì)于某一模塊，只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。 表 EM231的 常用技術(shù)參數(shù)： 模擬量輸入特性 模擬量輸入點(diǎn)數(shù) 4 輸入范圍 電壓（單極性） 0～ 10V 0～ 5V 電壓（雙極性）177。 5V 177。 電流 0～ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 雙極性 全量程范圍 32021～ +32021 單極性 全量程范圍 0～ 32021 分辨率 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器 EM232是常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了 2 路模 擬量輸 出 。下面以 EM232為例講解模擬量擴(kuò)展模塊接線圖，如圖 所示： 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 EM232模擬量擴(kuò)展模塊接線圖 表 EM232的 常用技術(shù)參數(shù)： 模擬量輸出特性 模擬量輸出點(diǎn)數(shù) 2 信號(hào)范圍 電壓輸出 177。 10V 電流輸出 0～ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 電壓 32021～ +32021 電流 0～ 32021 分辨率電流 電壓 12位 電流 11位 I/O的確定 表 PLC硬件 I/O分配表 輸 風(fēng)機(jī)故障 燃?xì)鈮毫^高 燃?xì)?壓力過低 1燒嘴故障 2燒嘴故障 3燒嘴故障 4燒嘴故障 5燒嘴故障 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 入 6燒嘴故障 7燒嘴故障 8燒嘴故障 9燒嘴故障 10燒嘴故障 11燒嘴故障 12