毕业设计（论文）基于PLC、触摸屏φ76管坯加热炉的电控系统设计.doc

本科毕业设计（论文）题 目 基于PLC、触摸屏76管坯加热炉的 电控系统设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 07 专 业 自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 副 高 论文提交日期 2011-5-16 基于PLC、触摸屏76管坯加热炉的电控系统设计 摘要本论文首先对无缝钢管76管坯加热炉的实现电控自动化控制的意义进行了介绍，并介绍了在电控系统改造中所用到的控制器PLC，包括PLC的型号、硬件接线、主要功能与特点，接着分析了系统的设计要求及设计内容，最后介绍了系统相应的硬件设计和软件编程，以及触摸屏在76管坯加热炉的电控系统改造中的应用。改造后的电控系统分为手动控制和自动控制两部分，自动部分通过对天然气、空气、烟道等部件的控制实现对加热炉的恒压恒温自动控制。通过简要介绍恒温恒压的改造方案，引出了实现其恒压的最佳方法PID控制算法。关键字：加热炉 触摸屏 恒温 恒压 PIDThe design of electrical control system for the furnace of 76 tube based on PLC and touch screen AbstractThis paper is first introduced the seamless of 76 tube furnace to achieve the significance of electronic control automation. Then the controller PLC used in the electronic control system is introduced. It contains PLC models, hardware connection, the main function and the characteristics , Then it analyses the design requirements and elements of the system.Finally,it describes the hardware design and software programming of the system.And the application of touch screen in the furnace 76 tube electric control system.After the transformation, the perforation electrical control system is divided into two parts: manual control and automatic control system. Automatic parts could achieve the automatic constant temperature and constant pressure control of furnace through contol of the natural gas , air , flue and others.And then introduced the transformation program of constant temperature and pressure , leads the best way to achieve its constant pressure - PID control algorithm.Keywords : furnace; Touch Screen;constant temperature;constant pressure; PID目录第一章 绪论11.1论文的背景11.2课题的目的和意义2第二章 系统设计要求32.1系统概述32.2 系统的配置32.3加热炉的主要技术参数42.4 本设计的主要要求与内容52.4.1 炉子系统的设计主要要求52.4.2 设计内容6第三章 系统硬件设计73.1 PLC原理及其应用73.1.1 PLC原理及其应用73.1.2 PLC的特点及主要功能73.1.3 PLC编程语言93.2 PLC的选择及I/O的确定93.2.1 PLC的型号选择93.2.2 西门子S7-200PLC CPU226的介绍93.2.3 输入输出模块的介绍103.2.4 I/O的确定123.3 主要硬件的选择133.3.1.触摸屏的选择133.3.2接触器的选择153.3.3变频器的选择153.4 PLC的硬件接线图153.5系统硬件的安全保护措施17第四章 系统的软件设计194.1 系统的工作原理介绍194.2系统的供风量恒压控制214.2.1.闭环控制系统的组成214.2.2.闭环控制的工作原理214.3 PID控制原理及其运用224.3.1 PID基本控制原理224.3.2 PLC-PID控制器的实现234.4 PID部分梯形图254.5系统的恒温部分梯形图284.6系统烟开部分梯形图344.7系统报警部分364.8节能的检修系统36第五章 eview510T.10.4触摸屏的设计375.1触摸屏画面的总体设计375.1.1 确定要设置的画面375.1.2 画面切换关系385.1.3 触摸屏地址标识符库385.2 手动画面与自动画面的设计405.2.1手动运行405.2.2自动运行415.3 报警信息记录画面设计42第六章 程序的调试446.1 程序调试前的准备工作446.2 程序调试及调试工具446.3 程序过程及结果446.3.1手动控制446.3.1自动控制466.3.4 故障报警486.4 触摸屏的离线模拟486.5 安装调试过程中出现的错误及纠正496.5.1触摸屏问题496.5.2通信错误49结束语50主要参考文献51附录52加热炉程序52触摸屏界面88电气原理图91致谢95第一章 绪论温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数，传送和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，对当今社会的发展与进步起到了很大的作用。1.1论文的背景长期以来，我国能源资源以煤为主，城市煤气、工业炉窑、发电都以燃煤为主。燃烧产物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量烟尘污染，使城市空气质量严重恶化。而高效、洁净、方便的天然气能源的合理利用和优化利用，对优化我国能源结构、优化生态城市建设、优化理想人居空间，创造人和自然的和谐环境都具有非常重要的意义。    常熟无缝钢管有限公司的管坯加热炉二十多年来一直以燃煤为主要能源，生产环境较差且由于煤气发生炉的老化，维修成本日益增加，对温度的控制也难以达到要求。碳管车间的一台配套管坯加热炉的煤气发生炉已老化到急需更换的程度，天然气代替燃煤能否达到成本相当并进行恒温控制，直接影响到常熟无缝钢管有限公司产品的成本、质量及生产设备的正常运转。我学院配合常熟无缝钢管有限公司从2006年8月份开始对该公司的穿孔机加热炉燃气系统进行了改造，把原来的发生炉煤气构成的手动加热系统改造成天然气全自动恒温加热控制系统，效果较好，达到了环保、节能、安全的预期效果。2007年，我学院又与常熟无缝钢管有限公司签约了8台炉子的电控软件设计任务。2010年我学院又与常熟无缝钢管有限公司签订了5台炉子的软件设计任务, 76管坯加热炉是其中的一台。本台炉子用PLC控制，触摸屏作为人机界面，对PLC进行监控。1.2课题的目的和意义加热炉是无缝钢管生产的主要耗能设备，如何保证被加热的管坯在有效轧制的前提下，尽可能的减少加热炉的能耗，是无缝钢管行业控制技术研究的主要方向。近年来，国家加大节能减排的力度，各企业不断对加热炉的生产工艺进行改造和完善，加热炉的自动化控制水平有了显着的提高。目前面向节能减排、提高轧制产品质量的加热炉工程控制计算机系统已广泛应用于各企业的加热炉生产控制中。设计一套完善的管坯加热炉电控系统，有着巨大的经济价值和环保意义。 1. 该设计是通过触摸屏组态编程与 PLC技术来实现对装置内设备的运行状况的显示、安全状况的监控。使用触摸屏组态软件的记忆功能，记录信号历史工作状况，一旦出现故障，作为分析事故原因的依据之一。 2. 课题是常熟无缝钢管有限责任公司提供，具有工程实践背景，体现新技术在工程实践中的应用研究，为 PLC 和计算机在加热炉上的应用拓展了渠道，是即将毕业同学一次很好的学习机会。通过这次设计锻炼了每个同学的动手和解决问题的能力，提高了对以 PLC 为核心的控制系统的认识。 第二章 系统设计要求2.1系统概述本设计在硬件部分使用PLC和模拟量输入输出扩展模块为核心控制部分，输出通过传感器把炉温传送给PLC系统，PLC根据温度设定值与反馈值进行比较,采用大、小火脉冲燃烧的方式实现恒温控制。由于大小火燃烧方式喷口温度变化微小，由喷口总量的大小来恒定炉温，燃空比稳定，有效的降低能耗及炉温波动。下位机采用PLC控制，上位机采用触摸屏组态软件进行控制，PLC与触摸屏组态软件之间建立通信。2.2 系统的配置天然气加热炉顶喷式烧嘴采用大小火控制（每个烧嘴用两根空气管和两根天然气管供气），点火不成功在现场及操作室内发出报警信号并返回至PLC，在触摸屏上显示并保存记录；在加热炉高温端安装B型热电偶将温度信号反馈至PLC进行温度采集；在加热炉高温端安装K型热电偶将温度信号反馈至PLC进行温度采集；对安装在烟道上的执行器通过PLC进行开度调节；所有操作均在触摸屏上完成。系统的整体配置如图2.1所示：图2.1 系统整体配置图2.3加热炉的主要技术参数加热炉有效宽度：2088mm加热炉有效长度：14860mm穿孔管坯最大长度：1800mm穿孔管坯规格：5075mm最大生产能力：4.6吨/小时正常工作的高温区温度：1100到1300度正常工作的中温区温度：900到1100度炉子燃烧系统控制原理图见图2.2图2.2 炉子燃烧系统图中的代号：1 变频风机(功率为18.5KW)；2 天然气减压阀；3，4 手动球阀；5 高压力开关；6 低压力开关；7 电动阀；8 手动阀；9 空气蝶阀；10 电动执行器和蝶阀；11，12 电磁阀；13，14 手动球阀；15 燃烧控制嘴和变压器；16 燃气烧嘴(总共有1#到12#烧嘴12个，图中只画了1个)；17 .烟道执行器。2.4 本设计的主要要求与内容2.4.1 炉子系统的设计主要要求1. 通过触摸屏能对炉子进行自动控制与手动控制的操作。2. 加热炉总共有12个烧嘴，均采用大小火脉冲方式，正常情况下小火全部点着。3. 1号烧嘴对应触摸屏中大小火1，2#烧嘴；2号烧嘴对应触摸屏中大小火3，4#烧嘴；3号烧嘴对应触摸屏中大小火5，6#烧嘴；4号烧嘴对应触摸屏中大小火7，8#烧嘴；5号烧嘴对应触摸屏中大小火9，10#烧嘴；6号烧嘴对应触摸屏中大小火11，12#烧嘴。4. 在加热系统中要求将炉子分为两个温区：总共有12个烧嘴，1号、2号烧嘴对应高温区的温度，由热电偶K1提供反馈信号；3号到6号烧嘴对应中温区的温度，由热电偶K2提供反馈信号。5. 在电控系统部分中，要求风机的压力和炉子的温度恒定，并且通过设备检测出来并能显示，来对天然气烟道的开度的大小进行控制，并将烟道的开度大小分为6档控制。在开启1号到6号烧嘴大火的时候，高温区1号、2号烧嘴欠温，按照1号到2号顺序延时开启大火，超温则按照烧嘴2号到1号顺序延时关闭大火；中温区3号到6号烧嘴欠温时，按照3号到6号的顺序延时开启大火，超温时则按照烧嘴6号到3号的顺序延时关闭大火，上面的延时时间可以自行设定。6. 设计必要的保护电路，保证控制系统的安全可靠。7. 对故障能够进行报警并且有相应的报警记录。8. 采取必要的抗干扰措施。2.4.2 设计内容1. 设计电气控制原理图。2. 进行PLC选型及I/O分配。3. PLC控制程序的编写，组态触目屏画面。4. 按要求撰写毕业设计说明书。5. 绘制设计图样。6在实验室进行程序调试。第三章 系统硬件设计3.1 PLC原理及其应用3.1.1 PLC原理及其应用PLC具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。在运行模式，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可以分为五个阶段：内部处理，通信服务，输入处理，程序执行，输出处理，其运行（RUN）模式与停止（STOP）模式工作过程框图如图3.1所示：图3.1 PLC的工作过程图3.1.2 PLC的特点及主要功能1.配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制，CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。2.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的最关键性能之一。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用优质的电子元件与合理的系统结构设计，内部电路采取光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间很长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。3.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造周期大为缩短，同时维护变得容易起来。更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。4.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（A）和数字量（D）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。5.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。6. 扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出单元（即I/O扩展单元）来增加输入输出点数，也可以通过附加各种功能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。7. 远程I/O功能远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。8. 通信联网功能通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等，实现I/O控制或数据交换，以完成较大规模的系统控制。9. 监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分的运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设置值或强制I/O状态。3.1.3 PLC编程语言在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。这两种编程语言用的最为广泛。3.2 PLC的选择及I/O的确定3.2.1 PLC的型号选择根据系统的控制要求及复杂程度，对所需要的I/O口要进行初步的估算。PLC的输入输出点数是有限的，在设计一个PLC控制系统时可能遇到其I/O口的点数问题，可以选择I/O点数较多的PLC或增加扩展单元。在此次的加热炉的系统的改造中，有12个烧嘴的大小火的输出，风机的运行输出，天然气的快切阀输出，报警输出，还有空气阀的输出，大概需要14个输出。在输入方面，主要是控制系统的故障，主要包括：风机故障，燃气压力过高或过低故障，1#到12#烧嘴故障，总共15个输入点，这样总共大概需要14个输出点和15个输入点。根据PLC选型的原则，输入输出点要求有20%备用，以防有个别输入输出点损坏时，可以及时更换备用点，而不必要换整台PLC，所以我选用西门子S7-200PLC CPU226为主机。在对炉子的风压和两个温区进行检测时，需要3个模拟量输入通道，在控制风机的频率和烟道执行器控制时，需要2个模拟量输出通道。所以我选用EM231为模拟量输入模块和EM232为模拟量输出模块。3.2.2 西门子S7-200PLC CPU226的介绍S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器等。S7-200系列的基本单元如表3.1所示。表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22424107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块本论文采用的是CUP226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35 路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.2.3 输入输出模块的介绍EM231是常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入。下面以EM231为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图3.2所示。图3.2 EM231模拟量扩展模块接线图图1演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。表3.2 EM231的常用技术参数：模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 电压（双极性）±5V ±2.5V 电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器EM232是常用的模拟量扩展模块，它实现了2路模拟量输出。下面以EM232为例讲解模拟量扩展模块接线图，如图3.3所示：图3.3 EM232模拟量扩展模块接线图表3.3 EM232的常用技术参数：模拟量输出特性模拟量输出点数2信号范围电压输出 ±10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位3.2.4 I/O的确定表3.4 PLC硬件I/O分配表输入I0.0风机故障I0.1燃气压力过高I0.2燃气压力过低I0.31#烧嘴故障I0.42#烧嘴故障I0.53#烧嘴故障I0.64#烧嘴故障I0.75#烧嘴故障I1.06#烧嘴故障I1.17#烧嘴故障I1.28#烧嘴故障I1.39#烧嘴故障I1.410#烧嘴故障I1.511#烧嘴故障I1.612#烧嘴故障输出Q0.01，2#烧嘴控制Q0.13，4#烧嘴控制Q0.25，6#烧嘴控制Q0.37，8#烧嘴控制Q0.49，10#烧嘴控制Q0.511，12#烧嘴控制Q0.6开1，2#大火Q0.7开3，4#大火Q1.0开5，6#大火Q1.1开7，8#大火Q1.2开9，10#大火Q1.3开11，12#大火Q1.4燃气快切阀控制Q1.5风机运行控制Q1.6报警输出EM231模块C风机压力检测A炉温（高温）检测B炉温（中温）检测EM232模块M0风机变频调节M1烟道执行器3.3 主要硬件的选择3.3.1.触摸屏的选择触摸屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测，并通过接口(如RS-232串行口)送到CPU，从而确定输入的信息。 触摸屏系统一般包括触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置两个部分。其中，触摸屏控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行：触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位置，并传送给触摸屏控制卡。 触摸屏按照技术原理可分为以下4个基本种类：1.电阻式触摸屏电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标。这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。图3.4 电阻式触摸屏讲解示意图2.电容式触摸屏电容式触摸屏的透光度和清晰度均优于四线电阻式触摸屏，但不能和五线电阻式触摸屏和表面声波式触摸屏相比。环境对电容式触摸屏的影响也比较严重，容易引起电容式触摸屏的漂移，造成工作不准确。3.红外线式触摸屏红外线式触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，采用红外线技术是触摸屏的最终发展趋势。但是成本较高。4.表面声波式触摸屏表面声波式触摸屏具有清晰度高、透光率好、高耐久、抗刮伤性良好（相对与电阻式等）、反应灵敏、不受温度和湿度等环境因素影响、分辨率高、寿命长等特点。目前主要用于公共场所。但是表面声波式触摸屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面都会阻塞触摸屏的正常使用。根据要求以及工作地点的环境和成本的考虑此设计选择用了电阻式触摸屏，型号eview510T-10.4。3.3.2接触器的选择在变频器保护部分，除了采用了断路器保护还加了接触器KM2紧停保护，当变频器和助燃风机出现意外故障时，按下按钮开关使得线圈失电，KM2的主触点断开，变频器断电停止工作，从而得到保护。低压断路器的选择需满足以下的两个条件13（1）接触器的额定电压应大于或等于负载回路的电压（2）接触器的额定电流应大于或等于被回路的额定电流即：13 （公式2-5）式中PN为电动机的额定功率，PN=18.5KW；UN为电动机的额定电压，UN=380V；K为经验系数，一般取11.4；流过接触器主触点的电流IC=48.9A，因此选择的接触器的额定电流大于或等于84A，主触点额定电压大于380V，线圈电压为220V。经校验，交流接触器KM2标准型号规格为CJ20-60A 满足要求。交流接触器KM1的选择过程与此相同。3.3.3变频器的选择因为风机电机的功率为18.5KW，所选用与PLC相同品牌的变频器，实验室正好用这个变频器与PLC配用的，型号为西门子MM440变频器。其它元件的型号选择过程略，型号详见元器件清单表。3.4 PLC的硬件接线图硬件接线图主要有：1西门子S7-200PLC CPU226主控制器；2. EM231模拟量扩展模块和EM232模拟量扩展模块；2 触摸屏人机界面eview510T.10.4；3 西门子MM440变频器；4 压力、温度传感变送器；5 热电偶；6 烧嘴控制器IFS258；7 燃气电磁阀；8 天然气超压、欠压开关等组成。见附图3.5图3.5 PLC的硬件接线图表3.5 硬件型号选择表序号图号名称型号规格单位数量备注1QF1空气开关NM1-225S/3300-160A个12QF2空气开关NM1-225S/3300-125A个13QF3空气开关C65N-2P/D10A个14QF4、5空气开关C65N-1P/D16A个25QF68空气开关C65N-1P/D10A个36KM1交流接触器CJT1-20A AC220V个17KM2交流接触器CJ20-100A AC220V个18TA13电流互感器BH-0.66 20 150/5A个39A13电流表42L6-150/5A个310V电压表42L6-450V个111FU16熔断器RT18-32X/6A套6带指示灯12SB14按钮LAY39-11BN个4红绿各半13HL16指示灯ND16-22DS AC220V个6红色14HL7、8指示灯ND16-22DS DC24V个2红色15T1隔离变压器BK200-220V/220V个116P1蜂鸣器NFM1-22/FS DC24V个117KA116继电器MY4J DC24V套16欧姆龙，带指示灯18KGDY开关电源双路DC24V 5A输出个119PT1配电模块SWP-201DL-12-22-A/N个120TE1温度变送器SWP-201TC-01-21-A/N个121TE2温度变送器SWP-201TC-03-21-A/N个122触摸屏MT510T-10.4寸256色台123变频器MM440台1西门子24PLC主机S7-200PLC CPU226台1西门子25四路模拟量输入EM231台1西门子26二路模拟量输出EM232台1西门子3.5系统硬件的安全保护措施1在天然气加热炉主电路控制部分，采用了断路器，作为电路短路保护，在电路中连接了电流表和电压表，时刻监视电路的工作情况。2在变频器保护部分，除了采用了断路器保护还加了接触器KM2紧停保护，当变频器和助燃风机出现意外故障时，按下按钮开关使得线圈失电，KM2的主触点断开，变频器断电停止工作，从而得到保护。3在PLC电源保护部分，采用了断路器保护、继电器KM1紧停保护和隔离变压器抗干扰措施，继电器的保护措施和变频器的保护作用一样，变压器的耦合系数是1：1，主要是防止电源对PLC的干扰。4PLC的输出一般有三种：可控硅，晶体管和继电器。在输出部分，我采用了晶体管输出并用中间继电器进行保护，当出现外部故障时，只会损坏中间继电器，不会损坏PLC输出部分，中间继电器的价格不高，而且修复的速度也快，如果不加中间继电器，一旦损坏PLC硬件，修起来麻烦，花的成本相对也较高。在中间继电器之间还接入了续流二极管，提高了开关速度，防止电感性负载对PLC的干扰。5在使用EM231和EM232模块的时候，采用电流输入输出模式，提高传输模块的抗干扰能力，在通道的正负之间连接了电容，来增加模块的抗干扰性能。6在烧嘴保护部分，采用了IFS258烧嘴控制器保护，当烧嘴在运行，出现故障熄火时，将故障信号传给PLC，同时切断相关的天然气与空气管道，以防发生以外。7点火不成功的话烧嘴控制器将自动切断燃气阀和空气阀的电源并蜂鸣器发出报警声提醒维护人员去排除故障。8变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，保护设备不至于损坏。9故障信息除可以在触摸屏上准确地显示故障类型外，还可以在触摸屏上进行存储（最多可存2000条故障信息），极大地方便了维护人员排除故障。第四章 系统的软件设计4.1 系统的工作原理介绍1.系统程序采用的是调用子程序来实现各部分见图4.1，其中PID部分是通过调用中断子程序来实现的，系统程序的梯形图详见附录。图4.1 程序流程图2燃烧系统控制天然气通过调压系统把管道天然气压力从0.1MPa降压至6000Pa，为加热系统提供能源，并配压力继电器和电动快切阀实现过压和欠压自动安全保护。空气恒压系统通过压力变送器反馈值与设定值比较，其差值经PLC对变频器进行控制，从而调整风机的转速，实现供风量恒压，满足燃烧的需要。3加热系统温度控制PLC根据温度设定值与反馈值进行比较,采用大、小火脉冲燃烧的方式实现恒温控制。由于大小火燃烧方式喷口温度变化微小，由喷口总量的大小来恒定炉温，燃空比稳定，有效的降低能耗及炉温波动。自动控制原理见图4.2天然气压力正常启动风机打开天然气快切阀、烧嘴控制器送电烧嘴点小火正常燃烧开1号烧嘴大火开2号烧嘴大火开3号烧嘴大火开4号烧嘴大火开5号烧嘴大火开6号烧嘴大火逐步关闭63号烧嘴大火中温达到设定值延时延时延时空气恒压力800Pa延时风机加速空气恒压力3500Pa根据不同的钢种设定不同的温度中温高温关2号烧嘴大火关1号烧嘴大火延时延时中温低于设定值高温达到设定值高温低于设定值打开1个烧嘴大火烟道开16.7%打开2个烧嘴大火烟道开33.3%打开3个烧嘴大火烟道开50%打开4个烧嘴大火打开5个烧嘴大火烟道开83.3%打开6个烧嘴大火烟道全开烟道开66.7%图4.2 自动控制原理图4.2系统的供风量恒压控制为了使燃烧系统工作稳定，天然气在点火阶段风机恒压为800Pa，在燃烧加热温度控制阶段风机恒压为5000Pa，为了保证以上的两个指标，采用了计算机闭环控制系统。下面简要介绍一下计算机闭环系统的组成与工作原理。4.2.1.闭环控制系统的组成典型的PLC模拟量闭环控制系统如图4.3所示，虚线中的部分是用PLC实现的。在模拟量闭环控制系统中，被控量c（t）（例如压力、温度、流量等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv（t），而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件转换为标准量程的电流信号或电压信号pv(t)，模拟量输入信号的A/D转换器将它们转换为数字量pv（n）。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟电压或电流mv(t)，再去控制执行机构。c(t)PID调节器D/A执行机构被控对象测量元件A/Dsv(n)ev(n)mv(n)mv(t)pv(n)图4.3 计算机闭环控制系统框图4.2.2.闭环控制的工作原理模拟量控制系统可以分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值由操作人员提供，一般很少变化，例如压力控制系统、温度控制系统等。 随动系统的输入量是不断变化的随机变量,例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动系统.本控制系统的设计采用恒值