完整版加热炉反应的自动控制毕业设计.docx
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完整版加热炉反应的自动控制毕业设计
毕业论文
论文题目加热炉反应的自动控制
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日期:
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1)设计(论文)
2)附件:
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3)其它
新疆工程学院毕业论文任务书
学生姓名
专业班级
论文题目
基于PLC和MCGS的加热炉反应自动控制
接受任务日期
完成任务日期
指导教师
指导教师单位
论文要求
1、设计系统的画面。
2、根据控制工艺编写程序。
3、制作数据报表、绘制运行曲线。
4、设置用户权限管理及工程安全管理。
5、编辑用户菜单,试程序。
6、编写下位机(PLC)程序
7、编写设计说明书。
教师指导过程记录
1):
布置设计任务,深入了解设计内容,阅读参考资料。
1>.第一周:
熟悉MCGS软件及加热反应炉自动控制系统。
2>.第二周:
根据控制工艺编写程序。
3>.第三周,第四周:
制作数据报表、绘制运行曲线。
4>.第五周:
设置用户权限管理及工程安全管理,编辑用户菜单。
5〉第六周:
调试程序,编写设计说明书。
6>.第七周:
修改,打印说明书,画正式图纸。
总结,准备毕业答辩,完成答辩。
参考资料
1.胡寿松.自动控制原理.第三版国防工业出版社
2.赵国材.计算机控制技术吉林大学出版社
3.熊新民.自动控制原理.电子工业出版社
4.吴秀英组太控制技术电子工业出版社
新疆工程学院毕业论文成绩表
学生姓名
专业班级
论文题目
基于plc和mcgs的加热炉反应自动控制
考核项目
考核内容
满
分
评
分
一、
指导教师评分
1、工作态度与纪律
10
2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平
10
3、独立工作能力、分析和解决问题能力
10
4、完成任务的情况与水平(论文质量)
10
指导教师签字:
年月日
二、
评阅教师评分
1、论文质量(正确性、条理性、创造性和实用性)
15
2、成果技术水平(理论分析、计算、实验和实物性能)
15
评阅教师签字:
年月日
三、
答辩小组评分
1、完成任务书所规定的内容和要求
5
2、论文的质量
5
3、课题论文内容的讲述
10
4、回答问题的正确性
10
答辩组长签字:
年月日
四、答辩小组成绩评定:
负责人签字:
年月日
五、答辩委员会意见:
答辩委员会主任签字:
年月日
摘要
该控制系统采用可编程控制器为核心、PC为上位机,可编程控制器通过专用数据线和上位机通信,利用组态软件对整个系统进行实时监控,利用PLC对加热反应炉进行现场的实施自动控制。
实验证明,PLC和MCGS结合有利于PLC控制系统的设计、检测,具有良好的应用价值。
关键词:
PLC,MCGS,加热反应炉
Abstract
Thecontrolsystemusesaprogrammablecontrollerasthecore,PCashostcomputer,programmablecontrollerthroughadedicateddatalineandthehostcomputercommunication,real-timemonitoringofthewholesystemwithconfigurationsoftware,carryouttheautomaticcontroloftheheatingfurnacesiteimplementationusingPLC.Experimentsshowthat,PLCandMCGSbindingtoPLCcontrolsystemdesign,test,andhasgoodapplicationvalue.
Keywords:
PLC,MCGS,heatingfurnace
第一章引言
1.1课题背景
加热反应炉是冶金、化工工业常用的重要设备,过去仅依靠人工经验进行操作,往往存在送料、温度、压力等条件变化时不能实施有效控制的问题,产品质量不稳定甚至出现次品,造成原料浪费,给企业带来经济损失。
可编程序控制器PLC以其可靠性高、功能强、控制灵活等特点,已成为目前工业现场环境的首选控制装置。
它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制,还能完成少量模拟量的过程控制,且编程简单,使用方便。
本文采用可编程控制器PLC为核心、PC为上位机,通过专用数据线和上位机通信,利用组态软件对整个系统进行实时监控,利用PLC对加热反应炉进行现场的实施自动控制,进而实现了对加热反应炉的可视化监控系统。
组态软件的应用领域很广,它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称运动系统[2]。
组态软件是指一些数据采集与过程控制和专用软件,它们是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动化控制监控功能的,通用的层次的软件工具。
组态软件能支持各种工控设备的常见的通信协议,并且通常分布式数据管理和网络功能。
对于原有的HMI的概念,组态软件用户能够快速建立自己的HMI的软件工具,或开发环境。
在组态软件出现之前工控领域的用户通过编写HMI应用,开发时间长,效率底,可靠性差;或者购买过去的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地小,往往不能满足需求。
很难与外界进行数据交互[3]。
组态软件出现把用户从这些困境中解脱出来,可以利用组态软件的功能构建一套适合自己的应用系统。
1.2MCGS组态软件
1.2.1MCGS简介
MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制,可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。
MCGS组态软件包括三个版本,分别是网络版、通用版、嵌入版。
具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
通过与其他相关的硬件设备结合,可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。
用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统,如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块,无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。
在使用工控软件中,我们经常提到组态一词,组态英文是“Configuration”,其意义究竟是什么呢?
简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过。
与硬件生产相对照,组态与组装类似,当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间,因为它一般要比硬件中的部件更多,而且每个部件都很灵活,因为软部件都有内部属性,通过改变属性可以改变其规格(如大小、性状、颜色等)。
组态软件,又称监控组态软件,译自英文SCADA,即Supervision,ControlandDataAcquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广,它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性,如图1.1所示。
图1.1MCGS的构成
1.2.2MCGS的主要特点
容量小:
整个系统最低配置只需要极小的存贮空间,可以方便的使用DOC等存贮设备;
速度快:
系统的时间控制精度高,可以方便地完成各种高速采集系统,满足实时控制系统要求;
成本低:
使用嵌入式计算机,大大降低设备成本;
真正嵌入:
运行于嵌入式实时多任务操作系统;
稳定性高:
无风扇,内置看门狗,上电重启时间短,可在各种恶劣环境下稳定长时间运行;
功能强大:
提供中断处理,定时扫描精度可达到毫秒级,提供对计算机串口,内存,端口的访问。
并可以根据需要灵活组态;
通讯方便:
内置串行通讯功能、以太网通讯功能、GPRS通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能,可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和Web浏览;
操作简便:
MCGS嵌入版采用的组态环境,继承了MCGS通用版与网络版简单易学的优点,组态操作既简单直观,又灵活多变;
支持多种设备:
提供了所有常用的硬件设备的驱动;
有助于建造完整的解决方案:
MCGS嵌入版组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上,具备与北京昆仑通态公司已经推出的通用版本组态软件和网络版组态软件相同的组态环境界面,可有效帮助用户建造从嵌入式设备,
现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案;并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移;
1.3PLC软件
1.3.1PLC软硬件介绍
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:
可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等,面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可程式逻辑控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
1.3.2PLC的特点:
(1)可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
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。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
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大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。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)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的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设1.2PLC的应用领域
1.3.3PLC主要应用范围的分类
PLC的主要应用范围通常可分为以下几种:
1.中小型单机电气控制系统
这是PLC应用最广泛的领域,例如塑料机械、印刷机械、订书机械、组合机床、磨床、电镀流水线及电梯控制等。
这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制,所以这也是最适合PLC使用的领域。
在这里PLC用来取代传统的继电器顺序控制,应用于单机控制,多机群控等。
2.制造业自动化制造业是典型的工业类型之一,在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装,以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。
其电器自动控制系统中的开关量占绝大多数,由于PLC性能的提高和通信功能的增强,使得它在制造业领域中的大中型控制系统中也占绝对主导地位。
3.运动控制
为适应高精度的位置控制,现在的PLC制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。
这一方面体现在功能强大的主机可以完成多路高速计数器的脉冲采集和大量的数据处理的功能;另一方面还提供了专门的单轴或多轴的控制步进电动机和伺服电动机的位置控制模块,这些智能化的模块可以实现任何对位置控制的任务要求。
现在工业自动化领域基于PLC的运动控制系统和其他的控制手段相比,功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。
1.3.4PLC结构
PLC结构如图1.2所示
图1.2PLC的结构
可编程逻辑控制器 (ProgrammableLogicController,PLC),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1.中央处理器CPU
中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性,近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
3.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序,并固化在ROM内,用户不能更改。
它使PLC具有基本的功能,能够完成PLC设计者规定的各项工作。
用户存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。
用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同,可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器,其内容可由用户任意更改。
用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等,用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小,是反映PLC性能的重要指标之一。
而PLC使用的存储器类型有三种:
ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)和EEPROM(可电擦出可编程的只读存储器)。
3.电源部分
PLC一般使用220V的交流电源或24V直流电源,内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、-12V/+12V、24V等直流电源,整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源,供外部有源传感器使用。
PLC所采用的看管电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。
电源不见的位置形式可有多种,对于整体式结构的PLC,通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC,则多采用单独的电源模块。
4.输入/输出单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。
输入/输出接口单元包含两部分:
一部分是与被控设备相连接的接口电路,另一部分是输入和输出的映像寄存器。
第二章系统的硬件软件
2.1加热反应炉对电气控制系统的要求
在工艺过程上,加热反应炉对电控系统有如下要求:
1.进料控制
加热反应炉开始工作时,首先检测下液面X1,炉温X2,炉内压力X4是否都小于给定值,即是否都为逻辑0,若为0,则开启排气阀Y1和进料阀Y2。
液面上升到设定位置时,关闭排气阀和进料阀,进料过程结束。
2.加热反应控制
当炉温低于给定值时(X2=0),接通加热反应炉电源Y5;当炉温高于给定值时(X2=1).
3.泄放控制打开进气气阀与,使炉内压力降到起始值(X4=0),并打开排放阀Y4,使炉内液面下降到下液面时(Y1=0),按SB3系统恢复到初始状态,进入下一个循环。
2.2系统设计方案
首先,选择机型。
目前PLC产品种类繁多,同一个公司生产出来的PLC也常常推出系列产品,这需要去选择最适合自己要求的产品。
正确选择产品中,首要的是选定机型,其选择方法有两种:
1.根据系统类型选择机型。
从选机型的角度看,控制系统可以分成单体控制小系统、慢过程大系统和快速控制大系统。
这些系统在PLC的选择上是有区别的。
1)单体控制的小系统:
这种系统一般使用一台PLC就能完成控制要求,控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。
这种系统对PLC间的通信问题要求不高,甚至没有要求。
但有时功能要求全面,容量要求变化大,有些还要与设备系统的其他机器连接。
对这类系统的选择要注意下面三种情况。
一是设备集中,设备的功率较小。
这时需选用局部式结构、低电压高密度输入输出模块。
二是设备分散,设备的功率较大。
这时需选用离散式结构、高电压、低密度输入输出模块。
三是专门要求的设备。
这时输入输出容量不是关键参数,更重要的是控制速度功能,选用速计数功能模块。
2)慢过程大系统:
对运行速度要求不高,但设备间有连锁关系,设备距离远,控制动作多,如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制;也有的设备本身对运行速度要求不高,如大型连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和共有系统、供风系统等。
对这一类型对象,一般不选用大型机,因为它编程调试都不方便,一旦发生故障,影响面也大。
一般都采用多台中小型和低速网相连接。
由于现在生产的控制器多为插件式模板结构,它的价格是随输入输出模板数和智能模板数的多少决定的,同一种机型输入输出点数少,则价格便宜,反之则贵。
所以一般使用网络相连后就不必要选用大机型。
这样选用每一台中小型PLC控制一台单体设备,功能简单,程序好编,调试容易,运行中一旦发生故障影响面小,且容易查找。
3)快速控制大系统:
随着PLC在工业领域应用中的不断扩大,在中小型的快速系统中,PLC不仅能完成逻辑控制和主令控制,并已逐步进入了设备控制级,如高速线材、中低速热连轧等速度控制系统。
在这样的系统中,即使使用输入输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型PLC也难以满足控制要求。
如多台PLC,则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。
采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。
高速网一般价格都很贵,适用于有大量信息交换的系统。
对信息交换的速度要求高,但交换的信息又不太多的系统,也可以采用PLC的输出端口与另一台PLC的输入端口硬件互联,,通过输出输入直接传送信息,这样传送速度快而且可靠。
当然传送的信息不能太多,否则输入输出点占用太多。
2.根据控制对象选择机型
对控制对象要求进行估计,这对确定机型十分重要。
根据控制对象要求的输入输出点数的多少,可以估计出PLC的规模。
根据控制对象的特殊要求,可以估计出PLC的性能。
根据控制对象的操作规则,可以估计出控制程序所占内存的容量。
有了这些初步估计,会使得机型选择的可行性更大了。
为了对控制对象进行粗估,首先要了解下列问题。
1)对输入/输出点数的估计:
为了正确地估计输入/输出点数,需要了解下列问题。
对开关量输入,按参数等级分类统计。
对开关量输出,按输出功率要求及其他参数分类统计。
对模拟量输出/输入,按点数进行粗估。
2)对PLC性能要求的估
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