加热反应炉PLC控制系统的设计

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1、毕业论文（设计）加热反应炉PLC控制系统的设计学 生 姓 名： 郭 凯 指 导 教 师： 高艳萍(副教授) 专 业 名 称： 自 动 化 所 在 学 院： 信息工程学院 2011年 6 月目 录摘要IAbstractII第一章 引言11.1研究的目的和意义11.2国内外研究现状11.3研究的内容1第二章 控制系统设备简介22.1 PLC的定义22.2 PLC的特点22.3 PLC的通信联网32.4 PLC的应用领域32.5 MCGS组态软件简介42.6 加热反应炉简介7第三章 控制画面的创建93.1工程的建立93.2变量的定义93.3控制画面的设计与制作103.4动画连接113.5控制程序的编

2、写113.6 数据显示画面的设计与制作12第四章 控制系统的设计174.1加热反应炉对电气控制系统的要求174.2系统设计方案174.3 对象和范围的确定194.4 电路设计204.5系统硬件图设计204.6控制系统的软件设计23第五章 系统抗干扰措施275.1 电磁干扰的类型及其影响275.2 电磁干扰主要来源275.3 加热反应炉控制系统的抗干扰措施28第六章 结论30致谢31参考文献32大连海洋大学本科毕业论文（设计） 摘要摘要加热反应炉是工业生产中的重要设备，为了安全生产避免事故的发生，应用PLC 对它进行实时监控是非常必要的。本设计实现PLC对加热反应炉的可视化控制，该控制技术可以对

3、真空炉的温度、真空度和水开关状态等参数进行检测，并根据操作前的设定值，进行升温和保温控制，实现加热反应炉内水位变化实时曲线和历史曲线的显示输出，当设备状态异常或各参数越限时立即报警。这不仅能进行安全生产，还可以提高经济效益减少不必要的人力物力的投入。该控制系统以可编程控制器为核心，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，模拟实验调试结果表明，PLC和MCGS的结合有利于PLC 控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。关键词：加热反应炉，PLC，MCGS，监控，报警大连海洋大学本科毕业论文（设计） AbstractAbstractThermal reaction fur

4、naces are important equipment in factory. It is necessary to application of PLC control in real-time in order to prevent safety accidents.The visual control of thermal reaction furnace is realized in this paper by using commom configuration software programmable logic controller.The furnace control

5、technology for temperature, vacuum, water switch status testing.And according to the settings before the operation, to control the heating and insulation.The heating the reactor to achieve real-time water level changes within the historical curve and the curve shows the output.It can also alarm with

6、 equipment state abnormal or various parameters on the limit.This not only for safety, but also increase economic efficiency to reduce unnecessary investment in human and material resources.The control system uses programmable logic controller as the core.Programmable logic controller through the de

7、dicated data lines and the host computer communication.Using the configuration software for real-time monitoring of the entire system.The simulation experiment debugging results show that,the combination of PLC and MCGS is conducive to the PLC design, testing, and has a good value.Key words:Thermal

8、reaction furnaces, PLC, MCGS,technology monitor, alarmI大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 引言 第一章 引言1.1研究的目的和意义加热反应炉是工业生产中常用的重要设备，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。使用自动控制系统能有效的提高生产的安全性

9、，大大降低了事故的发生率，并能提高生产效率，使原材料的使用率达到最大。1.2国内外研究现状国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。我国现有工业锅炉中，很多设备自动化程度不高，热效率在40左右，随着企业的经济增长模式向依靠技术进步转变，对生产自动化的要求越来越迫切，改变锅炉运行中传统手动、半自动操作方式，实现自动化控制和管理，提高热效率，保障安全运行已经势在必行。在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。我国的加热炉相当一部分还处于基地式仪表控制，表

10、盘显示的水平，软件操作不宜为普通工人所掌握。为改变这种落后状况，有效途径之一就是进行加热炉监测和控制系统的技术改造。加热炉的工作目标是在最短的时间内采取最经济的方式把颅内的钢坯加热到所要求的状态。可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成自动热处理线的趋势。1.3研究的内容本课题主要研究通过可编程控制器对加热反应炉工作过程的控制，通过使用MCGS 组态软件，并结合现场的通用I / O 设备（传感器和板卡），对加热反应炉进行进料和排料、进气和排气、加热等自动控制，主要分为三个阶段送料控制，加热反应控制和泄放控制，进行数据实时显示报表输出和历史数据的记录和报表输出，并对反应炉内水位

11、变化进行实时曲线显示输出和历史曲线显示输出。0大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 控制系统设备简介 第二章 控制系统设备简介2.1 PLC的定义PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,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

12、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

13、委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:可编程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。可编程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。2.2 PLC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。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故

14、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P

15、LC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

16、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。5.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备2。2.3 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能

17、设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。2.4 PLC的应用领域PLC的主要应用范围通常

18、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，有些场合，数十台、上百台单机控制设备组合在一起形成大规模的生产流水线，如汽车制造和装配生产线等等，由于PLC性能的提高和通信功能

19、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。4.流程工业自动化流程工业是工业类型中重要分支，如电力，石油、化工、造纸等，其特点是对物流进行连续加工。过程控制系统

20、中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。从20世纪90年代以后，PLC具有了控制大量的过程菜蔬的能力，对多路参数进行PID调节也变得非常容易和方便。和传统的分布式控制系统DCS相比，其价格方面也具有了较大的优势，再加上在人机界面和联网通信性能方面的完善和提高，PLC控制系统在过程控制系统领域也占据了相当大的市场分量1。随着现场总线技术在工业自动化领域的普及，虽然大中型的单独的基于PLC的控制系统在逐步减少，但实际上许多带有各种现场总线通信接口的主站和分布式的智能化从站也都由PLC来实现，更何况在中小型的控制系统和单机控制系统中，仍然是以PLC作为主控制器。可以

21、预计，在未来的相当长的时期里，PLC仍然将快速发展，继续担当工业自动化应用领域中的主角。2.5 MCGS组态软件简介组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即 Supervision,Control and Data Acquisition(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(RTU System,Remote Terminal Unit)。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵

22、活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的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手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，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，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，

23、可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。1. 产品特点方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库4万点数据负荷时，访问吞吐量可达到20000次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本

24、可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ACTIVEX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在Internet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯，支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统

25、冗余方式。2.全新的高性能实时、历史数据库力控6.0组态软件重新设计了数据库内核部分。除了采用旋转门算法对历史数据进行压缩外，重新优化设计了磁盘存贮算法以实现对长年形成的海量历史数据的快速查询。支持的数据类型除原有的浮点型、布尔型、字符串型外，新增了对二进制型数据的支持。单台服务器容量可达100,000点，吞吐量支持每秒写入/查询20,000个数据点。历史数据库可在线备份。支持多服务器处理。当数据库构成双机冗余系统时增加了从站操作功能，即处于备用状态的从站可作为普通操作员站使用。3.新增数据库快速访问接口DBIDBI是一套全新设计开发的实时数据库访问接口。它除了兼容原有接口DbCom的所有接口

26、功能外，还增加了获取数据库结构信息的接口，并增加了动态控制变化数据集功能。由于DBI口采用了快速数据访问机制，数据访问吞吐量可达到20000次/秒，可以适合过程仿真、优化控制、专家诊断等多种行业应用。4.进程管理新增的进程管理器可按照配置安全启动、停止各个程序进程，支持进程异常自动处理功能。可远程监测各进程状态，远程启、停进程，远程上传、下载工程应用或更新程序组件。5.报警、事件处理强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能。6.功能强大的、开放的过程可视化监控平台全面提升的HMI1）支持HMI图层操作，可灵活控制各图层的显示与隐藏。2）重新设计的HMI的对象容器，定

27、义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性。3）完善了力控OCX容器的事件型脚本功能，支持更多类型的OCX控件。4）增强的SQL脚本。可根据SQL脚本函数返回值判断执行结果、支持模糊查询、支持时间类型字段的处理等。7.灵活的报表生成器1）提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本。2）兼容Excel工作表文件，提供类Excel的绝大部分功能，包括：编辑功能、计算功能、图表功能等。3）支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。4）可实现多层表头，可以实现报表嵌套，可以制作

28、复杂的报表格式。5）具备打印、打印预览、页眉页脚打印功能。6）报表数据源支持实时数据库和各种关系数据库，可显示、处理实时和历史数据。7）提供报表设计器，可以设计多套报表模板。8.对标准组件和图库进行了大量更新与扩充1）重新设计、开发实时和历史趋势、XY曲线、多功能报警、历史报表、总貌画面、温控曲线、ADO历史曲线等标准组件。2）新增多功能图片显示、GIF透明动画、CAD图形组件等实用图形工具。3）优化、改造了文本输入、下拉框、列表框、复选框、多选按钮、起始时间、时间范围、历史追忆等Windows控件。4）优化、改造了多媒体播放器、Flash播放器、浏览器、幻灯片等子图。5）增加了大批如：PID

29、调节器、手操器等实用子图。9.新一代的网络功能1）Web发布不但支持自有的Web服务器，同时支持IIS服务器，开放的Web控件方便用户建立门户网站。2）支持掌上PDA终端访问网络服务器，浏览画面。3）丰富了XML数据传送接口。4）加强了GPRS/CDMA移动网络的并发数据功能，适合大型移动网络数据处理。10.全面升级的I/O调度6.0的I/O调度在兼容原有全部驱动程序的前提下，进行了多项功能改进。1）通过简单组态配置，即可支持控制设备的的串口、以太网通道冗余以及控制器冗余。2）每个驱动可加载独立进程完成采集，彻底消除单进程容易产生的线程安全隐患。3)增加驱动管理器，可查看信道、设备的状态信息，

30、信道的通信报文，对信道进行启、停控制。4）支持异种通信协议共享同一信道（如：采用RS485协议同时在一个链路上采集多种厂家、不同协议的设备）。5）增加了监控数据读写的优先级控制功能。11.组态软件特点随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序

31、时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点： 1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； 2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的

32、方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； 3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。2.6 加热反应炉简介加热反应炉作为一种热能动力设备，在国民经济的领域具有广泛应用。以继电接触器为主的老一代控制系统已不能满足现代锅炉越来越高，越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工

33、业过程控制领域中引人注目的PLC又是使其计算机化的简便和可靠途径。在系统中，硬件上采用技术比较的成熟的可编程逻辑控制器，开发了采用PLC的开关量和模拟量输入模块，实现对模拟量采集；方法上运用到的是过程控制中常用的前馈与串级控制方法，保证了系统的稳定性和安全性。系统所运用到的界面是由MCGS软件做的。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

34、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。故以PLC为基础的生产过程的计算机控制，使的企业总的自动化水平大大提高。1.加热反应炉的输入输出设备表：输入设备输出设备启动按钮加热接触器停止按钮排气阀上液面感应器进料阀下液面感应器氮气阀压力感应器泄放阀温度感应器表12. 加热反应炉原理图：加热反应炉整体由四个阀：排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀，四个传感器：压力传感器、温度传感器、上液面传感器、下液面传感器，锅炉，加热器及加热接触器等组成

35、。图1 加热反应炉原理图 7大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 控制画面的创建 第三章 控制画面的创建3.1工程的建立打开电脑，按以下步骤建立工程：1.进入MCGS组态环境.2.单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“新建工程”。3.单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“工程另存为”，弹出文件保护窗口。在文件名一栏输入工程名：“加热反应炉可视化监控系统”单击“保存”按钮，工程建立完毕。 3.2变量的定义1.变量的分配变量的分配见表2：X1开关0下液面检测，开关量输入，液位超过下液位时为1，否则为0X2开关0炉内温度，开关量输入，温度超过设定值时为1，否则为0X3开关0上液面检测，开关量输入

36、，液位超过上液位时为1，否则为0X4开关0炉内压力，开关量输入，压力超过设定值时为1，否则为0SB1开关0启动按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效SB2开关0停止按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效Y1开关1排气阀，开关量输出，0有效Y2开关1进料阀，开关量输出，0有效Y3开关1氮气阀，开关量输出，0有效Y4开关1泄放阀，开关量输出，0有效Y5开关1加热炉电源，开关量输出，0有效ZHV1开关0定时器时间到ZHV2开关0定时器启动ZHV3数值0定时器计时时间水数值0动态参数复位开关0复位按钮，开关量输入，按下为1，再按为0，1有效表2 变量分配表2. 变量的定义步骤1）单击工作台

37、中的“实时数据库”选项卡，进入实时数据库窗口页。将表2中定义的数据添加进去。2）单击工作台右侧“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现了一个新数据对象。3）选中数据对象，单击右侧“对象属性”按钮或直接双击该数据对象，弹出“数据对象属性设置”窗口。4）将“对象名称”改为X1；“对象初值”改为0；对象类型改为开关型；“对象内容注释”栏填入：下液面检测，开关量输入，液位超过下液位时为1，否则为0。5）单击“确定”按钮。6）重复（2）到（5），定义其他16个对象。7)单击“保存”按钮3.3控制画面的设计与制作按照MCGS组态软件的要求，建立并编辑自动控制画面如图3所示。画面画出了加热反应炉的简单示意

38、图，并设计了九个指示灯，分别代表低液位传感器，温度传感器，上液位传感器，压力变送器，排气阀，进料阀，氮气泄放阀和加热炉电源的情况，运行时，指示灯随之做出相应指示。图中还设计了七个按钮，分别代表开始，停止，复位，X1,X2,X3,X4.其中X1,X2,X3,X4这几个按钮分别代表与之对应的传感器情况，用来模拟传感器信号；用鼠标点击开始，停止，复位这几个按钮可对系统进行控制操作。在软件中可以利用这些按钮来进行系统的调试，当调试完成后，安装板卡，接通实际对象，这些按钮可以去掉。1.画面建立1）单击屏幕上角的工作台图标，弹出工作台窗口。2）单击“用户窗口选项卡”，进入“用户窗口”页。3）单击右侧新建窗

39、口按钮，出现“窗口0”图标。4）单击“窗口属性”按钮，弹出“用户窗口”属性设置窗口。在基本属性页的窗口名称”栏内填入“加热反应炉自动控制画面”，“口位置”选最大化显示，其它不变。单击确认按钮，关闭窗口。5）此时“工作台”的“用户窗口”中，“窗口0”图标已变为“加热反应炉自动控制画面”。选中“加热反应炉自动控制画面”，单击右键弹出下拉菜单，选中“设置为启动窗口”，则当MCGS运行时，将自动加载该窗口。6）单击“保存”按钮。2.画面编辑步骤1）进入画面编辑环境2）输入文字“加热反应炉自动控制系统”3）画加热反应炉4）画指示灯5）画传感器6）画阀门7）画流动块8）画箭头9）画底部折线10）输入文字标

40、签11）画按钮12）对多个对象进行排列3.4动画连接画面编辑好后，需要将画面与前面定义的数据对象关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化。动画连接的内容如下：液面升降动画效果的制作指示灯的动画连接阀门的动画连接流动块的动画连接液位实时显示动画效果的制作按钮的动画连接3.5控制程序的编写系统要求实现的功能（即工艺过程）在前面已经有过陈述，为了实现这些功能要编写控制程序。在MCGS中控制程序的编写采用的是策略组态的形式，所谓运行策略，可以简单理解为系统运行与控制的思想和方法。MCGS提供了许多“策略构件”，这里要用到其中的定时器，脚本程序。1.定时器的制作1）在策略中添加定时器构件2）定时器

41、属性设置2. 脚本程序的制作1）将脚本程序添加到策略行a.单击工具栏“新增策略行”按钮，在定时器下增加一行新策略。b.选中策略工具箱中的“脚本程序”c单击新增策略行末端的小方块，脚本程序被添加到该策略。d.选中该策略行。单击工具栏的“向上移动”按钮脚本程序上移至定时器行上。e.双击脚本程序策略行末端的方块，出现脚本程序编辑窗口。2）脚本程序清单此处从略3）脚本程序的输入和编辑：a将以上程序输入到脚本程序编辑框。b.单击“检查”按钮进行语法检查。c.单击“确认”按钮，退出程序编辑。d.单击“保存”按钮。3.6 数据显示画面的设计与制作在系统实际运行的时候，可能会发生一些意外情况，甚至可能会引发事

42、故。为了进行实时的精确监控，需要系统进行实时的数据显示；当意外情况发生后，需要查找原因，这就需要系统显示历史数据，以避免今后再发生类似情况。可以说，系统重要的数据显示对安全生产非常重要。这里制作的显示画面包括：实时报表，历史报表，水位实时曲线和水位历史曲线。其系统流程图如图2所示。图2 系统流程图1.组对象的定义1）进入实时数据库，单击“新增对象”按钮，增加一个数据对象。2）双击该对象，弹出属性设置窗口。3）在“基本属性”设置页设置对象名：组对象，类型：组对象。4) 单击“组成员对象”选项卡，进入“组对象成员”页。5）在左边数据对象列表中选择“X1”,单击“增加”按钮，数据对象“X1”被添加到

43、右边的“组对象成员列表”中。按照同样的方法，将“X2”，“X3”,“X4”，“Y1”，“Y2”，“Y3”，“Y4”，“Y5”，“水”添加到组对象成员中。6）单击“确认”按钮，组对象设置完毕。2.报表输出所谓数据报表就是根据实际需要以一定的格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，常用的报表有实时数据报表和历史数据报表。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是对生产过程中系统监控对象状态的综合记录。实时报表:实时报表用于将当前时间的数据变量按一定报告格式显示和打印出来。通常实时报表可以通过MCGS系统的自由表格构件来创建。具体操作步骤从略。历史报表:历史报表通常用语从历史数据库中提取数据记录，

44、并以一定的格式显示历史数据。利用历史表格动画构件实现历史报表的步骤从略。3. 曲线显示对生产过程的重要参数进行曲线记录有两个好处:一是评价过去的生产情况，二是预测以后的生产过程，因此曲线显示在工控系统中是一个非常重要的部分。曲线显示有实时曲线显示和历史曲线显示。实时曲线:实时曲线可象笔绘记录仪一样与曲线形式实时显示一个或多个数据对象数值的变化情况。具体操作步骤从略。历史曲线:历史曲线主要用于事后查看数据和状态，分析变化趋势和总结规律。制作过程从略。4.数据显示画面的菜单连接（1）新增一用户策略，名为数据显示。（2）新增一菜单项，名为数据显示，并建立“数据显示”菜单和策略之间的关系。5.自动控制

45、画面的菜单连接经过以上设置，在MCGS运行环境中，单击菜单栏中的“数据显示”菜单，画面便会切换到数据显示画面。为了保证快速便捷的返回自动控制画面的菜单连接。新增一用户策略，名为控制画面。新增一菜单项，名为控制画面，并建立“控制画面”菜单和策略之间的关系。图3 自动控制画面6.连接将画面与前面定义的数据对象关联起来，运行时，画面上的内容随变量的改变而变化。7.编写控制程序按照系统所要求实现的功能，编写控制程序。在MCGS中，控制程序的编写采用的是策略组态的形式。所谓运行策略，可以简单理解为系统运行与控制的思想和方法。MCGS提供了许多“策略构件”，这里主要用到其中的定时器和脚本程序。8.实时数据

46、显示在系统实际运行的时候，可能会发生一些意外情况，甚至可能会引发事故。为了进行安全生产，需要系统显示实时的数据，并进行实时的精确监控；当意外情况发生后，需要及时查找原因，这就要求系统显示历史数据，以避免今后再次发生类似的情况。因此，系统重要数据的显示对安全生产非常重要。这也正是组态控制技术的主要优势，也是组态监控不同于普通摄像头监控录像之处。组态监控能够以各种方式灵活直观显示生产过程的参数及其变化，而普通摄像监控则不能深入到生产过程内部直观显示过程数据的变化。为了达到安全生产目的，需要制作数据显示画面，包括：实时报表、历史报表、水位实时曲线和水位历史曲线。最终效果图如图4所示。图4 数据显示画

47、面最终效果7大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 控制系统的设计 第四章 控制系统的设计4.1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SK1，炉温SK2，炉内压力SK4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KV1和进料阀KV2。液面上升到设定位置时，使SK3闭合，并关闭排气阀和进料阀，延时20S后，开启氮气阀KV3使炉内压力上升，当压力上升到给定值时（SK4=1），关闭氮气阀，进料过程结束。2.加热反应控制当炉温低于给定值时（SK2=0），接通加热反应炉电源接触器KM1；当炉温高于给定值时

48、（SK2=1）,切断加热电源，维持10 min，在此时间内炉温实现通断控制，即保持SK2=13.泄放控制打开排气阀KV1，使炉内压力降到起始值(SK4=0)，并打开排放阀KV4，当炉内液面下降到下液面时（SK1=0）,关闭KV4和KV1，系统恢复到初始状态，进入下一个循环。4.2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，这需要用户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。只有选好机型，我们才能成功的做出产品，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

49、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。0二是设备分散，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。19 2）慢过程大系统：对

50、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，18大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 控制系统的设计如大型料场、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

51、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

52、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。l 对开关量输入，按参数等级分类统计。l 对开关量输出，按输出功率

53、要求及其他参数分类统计。l 对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。2）对PLC性能要求的估计：为了正确地估计PLC性能要求，需要了解下列问题。l 是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。l 机房离现场的最远距离为多少？l 现场对控制器响应速度有何要求。在此基础上，选择控制器时尚需注意两个问题。其一是PLC可带I/O点数。有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，有时也称为扫描容量，需格外注意。其二是PLC通信距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。但是如果PLC装有远程I/O模块时，由于远程I/O模

54、块的响应速度慢，会使PLC的响应速度大大下降。3. 对所需内存容量的估计：用户程序所需要的内存与下列因素有关。l 逻辑量输入输出点数的估计。l 模拟量输入输出点数的估计。l 内存利用率的估计。l 程序编制者的编制水平的估计。程序中各条指令最后都是以机器语言形式存放在内存中。控制系统中输入输出点数和存放系统用户机器语言所占用的内存字节之比为内存利用率。内存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资，缩短周期时间，提高系统的响应时间4。4.3 对象和范围的确定PLC一般适合应用于环境差、而对安全性、可靠性要求比较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的自动化

55、控制系统或者装置中。当前的PLC不仅能对开关量能有效地进行控制，而且对模拟量的处理能力也非常强，可以完成复杂的自动控制任务。在确定控制对象和控制范围之后，就要开始PLC的选型。PLC的选择主要包括PLC容量的选择与确定、PLC外设的选择与确定、PLC生产厂家的选择与确定3个方面。11. PLC容量的选择与确定。PLC容量的选择，首先要对控制任务进行更加详细分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是继电器、电磁阀，还是直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数可能大于实际点

56、数。因此PLC的输出点一般是几个组成一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。这样就有可能造成输出点数的浪费，增加了生产成本。因此在设计中要尽量避免这种情况的出现。一般情况下，输出为继电器的PLC使用的最多，但是对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC。分析与了解了这么多之后，就可以确定PLC的容量了，确定该使用多少点和I/O类型的PLC。2. PLC外设的选择与确定。PLC外设的选择也是在控制系统任务详细分析之后，根据实际的需要，选择与所使用的PLC相应的配套模块。3. PLC生产厂家的选择与确定。PLC生产厂家的选择与确定主要考虑以下几个方面。1）功能方面

57、：所有的PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务，比如，对PLC的通信能力的要求，对PLC运算速度的要求，对PLC程序存储空间的要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个比较详细的了解，以便做出正确的选择。2）价格方面：不同厂家的PLC产品价格相差会很大，有些功能类似、质量相当、容量相当的PLC，其价格却相差40%以上。使用PLC作控制系统的开发与应用，必须考虑到生产成本的问题，必须要考虑PLC的价格。3）设计个人的实际情况：PLC控制系统过程中的设计人员的个人喜好必然也会影响到PLC厂家的选择问题，比如设计人员一直以来对西门子S7-2

58、00系列产品比较熟悉，也做过相关的不少开发与应用，那么在相同的性能、相同的要求、相当的价格的情况下，就会首先考虑西门子S7-200系列PLC5。4.4 电路设计PLC控制系统的硬件设计主要有PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和系统抗干扰设计等。在选定了PLC以及其扩展模块与分配好I/O地址后，硬件设计主要包括以下几个方面的内容。1. 电气控制系统原理图的设计电气控制原理图的设计包括主电路的设计和控制电路的设计。主电路一般是指强电中的主干电路设计。而控制电路主要是指PLC控制部分的设计，包括PLC的I/O接线、自动部分接线、手动部分接线等。一般地，电气控制系统原理图中还应该标注器件代号，或者

59、附上安装图、端子接线图等，以便控制柜的设计。2. 电气控制元、器件的选择电气控制元器件的选择主要是指根据控制系统的需要，合理地选择开关按钮、传感器、保护电气、接触器、指示灯和电磁阀等PLC的辅助外部元器件。合理地选择元、器件对整个控制系统的可靠性与实用性起到了很好的作用，由其是在工业设备的应用中，体现的更加鲜明。3. 控制柜的设计设计控制柜的主要依据是电气控制原理图及相关的元、器件，还必须要考虑到控制现场的实际情况，以经济又实用的思想来设计，考虑相关的结构技巧。若有发热大的硬件位于控制柜中，必须考虑控制柜的散热与通风情况。在抗干扰设计中，要考虑控制柜的隔离、防尘及电磁辐射的问题7。4.5系统硬

60、件图设计在完成了电器电路设计后，必须通过计算机辅助设计，将设计的详细原理用图形化的形式定量地表现出来，这就需要有硬件电路图的计算机辅助设计工具。常用于电器控制线路图设计的辅助工具有AutoCAD、Visio、ECAD等8。系统硬件构成示意图如图5所示图5 系统硬件构成示意图其中AutoCAD与ECAD常用于中型电气线路的辅助设计，而Visio是微软开发的专门用于各个领域图形设计的软件，能很好地与Word等文字处理软件兼容，非常适合于中、小型电气控制原理图的设计，并且简单易学，能够在短时间内掌握使用要领，这为硬件电路图的设计提够了很大的方便。PLC种类繁多，但其组成结构和基本原理基本相同。用PL

61、C实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图6所示。图 6 PLC结构示意图1. 中央处理器（CPU）中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程