课程设计（论文）PLC的加热炉自动上料系统设计

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1、 PLC的加热炉自动上料系统设计 【摘要】本次设计针对加热炉自动上料控制系统，考虑到生产实际工程，以工业生产中常见的加热炉为主体，分析并设计它的自动上料控制系统。控制运料小车在生产轨道上的动作，生产轨道上设有行程开关，可以让小车自动发出信号，控制炉门的开闭，同时小车前进后退与卸料过程都可以自动实现。这次设计完成了主电路，辅助电路的设计。另外设计出了控制系统对应的梯形图，通过PLC编程程序，用STEP-7软件和S7-200联机调试，成功地仿真了整个生产工程，运行良好，达到了设计的目标。通过组态王软件和S7-200联机调试，模拟加热炉自动上料控制系统的生产现场，也取得了很好的效果。目录引言1一、研

2、究加热炉自动上料系统的目的和意义2二、总体方案2（一）方案论证2（二）总体任务3三、上料系统的硬件与软件设计4（一）加热炉自动上料系统的硬件接线4（二）加热炉自动上料系统的硬件选择6（三）加热炉自动上料系统的软件设计7（四）PLC流程图7四、结论11（一）加热炉自动上料系统的软件程序设计11（二）MCGS软件研究分析及工程画面的实现11（三）实时数据库14（四）脚本程序15总结17参考文献18谢辞19引言随着现代工业设备的自动化越来越来多的工厂设备采用PLC，变频器，人机界面自动化器件来控制，因此自动化程度越来越高。电器控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的

3、。在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担，要求整个工艺生产过程全盘自动化，这就离不开控制系统。控制系统使整个生产线的灵魂，对整个生产线起着指挥的作用。一旦控制系统轻者影响整个生产的继续运行，重者甚至发生人工安全事故，这样给企业造成重大损失。自动化加工工艺基本与特点：（1）自动化加工工艺基本内容，随着机械加工自动化程度的发展，自动化加工的工艺范围也在不断的扩大，自动化加工的工艺的基本内容已包括大部分切削加工，如钻孔、扩孔、车削、滚压等（2）自动化加工工艺的特点 1）自动化加工中的工件毛坯精度比普通加工要求高，并且在结构工艺上要考虑适应自动化加工需要。2）自动化加工的

4、生产率比采用万能机床的普通加工一般要高几倍到几十倍。3）自动化加工中的工件加工精度稳定，受人为因素影响小。4）自动化加工中切削用量的选择，以及刀具尺寸控制系统的应用，是以保证加工进度，满足一定的刀具耐用度，提高劳动生产率为目的的。5）在多种小批量的自动化加工中，在工艺方案上考虑以成组技术为基础，充分发挥数控机床等技工设备在适应加工品种改变方面的优势。加热炉自动上料系统是基于PLC控制系统设计的，控制系统的每一部动作都直接作用直接自动上料系统的运行，因此自动上料系统的小车性能的好坏与控制系统性能的好坏有着直接的关系。小车能否正常运行、工作效率的高低都与控制系统密不可分。一、研究加热炉自动上料系统

5、的目的和意义 随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。推钢式加热炉是冶金工业的主要耗能设备。如何保证被加热后的金属能够在有效轧制前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究的主要方向。近年来由于各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。目前面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。 加热炉生产过程主要是个燃烧与热交换的物理化学过程，燃烧方面有一个

6、如何使其在各种工况下特别是在热负荷变化的动态过程中保持最佳节能燃烧的问题。另外从整个轧制生产线来看，加热炉是局部环节，其主要任务是加热钢坯，使钢坯在出炉时达到轧制所要求的温度分布。评价加热炉性能优劣的主要指标是加热炉的单位燃烧消耗、产量、钢坯的加热质量、钢坯的氧化烧损等。影响这些指标的因素较多，在众多因素中加热炉温度制度起着决定性的作用。 我国的加热炉大部分是六、七十年代的产品，其控制系统非常落后。相当一部分还处于基地式仪表控制，表盘显示的水平，软件操作不易为普通工人所掌握。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

7、把炉内的钢坯加热到所要求的状态。特别是一些目前小的钢铁企业，对这种投资少、见效快的技术改造更感兴趣。二、总体方案 （一）方案论证 计算机控制系统有多种分类方法，根据设计方法的不同，以继电器为核心的控制系统、有以单片机为核心的控制系统、以IPC(工业PC机或称工业控制计算机)为核心的计算机控制系统和以PLC (可编程控制器)为核心的计算机控制系统。 方案1：继电器-接触器控制：早期电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统，接触器控制系统是由输入设备，控制线器，输出设备三部分组成，它是由物理器件串联而成的控制系统。但继电器-接触器有着十分明显的缺点：体积大耗电多，可靠性差，寿命短，运行速度慢，

8、适应性差，尤其当生产工艺变化时要重新设计重新安装，造成时间和资金的严重浪费。方案2：单片机：单片机微型计算机就是一块半导体芯片上集成了一台微型计算机主要功能部件微处理器（CPU），内存器（RAM）和ROM，EPROM，EEPROM，I/O口，定时/计数器，中断器等。单片机可视为一个不带外部设备的计算机。用单片机组成计算机控制系统具有以下特点：1片内存存储器容量小，2可靠性高，3易扩展，控制功能强。但是其软件开发工作量大。单片机是继电器-接触器之后用于控制系统中的相比较继电器-接触器来说性能比较高，体积小，有很高的可靠性，控制功能强，低能耗、低电压、便于生产便携式产品，外部总线增加了IC及SPI

9、，单片机的系统扩展和系统配置比较典型、规范、容易构成各种规模的应用系统，但是单片机编程方法复杂，不易上手适用于简单运用。方案3：可编程控制器（PLC）：它是将继电器逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统以顺序控制为主能完成各种逻辑运算、定时、记数、记忆和算术运算等功能。既能控制开关量，又能控制模拟量。PLC最大特点是采用存储器技术，将控制过程简单的用户编程语言编程程序，并存入存储器中，运行时，PLC从存储器中一条一条的取出程序指令，依次控制I/O点，PLC把计算机的功能完善，通用灵活和智能等特点与继电器控制简单，直观和价格便宜的优点结合起来，可以取代传统的继电器接触器

10、顺序控制，而且具备继电器控制所不具备的优点，其主要特点有：A、控制程序可变，具有很好的柔性。B、可靠性强，适用于工业环境。C、编程简单，使用方便。D功能完善。E、体积小、重量轻、易装入机器内部。 综上所述：本次设计的加热炉自动上料系统采用方案三理由是：价格便宜，简单易懂。图2-1为方案三的的方案图。 2-1 方案三的方案图 （二）总体任务 首先，将整个生产过程先大致勾勒出来，加热炉自动上料控制系统生产线示意图如图2-2所示。2-2 加热炉自动上料控制系统生产线示意图在这个示意图中小车上带有装料阀和开闸阀，当装料阀门合开闸阀打开时都会有相应的指示灯亮。小车上带有传感，当料满或者无料时传感器都会发

11、挥相应作用。炉门的左右红绿灯用作开关炉门的指示，而SQ3和SQ4则用来负责炉门的开关到位。其次，明确设计任务如下：1.设计一个加热炉自动上料控制系统。2.编写自动上料控制系统的PLC控制程序，并调试验证工作过程。3.熟练应用PLC在自动控制系统中的应用。三、上料系统的硬件与软件设计 （一）加热炉自动上料系统的硬件接线 本次设计的加热炉自动上料控制系统主电路图如图3-1所示。3-1 加热炉自动上料控制系统主电路电气接线图设计出对应的控制线路图如图3-2所示。3-2 加热炉自动上料控制系统的辅助电路接线图本次设计的PLC硬件基本线路连接图如图3-3所示。3-3 硬件基本线路连接图 （二）加热炉自动

12、上料系统的硬件选择 PLC的选型: 西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，即可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。PLC的控制主机，使用西门子S7200系列作为整个系统的主控制机。我们使用的是18输入/8输出共26个数字量的I/O点的CPU CPU 226 本机集成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。13K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、M

13、PI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。三相交流异步电机，常见的加热炉的运载量是2T5T，所以电机选型也要与之对应，驱动运料小车的电机常采用三相异步交流电机，铭牌如下：功率3.5KW，额定电压220V， 额定电流105A，额定转速960rmin，最大电流210A ，最高转速2400rmin。对于卸料电机的驱动，可以通过机械部分设计，让电机去驱动即可，选用电机时功率要适当大一些，有一定的余量，保证一定的过载倍数，对于生产实际

14、十分重要。因此可选择这样铭牌的电机：额定功率6.5KW，额定电压250V，额定电流31.5A，额定转速1190rmin，最大电流63A，最高转速2500rmin。行程开关如图3-4，位置开关（又称限位开关）的一种,通过合理的设计去控制运料小车在生产轨道上的动作，生产轨道上设有行程开关，可以让小车自动发出信号，控制炉门的开闭，同时小车前进后退与卸料过程都可以自动实现。在控制电路中行程开关的作用是当小车到达哪个点，那个行程开关就会闭合，就会给PLC一个信号，SQ1控制的是加料，SQ2控制的是门禁的开关，SQ3控制的是卸料。 3-4 行程开关控制小车示图 （三）加热炉自动上料系统的软件设计 I/O的

15、分配 确定输入点数为12个，输出点数为7个。I/O点数的和为17。输入输出设备与PLC输入输出端子分配如表3-1所示。3-1 总设计的I/O分配 输入端 输出端 输入设备 输入端子 输出设备 输出端子M1前进按钮SB1（总开关）I0.0M1正转接触器KM0Q0.0 M1急停按钮SB3I0.7M2正转接触器KM1Q0.1行程开关SQ1I0.1M3（卸料）接触器KM2Q0.2小车到位开关SQ2I0.2M1反转接触器KM3Q0.3炉门全开时限位开关SQ3I0.3M2反转接触器KM4Q0.4炉门全闭时限位开关SQ4I0.4进料指示灯（绿灯）HL1Q0.5小车回到原点限位开关SQ5I0.5加热指示灯（红

16、灯）HL2Q0.6加热完后停止供热按钮SB2I0.6M1热继电器FR1触点I1.0M2热继电器FR2触点I1.1M3热继电器FR3触点I1.2 （四）PLC流程图此次设计的流程图如下图3-5所示。图3-5总流程图 任务过程：1.回原位：每次断电再次上电时，若小车中物料满，则送至加热炉（应在炉门打开情况下，否则报警）；若无物料，则回到装料点。若有料但不满，也会装料点。2.自动/手动模式切换。手动模式下，可调整各个部件。3.自动运行过程：装料阀打开往小车中装料（开闸阀应关闭）-料满装料阀关闭-小车向右运行炉门前行程开关SQ1被压（定时nS还未撞击则报警）炉门打开打开到位小车到达卸料点打开开闸阀进行

17、卸料倾卸完毕（物料传感）开闸阀关闭小车返回撞击SQ2（nS后还未撞击则报警）回到原点。应有的保护：1.行程开关失效（即位置保护）：SQ1 装料点 SQ2炉门 SQ3卸料点。2.过载保护（小车电机因过载而发热）。小车装料部分流程图如下图3-6所示。图3-6小车装料流程图小车卸料部分流程图如下图3-7所示。3-7 小车卸料部分流程图四、结论 （一）加热炉自动上料系统的软件程序设计 本次S7-200PLC程序采用的是STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，此程序功能强大可完成主程序、子程序、中断程序的编制与修改等功能。在完成程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供PLC使用。如图4-1

18、为STEP7编程软件图标图4-2为其登陆界面。4-1 STEP7编程软件图标图4-2STEP7-Micro/WIN32编程软件登陆界面其梯行图以及所编程序见附录。 （二）MCGS软件研究分析及工程画面的实现 本次程序的仿真采用组态仿真，这里所使用的是MCGS6.8版本，组态的仿真有两种方法一种是组态程序与外部PLC相连接，另一种则是人工编写脚本程序模拟仿真，由于第一种方法较繁琐故采用第二种方法。下图4-3是MCGS的界面4-4是所编程序在MCGS6.8中的下载画面。图4-3MCGS组态界面图4-4仿真的下载画面接着只要点击启动运行就可以仿真，本次仿真大体分为四个阶段。第一阶段装料:装料时小车到

19、位装料开关打开如图4-5此时装料原点灯亮，屏幕上显示工作状态。图4-5装料阶段第二阶为运料:段卸料门禁自动打开门禁显示灯亮，加热炉自动开火如图4-6。图4-6运料阶段第三阶段卸料:小车自动卸料，门禁持续打开不关闭如图4-7此时门禁显示灯，卸料显示灯以及点火灯全为点亮状态。图4-7卸料阶段第四阶段运料卸料完毕:此时门禁自动关闭，加热炉自动熄火如下图4-8所示此时卸料灯与点火灯均已经熄灭，门禁灯为点亮状态。图4-8小车卸料完毕阶段 （三）实时数据库 实时数据库如下如4-9,4-10所示数据库是“组态6.8”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要

20、迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在“Touch View”运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 图4-9实时数据库图4-10实时数据库 （四）脚本程序 由于条件有限本次仿真所使用的是定义动画，定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过

21、图形对象改变数据变量的值。其脚本如下所示。IF 总变量100 then小车移动量=总变量-100Else 小车移动量=0End IFEnd IFIf 小车移动量60 and 小车移动量98 then卸料=1Else 卸料=0End ifIf 小车移动量75 then点火=1Else 点火=0End if这段语言的意思是说，如果进料阀门打开，图中的小车模块就开始向左移动，当小车模块移动小于40个单位，对应语言小于10，小车模块一直向左移动；当小车模块移动大于等于40个单位时，小车模块就回零。如果进料阀门关闭，图中的小车模块回零，并且停止不动。我们在运行的过程中可能会看到小车的移动很慢，且没有连贯

22、性，这里我们要把画面命令语言的运行时间由1000改为550毫秒，如果由于机器的运转速度很慢我们也可以改为500毫秒即可。需要注意的是我们在编辑的过程中，会出现符号错误，我们应该仔细查找，在编辑完成后，点击“确定”进入调试画面，如何才能判断我们的语言是不是达到应有的要求，我们需要对软件进行调试，这样才能保证系统按要求运行。总结 本次设计是关于PLC方面的工业应用，针对加热炉自动上料控制系统，考虑到生产实际的过程，以工业生产中常见的加热炉为主体，分析并设计它的自动上料控制系统。设计前查阅了相关的资料，常见的加热炉的运载量是2T5T，所以电机选型也要与之对应，驱动运料小车的电机常采用三相异步交流电机

23、，铭牌如下：功率3.5KW，额定电压220V， 额定电流105A，额定转速960rmin，最大电流210A ，最高转速2400rmin。对于卸料电机的驱动，可以通过机械部分设计，让电机去驱动即可，选用电机时功率要适当大一些，有一定的余量，保证一定的过载倍数，对于生产实际十分重要。因此可选择这样铭牌的电机：额定功率6.5KW，额定电压250V，额定电流31.5A，额定转速1190rmin，最大电流63A，最高转速2500rmin。通过合理的设计去控制运料小车在生产轨道上的动作，生产轨道上设有行程开关，可以让小车自动发出信号，控制炉门的开闭，同时小车前进后退与卸料过程都可以自动实现。 这次设计完成

24、了主电路，辅助电路的设计。另外设计出了控制系统对应的梯形图，通过PLC编程程序，用STEP-7软件和S7-200联机调试，用手动开关去模拟生产过程中运料小车碰到行程开关发出的信号，对输出线圈的控制十分准确，成功地仿真了整个生产工程，运行良好，达到了设计的目标。通过组态王软件和S7-200联机调试，用手动开关的形式去模拟现场中加热炉加热到位时发出的信号，提高了该系统的自动化水平，能够简易地模拟加热炉自动上料控制系统的生产现场，也取得了很好的效果。该系统可以针对生产实际设计出典型的模块，在工业应用中直接调用，用传感器检测炉温，加热完毕后及时发出信号，让红灯点亮，对炉温的控制可以加入PID模块，提高

25、控制精度，通过检测与自动化装置使系统朝着智能化方向发展。参考文献1 郝维来 可编程控制器原理与应用 哈尔滨工业大学出版社 Page1-1172 孙振强 王晖 可编程控制器原理与应用教程 清华大学出版社 Page55-653 王整风 谢敏 可编程控制器原理与实践教程 上海交通大学出版社 Page103-1434 范次猛 可编程控制器原理与应用 北京理工大学出版社 Page25-415 张风池 曹荣敏 现代工厂电气控制 北京机械工业出版社 Page5-256 廖常初 可编程控制器应用技术 重庆大学出版社 Page13-537 黄净 电气控制与可编程控制器 北京机械工业出版社 Page78-1138

26、 王炳实 机床电气控制（第3版） 北京机械工业出版社 Page82-939 许廖 电机与电气控制技术 北京机械工业出版社 Page76-8910 王俊峰 张玉生 机电一体化检测与控制技术 北京人民邮电大学出版社 Page80-10211 刘锦波 张承慧 电机与拖动 清华大学出版社 Page65-9812 陈霞 可编程控制器入门与系统设计 北京中国电力出版社 Page3-6113 何友化 可编程控制器及常用控制电器 北京冶金工业出版社 Page20-5514 张燕宾 组态与组态技术 北京机械工业出版社 Page128-13815 李良仁 组态的入门与应用 北京电子工业出版社 Page85-92谢

27、 辞这次毕业设计是大学三年来比较系统和全面的设计，是对我们大学三年学习的总结和整体考察，通过这次毕业设计，我从中学到了很多东西。在老师的指导下，经过查阅相关资料和两个多月的不懈的努力，本次毕业设计已基本完成。本次设计的课题是基于PLC的自由通信口控制系统，设计起来切近工业应用，通过所学的知识，容易实现此次设计。本次设计中主要包括自由端口通信的梯形图设计和相关运行程序设计。感谢老师在设计过程中给予我细心认真的辅导，才使得在设计过程中遇到的很多问题都得到了顺利的解决。在设计的初期老师给予我细心的分析和指导，并通过查阅了大量的PLC通信方面的资料，对通信简单的了解。同时还要感谢老师给我提供的PLC试

28、验环境，这为本人在PLC梯形图程序的设计和调试，提供了很大的帮助。在PLC梯形图调试过程中，老师给了的很多的指导和帮助，并提出了很多宝贵的意见，在此向致以深深的谢意。在三年的大学生涯里，还得到众多老师的关心支持和帮助，在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!同时还要感谢同学的帮助，他们在设计过程中也给我提出了很多宝贵的意见，谢谢你们。通过本此设计，使我对大学三年的知识有了更加深入的学习和认识，同时利用丰富的图书资源并从庞大的网络系统中寻找所需信息为我所用，并且让我学会了各学科之间的融会贯通。三年的大学生活，我学到了很多专业知识，综合能力也有了一定的提高，这为本次设计的顺利完成打下了坚实的基

29、础， 三年的积累，使我更加充实，这为将来深造打下了良好的基础。最后,再次向帮助过我的老师和同学们表示我衷心的感谢!谢谢你们! 附录本次设计的控制系统，其对应的功能块图FBD如下图图A所示。图B为梯形图图A加热炉自动上料控制系统的FBD图然后将对应的加热炉自动上料控制系统PLC程序编制如下：程序语句 注释LD I0.0 O Q0.0AN I0.2AN I0.7= Q0.0 电机M1正向启动，运料小车前进LD I0.1O Q0.1AN I0.3AN C20= Q0.1 碰到SQ1，炉口打开LD I0.3O Q0.5AN I0.4AN C20= Q0.5 碰到SQ3后，炉口全开，指示灯为绿灯，表示进料LD I0.2O Q0.2AN T38= Q0.2 运料小车碰到SQ2后，停下并开始卸料LD I0.2TON T38, 200 延时20秒，卸料完毕LD T38O Q0.3AN I0.5AN I0.7= Q0.3 小车退回，到原点SQ5后停止 LD I0.1LD I0.4CTU C20, 2 小车返回第二次碰到SQ1，加计数器设值为2，I0.4为复位端LD C20O Q0.4AN I0.4= Q0.4 炉口关闭，绿灯熄灭，红灯亮，表示加热状态LD I0.4O Q0.6AN I0.6= Q0.6 加热完后，手动熄灭红灯