基于PLC的,正火炉回火炉自动控制系统设计

浙江纺织服装学院

ZHEJIANG TEXTILE & FASHION COLLEGE

课 题：基于学 院：设计时间：班 级：学 号：姓 名：指导教师：

毕 业 设 计

PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计 机电与信息工程学院 2009-9-4 07机电 0705020431 鲁秀春 王昕

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目 录

摘要 ................................................................................................................................................ 1 Abstract .................................................................................................................................... 2 1.控制系统的设计思想 .............................................................................................. 2 2.设计任务 .................................................................................................................. 2 3.设计要求 .................................................................................................................. 2 4.正火炉回火炉介绍 .................................................................................................. 2 5.控制系统 .................................................................................................................. 3 6.控制要求 .................................................................................................................. 3 7.PLC相关介绍.......................................................................................................... 4 8.控制系统流程图 ...................................................................................................... 6 9.I/O分配.................................................................................................................. 7 9.1 输入 ..................................................................................................................... 7 9.2 输出 ..................................................................................................................... 7 9.3 PLC选型及输入输出信号编排 ......................................................................... 7 10.硬件接线图 ........................................................................................................... 8 11.正火自动控制程序 ............................................................................................. 13 结束语 ........................................................................................................................ 15 参考文献 .................................................................................................................... 15

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基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计

鲁秀春

(浙江纺织服装学院机电与信息学院，浙江 宁波)

摘要：根据货梯的基本设计思想，结合实际的PLC，设计了正火炉回火炉自动控制系统设计方案，并且从一定角度说明了该方案的合理性 关键词：PLC; 自动控制;正火炉;回火炉;

The design of Annealing stove and Normalizing furnace Automatic control system based on PLC

Lu Xiu-chun

( The department of Electrical and Mechanical Engineering, Zhejiang Textile and Fashion College ,Ningbo，china）

Abstract: According to the basic design of the Annealing stove and Normalizing furnace, combined with the actual PLC, Automatic control system scheme of a Annealing stove and Normalizing furnace is designed, and it is feasible from a certain perspective in industrial control areas.

Keywords: PLC, Automatic control , Annealing stove ,Normalizing furnace

1控制系统的设计思想

在以PLC控制为核心、三相调压模块为基础的温度自动控制系统中，PLC将锅炉内胆温度设定值与温度传感器的测量值之间的比较，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。

2设计任务

用PLC控制正火炉回火炉，完成模拟量输入和模拟量输出的PLC控制

3设计要求

（1）、按下启动按钮,系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作； （2）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度小于设定温度时，小车保持不动，火炉继续加温；

（3）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度大于或等于设定温度时，小车从火炉内自动运行到炉外；

（4）、设计PLC硬件电器连接图； （5）、画出系统操作流程图，设计PLC控制程序，包括绘出程序框图、状态转移图以及写出指令程序，另外程序必须加以注释说明其作用。

4正火炉回火炉介绍

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被控对象为锅炉内胆温度，温度传感器检测锅炉内胆的温度信号，转换成4～20mA电信号，经AI-808变送器将电流信号转换成1～5V的电压信号送入PLC模块。PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PLC运算后，发出控制信号，控制三相移相SCR调压装置。三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

5控制系统图如图5-1所示

图5-1 正火炉回火炉控制系统图

6 控制要求

（1）初始状态

电动机M1=M2=OFF，小车停在SQ3位置，SQ3发光管亮，SQ4发光管灭，火炉门关闭SQ2亮，SQ1灭，电炉丝关断即OFF状态。 （2）起动操作

按下启动按钮，开始下列操作：

1）电动机M2正转，炉门打开，SQ2灭。

2）当炉门全部打开时，SQ1亮，M2停车。

3）当M2停车时，M1正转，SQ3灭，运送工作的小车进入炉堂。

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4）当小车到达SQ4位置时，SQ4亮，M1停车，同时M2反转，SQ1灭，当火炉关闭时SQ2亮。

5）处于室温的炉堂通过温度传感器将温度转换成电压信号，由ST接口将模拟的电压信号输入给PLC，在PLC内部与温度设定值进行比较和计算，PLC的模拟量输出口VC的输出电压接通电炉丝，小车上的工件开始加热，工件需要加热的温度可根据工艺要求来设定，例如1000℃，其设定值由PLC的另一个模拟的输出口输入给PLC。

6）当炉温达到设定值1000℃时，保温一段时间。按下停止键后电炉丝关断停止加热，同时电动机M2正转，SQ2灭，炉门打开，SQ1亮，同时M2停车。

7）当M2停车时M1开始反转，SQ4灭，小车推出炉堂，达到SQ3位置时，SQ3亮，M1停转，工件开始自然冷却。与此同时M2反转，SQ1灭，炉门关闭，SQ2亮，M2停转回到初始状态。经过一段时间后工件温度下降到室温，完成了工件的正火。

7 PLC相关介绍

（1）PLC的发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。

个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。 上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 （2）PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的

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整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 （3）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此着控制规模。 （4）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数。 （5）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

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（6）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 （7）PLC系统的其它设备

编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。

人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

8 控制系统流程图如图8-1所示

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初始化判断模块是否正常NY电机M2正转，SQ2灭SQ1亮，M2停9 I/O分配

M1正转SQ3灭SQ4亮，M1停M2反转，SQ1灭，SQ2亮温度设定启动加热器测炉温并与设定值比较调节加热炉测加热炉温N与设定值比较M2正转，SQ1灭SQ1亮，M2停M1反转，SQ4灭SQ3亮，M1停M2反转，SQ1灭SQ2亮，M2停结束8-1 控制系统流程图

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图浙江纺织服装职业技术学院

（1）输入

启动按钮 X0 停止按钮 X1 SQ1 X2 SQ2 X3 SQ3 X4 SQ4 X5

模拟量反馈输入（ST） WX10 模拟量给定输入（设定值） WX9

（2）输出

M1电机正转 Y0 M1电机反转 Y1 M2电机正转 Y2 M2电机反转 Y3

模拟量输出（VC） WY9

（3）PLC选型及输入输出信号编排

正火炉回火炉有 8 个输入信号，4 个输出信号，选择FP1系列PLC。输入、输出信号及地址编号如下表 9-1 所示。

表9-1 输出信号地址编号

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10 硬件接线图

根据小车运动控制的要求，可将4 个感应行程开关赋予不同的值；同时，将4 按钮也对应赋值。当小车到达某个感应行程开关位置时，该感应行程开关自动闭合或断开。当小车进入炉堂的同时炉门关闭，然后炉内自动开启加热装置，将小车上的工件加热到一定值，并将这个温度值与设定值进行比较，根据比较的结果对小车上的工件进行继续加热，直到温度达到设定值或设定值以上温度，小车在炉内保温一定段时间后自动移动到炉外进行自然冷却。由此可得到如图 10-1 所示的正火炉回火炉自动控制PLC外部接线图：

启动停止SQ1SQ2SQ3SQ4X0X1X2 X3Y3 Y0 Y1Y2M1正转M1反转M2正转M2反转电机X4X5PLC模拟量反馈输入（ST）模拟量给定输入（设定值）WX10WX9WY9模拟量输出（VC）电炉丝

图10-1 PLC外部接线图

11 正火自动控制程序

根据设计的要求，按图11-1所示的梯形图输入程序。

附：温度控制算法：

PID算法：U(k) = U(k-1) + Kp [a0e(k) - a1e(k-1) + aα2e(k-2)] 其中，U(k)为PID算法的输出量可直接用来输出控制

图11-1 正火自动控制梯形图

结束语

本设计中仅仅给出了有关基于PLC正火炉回火炉的硬件设计方案与设计思想，软件设计由同一组的另外一个同学完成，因此，在本设计中将不给出软件设计的具体方案，详细的软件设计方案请参阅同组学生温跃亮、郑荣雷等同学的毕业设计。

通过对基于PLC正火炉回火炉的硬件设计，使我基本上了解了PLC的工作过程以及具体的设计过程，这将为我在今后从事与PLC控制有关的工作奠定一定的基础。本设计的依据主要来源于有关的资料。因此，其设计的合理与否，还有待于进一步的验证与提高。请专家多多指教。

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在此，十分感谢我的指导老师王昕老师，在他认真的指导下，使我通过毕业设计，学会了很多关于PLC方面的知识及技能，同时十分感谢同组的其他同学。

参考文献 References

[1] 常斗南. 可编程序控制器[M]，北京:机械工业出版社，1998 [2 ]宋伯生.可编程序控制器[M]，北京:中国劳动出版社，1993

[3]皮壮行.可编程序控制器的系统设计与应用实例[M]，北京:机械工业出版社，2000 [4]何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧[M]，北京:化学工业出版社，1998 [5]王也平.可编程序控制器原理及应用[M]，成都:西南交通大学出版社，1994 [6]汪晓光.可编程序控制器原理及应用[M]，北京:机械工业出版社，1994

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