毕业论文范文——水玻璃炉的换向控制系统.doc

1、水玻璃炉的换向控制系统第 1 页 共 28 页摘要介绍水玻璃炉的换向的控制方案,采用可靠性较高的可编程序控制器(PLC),实现换向的自动化。换向系统的控制是一个相对独立的部分,采用传统的继电控制,由其专用集成控制器完成。这种控制系统的缺点有:(1)可靠性差。检测元件串联连接,采用交流 220 V供电,经常发生多个元件连锁击穿现象,并且控制系统包括集成控制器,本身相应保护功能不完善。(2)维修困难。由于控制系统的核心采用具有专利性质的集成控制器,控制原理不清楚,分析故障原因、查找故障点困难。(3)维修成本高。鉴于换向系统存在的上述问题,决定采用 PLC控制系统对其进行改造。关键字：三菱 PLC

2、节能 水玻璃炉的换向控制 水玻璃炉的换向控制系统第 2 页 共 28 页第 1 章 绪论PLC是可编程控制器的简称，它是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。PLC 在设计和制造过程中采取多层抗干扰和精选元件措施,非常适用于在恶劣的工业环境下使用，现以广泛应用于机械制造、冶金、化工、环保、轻工等各个领域，成为一种最普及、应用场合最广泛的传统继电接触器的替代物新一代的工业控制器，广泛的应用在模拟量控制、位置控制、监控、调速、数据管理、

3、通讯等方面。近年来，随着我国自动化技术的提高，工厂自动化也上了一个新台阶，PLC作为一个新兴的工业控制器，在多个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。它是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，它是以微处理器为核心, 并综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的最大特点就是体积小、功能强、响应速度快、可靠性高、控制过程均通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于 PLC均由世界上有名的电气控制设备制造商专业化研究开发和批量生产，故生产成本低，价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快，市场竞争导致其价格有进

4、一步下调的空间，为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。水玻璃炉的换向控制系统第 3 页 共 28 页第 2 章 PLC 概述2.1 PLC 的产生、特点和发展2.1.1 PLC 的产生可编程控制器简写成 PLC，其中 L 为逻辑（Logic）的意思，第一台可编程控制器是 1969年在美国面世的。经过 30多年的发展，现在可编程控制器已经成为重要、可靠、应用场合广泛的工业控制微型计算机。2.1.2 PLC 的特点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。可编程控制器具有诸多优点：1） PLC 的生产厂家都着力于提高可靠性的指标；2） PL

5、C还具有编程方便、易于使用的优点；3） PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID 运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备；4） PLC的扩展以及与外部联接极为方便。2.2 PLC 的基本结构2.2.1 PLC 的硬件系统一套 PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入输出接口、内部电源） 、IO 扩展单元及外部设备组成。用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是 PLC实施控制的两个

6、基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC 也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而 PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求 PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求 I/O电路专门设计。根据 PLC实施控制的基本点的分析，PLC 采用了典型的计算结构。A中央处理器 中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、

7、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU按扫描方式工作，从 0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。水玻璃炉的换向控制系统第 4 页 共 28 页CPU的主要功能为：从存储器中读取指令。CPU 从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读指令，从数据总线上得到读出的命令，并存入 CPU内的指令寄存器中。执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算和算术运算，将结果输出给有关部分。准备取下一个指令。CPU 执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以

8、便取出和执行下一条指令，在 CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。处理中断。CPU 除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。B存储器用于存放系统程序与用户程序。PLC 用户存储器通常以 B为单位来表示存储容量。同时，由于系统程序直接关系到 PLC的性能，不能由用户直接存取。因而，通常 PLC产品资料中所指的存储器类型或者存储方式及容量，是对于用户程序存储器而言。常用的存储器类型或存储方式有 CMOSRAM，EPROM 和 EEPROM。信息外存常用盒式磁带和磁盘。C输入/输出部分这是 PLC与被控设备相

9、连接的接口电路。用户设备输入 PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进机内）等，通过输入电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。a）输入接口电路现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路成。光电耦合电路：采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为防止现场的强电干扰进入 PLC。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。光电耦合器的抗干扰性能：由于输入和

10、输出段是靠光信号耦合的，在电器上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。微电脑的输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给 CPU。b）输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路：一般由输出数据寄存器、选通电路和中断电路集成而成。CPU 通过数水玻璃炉的换向控制系统第 5 页 共 28 页据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路：是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC 一

11、般采用继电器输出。D电源部件将交流电源转换成供 PLC所需的直流电源。目前大部分 PLC采用开关式稳压电源供电。2.2.2 PLC 的软件系统PLC的软件系统指 PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。A系统程序包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用 PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。图 2-1系统软件和应用软件图它由 PLC的制造企业编制，固化在 PROM或 EPROM中，安装在 PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。系统管理程序其主要功能为：a）

12、：时间分配的运行管理，即实现 PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序；b）：存储空间的分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址；c）：系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个 PLC能正确、有效地工作。输入电路CPU EPROM RAM输出电路基本单元内部电源 扩展I/O接口各种外设接口输出信号现场输入信号主机编程器打印机 PC 机输入电路输出电路扩展单元 输出信号扩展连接电缆至其他扩展单元现场输入信号水玻璃炉的换向控制系统第 6 页 共 28

13、页用户指令解释程序：它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成 CPU能执行的机器指令。供系统调用的标准程序模块：它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC 的各种具体工作都由这部分来完成。B. 用户程序它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。开关量逻辑控制程序：它是 PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的 PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容

14、的编程语言。模拟量运算程序及闭环控制程序：通常，它是在大中型 PLC上实施的程序，由用户根据需要按 PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和 PID控制等的程序。操作站系统程：它是大型 PLC系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。2.3 PLC 的编程语言的基本指令系统和编程方法2.3.1 语言的形式最常

15、用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽然一些高档的 PLC还具有与计算机兼容的 C语言、BASIC 语言、专用的高级语言（如西门子公司的 GRAPH5、三菱公司的 MELSAP） ，还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。水玻璃炉的换向控制系统第 7 页 共 28 页2.3.2 编程指令指令是 PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一

16、些二进制代码，这点 PLC与普通的计算机是完全相同的。同时 PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的 PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。a ）指令系统：一个 PLC所具有的指令的全体称为该 PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着 PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的 PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。在编程之前必须弄清 PLC的指令系统。b ）程序：PL

17、C 指令的有序集合，PLC 运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指 PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。c ）梯形图：梯形图是通过连线把 PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含 LD指令） ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出

18、控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。2.3.3 基本指令系统特点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。可编程控制器具有诸多优点：1） PLC 的生产厂家都着力于提高可靠性的指标；2） PLC还具有编程方便、易于使用的优点；3） PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID 运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备；4） PLC的扩展以及与外部联接极为方便。水玻璃炉

19、的换向控制系统第 8 页 共 28 页2.4、PLC 的扫描工作方式图 2-2 PLC的扫描模式图可编程序控制器在进入 RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图 2-3所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与主要和 PLC的处理速度有关，其开始内部处理通信处理RUN 方式？输入扫描程序执行输出处理NY水玻璃炉

20、的换向控制系统第 9 页 共 28 页输入端子输入映象寄存器 输出映像寄存器输出锁存器 输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段 输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读 次跟程序的大小有关。PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图 2-3所示。图 2-3 程序执行过程图2.5 PLC 的扫描周期在 PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。2.6 PLC 的 IO 响应时间PLC采用集中 IO

21、刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了 PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为 2-3个扫描周期。水玻璃炉的换向控制系统第 10 页 共 28 页第 3 章 水玻璃炉的换向控制系统水玻璃(Na2O. mSiO2 ) 是生产各种硅酸铝催化剂、分子筛催化剂的原料。在水玻璃生产过程中,煅烧是最为重要的一个环节,它决定了水玻璃的质量。由于水玻璃炉煅烧的温度很高(达到1390 ) 和其本身的窑式结构以及节能的要求,需要换向燃烧,故水玻璃炉的换向控制是保证水玻璃质量的关键

22、技术。本文介绍的是可编程序控制器在水玻璃炉换向控制中的应用。3.1 设计思想煅烧的目的,是把按一定比例配好的砂和碱的混合物在水玻璃炉内高温加热,进行化学反应,生成水玻璃,放出二氧化碳。熔融状态的水玻璃出炉后被打入常压釜进行搅拌,冷却待均匀后,形成水玻璃成品打入储罐进行储存,其简要流程见图3-1。对于在蓄热式玻璃熔窑中,燃料燃烧后,产生了废气,蓄热室的格子砖吸收废气的部分能量,并将热量传给进入窑炉的二次空气,以提高窑炉的温度和热效率。蓄热室的工作包括在一段时间内由废气加热格子砖,在下一段时间内预热二次空气,格子砖逐渐冷却。为了使格子砖周期预热,火焰开始为一个方向,例如由左向右,然后再反过来由右向左,这种操作就叫做换向.