1、 内容摘要热处理车间 PLC 控制系统设计，是以 PLC 作为控制器，采用梯形图编程，完成工件运送、烘房升温、风机运转、烘房门控制等控制任务，实现热处理车间的热处理全过程自动化，提高热处理工艺水平。从 PLC 控制技术的应用情况来看，PLC 控制技术在机械切削加工工艺等方面应用相当普及，并达到了相当好的水平。将先进的 PLC 控制技术，应用于热处理工艺过程的生产过程控制，有重要的实用意义。关键词：热处理车间 温度控制 PLC 宿迁学院毕业设计论文- 2 1目 录前言3第 1 章 热处理车间概况和热处理车间烘房的工艺流程41.1 热处理车间概况41.2 热处理车间烘房的工艺流程4第 2 章 热处
2、理车间的控制要求5第 3 章 PLC 控制器63.1 PLC 的产生与发展63.2 PLC 的基本结构73.3 PLC 的基本工作原理83.4 PLC 的控制系统93.5 PLC 的主要特点103.6 PLC 与其他控制装置的比较11第 4 章 热处理车间 PLC 控制系统硬件设计124.1 PLC 选型124.2 I/O 口地址分配表154.3 I/O 口接线图16第 5 章 热处理车间 PLC 控制系统软件设计175.1 PLC 控制梯形图175.2 PLC 控制指令表20结论22致谢23参考文献24宿迁学院毕业设计论文- 3 1前 言金属热处理是机械加工过程中的一道重要制造工艺，不同的热
3、处理工艺可以改善金属零部件的内部组织结构和外部机械性能（如硬度等） ，对于机械产品的质量至关重要。热处理有严格的温度条件以及气氛条件，严格的升温、恒温、降温过程是热处理工艺成败的关键。另外，热处理车间的环境条件相对比较差，劳动力强度也比较大，因此，如何实现热处理设备（烘房）的温度控制和热处理过程的传动控制，是提高热处理工艺质量和改善热处理劳动条件的重要措施。特别是将先进 PLC 控制技术，应用于热处理工艺过程的生产过程控制，有重要的实用意义。宿迁学院毕业设计论文- 4 1第 1 章 热处理车间概况和热处理车间烘房的工艺流程1.1 热处理车间概况热处理车间烘房分高温区和低温区。烘房由电阻丝加热，
4、电阻丝分成四组，即100KW、100KW、50KW、50KW，以便进行功率的调节，总功率为 300KW。1.2 热处理车间烘房的工艺流程热处理车间烘房的工艺流程如下：15min15min恒温烘房进行工作前，先启动风机进行通风，然后才能开启烘房，接通电阻丝，由物料传送系统开始运送工件进入烘房，开电动门 1，推进工件至低温区，随即关闭电动门 1，15分钟后开启电动门 1，推进工件至高温区，同时推进第二件工件至低温区，工件在高温区加热 15 分钟后开启电动门 2，推进工件出烘房，随即关闭电动门 2，将工件推进至风箱冷却，然后电笛发出警报，通知工作人员风冷完毕。关闭电动门 2开电动门2工件吹冷关闭电动
5、门 1推进工件至低温区开启烘房接通电阻丝启动风机开电动门 1推进工件出烘房推进工件至高温区电笛宿迁学院毕业设计论文- 5 1第 2 章 热处理车间控制要求控制要求：1.工件运送：工件连续不断地由物料传送系统送入烘房，即当第一个工件由低温区被送至高温区的同时，第二个工件被送入低温区。工件由物料传送系统从烘房门自动送入烘房低温区预热 15min，再由物料传送系统自动送入高温区继续加热 15min，然后由物料传送系统自动送出烘房。工件送出烘房后由轴流风机风吹冷却 15min，然后电笛发出警报声，通知工作人员风冷完毕。2.升温过程：在初始状态启动烘房时，为了缩短空烘房的升温时间，提高升温速度，要求四组
6、电阻丝全部接入电路进行加热。当烘房高温区的温度超过 200 摄氏度，切除两组50KW 的电阻丝；当烘房温度超过 250 摄氏度时，切除两组 100KW 的电阻丝，同时接入两组50KW 的电阻丝；当烘房温度达到 300 摄氏度时，使两组 50KW 的电阻丝投入 PID 自动运行方式，控制电阻丝的输出功率，以确保烘房高温区的温度保持在 300 摄氏度的恒温，确保工件在恒温下进行热处理。3其他控制：风机将冷空气从风道送入烘房低温区预热后，再送入高温区继续加热。开启烘房时，应先接通风机，后接通电阻丝；反之，关闭烘房时，先切断电阻丝，后停止风机运转。烘房进出各设有一个电动门，各有一台电动机带动，两个电动
7、门均可独立控制。当电动机正转时，烘房电动门打开；当电动机反转时，电动门关闭。电动门的控制分为自动和手动两种控制方式。电动门的开、关到位由行程开关控制。烘房门关闭到位时指示灯亮，表示烘房门关闭到位。物料传送系统采用气压控制，其推进气缸由电磁阀控制。自动工作时，只有当电动门开到位时才允许推进工件；且只有当工件推进到位时才能关闭电动门。工件推进到位时，行程开关被压下。宿迁学院毕业设计论文- 6 1第 3 章 PLC 控制器3.1 PLC 的产生与发展在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。众所周知，继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务或工
8、艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，实用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。为了解决这一问题，早在 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想，要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求
9、新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。为此，特定以下 10 项公开招标的技术要求，即：（1） 编程简单方便，可在现场修改程序；（2） 硬件维护方便，采用插件式结构；（3） 可靠性高于继电器接触器控制装置；（4） 体积小于继电器控制装置；（5） 可将数据直接送入计算机；（6） 用户程序存储器容量至少可以扩展到 4KB；（7） 输入可以是交流 115V；（8） 输出为交流 115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；（9） 通用性强，扩展方便；（10） 成本上可与继电器接触器控制系统竞争。美国数字设备公司（DEC）根据 GM 公司招标的技术要求，于 1969 年研制出
10、世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。在 20 世纪 70 年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上宿迁学院毕业设计论文- 7 1只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能。所以当时人们将可编程序控制器称为 PLC。随着微处理器技术的发展，20 世纪 70 年代末至 80 年代初，可编程序的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造协会(NEMA)将可编程序控制器命名为 PC
11、，但人们习惯上仍称之为 PLC，以便与个人计算机 PC 相区别。80 年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的 PLC 具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使 PLC 的应用范围和应用领域不断扩大。PLC 的发展初期，不同的开发制造商对 PLC 有不同的定义。为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会(IEC)于 1985 年 1 月制定了 PLC 的标准，并给它作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存
12、储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。 ”3.2 PLC 的基本结构目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的 PLC 以及同一厂家生产的不同型号的 PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。PLC 的主机由微处理器（CPU） 、存
13、储器（EPROM、RAM） 、输入/输出模块、外设 I/O 接口、通信接口及电源组成。对于整体的 PLC，这些部件都在同一个机壳内。而对于模块式结构的 PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的 PLC 控制系统。常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM 写入器等。PLC 可以配置通信模块与上位机及其他的 PLC 进行通信，宿迁学院毕业设计论文- 8 1构成 PLC 的分布式控制系统。3.3 PLC 的基本工作原理我们已经知道 PLC 是一种存储程序
14、的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到 PLC 的用户程序存储器中寄存。PLC 的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。PLC 运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到 END 指令，程序运行结束。而 PLC 从 0000 号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到 END 指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行(RUN)切换到停止(STOP)工作状态。我们把 PLC 这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构
15、成一个扫描周期。另外，PLC 对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而 PLC 对输入、输出信号是集中批处理。PLC 扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。1） 输入采样PLC 在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程成为输入采样。PLC 在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。2） 程序执行PLC 完成了输入采样工作后，按顺序从 0000 号
16、地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。3） 输出刷新在执行到 END 指令，即执行完用户所有程序后，PLC 将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC 工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理，通信处理等工作。在内部处理阶段，PLC 检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成宿迁学院毕业设计论文- 9 1一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC
17、与其他的带微处理器的智能装置实现通信。3.4 PLC 的控制系统任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以及提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则：（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用，维修方便。（3）保证控制系统的安全、可靠。（4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择 PLC 容量时，应适当留有余量。PLC 控制系统是由
18、PLC 与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC 控制系统的基本内容包括如下几点：（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等） 、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等） 。这些设备属于一般的电气元件。（2）PLC 的选择。PLC 是 PLC 控制系统的核心部件，正确选择 PLC，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。（3）分配 I/O 点，绘制电气连接接口图，考虑必要的安全保护措施。（4）设计控制程序。包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常
19、、安全可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。（5）必要时还需设计控制台（柜） 。（6）编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。传统的电气图，一般包括电气原理图、电气布置图及电气安装图。在 PLC 控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图” 。它在传统电气图的基础上增加了 PLC 部分，因此，在电气原理图中应增加 PLC 的输入、输出电气连接图（即 I/O 接口图） 。此外，在 PLC 控制系统中，电气图还应包括程序图（梯形图） ，可以称之为“软件图” 。向用户提供“软件图” ，可方便用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维宿迁学
20、院毕业设计论文- 101修时分析和排除故障。3.5 PLC 的主要特点PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点。1） 可靠性高，抗干扰能力强由 PLC 的定义我们知道，PLC 是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。（1） 硬件措施1. 屏蔽：对 PLC 的电源变压器、内部 CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防对外界的电磁干扰。2. 滤波：在 PLC 的输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰。3.
21、 隔离：在 PLC 内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作。4. 采用模块式结构：这种结构有助于在故障情况下短时修复。因为一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。（2） 软件措施 1. 故障检测：设计了故障检测软件定期地检测外界环境。如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时进行处理。2. 信息保护和恢复：信息保护和恢复软件使 PLC 偶发性故障条件出现时，将 PLC 内部信息进行保护，不遭破坏。一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。3. 设置了警戒时钟 WDT：如果 PLC 程序每次循环执行时间超过了 WDT 规定的时间，预示程序进入死循环，立即报警。4. 对程序进行检查和检测，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。由于采取了以上抗干扰的措施，一般 PLC 的平均无故障时间可达几万小时以上。2） 通用性强，使用方便
