仪表工程师论文第四篇
摘要：采用S7-200系列PLC作为下位机，研华工控机作为上位机构成管式加热炉PLC控制系统。充分利用PLC编程灵活、抗干扰能力强等优势，扩展了EM235模拟量输入输出模块，实现加热炉温度信号的采集和控制。同时，上位机可对系统运行状态进行监控，实现了良好的人机交互功能，在工业控制中具有一定的借鉴作用。
关键词：管式加热炉； PLC; 梯形图； 控制系统；
0 引言
工业革命以来，加热炉在生产制造领域一直占据着十分重要的地位。管式加热炉是对原油加热，为保证加热炉出口原油温度适应负荷的需要以及加热炉的运行安全，各个环节的工艺参数必须严格控制，最主要的控制参数是加热炉出口原油温度。这里设计了一种保证加热炉可靠安全运行的控制方案，控制器采用易于构成控制网络的PLC实现，PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。本设计利用PLC作为下位机；同时，采用MCGS通过上位机对系统运行状态进行监控，实现了良好的人机交互功能。
图1 控制系统硬件配置
管式加热炉控制系统输入、输出点数较少，所以选用SIMATIC S7-200系列CPU224型PLC.控制系统包含上位机（MCGS组态监控软件）、下位机西门子S7-200 （CPU224） PLC、一个EM235模块、两个温度检测变送器，两个调节阀、上位机与PLC通过RS485通用串口线、RS232-RS485转接头相连接。控制系统硬件配置如图1所示[1].
2 系统硬件选择
2.1 PLC的选型
调节器用来接收温度检测变送器送来的信号，并且作出相应逻辑控制，然后再反馈到调节阀上去，形成闭环控制系统。PLC是一款既可以编程又可以逻辑控制的调节器，具有庞大的功能并且操作简单，利用梯形图编程实用易行。PLC选取西门子系列S7-200, CPU224（可外接7个扩展模块），利用PLC作为下位机，起到调节器的作用，与上位机通讯采用为PPI协议。S7-200与上位机MCGS通过RS232/RS485转换器与RS485通用串口线连接，保证控制器与监控软件的远程通讯功能与数据交互能力，实现MCGS远程监控的功能[2].
A/D转换器为FXZN-4AD;D/A转换器为FXZN-4DA.
2.2 传感器的选择
检测燃烧室内和出口处原油的温度，选择工业中常用的热电偶温度传感器来检测，它可直接将热信号转换为电信号，再由变送器变送为与温度成线性关系的标准电信号传输出去。热电偶选取两种材质各异的导体，由于热电效应的存在，在导体之间将产生热电势，根据热电势计算出实时温度的值。因为燃烧器的燃料是燃料油，加热炉燃烧室内能产生的温度在1300℃以下，燃烧室内温度传感器采用S型热电偶，量程为0℃~1300℃。原油出口处温度相对较低，选用T型热电偶，量程为0℃~350℃。
得到了温度的电信号以后需要将数据传送出去，并且标准化。因此，需要温度变送器，将电信号转换成与温度成线性相关的电流信号，传送给模拟量模块。STT250能够把传感器所得的温度信号线性的转化成模拟信号，它是一款两线制的智能元器件，可以将4mA~20mA的电流传导给与下位机相连的EM232模块，进行数据采集的信息传递。
2.3 调节阀的选择
调节阀b用来调节管式加热炉原油的输送量，通过接受控制器所给定的信号，实时地调整输送到加热炉内的原油流量，以应对炉内温度变化引起的加热精度的改变。调节阀a是用来控制燃烧器的燃料流量，此阀数值改变直接影响燃烧燃料产生的热能，减少燃料即减少能量转化，从而直接控制了燃烧室温度，间接控制了原油的加热温度。
调节阀的种类有3种，而此处需要加热的原油和燃烧器的燃料都是易燃易爆的物质，所以此处不能选择电动调节阀，适宜选择气动调节阀，简单方便，易于控制且安全性好。
表1 PLC I/O及软元件地址分配表
调节阀气开气关形式的选择要以安全为前提，当危险事件发生时，加热炉的燃烧器应该立即停止加热，避免温度过高发生爆炸，所以调节阀b选择气开式调节阀。出于对加热的原油下一道工序和加热炉精度的考虑，危险情况发生后应停止继续输送原油，所以调节阀a也选择气开式。基于此，调节阀的类型选择常见的单直通气开式。
2.4 上位机的选择
上位机选用台湾研华工控机，工控机主要配置为：Pentium III处理器，128M内存，15G硬盘。
3 PLC硬件设计
分析控制任务可知，数字量输入2个，分别为控制系统的启动与停止；数字量输出3个，分别为加热炉启动、加热炉停止、调节阀b;模拟量输入1个，为燃烧室温度；模拟量输出1个，为调节阀a;软元件10个，包括原油出口温度检测值和设定值、控制系统自动输出值和手动输出值、PID参数（比例系数、积分时间、微分时间）、采样时间、手动/自动切换输出等。列出PLC的I/O及软元件地址分配见表1.画出相应的I/O外部接线图如图2所示[3].
图2 PLC I/O外部接线图
图4 主程序
PLC的软件设计即编制PLC的控制程序，使用最多的就是梯形图程序，采用经验设计法进行。
4.1 控制系统流程图
燃烧室内加热采用的是燃料油，通过调节阀a调节燃料油流量以控制被加热原油温度，发送启动命令后，调节阀a打开并启动燃烧器开始预热，当燃烧室温度达到设定值时，调节阀b打开输送原油开始给原油加热，控制系统启动控制原油出口温度，加热炉正常工作。PLC控制系统流程图如图3所示[4].
4.2 梯形图控制程序的设计
主程序：将PID的参数传入到PLC的寄存器中，采样周期为0.1s,中断时间为100ms,积分时间为0s.主程序如图4所示。
图3 控制系统流程图
图5 温度采集程序
采集程序：将加热炉内的温度检测变送器采集的数据送到PID_PV中。温度采集程序如图5所示。
图6 输出处理程序
输出处理程序如图6所示。
5 结语
采用功能强大的PLC控制器实现下位机的控制，PLC选用了S7200-CPU224,并通过模拟量模块EM235实现温度信号的采集和控制，利用组态软件与PLC实时通讯，通过组态画面与工程画面实时掌控加热炉现场数据，并能及时调整参数，监控系统运行情况，可用于对石油加热的管式加热炉的控制，对其他工业控制亦有重要的借鉴意义。
参考文献
[1]许川佩， 彭圣华。基于PLC的自动化生产线控制系统[J].仪表技术与传感器， 2016 （12） :85-89.
[2]马学成。基于PLC和触摸屏的硬胶囊生产控制系统[J].工业仪表与自动化装置， 2017 （6） :97-100.
[3]魏静敏， 单冲。基于PLC的自动灌装生产线控制系统设计与实现[J].科技视界， 2013 （13） :56-57.
[4]王蕊。间歇式化学反应器分程控制系统的实现[J].现代化工， 2014, 34 （7） :157-158, 160.
点击查看>>仪表工程师论文（精选范文6篇）其他文章 
