毕业设计（论文）基于PLC高炉冷却水循环自动化控制系统研究

1、毕业设计（论文）说明书目录1 绪论31.1 选题意义及课题来源31.2 国内外现状简介31.2.1 plc在高炉中的应用31.2.2 plc在泵站系统中的应用41.3 课题意义及论文的主要工作41.3.1 选题意义41.3.2 本次设计的主要工作52 系统工作原理62.1 控制系统要求62.1.1 控制系统功能要求62.1.2 设计技术指标62.1.3 设计原则72.1.4 系统的保护设计框架72.2 系统控制方案的确定82.2.1 方案概述82.2.2 方案确定82.3 系统工作原理102.3.1 系统整体结构模型102.3.2 系统组成及框图112.3.3 系统主要工作流程123 系统硬件

2、设计143.1 系统硬件总体组成143.1.1 系统硬件组成143.1.2 系统机械流体部分组成143.1.3 系统电气部分组成153.2 泵的选型和设计153.2.1 系统要求153.2.2 拟选用的元件153.3 plc控制部分的的设计163.3.1 plc的i/o需求和分配163.3.2 plc的选型和主要技术指标173.4 转换部分设计203.4.1 转换部分方案的确定203.4.2 单片机pic18f2480简介223.4.3 单片机pic18f2480电路设计253.5 检测部分设计283.5.1 铂热敏电阻pt-1000283.5.2 jls40压力传感器293.5.3 ad靶式

3、流量开关293.5.3 三达德kh32型电流互感器303.6 抗干扰处理、保护设计313.6.1系统避雷措施313.6.2系统抗电磁干扰措施323.7 系统组要元件334 系统的软件设计344.1 软件设计概述344.2 控制主程序的梯形图设计384.3 单片机部分c语言设计445 通信部分设计495.1 系统联网和通信部分框架495.2 系统与上位机通信部分方案设计516 组态部分设计536.1 组态方案概述536.2 组态设计536.2.1窗口设计536.2.2 变量设计566.2.3 主要脚本程序586.3 组态仿真647 结论677.1 本设计完成的主要工作677.2 优化设计可以进行

4、的工作677.3 设计心得68致 谢69参 考 文 献70741 绪 论1.1 选题意义及课题来源目前我国经济正处于高速发展阶段，钢材的市场需求也平稳增长，钢铁产品依然呈现供不应求态势，导致价格连续上涨，企业销售收入、利润等指标大幅提高。目前我国钢铁行业的高炉循环水泵房低压冷却水泵系统采用的大部分都是人工控制，这造成了大量的人力物力以及水资源和电能的浪费，这与国家十一五规划的节能降耗相悖甚远。国内钢铁业在高价格的刺激下加大了对钢铁的投资力度，在建或准备新建高炉数量急剧增加，为此正确、合理选择高炉的冷却水循环系统控制方式对提高我国炼铁工业的节水降耗水平，延长高炉寿命具有重要的指导作用和现实意义，

5、将对我国的钢铁业产生深远影响。沧州纵横四个高炉建成于60年代，整个高炉系统已经不能满足当前自动化发展的需要，为提高高炉的效率，准备对沧州纵横1#高炉进行重建。本次设计结合沧州纵横1#高炉的实际情况对其冷却水循环泵站自动化系统进行控制设计。1.2 国内外现状简介1.2.1 plc在高炉中的应用在炼铁高炉生产过程中应用可编程序控制器(简称plc)进行电气控制和仪表检测系统的改造已经十分普遍，但是通常只进行单个系统上如上料系统或热风炉系统的控制，或者一座高炉部分的改造控制。随着plc和网络技术的飞速发展，使得plc的联网通讯功能日益强大，也对炼铁高炉自动化系统提出了更高的要求。高炉控制系统规模由原来

6、单独一个系统控制，发展到包括槽下上料、炉顶装料、高炉本体、热风炉、煤气除尘、煤粉喷吹等高炉全套控，并实现各系统之间互相通讯，多座高炉联网，实现系统冗余、数据共享，系统整理并统计生产数据，从而为实现高炉生产过程控制和生产管理自动化提供有力的系统支持。但是目前作为高炉的冷却水循环系统的控制一般采用的都是人工控制，这给整个系统的联网和统一管理带来了很大不便。影响整个高炉系统的效率，并且造成一定的能源和资源的浪费。1.2.2 plc在泵站系统中的应用总装机容量100kw以下的小型泵站在高炉水循环、农田水利、防洪排涝泵站中占有相当大的比例。为了降低小型泵站运行费用，提高小型泵站的自动化程度，根据小型泵站

7、的运行工艺特点，采用可编程序控制器（plc）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过传输设备联网，可以实现无人值守泵站运行，大大降低小型泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。目前国内对小型泵站自动化的研究还处于起步阶段，尤其对高炉炉冷却水循环系统的研究设计还刚刚开始。1.3 课题意义及论文的主要工作1.3.1 选题意义针对目前plc在高炉冷却水循环系统自动化控制的的研究还处于空白阶段，结合沧州纵横1#高炉改造的实际情况进行本次设计。将国内外对小型泵站的研究的成果和技术方案转化到高炉冷

8、却水循环系统中。通过本次设计要做出高炉低压冷却水循环泵站自动控制系统的合理设计方案，使整个泵站系统的总体成本大幅下降，系统运行时节能降耗、且稳定可靠。通过本次设计要探索出一种小型泵站的plc自动控制方法，得出性价比较高的控制器选型方案，得出合理的软硬件设计方案。针对高炉的冷却水循环系统采用plc对其进行泵站控制是一种新的尝试，通过本次设计要探索一种实用的高炉冷却水循环系统泵站控制方法。1.3.2 本次设计的主要工作冷却水循环系统是整个炼钢高炉的重要环节，由管道设备及水泵和控制电路按一定的组织方式所构成，原沧州纵横1#高炉冷却水循环系统水源为地表水，冷却对象主要为高炉冷却壁，其冷却强度对高炉寿命

9、起着决定性的作用。原供水方式一直采用人工控制，使用后的水未经循环，直接外排，浪费很大，同时还存在水质差、水量不足、水压低等问题。考虑到原供水方式已暴露出如上很多弊端，且无事故供水措施，严重制约了炼铁厂生产的发展和经济效益的提高。因此在新建1#2340m3高炉之际同步建设高炉水循环泵站自动控制系统势在必行。系统从水池中抽水，通过管道传输，利用对压力、流量、电流等参数的检测来决定泵站的水泵的控制策略和各个泵站间的切换。通过对泵站的改造可以提高循环利用率，能缓解公司生产用水紧张的局面，同时也能确保炼铁厂各个高炉用水的安全性和可靠性，各项供水指标能比直接使用河水时明显改善，悬浮物浓度下降且基本稳定。根

10、据实际工程中工艺参数的要求，设计出泵站控制系统的软硬件结构，可编程控制器做为整个系统的中心，完成对泵站内各泵启动、停止的控制、上传本站运行情况至上位机和上位机对本站的控制。实现泵站的无人值守，自动控制满足工艺参数要求，故障发生时自动处理防止意外发生。整个泵站系统相对于人工控制系统在可靠性、实时性有很大的提高。给出不同的设计方案，根据可靠性和工艺要求以及性价比的综合考虑确定最终的控制方案。2 系统工作原理2.1 控制系统要求2.1.1 控制系统功能要求本次设计应实现：沧州纵横1#高炉的实时性和可靠性要求；无人值守系统能正常运行，满足系统的温度、压力、流量等工艺参数要求；系统可靠性高，故障自动排除

11、；泵站内的各泵采用互备技术，任何一个泵出故障都不影响系统正常工作；泵站系统的过载检测、故障实时报警，并实现故障紧急处理避免危险情况的发生；系统的可维护性强，发生故障能迅速定位，出现故障能快速修复；整个设计合理切合工程实际，便于施工且性价比合理。整个系统可以与钢厂的网络系统联网，能进行通信，上位机可以监控所有设备的运行情况，能对所有设备进行管理。系统的通信总线采用rs485总线。所设计的的系统采用的硬件设备与原有的设备和系统其他设备有很好的兼容性，能在不改变其他任何硬件的情况下完成控制系统设计。本地设备通过报警检测，系统应具有一定的自诊断能力，能实现部分故障的自我修复，对于不能修复的故障，应能迅

12、速指示出故障所在处，以便检修人员能迅速的对故障做出处理。2.1.2 设计技术指标根据高炉的实际情况，整个工厂水循环系统应满足以下指标：（1）满足1#高炉的生产用水，循环水量为60100m3/h，自流回水；循环利用率大于90。（2）冷却炉壁的压力不低于0.3mpa；冷却出水温度40。（3）改善供水水质，使水中悬浮物含量低于20mgl，并采用水质稳定措施基本消除高炉冷却壁及循环水设施的结垢、腐蚀现象。（4）设置事故泵站及事故水泵，确保安全供水。2.1.3 设计原则高炉冷却水循环系统的的设计应根据工程的510年发展规划进行，做到远近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的

13、可能。水资源循环利用，电能节约利用，降低能耗提高效率，不给环境造成不良影响。整个系统的性价比高，所选控制器及其外围稳定可靠，出现故障易修复。高炉冷却水循环系统的设计，必须从全局出发，工艺参数、工程特点和高炉的实际条件，结合国情合理地确定设计方案；必须坚持节约用地的原则；同时还应符合现行的国家有关标准和规范的规定。根据系统兼容性要求冷却水循环系统采用与整个锅炉其他控制系统的plc采用同品牌同系列的产品。通讯和组态也采用统一的标准，确保整个系统兼容性强，扩充改造方便。2.1.4 系统的保护设计框架由于被控对象的特性，系统需要对水池中液位的高度进行检测，防止出现由于液位下降导致水泵抽不到水。对流过空

14、气开关的电流进行检测，防止出现大电流。对流量进行检测确定每个水泵都有水流过。当系统发生大电流时，系统发生报警，比对上位机发出信号，请求关闭当前泵站，启动其他泵站，待上位机回复确认信息后系统关闭。当水池的液位下降到比设定的液位低的时侯，有检测部分向plc发信号系统报警，plc请求上位机关闭该泵站，待系统回复确定信息后，系统执行相应的操作。利用流量检测来去定水泵中是否有水流过，如有流量则该泵启动正常，如果没有则该泵启动异常，需要启动备用泵。上位机能随时通过通信监测到每个泵的运行情况。整个工厂的控制层能获得系统的所有信息，有利于工厂的统一管理和资源的统一分配利用。真个系统的各个设备都支持本地控制，当

15、系统通信系统出现问题的是可以选择本地控制。可以设定系统的各个参数，保证系统的安全可靠运行，实现冷却系统的不间断供水循环。系统可能出现的的故障和指示报警以及对故障的处理办法可以用表2-1来表示。表2-1 常见故障及处理方法可能出现的报警指示解决办法上电后系统不工作，且无指示检查电源泵起异常指示灯亮检查该泵及其相关电路是否正常温度过高指示灯亮换用其他泵站或给站水循环系统加冷水液位过低指示灯亮换用其他泵站或给站水循环系统加水电流过大报警逐个关闭水泵并换用其他泵站2.2 系统控制方案的确定2.2.1 方案概述根据工厂的规划拟采用三个泵站对工厂冷却系统供水，本设计只是对其中的一个进行设计。系统的水压和温

16、度要求在进行软件设计时可以实现。故障水泵的要求，设计本身采用的是各个泵之间的互备技术，任何情况下每个泵都有一个或两个泵作为其他泵的备份，个泵循环作为备用泵，确保不会因为长时间不用损坏而不能起到备用的可靠性，互备技术不用一对一的给各个泵做备份，节约了成本，也减轻了控制系统的负担。2.2.2 方案确定目前小型泵站的自动化控制有两种设计方案：一种方法是利用plc控制的恒压变频调速的方法进行压力和流量的控制，另一种方法是用plc进行泵的开关控制来控制开关和流量。方案（1）采用模拟量的plc控制变频调速方案采用电动机调速装置与plc构成控制系统，进行优化控制,完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到

17、稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420ma的模拟信号，通过变频器内置的pid控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变

18、化引起的水压变化，及时将信号（4-20ma或0-10v）反馈pid调节器，pid调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。该方案有如下的缺点：1.性价比高，该系统采用的变频调速初期投资成本高，维护费用大。2.控制系统复杂，不利于施工和后期维护。3.系统采用模拟量控制，容易受到干扰，钢厂高炉是一个强电磁干扰的地方，采用模拟量传输信号的时候和容易受到干扰，是系统的可靠性大大降低。4.对突发事件的应对能力不强，当受到强干扰的的是紧急应对能力弱。方案（2）采用plc控制逻辑开关量的方案众所周知，研制开发plc的最初动因是为了取代继电器，构成

19、新型的控制开关量的装置，因此，从一开始，逻辑控制就是plc的强项。plc是以控制开关量起家的，采用循环扫描方式，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期短，这就使得在plc中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能的微处理器本身有很大的潜能，早期plc只利用速度快这一条，其他潜能并没有得到充分得利用。后来发现处理好不同性质的实时多任务的调度，在plc中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。该方案采用开关量进行逻辑控制，通过plc对四个泵的启停进行控制实现对高炉冷却水系统实现恒压控制。通过对检测压力对泵的开启进行控制，达到稳定冷却炉输入部分压力的稳定。通过检测启动20s后每个泵有无流量信号来判断各个泵是

20、否启动正常，通过检测电流是否过大来判断真个系统是否正常，如果有泵启动异常则通过互被技术启动备用泵。系统的框图如图2-1所示。图2-1 逻辑开关量控制泵站供水系统结构图采用该方案有如下的优点：1.稳定性好，抗干扰能力强，采用开关量控制对电磁干扰的能力较强，不会产生误动作。2.系统简单，初期投入少，系统的性价比高。3.系统安装方便，维护简单，发生故障后能迅速恢复。4.通过自动控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。本系统的任务是保证高炉冷却水循环系统供水安全可靠，该系统对控制精度要求不高，但是对系统的可靠性要求很高，且在高炉附近电磁干扰强，要求系统必须有较好的抗干扰能力。综合考虑方案i和方案ii并

21、结合高炉的实际情况决定采用方案（2）。2.3 系统工作原理2.3.1 系统整体结构模型本系统控制对象为冷却炉的压力，系统有较大的时间常数，由于高炉的特性系统要求控制精度不太高，针对这些特性对系统可以进行如下结构框架设计。系统的被控对象为：冷却炉内的水压，系统的控制器为：plc，系统的检测单元为：压力检测部分、电流检测部分、流量检测部分和电流检测部分，系统的执行机构为：四个泵，系统的控制方式为plc开关量控制，系统的整体结构图2-1。图2-1 本系统模型图2.3.2 系统组成及框图该系统为开关量的逻辑控制，当系统采用自动控制策略时，首先设定压力给定，然后启动三个水泵，经过一定的时间延迟后对压力进

22、行检测比较然后确定启动泵的个数，通过改变泵的个数来改变冷却炉壁的压力。本系统的被控对象为冷却炉，冷却炉为整个高炉的冷却系统，为高炉炼钢做保证，被控对象为冷却炉内的水压。传感器和变送器包括压力、温度、流量和液位传感器、电流互感器以及部分单片机电路，传感器和变送器在系统中起到检测系统参数并转换为标准信号供控制系统检测系统运行情况。系统的控制器为plc，plc是整个系统的核心部分，由plc来控制各个泵的启停，保证给水压的提供。系统的执行器继电器，由plc发出的信号经继电器后驱动执行机构泵和阀。系统的执行机构为泵和阀，通过泵和阀来改变压力。系统的连锁保护机构包括报警指示灯和扬声器，在plc内部程序上采

23、用连锁保护。系统由以上部分组成闭环，由于系统本身特性，系统为有差系统。系统的结构框图如图2-2所示。当系统上电启动后首先有压力给定，然后系统启动三个泵，五分钟延迟后系统检测压力回馈信号，决定采用什么控制策略，再等五分钟后系统根据压力回馈决定采用该策略是否能满足压力要求。在每个泵启动的时候，过10s后检测该泵的流量信号，如果有流量流过，则说明泵起正常，若果没有流量信号，则关闭该泵启动备用泵。图2-2 系统结构框图2.3.3 系统主要工作流程当系统启动后，首先有plc对系统进行初始化。当主程序开始时系统做初始准备，系统首先检测是采用集中控制还是本地控制，也就是采用手动控制还是自动控制，根据系统的控

24、制方式来确定采用的控制方法。如果采用手动的控制方式，则系统等待输入各个泵的启动信号，由于系统的特性，最多需要启动三个泵就能满足水压的要求，所以手动操作时最多只需要启动三个泵，留一个作为备用。当采用自动控制策略的时候，系统首先启动三个泵，五分钟后检测冷却炉壁处的水压，如果此时压力超过压力上限，则关闭一个运行泵，等系统运行十分钟后再进行压力检测，如果压力没有低于压力下限，则系统采用两备两用的控制策略，否则采用三用一备的控制策略。如果五分钟检测的时候压力没有达到上限，则采用三用一备的控制策略。采用三用一备的控制策略时，系统采用三用一备的工作流程倒泵，各泵之间会为备份。采用两备两用的控制策略时系统采用

25、两备两用的工作流程倒泵，各泵之间会为备份。3 系统硬件设计3.1 系统硬件总体组成3.1.1 系统硬件组成根据系统的总体规划化和要求，系统的硬件部分主要包括两部分：机械流体部分以及电气部分，电气部分又包括控制检测控制部分和供电部分。对这两部分的设计要相互结合，也要和系统的软件设计时要相互结合，这样系统才设计出最佳的配置。系统的机械流体部分包括泵，阀，和管道；系统的电气部分包括plc、单片机、传感器、变送检测电路、保护电路和电源电路。系统的硬件之间之间相互配合工作，电气部分为系统提供控制信息和电能，流体机械部分将电能转化为机械能，并将将机械能传递给水，以压力的形式表现出来，机械流体部分又受到电气

26、信息部分的控制，使系统资源配置在最佳状态，对于系统的硬件在设计上要求可靠性高，性价比合理。系统的硬件之间的关系可以用图3-1表示。图3-1 系统硬件组合图3.1.2 系统机械流体部分组成系统机械流体部分主要包括泵、管道和阀门等设备，系统的管道直径和阀的选择有机械设计人员完成，本设计只对泵的流量和扬程进行简单的计算，便于将来做电流检测报警时电流的计算和其他设备的选型。3.1.3 系统电气部分组成系统的电气设计主要包括控制部分、检测部分和通讯部分三个部分，控制部分主要是plc的i/o口的分配，检测部分主要是单片机的外围电路的选择，通讯部分主要是完成信号转换。根据沧州纵横1#高炉项目整个工程要求要求

27、，plc应采用三菱公司的产品，便于系统的联网。3.2 泵的选型和设计3.2.1 系统要求系统要求冷却炉壁的压力不低于0.3mpa，高炉的高度为14m，循环水量为60100m3/h，系统采用四个水泵供水，至少有一个泵处于备份状态。经查相关资料可知：冷却炉阻力约为30kpa；目前设计中冷水管路的比摩组宜控制在150200pa/m范围内，管道的总长度在30m左右，则管路阻力约为6kpa；阀的阻力约为4kpa；水泵扬程应取10%的安全系数。由以上可知系统应能提供的压力为：0.3mpa+30kpa+6kpa+4kpa=340kpa。390kpa压力可以换算为33m水柱高度，加上高炉高度，则系统的扬程最少

28、应为47m，考虑到系统的安全性对扬程留10%的冗余，则每个泵最终的扬程应为52m。根据系统要求，主管道的流量有三个泵共同承担，则每个泵承担的流量不超过37m3/h，从安全性上考虑，流量应留有20%的冗余，则每个泵的流量应为40m3/h。3.2.2 拟选用的元件根据系统的要求每个泵的流量为40m3/h，扬程为52m，系统为高炉供水，根据这些特张系统应该dl型多级泵。这种泵占地省，在流量一定时，有多种扬程可供选择，适用于冷热清洁水或类似于水的液体的输送，循环，增压。主要应用于市政供水及增压、工厂供水、高层及住宅群的供水、空调采暖系统的冷冻.冷却循环供水、消防喷淋系统的供水尤其适合高层建筑分区消防供

29、水、锅炉给水及冷凝系统。根据扬程和流量要求，泵拟选用上海凯泉泵业有限公司的kqdl80-17.53型。该泵的主要参数如下：流量：42.065.0立方米/时扬程：55.549.5米功率：15千瓦备注：转速1480，效率7071%，必需气蚀余量2.12.8米，尺寸(毫米)h=1421，h2=302，h3=107+90(n-1)，h4=136，h5=45，a=405，b=480，c=280，螺栓428，重量496kg，进出口直径dn80。对于阀和管道的选择，结合已选择的泵和机械设计人员共同完成。3.3 plc控制部分的的设计3.3.1 plc的i/o需求和分配系统的plc采用三菱公司的fx2n系列的

30、产品，系统的输入对象主要有按钮和传感器，系统的输出对象主要是泵的启动和关闭信号和报警显示。为了减少按钮的个数。减少了系统的硬件成本。为了表明当前泵站各泵的工作情况，系统对各个泵输出启动信号的同时也输出工作指示灯。系统的输出i/o分配情况如表3-1所示。sb为按钮，sq为流量回馈信号，sp为压力回馈信号，st为水温回馈信号，ta为电流回馈信号，sl为水池液位回馈信号。系统的输入点共用15个i/o口。表3-1 plc输入端口分配表输入类型实现功能i/o分配sb0系统的单按钮启停x0sb1集中控制、本地控制切换x1sb2 sb5本地控制时四个泵的启动信号x2x5sq0sq3四个泵起正常的回馈信号x6

31、x11sp0sp1压力过大、过小回馈信号x12x13st水温过高报警x14ta电流过大报警x15sl水池液位过低报警x16系统的输出i/o分配表如表3-2所示。km为泵，yv为阀，hl为指示灯，sp为报警蜂鸣器。系统输出点共用13各i/o口。表3-2 plc输出端口分配表输出类型实现功能i/o分配km0km3驱动四个泵启动y0y3hl0hl3四个泵的工作指示灯y0y3yv0=yv3四个阀的开关驱动信号y4y7sp0报警蜂鸣器驱动信号y10hl4泵起异常报警y11hl5温度过高报警y12hl6电流过大报警y13hl7水池液位过低y14plc共用到输入i/o口15个，输出i/o口13。分配图如图3

32、-2所示。plc的输入有按钮、和传感器经变送后的输入。泵为电机类感性负载，所以plc的输出采用继电器输出，驱动感性负载的时候，plc为了自身的保护要加续流二极管。由于泵的电流比较大，要采用带有浪涌吸收的中间继电器，这样plc的输出电流只有几十毫安，plc输出点的寿命会大大增加。对于灯类负载，一般可以采取限流或者分流措施来保护触点。plc的的输出回路中没有内置熔断器保护电路，但负载短路时输出继电器及印丝电路板均有烧毁的危险，所以输出端上必须接输出熔断器fu，在图3-2中有指示。3.3.2 plc的选型和主要技术指标plc共用到输入i/o口15个，输出i/o口13，plc的输出采用继电器输出，所以

33、选择三菱公司的的fx2n32mr，本课题中fx2n32mr为基本单元，带有32个i/o点(16入、16出)，m表示主机、r表示该单元为继电器输出型。本系统采用fx2n32mr的plc，该plc共有输入输出i/o点各16个，其中用到输入15各，输出13个，共留有12.5%的冗余，以供以后扩展需要。图3-2 plc的i/o分配图fx2n系列plc的基本单元与扩展单元或扩展模块可以构成256点的plc系统.利用扩展模块。fx2n系列plc的plc的基本形状如图3-3所示，fx2n32mr的主要技术指标分别如表3-3、表3-4、表3-5所示，这些指标都满足系统的要求。采用该型号的plc在实际工程中是合

34、适可行的，采用逻辑开关量控制，可靠性高，抗干扰能力强，能满足工厂恶略环境的要求，并且采用fx2n32mr的plc整个系统的性价比较高。图3-3 fx2n系列plc实物图表3-3 fx2n32mr的一般技术指标环境温度055度（使用时），20+70度（储存时）环境温度35%85%rh（不结露）（使用时）抗振jisco911标准，1055hz 0.5mm（最大2g）抗冲击jisco912标准，10g3轴方向各3次抗噪声干扰脉冲宽度为1us，频率为30100hz的噪声耐压ac1500v1min绝缘电阻5m欧以上（dc500v兆欧表）接地第三种接地，不能接地时也可浮空使用环境无腐蚀性气体，无尘埃表3-

35、4 fx2n32mr的输入技术指标项目ac输入输入信号电压输入信号电流ac100120v10% 50/60hz6.2ma/ac110v 60hz输入on电流3.8ma以上输入off电流1.7ma以下输入响应时间约30ms不可高速输入输入信号形式无电压接点或npn集电极开路输出晶体管电路隔离电路隔离 光耦合隔离输入动作显示输入on时led灯亮表3-5 fx2n32mr的基本单元型号输入点数输出点数扩展可用点数fx2n32mr16点16点48点64点3.4 转换部分设计3.4.1 转换部分方案的确定转换部分有两种方案可以选择，可以采用三菱fx-2n系列plc的模拟量输入模块fx2n-4ad，也可以

36、采用单片机和适当的外围电路进行设计。下面对两种方案进行比较：方案（1）采用输入模块fx2n-4adfx2n-4ad是模拟量输入模块，有四个输入通道，分别为ch1、ch2、ch3、ch4。每一个通道都可以进行a/d转换，即将模拟量信号转换成数字量信号，其分辨率为12位。输入模拟电压值范围从直流10v10v，分辨率为5mv。若为电流输入，则电力输入为420ma或20ma20ma。该模块共有32个缓冲寄存器（bfm）,用来与主机fx2n主单元plc进行数据交换，每个数据缓冲器的位数为16位。fx2n-4ad占用扩展总线的8个点，这8个点可以为输入或或输出点。fx2n-4ad消耗plc主单元5v电源槽

37、30ma的电流。fx2n-4ad与plc主机连接通过扩展电缆，而四个通道的外部链接则需要根据外界输入电压或电流的情况不同而不同。外部模拟输入通道通过双绞屏蔽电缆输入到各个输入通道，当电压输入时要加个平滑电容滤波，由于系统采用的是420ma电流输入，所以只需要采用电流输入，为了防止干扰应将fg和fx2n-4ad的接地端相连。采用该方案系统接线简单，组成系统方便，系统安全可靠。但是采用该模块性价比比较高，且系统受到距离的限制，a/d转换部分不能距离plc很远，否则系统可靠性将大为降低。组成的系统不仅不简单，反而变的复杂了，且模拟信号远距离传输容易受到干扰。方案（2）采用单片机单片机拟采用pic18

38、f248（或pic18f2480），要用到的模块有a/d模块、spi和usart模块。用的功能有a/d转换、七段显示、rs232通信、报警输出。本系统的检测部分涉及到电流、压力、流量、温度和液位，其中电流采用电流互感器检测，压力和温度采用单片机控制控制传感器检测，检测每个泵的流量只是为确定每个泵启动十秒后有没有水流过，所以流量和液位采用传感器加简单硬件电路就可以实现。温度和压力的检测需要用到a/d转换温度和压力检测的结构简图分别如图3-4和图3-5所示。图3-4 温度检测部分单片机系统结构简图采用单片机作为转换部分，分散整个控制系统的控制功能，可以减少整个系统中用到的plc的i/o点的个数，降

39、低整个系统的性价比，且采用单片机作为转换部分硬件本身就比采用fx2n-4ad高。pic18f2480是一个集成了很多模块的单片机，功能相当强大，且运行可靠。采用单片机作为转换部分的时不受距离的限制，可以在信号检测变送后直接转换。由于本系统是高路系统的泵站设计，检测量温度和压力只能在高炉的泸定检测，距离控制器比较远，所以本系统采用单片机a/d转换，即系统采用方案（2），这样既解决了距离问题又提高了系统的性价比。图3-5 压力检测部分单片机系统结构简图3.4.2 单片机pic18f2480简介pic18f2480单片机是微芯公司的16位risc指令集的高级产品，它内部含有a/d，内部eeprom存

40、储器、比较输入、捕捉输入、pwm输出、ic和spi接口、can接口、异步串行通信（usart）接口等强大的功能模块，共有28引脚。该单片机具有很好的应用前景。图3-6是pic18f2480的引脚图。下面对本系统中用到该单片机的功能模块进行介绍。图3-6 pic18f2480引脚图pic18f2480具有多个中断源及一个中断优先级功能，该功能可以给每个中断源分配高优先级或者低优先级。有13个寄存器用于控制中断操作。这些寄存器是：rcon、intcon、intcon2、intcon3、pir1、 pir2、pir3、pie1、pie2、pie3、ipr1、ipr2、ipr3。ide提供的micro

41、chip头文件命名，建议使用mplab通过将ipen位（rcon）置1，可使能中断优先级功能。当使能中断优先级时，有2个全局中断使能位。将gieh位（intcon）置1，可使能所有优先级位已置1（高优先级）的中断。将giel位（intcon）置1，可使能所有优先级位已清零（低优先级）的中断。当中断标志位、使能位及相应的全局中断使能位均被置1时，中断将根据设置的中断优先级立即跳转到地址0008h或0018h。也可以通过设置相应的使能位来禁止单个中断。一般来说，当相应的外设被使能时，其对应的引脚就不能被用作通用 i/o引脚。图3-7给出了通用 i/o端口的简化模型，它没有到其他外设的接口。图3-7

42、 通用i/o端口的工作原理timer0模块具有以下特征：可通过软件选择，作为8位或16位定时器/计数器、可读写寄存器、专用的8位软件可编程预分频器、可选的时钟源（内部或外部）、外部时钟的边沿选择、溢出时中断。t0con寄存器控制该模块的工作方式，包括预分频比值的选择。该寄存器是可读写的。timer0既可用作定时器亦可用作计数器。将t0cs位（t0con）清零即可选择定时器模式。在定时器模式下（t0cs=0），timer0模块在每个时钟周期计时都会递增（默认情况下），除非选择了其他预分频比值。如果写入tmr0寄存器，那么在随后的两个指令周期内，计时都不再递增。用户可通过将校正值写入tmr0寄存器

43、来解决上述问题。通过将t0cs位置1选择计数器模式。在计数器模式下，timer0可在ra4/t0cki引脚上电平的每个上升沿或下降沿递增。触发递增的边沿由timer0时钟源边沿选择位t0se（t0con）决定。清零此位即选择上升沿。下面讨论外部时钟输入的限制条件。可以使用外部时钟源来驱动timer0。但是，必须确保外部时钟和内部时钟相位（tosc）同步。在同步之后，定时器/计数器仍需要一定的延时才会引发递增操作。主控同步串口（master synchronous serial port，mssp）模块是用于同其他外设或单片机器件进行通信的串行接口。这些外设器件可以是串行eeprom、移位寄存器

44、、显示驱动器和a/d转换器等等。mssp模块有一种工作模式是串行外设接口（spi）。spi模式允许同时同步发送和接收8位数据。器件支持spi的所有四种模式。通常使用以下三个引脚来实现通信：串行数据输出（serial data out，sdo）rc5、串行数据输入（serial data in，sdi）rc4、串行时钟（serial clock，sck）rc3。pic18f2480器件有三个串i/o模块：mssp模块，另外还有两个通用同步/异步收发器（universal synchronous asynchronous receiver transmitter，usart）模块。通常，也将usa

45、rt称为串行通信接口或sci。usart可以被配置为能与crt终端和个人计算机等外设通信的全双工异步系统；也可以被配置成能够与a/d或d/a集成电路、串行eeprom等外设通信的半双工同步系统。usart模块在这些器件中有着两种完全不同的实现方式：增强型usart（eusart），可寻址usart。可将eusart配置为以下几种工作模式：带有以下功能的全双工异步模式、半双工同步主控模式（时钟极性可选）、半双工同步从动模式（时钟极性可选）。pic18f2480器件的模数（analog-to-digital，a/d）转换器模块有12路输入。此模块能将一个模拟输入信号转换成相应的10位数字信号。此模

46、块有五个寄存器：a/d转换结果高位寄存器（adresh）、a/d转换结果低位寄存器（adresl）、a/d转换控制寄存器0（adcon0）a/d转换控制寄存器1（adcon1）、a/d转换控制寄存器2（adcon2）。adcon0寄存器控制a/d模块的工作，adcon1寄存器配置端口引脚功能，adcon2寄存器配置a/d时钟源、可编程采样时间和输出结果的对齐方式。3.4.3 单片机pic18f2480电路设计系统采用的单片机为pic18f2480，结合系统的要求单片机配合温度和压力传感器设计两个检测报警部分。图3-8是pic18f2480的开发板，可以作为单片机系统开发调试用。图3-10给出了

47、单片机测量温度系统的原理图。压力的检测和温度类似，不做叙述。对于温度传感器，由于其输出为420ma的标准信号，所以必须对信号进行放大后才能为05v的信号，作为单片机a/d转换的输入。采用op-07构成运放形式的差动放大器，如图3-9所示。由于放大器的输入端in（+）和in（-）分别是2个运算放大器a1，a2的同相输入端，因此输入阻抗很高。由于电路采用对称结构，而且压力传感器信号直接加到测量放大器的输入端，因而保证了较强的抑制共模信号能力。为保证电路具有较强的共模抑制能力，一般选择r1，r2=r2及r3=r3，通过调节rg调整电路的放大倍数。图3-8 pic18f2480开发板原理图图3-9 o

48、p-07构成运放形式的差动放大器由于该单片机的发出的信号是给plc的输入，所以plc与单片机之间必须有信号隔离。隔离是指使用变压器，光或电容耦合等方法在被测系统与系统之间传递信号，避免直接的电流或电压的物理连接的一种手段。因为数据采集系统所监测的设备可能会有高压瞬变现象，足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号与计算机隔离开，使系统安全得到了保证。隔离的另一个理由是，保证时间采集各个环节间不受低电位或共态电压的影响，从而影响测试精度。这是因为采集信号时，都需要以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路（ground loop）的产生，从而造成所采集的信号再现不准确；如果这一

49、电位差太大，则可能危机到测量系统的安全。利用隔离的信号调理模块可以消除地环路，并保证准确的采集信号。模拟信号隔离比数字信号隔离难度要大的多，而且成本也比较高。目前比较常用的是，采用线性光藕或2个特性几乎完全接近的普通光藕用特殊的电路实现；另外，直接采用具有隔离作用的仪表放大器也是方法之一。单片机与plc之间的隔离采用光耦隔离。图3-10 温度检测控制单片机系统原理图3.5 检测部分设计3.5.1 铂热敏电阻pt-1000sty系列一体化温度变送器由测温探头、温度转换模块、保护外壳三部分组成。测温探头采用高阻型pt1000铂电阻，通过内部转换模块的稳压滤波、运算放大、非线性校正、v/i转换、恒流

50、及电源反接保护等电路处理。拟采用styb系列l型热敏电阻作为温度传感器，其外形和实物如图3-11所示。主要特性：测温探头采用高阻型pt1000铂电阻，精度高，稳定性好；温度转换模块采用环氧树脂浇注工艺，防震、防潮；集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便，功耗低；电流输出型适合长距离传送，抗电磁干扰能力强能保证在高炉强电磁干扰下稳定工作，适于现代电磁污染严重的环境使用；整体密封性能良好，外壳防护等级ip65；温度量程和外形尺寸可以按户要求订货；产品结构设计合理，过程连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意；壳体保护材料多样化，适应多种介质测量。技术指标：温度测量范围-200600摄氏度；输出

51、信号420毫安；负载电阻500欧；供电电源直流24伏；功耗1瓦；误差为0.1%；长期稳定性优于0.2%/年；温度系数0.05%/摄氏度；供电电压变化附加误差0.005%/伏。图3-11-a styb系列l型外形图 图3-11-b styb系列l型实物图3.5.2 jls40压力传感器jls40系列通用型工业压力传感器，是采用硅应变及微融技术再加上精密的数字放大电路制作而成。压力接口和外壳均为不锈钢，具有很好的抗腐蚀性和长期稳定性。传感器在070温度范围内进行了精密补偿，保证了传感器的技术指标。传感器的压力接口除通用的1/4npt, g1/4, m201.5螺纹外，还可按用户要求进行生产。可选择

52、各类放大输出，广泛应用于工业过程控制系统、航空、航天、液压系统、汽车、制冷、医疗设备等领域。产品特点：测量范围：0350kpa70mpa；17-4或316l不锈钢隔离膜片，全不锈钢结构；压力接口内无o型圈,无焊缝,无硅油,无泄漏隐患；高可靠性；外形结构多样化。jls40实物图如图3-10所示。3.5.3 ad靶式流量开关根据系统要求，要对四个泵启动后10s后有无流量进行回馈，要实现对流量的这种回馈检测可采用流量开关进行检测控制。当有被测流体流过，推动可动磁性圆盘，圆盘位移，提供信号，完成报警、显示或输出功能。可调弹簧装置可按照需要设定开关点。由于系统中液体是从下向上流的所以可采用西班牙泰福公司

53、的ad靶式流量开关ad-15/bd。该传感器的主要技术参数和要注意的事项如下。注意事项：按照箭头指示方向正确安装；请注意开关负载，负载大时请使用继电器，建议安装保险丝以保护开关，直流电源供电建议使用二极管，交流电源供电建议使用rc元件，电气连接时请勿忘记安装橡胶密封圈。性能：精度：5%；测量范围：10：1.6；工作温度：连续工作100最高：120；环境温度：-5+70；聚酰胺外壳，ip65；显示单元：指针刻度显示，铝外壳塑料显示窗；输出单元：霍尔传感器4-20ma两线制，该流量开关的实物图如图3-11所示。当流量达到设定值的时候，流量开关输出一个稳定的电流值，系统采用流量开关来检测泵中有没有水

54、流过。该电流放大后经光耦可作为plc的输入。其电路设计同i中的设计。 图3-12 jls40实物图 图3-13 ad-15/bd实物图3.5.3 三达德kh32型电流互感器系统共带泵四个，任何时刻工作的的泵不超过三个，每个泵定额15kw，采用交流380v供电，则流过每个泵的电流大约为40a，三个泵共流过120a，留有1.6倍的冗余，则流过系统的电流不会超过200a。电流检测的任务就是当流过空开的电流超过200a时，系统报警。为了增强系统的保护性能，要对系统的电流进行检测，电力检测采用哈尔滨三达德公司生产的kh32型电流互感器。kh32的外观如图3-12所示。图3-12-a kh32实物图 图3

55、-12-b kh32尺寸图电流检测部分的作用为电流过大的时报警，流过互感器的电流可能出现大电流，以电流互感器的输出，作为plc的输入可能会损坏plc，中间必须加光耦和变送环节。利用放大电路将0200na的电流放大，电流放大后接光耦，光耦的输出可作为plc的输入。放大电路可采用图3-9所示的放大电路。电力互感器与市电380v的安装示意图如图3-13。图3-13 电流互感器安装位置3.6 抗干扰处理、保护设计3.6.1系统避雷措施冶金高炉建在城市郊外，厂区内存在大量的高大建筑，如沧州1#高炉高达20米，炼钢和也刚等钢结构的厂房和大量的烟囱等，这些“突出”的条件是雷电经常光顾的地方，近年来钢铁企业因过压造成的停产事故时有发生，给企业带来了极大的损失。雷电的主要特点是冲击电流大，持续时间短，雷电电流变化梯度大，冲击电压高。雷电的危害途径主要通过直击、感应