用PLC设计一个加热器系统

加热器是一种常见热交换装置，一般用于对介质加热升温，并使介质文件稳定在一个合适的范围。

这里假定一些设计输入条件，然后以这些技术要求进行电气控制系统的设计。

设计要求

设计一个密封的热交换装置，用于管道中水的即热加热。热交换装置为一个独立的控制系统单元，加热控制系统应具备加热器防干烧、防爆、加热器异常检测功能。系统能够适应管路系统流量变化时，经过热交换装置后，输出的温度精准稳定（假定设计输出温度为70℃）。

加热系统构建

STEP1梳理控制要求

在进行方案设计前，我们先对以上的设计要求进行一个简单的梳理。

1、“设计一个密封的热交换装置，用于管道中水的即热加热”，这一条说明加热系统的工况 ；

2、“加热控制系统应具备加热器防干烧、防爆、加热器异常检测功能”，这一条主要是要求控制系统应具备完善的安全保护措施 ；

3、“系统能够适应管路系统流量变化时，经过热交换装置后，输出的温度稳定”，由这一点要求可以初步判断，此加热系统应具备自动温度调节功能 。

STEP2加热控制系统框架设计

从上一步的梳理知道，此加热系统的控制核心为第三点“加热系统应具备自动温度调节功能 ”，故这里以这一条技术要求入手。

很容易知道要实现一个连续运行的过程系统稳定，最行之有效的方式就是将其构建为一个闭环的控制系统，并运用PID控制方法。这可以快速、高效的构建一个稳定的控制系统。此加热系统既可以使用PLC构建一个PID控制闭环。另外，因PID算法为一个单输入单输出控制系统算法，故应该就选择那些参数作为输入输出进行选择。

PID控制输入

因系统的控制目标为对管路中的温度进行控制，故选择加热器的管路输出口温度作为PID的控制输入；

PID控制输出

从以上的分析已经知道，管路中的水流量是一个随时变化的量（即可能会一会快，一会慢），且水流量是被管路其他系统控制。故无法选择对水的流量控制作为PID控制输出；加热器的加热单元是一个独立的器件，所以选择加热单元作为PID控制输出是一个合理的方式。

由此，可以构建出如下所示的闭环控制模型。

STEP3安全保护功能设计

1、防干烧

此功能是为防止热交互装置在管路中无水时，对加热单元启动。要实现此功能，应该对管路中的水的有无进行检测。在实际的工业现场，一般常见有以下几种方式实现：

检测管路中的水的流量，有流量值，则说明管路中有水流动，那么也就说明热交互装置非空；检测管路中水的压力，当水流过管道时，会在管道中形成一定的压力，通过检测管道水压力，从而判断水的有无；

2、防爆

此功能是为了防止出现管管路中的水温被异常加高，使加热装置变成有一个类似于一个锅炉的装置。检测方法通上，检测管路中的流量和压力均可实现。但在进行加热装置硬件设计的过程中，应该要考虑安全解压阀，在控制系统出现异常时，也能保证加热装置的安全。

3、加热器异常检测功能

这个一般需要依照加热装置加热器选择来考虑。如果加热器为加热棒，那么可以对加热棒电源线路中的电流进行检测，通过电流判断加热器是否出现异常（断线、短路、部分加热组件损坏等）。

加热装置各单元设置

加热装置各单元设置如下图所示：

流量监测放置于加热装置输出侧，可以确保有水流过加热器后，再开启加热控制，防止“干烧”；

温度检测放置于加热装置输出侧，可以确保输出水温被精准的控制在要求的温度范围。

（转载请注明来源函控自动化工程师头条号）

加热炉的PLC控制(零基础适合初学者）

加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，加热反应炉整体由四个阀：排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀，四个传感器：压力传感器、温度传感器、上液面传感器、下液面传感器，锅炉，加热器及加热接触器等组成。加热反应炉是工业生产中常用的重要设备，过去仅依靠人工进行操作，往往存在送料、温度、压力等条件变化不能有效控制的问题，产品质量不稳定，造成原料浪费，给企业带来经济损失。因此可编程序控制器PLC以其可靠性高、功能强、控制灵活等特点，且编程简单，使用方便已成为目前工业现场的首选控制装置。使用自动控制系统能有效的提高生产的安全性，大大降低了事故的发生率，并能提高生产效率，使原材料的使用率达到最大。在系统中，硬件上采用技术比较的成熟的可编程逻辑控制器，开发上采用了PLC的开关量和模拟量输入模块，实现对模拟量的采集；方法上运用的是过程控制中常用的反馈与串级控制方法，保证了系统的稳定性和安全性。

设计任务和要求

1．根据上述加热反应炉加热工艺过程，编制PLC控制程序，并画出I／0电气接口图。

2．调试程序，模拟运行。

设计方案

１.工艺过程和控制要求

1．送料控制

①检测下液面SQ2、炉内温度ST、炉内压力SP是否都小于给定值(整定值均为逻辑量)。

②若是小于给定值，则开启排气阀YVl和进料阀YV2。

③当液位上升到上液面SQl时，应关闭排气阀YVl和进料阀YV2。

④延时20s，开启氮气阀YV3，氮气进人反应炉，炉内压力上升。

⑤当压力上升到给定值时，即SP=“1”时，关闭氮气阀。

2．加热反应控制

①交流接触器KM带电，接通加热炉发热器EH的电源。

②当温度升高到给定值时(ST：“1”)，切断加热器电源，交流接触器KM失电o

③延时10min加热过程结束。

3．泄放控制

①打开排气阀，使炉内压力降到预定的最低值(SP：“0”)。

②打开泄气阀，当炉内溶液降到下液面(SQ2=“0”)时，关闭泄放阀和排气阀。系统恢复到原始状态，准备进入下一循环。

2 .加热反应炉工作原理

加热反应炉温度控制系统基本构成如下图所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。

加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。

3 .加热反应炉的输入输出设备表：

根据加热反应炉自动控制系统的要求，需要 6 个输入点，5 个输出点，共 11 个I/O 点。

输入设备输出设备启动按钮加热接触器停止按钮排气阀上液面感应器进料阀下液面感应器氮气阀压力感应器泄放阀温度感应器

表1

4 . I、O地址表：

加热反应炉的输入信号共有6个，输出信号共有5个，均为开关量，其输入输出地址编排表如下图所示。

变量：X1X2X3X4Y1Y2Y3Y4Y5T0T1SB1SB2K初值：00001111100000类型：开关量输入开关量输入开关量输入开关量输入开关量输出开关量输出开关量输出开关量输出开关量输出开关量输入开关量输入开关量输入开光量输入数值功能：下液面检测炉内温度上液面检测炉内压力排气阀进料阀氮气阀泄放阀加热炉电源定时器时间到定时器启动启动按钮启动按钮定时器时间

表2

5 .I、O电器接口图：

根据I、O地址编排表，其I、O电器接口图如下图所示。

6 .控制流程图：

由加热反应炉控制系统实现的功能，结合 PLC 可以设计如图所示的系统控制流程。按下启动按钮SB1后，系统运行；按下停止按钮 SB2 后，系统停止。

第一阶段：送料控制，检测下液面 SL1, 炉内温度ST, 炉内压力SP是否小于给定值（都为“0”）若 YV1 和进料阀 YV2 。当液位上升到上液位设定值时，SL2=1, 应关闭排气阀YV1 和进料阀 YV2 。延时 10S, 开启氮气阀 YV3,氮气进入反应炉，炉内压力上升。当压力上升到给定值时，即SP=1,关闭氮气阀。送料过程结束。

第二阶段：加热反应控制，接通反应炉电源KM, 开始对反应炉加温。当温度上升到给定值时（此时信号 ST=1），切断加热电源。延时 10S ，加热过程结束。

第三阶段：泄放控制，打开排气阀 YV1,使炉内压力降到给定值以下（此时 SP=0）。打开泄放阀YV4 ，当炉内溶液下降到下液面以下（此时 SL1=0 ）,关闭泄放阀 YV4 和排气阀YV1 。系统恢复到原始状态准备进入下一循环。

根据加热反应炉对电气控制系统的要求，本设计控制系统包括手动在内的共6个输入信号：下液面检测信号X1，炉内温度X2上液面检测信号X3，炉内压力X4；X5,X6分别为手动自动切换按钮。PLC的5个输出信号Y1—Y5分别代表排气阀，进料阀，氮气阀，泄放阀，反应炉加热，定时器T1,T2为0.1S定时器。

加热反应炉控制系统主要由上位机的监控部分、PLC 系统，信号检测部分及执行机构几部份组成通过在线实时记录、监控和显示数据，传递设备的实时状态，接受并执行系统实时控制命令，通过控制电磁阀开闭，满足系统控制的要求。

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