[信息與通信]爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC課程設(shè)計(jì) 21

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1、 貴州大學(xué)PLC課程設(shè)計(jì) PLC課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 081班 學(xué) 號(hào)： 082002110467 學(xué)生姓名： 陳井朋 指導(dǎo)教師： 王世蓉 2011年6月 15日

2、 前言 可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用來取代繼電器。以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。提出PLC概念的是美國通用汽車公司。PLC的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲(chǔ)器內(nèi),使控制器和被控對(duì)象連接方便。 　　 70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作

3、為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時(shí)的PLC已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。國際電工委員會(huì)(IEC)頒布的可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)可編程控制器作了如下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的設(shè)計(jì)。 　　 可編程控制器

4、對(duì)用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。 　　可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。 　　 ①可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； 　　 ②編程直觀、簡單； 　　 ③適應(yīng)性好； 　　 ④功能完善，接口功能強(qiáng)。 從20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家熟悉的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。到20世紀(jì)60年代，小型計(jì)算機(jī)的發(fā)展仍未能滿足人們所需要的要求。1968年美國通用汽車公司招標(biāo)，對(duì)新的汽車流水線控制系

5、統(tǒng)提出具體要求。隨著PLC功能的不斷完善，性價(jià)比的不斷提高，PLC的應(yīng)用面也越來越廣。目前，PLC在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通?？煞譃殚_關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、機(jī)械加工中的數(shù)字控制、機(jī)器人控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結(jié)構(gòu)上基本相同。無論是整體式還是模塊式，從硬件結(jié)構(gòu)看，PLC都是由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口單元及擴(kuò)展接口和擴(kuò)展部件、外設(shè)接口及外設(shè)和電源等部分組成，各部分之間通過系統(tǒng)總線連接。 關(guān)鍵詞：恒溫養(yǎng)護(hù)爐溫度控制；PID算法；PLC編

6、程； 目錄 緒論 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求················· 第一章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………………………………………… 2.1 選取PLC的類型及容量……………………………………. 2.2 溫度傳感器的選擇…………………………………………. 2.3 控制開關(guān)及電動(dòng)機(jī)的選擇……………………………….. 第二章 I/O地址的分配…………………………………………… 3.1 I/O地址的簡介…………………………………………… 3.2 系統(tǒng)各元件對(duì)應(yīng)的I/O地址……………………………..

7、 第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………. 4.1 S7—200軟件的介紹............................. 4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖......................... 4.2.1 PID算法的簡介………………………………………. 4.2.2 PID算法的數(shù)字化處理………………………………. 4.2.3 程序流程圖……………………………………………. 4.3 主程序清單…………………………………………………. 4.4 程序編輯和調(diào)試……………………………………………. 第四章 總結(jié)……………………………………………

8、…………….. 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………. 緒論 人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，現(xiàn)在我們對(duì)各種工業(yè)產(chǎn)品的要求已經(jīng)從原來的量向質(zhì)轉(zhuǎn)變，對(duì)各種工業(yè)產(chǎn)品的要求越來越高，因此，對(duì)各種生產(chǎn)設(shè)備及過程控制的要求也越來越嚴(yán)格，對(duì)各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的要求也越來越高。 在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種常見的過程變化量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過程變量。溫度控制系統(tǒng)是比較常見的，是典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控制參數(shù)之一，冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐，對(duì)工業(yè)的處理溫度等均需

9、要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。這方面的應(yīng)用大多基于單片機(jī)進(jìn)行PID控制，然而單片機(jī)的DDC系統(tǒng)軟件硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處，但PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。 在恒溫養(yǎng)護(hù)爐的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，爐窖內(nèi)的溫度控制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因此對(duì)溫度的控制要求也很嚴(yán)格，它不能低于或高于生產(chǎn)設(shè)備正常工作的溫度值太多。養(yǎng)護(hù)爐內(nèi)溫度控制需要通過對(duì)氣流量的控制來實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)爐內(nèi)溫度的升溫、恒溫和降溫進(jìn)行精確的控制，對(duì)爐內(nèi)溫度的控制的好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和廠家的生產(chǎn)成本以及安全。 本文針對(duì)養(yǎng)護(hù)爐內(nèi)恒溫過程，在PID調(diào)節(jié)方法中，采用西門子S7-200 PLC，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)護(hù)爐

10、溫度精確控制的效果。 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，常常需要用閉環(huán)控制方法來控制溫度、壓力、流量和液位連續(xù)變化的量。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。 本設(shè)計(jì)通過結(jié)合PID算法，運(yùn)用S7—200軟件以及以前所學(xué)的知識(shí)，經(jīng)過對(duì)任務(wù)的分析，設(shè)計(jì)，編程，調(diào)試來完成。 第一章 爐窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 1.1 任務(wù)描述 某恒溫養(yǎng)護(hù)爐根據(jù)工藝控制要求，需要對(duì)養(yǎng)護(hù)爐窯內(nèi)的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，爐窯溫度控制系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示，圖中有兩個(gè)爐窯，分別設(shè)置有啟動(dòng)、停止和急停的按鈕開關(guān)，同時(shí)還設(shè)有總啟動(dòng)和總停止按鈕。要

11、求設(shè)計(jì)滿足下述控制要求的程序。 1.2 控制要求 （1）系統(tǒng)總的控制過程 按下總啟動(dòng)按鈕后，允許兩個(gè)爐窯按照各自的控制要求運(yùn)行，如果按下總停止按鈕，則禁止系統(tǒng)運(yùn)行。 （2）每個(gè)爐窯具體的控制要求如下： ①按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)，使?fàn)t窯內(nèi)的熱氣流循環(huán)； ②打開進(jìn)氣閥，使熱氣流（蒸汽）進(jìn)入爐窯； ③經(jīng)過一定時(shí)間的恒溫控制（如10h），關(guān)閉進(jìn)氣閥。 ④打開排氣閥，排出熱氣流； ⑤按下停止按鈕，則關(guān)閉風(fēng)機(jī)，延時(shí)10s后關(guān)閉排氣閥； ⑥按下急停按鈕，禁止各窯輸出控制（即關(guān)閉風(fēng)機(jī)電機(jī)、排氣閥、進(jìn)氣閥）； ⑦每個(gè)

12、爐窯的進(jìn)氣閥只有在總進(jìn)氣閥打開5s后才能打開； ⑧只要一個(gè)爐窯的進(jìn)氣閥需要排氣，就要打開總排氣閥； ⑨每個(gè)爐窯通過一只熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測。 （3） 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。 系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示： 整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)聯(lián)系的結(jié)合體，但是又可以分開討論。 當(dāng)被控對(duì)象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號(hào)，經(jīng)變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入PLC模塊。PLC將這個(gè)測量信號(hào)與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后，發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制，達(dá)到溫度的恒溫控制,

13、下面為溫度控制流程圖： 爐窯溫度采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.1爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖 高爐煤氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.2高爐煤氣流量控制系統(tǒng)流程圖 燃燒空氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.3燃燒空氣流量控制系統(tǒng)流程圖 冷卻空氣流量采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.4冷卻空氣控制系統(tǒng)流程圖 皮帶秤石料采集 比較 判斷 PID算法 輸出控制 N Y 圖3.5皮帶秤控制系

14、統(tǒng)流程圖 流程圖是流經(jīng)一個(gè)系統(tǒng)的信息流、觀點(diǎn)流或部件流的圖形代表。在企業(yè)中，流程圖主要用來說明某一過程。這種過程既可以是生產(chǎn)線上的工藝流程，也可以是完成一項(xiàng)任務(wù)必需的管理過程。 流程圖作為一種直觀的圖形，對(duì)準(zhǔn)確了解事情是如何進(jìn)行的，以及決定應(yīng)如何改進(jìn)過程極有幫助。畫出正確的流程圖不僅可以幫我們直觀的分析設(shè)計(jì)的過程，也能讓我們更清楚明了的看見控制系統(tǒng)運(yùn)作方向。 爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖如下所示： 可控閥門 石灰窯爐 溫度傳感 器 給定溫度 S7-200PLC CPU運(yùn)算處理 變送器 圖3.6 溫度系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 煤氣輸送管道 煤氣流量傳感器 給

15、定流量 S7-200PLC CPU運(yùn)算處理 變送器 圖3.7 高爐煤氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 燃燒空氣輸送管道 燃燒空氣流量傳感器 給定流量 S7-200PLC CPU運(yùn)算處理 變送器 圖3.8燃燒空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 冷卻空氣輸送管道 冷卻空氣傳感器 給定流量 S7-200PLC CPU運(yùn)算處理 變送器 圖3.9 冷卻空氣系統(tǒng)硬件框圖 可控閥門 上料皮帶 皮帶秤傳感器 給定值 S7-200PLC CPU運(yùn)算處理 變送器 圖3.10 皮帶秤系統(tǒng)硬件框圖 1.3 爐窯內(nèi)的溫度控制 爐窯內(nèi)的溫度

16、控制通常采用模糊控制算法或PID算法。本設(shè)計(jì)要求采用PID 算法，每個(gè)爐窯的進(jìn)氣閥采用電動(dòng)閥（模擬量輸出），通過調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度來調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)氣量，完成恒溫控制。 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 選取PLC的類型及容量 S7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動(dòng)化控制的需求，其設(shè)計(jì)緊湊，價(jià)格低廉，并且具有良好的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。 S7-200系列可以根據(jù)對(duì)象的不同, 可以選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量

17、的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。 控制核心采用西門子PLC的CPU224，提供數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)10點(diǎn)(提供給擴(kuò)展單元DC5V電流能力為660mA)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)的要求。CPU224本身不具備模擬量輸入和輸出單元， SiemensS7-200 主要功能模塊介紹： (1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個(gè)中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點(diǎn),這些都被集成在一個(gè)緊湊,獨(dú)立的設(shè)備中。CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號(hào),輸出部分則輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22

18、*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：①CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計(jì) 10 點(diǎn).無擴(kuò)展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)容量較小,有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力,非常適合于少點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。②CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計(jì) 14 點(diǎn)，和 CPU 221 相比,它可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。③CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計(jì) 24 點(diǎn)，和前兩者相比,存儲(chǔ)容量 擴(kuò)大了一倍,它可以有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊,有內(nèi)置時(shí)鐘,它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。④CPU226

19、 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計(jì) 40 點(diǎn),和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強(qiáng)。它可用于點(diǎn)數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。⑤CPU226XM 它在用戶程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,其他指標(biāo)和 CPU226相同。 (2)開關(guān)量 I/O 擴(kuò)展模塊 當(dāng) CPU 的 I/0 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí),就要進(jìn)行 I/O 擴(kuò) 展,I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分 3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措

20、施。如光電隔離,輸入保護(hù)(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對(duì)象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負(fù)載進(jìn)行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實(shí)際使用時(shí)，亦應(yīng)仔細(xì)查看開關(guān)量 I/O 模塊的技術(shù)特性，按照實(shí)際情況進(jìn)行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號(hào)具有更好的硬件指

21、標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表： 表2.1模擬量I/O配置表 I/O信號(hào) 信號(hào)類型 電壓信號(hào) 電流信號(hào) 模擬量輸入*2 ±10V / 模擬量輸出 0~10V 0~20mA CPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個(gè)，模擬量輸出通道1個(gè)。 在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)值范圍是0~32000，雙極性模擬信號(hào)的數(shù)值范圍是-32000~+32000 2.2 溫度傳感器的選擇 在此設(shè)計(jì)中, 爐窯窯頂安裝兩個(gè)熱電偶傳感器進(jìn)行爐內(nèi)溫度采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳

22、感器的測量范圍為-50℃~1600℃，精度為±（1%~5%）。1號(hào)爐和2號(hào)爐的溫度分別由兩個(gè)熱敏電阻傳感器進(jìn)行采集。按照測溫的范圍，選擇熱敏電阻傳感器。 熱敏電阻：由具有很高電阻溫度系數(shù)的固體半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熱敏類型的溫度檢測元件。熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。熱電偶溫度傳感器的工作原理：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路

23、,當(dāng)兩個(gè)接觸端T﹥ T0時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該電動(dòng)勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。 兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時(shí)將它置于被測介質(zhì)中;另一個(gè)稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導(dǎo)線與顯示儀表相連。 圖 2.2 熱電偶 流量傳感器是對(duì)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)爐空氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式V錐流量傳感器FFM61S。 工作原理：V錐流量計(jì)是由V錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計(jì)，可精確測量寬雷諾數(shù)（8×103≤Re≤5×10

24、7）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。 其測量理論是：由于實(shí)際流體都具有粘性，不是理想流體，當(dāng)其在管道中流動(dòng)時(shí)，在充分發(fā)展管內(nèi)流動(dòng)的前提下，具有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動(dòng)的流體能量守恒原理和伯努力方程：對(duì)于以層流狀態(tài)流動(dòng)的流體，其流速分布是以管道中心線為對(duì)稱的一個(gè)拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對(duì)于紊流狀態(tài)流動(dòng)的流體，其流速分布是以管道中心線為對(duì)稱的一個(gè)指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。 2.3 控制開關(guān)及電動(dòng)機(jī)的選擇 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。

25、與傳統(tǒng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。 可控閥門是對(duì)進(jìn)出爐窯內(nèi)空氣流量的控制部件，在此論文中選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。電機(jī)使氣流在爐窯內(nèi)循環(huán)，因此應(yīng)該考慮其功率和電流的大小，所以選擇YC YCL系列的電動(dòng)機(jī)。 第三章 I/O地址的分配 3.1 I/O地址的簡介 輸入/輸出信號(hào)在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)軟件來說，I/O地址分配以后才可進(jìn)行編程；對(duì)控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可

26、以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 3.2 系統(tǒng)各元件對(duì)應(yīng)的I/O地址 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書所給資料和設(shè)計(jì)任務(wù)要求，現(xiàn)把各元器件對(duì)應(yīng)的I/O地址列在下表： I/O地址分配表 名稱 代碼 地址編號(hào) 名稱 代碼 地址編號(hào) 總啟動(dòng)按鈕 SF1 I0.0 二號(hào)進(jìn)氣閥 - AIW1 總停止按鈕 SF2 I0.1 一號(hào)排氣閥 - AQW0 一號(hào)爐急停 SF3 I0.2 二號(hào)排氣閥 - AQW1

27、 二號(hào)爐急停 SF4 I0.3 總進(jìn)氣閥 - AIW2 風(fēng)機(jī)一啟動(dòng) SF5 I0.4 總排氣閥 - AQW2 風(fēng)機(jī)二啟動(dòng) SF6 I0.5 風(fēng)機(jī)一 MB1 Q0.0 風(fēng)機(jī)一停止 SF7 I0.6 風(fēng)機(jī)二 MB2 Q0.1 風(fēng)機(jī)二停止 SF8 I0.7 一號(hào)爐 MB3 Q0.2 一號(hào)進(jìn)氣閥 - AIW0 二號(hào)爐 MB4 Q0.3 第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 S7—200軟件的介紹 S7—200 PLC編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例

28、如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。梯形圖中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語句表中錯(cuò)誤行前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。 軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。 聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。 離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與PLC 斷開連接，此時(shí)能完成

29、大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)上。 兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接針對(duì)相連的PLC進(jìn)行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時(shí)存放在磁盤上，等聯(lián)機(jī)后在下載到PLC 中。 4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖 4.2.1 PID算法的簡介 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

30、不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出

31、與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的

32、調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 4.2.2 PID算

33、法的數(shù)字化處理 為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下： Mn =Kc*en +Ki*∑ex+Mintial+Kd*(en-en-1) 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng) 其中：Mn 在采樣時(shí)刻n，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個(gè)值 ex 采樣時(shí)刻x的回路偏差值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) Mintial 回路輸出

34、的初始值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù) 從這個(gè)公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項(xiàng)的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，實(shí)際上也不必要。 其中：MIn 第n采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。作為數(shù)字計(jì)算機(jī)解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時(shí)刻必須計(jì)算的方程的一個(gè)簡化算式。簡化算式是： Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(en-en-1) 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng) 其中：Mn

35、 在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值 Kc PID回路增益 en 采樣時(shí)刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個(gè)值 Ki 積分項(xiàng)的比例常數(shù) MX 積分項(xiàng)前值 Kd 微分項(xiàng)的比例常數(shù) CPU實(shí)際上使用以上簡化算式的改進(jìn)形式計(jì)算PID輸出，這個(gè)改進(jìn)型算式是： Mn =MPn +MIn +MDn 輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng) 其中：Mn 第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值 MPn 第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值 Min 第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值 MDn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 比例項(xiàng)MP是增益（

36、Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對(duì)偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項(xiàng)的算式是： MPn=Kc*（SPn-PVn） 其中：MPn 第n采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過程變量的值 積分項(xiàng)值MI與偏差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是： MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX Kc 增益 Ts 采樣時(shí)間間隔 Ti 積分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)

37、刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時(shí)刻積分項(xiàng)（積分項(xiàng)前值） 積分和（MX）是所有積分項(xiàng)前值之和，在每次計(jì)算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計(jì)算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。積分項(xiàng)還包括其他幾個(gè)常數(shù)：增益（Kc），采樣時(shí)間（Ts）和積分時(shí)間（Ti）。其中采樣時(shí)間是重新計(jì)算輸出的時(shí)間間隔，而積分時(shí)間控制積分項(xiàng)在整個(gè)輸出結(jié)果中影響的大小。 微分項(xiàng)值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項(xiàng)： Mdn=Kc*Td/Ts*((SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)) 為了避免給定值變化的微分作用

38、而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計(jì)算算式可改進(jìn)為： Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1) 或 Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn) 其中：Mdn 第n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時(shí)間 Td 微分時(shí)間 SPn 第n采樣時(shí)刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時(shí)刻的給定值 PVn 第n采樣時(shí)刻的過程變量的值 PVn-1 第n-1采樣時(shí)刻的過程變量的值 為了下一次計(jì)算微分項(xiàng)值，必須保存過程

39、變量，而不是偏差，在第一采樣時(shí)刻，初始化為PVn-1=PVn。 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。 如果不想要積分動(dòng)作（PID計(jì)算中沒有“I”），可以吧積分時(shí)間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項(xiàng)還是不為零，因?yàn)橛谐踔礛X。 如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間置為零。 如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0，系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)做1.0看待。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點(diǎn)是: PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、

40、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。PID算法簡單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。 4.4 程序編輯和調(diào)試 子程序注釋

41、 第五章 總結(jié) 通過本學(xué)期我的課程設(shè)計(jì)，是我們對(duì)大大三學(xué)習(xí)的一次總結(jié)，它是教學(xué)計(jì)劃中學(xué)生必修的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是教學(xué)、科研、工程實(shí)踐結(jié)合的重要結(jié)合點(diǎn)。它的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序和方法。通過課程設(shè)計(jì)，進(jìn)行工程知識(shí)和工程技能的綜合訓(xùn)練，使我們一走上工作崗位，就具有較強(qiáng)的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使用的技術(shù)去解決工程實(shí)際問題的能力。 在課程設(shè)計(jì)中，我是采用PLC來實(shí)現(xiàn)爐窖溫度控制系統(tǒng)控制，這次課程設(shè)計(jì)我根據(jù)設(shè)計(jì)要求考慮許

42、多工程實(shí)際問題，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇PLC型號(hào)、以及其它元件、設(shè)計(jì)程序等讓我把以前學(xué)過的知識(shí)真正的應(yīng)用了溫度控制系統(tǒng)西門子PLC S7-200為核心控制爐窖。 本次設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,利用PLC實(shí)現(xiàn)了對(duì)的各種控制，通過合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計(jì)，提高了爐窖運(yùn)行的可靠性，改善了爐窖運(yùn)行的舒適感。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)得到了如下幾點(diǎn)感想： 1）由于本次設(shè)計(jì)采用的是西門子PLC，對(duì)其有了一定的了解后才明白為何國內(nèi)這么多企業(yè)為何要不約而同的選擇西門子PLC。采用功能強(qiáng)、安全系數(shù)高的德國SIEMENS SIMATIC S7-200可編程控制器完全企業(yè)的設(shè)備所需的控制要求。還有西門子最大的優(yōu)點(diǎn)就

43、是穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高，常?？梢詿o故障工作好幾年，而且就算是哪里壞了也只要換其中的一個(gè)模塊，既方便又經(jīng)濟(jì)。 2）實(shí)踐結(jié)果證明, PLC 爐窖溫溫度控制系統(tǒng)是一種切實(shí)可行、運(yùn)行可靠的控制系統(tǒng)。利用現(xiàn)場總線方式進(jìn)行微機(jī)監(jiān)控是一種比較先進(jìn)的方式，也是今后發(fā)展的趨勢之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。 通過設(shè)計(jì)，我學(xué)到不少東西，基本上使我以前所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來，讓我對(duì)大學(xué)三年以來的學(xué)業(yè)有了一個(gè)完整的綜合，但還需做進(jìn)一步的研究。另外，我的知識(shí)領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)展，專業(yè)技能得到進(jìn)一步提高，同時(shí)增強(qiáng)了分析和解決工程實(shí)際的綜合能力，以其控制的先進(jìn)性、快速性、準(zhǔn)確性和可靠性亦是溫度控制的發(fā)展潮流。 本文介

44、紹了一種利用S7-200型PLC的PID控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)砌塊養(yǎng)護(hù)窯的自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件配置以及軟件設(shè)計(jì)流程圖，并介紹了編程中的關(guān)鍵問題。該控制系統(tǒng)提高了砌塊的生產(chǎn)周期和質(zhì)量，創(chuàng)新了"強(qiáng)制式熱交換、使窯內(nèi)溫度場、濕度場、壓力場、速度場、聲能場分布均勻，使水泥制品水化反應(yīng)具備良好條件，提高水泥砌塊等制品密實(shí)度和彈性模量，相應(yīng)地提高了砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能、抗?jié)B透性能，減少相對(duì)含水率，有效地解決了砌塊建筑存在的熱、裂、滲等難題。 該控制系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，以一臺(tái)PLC控制2個(gè)養(yǎng)護(hù)窯為例，用戶也可根據(jù)控制需要，對(duì)系統(tǒng)的I/O模塊進(jìn)行擴(kuò)展，控制多個(gè)養(yǎng)護(hù)窯。所以，系統(tǒng)的可擴(kuò)展

45、性強(qiáng),但有很多還比較模糊，以后還要多加努力學(xué)習(xí)，在此多謝老師 參考文獻(xiàn) 范永勝 王岷 主編 電氣控制PLC應(yīng)用 中國電力出版社 張鳳珊．電氣控制及可編程序控制器（第二版）．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.4． 袁任光．可編程序控制器選用手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.7． 何友華．可編程序控制器及常用控制電器[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1999.9． 吳麗 主編 電氣控制與PLC實(shí)用教程 黃河水利出版社 廖常初 主編 FX系列PLC編程及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 盧金鼎等．機(jī)電一體化技術(shù)[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，1996.5． 宮淑貞，王冬青，徐世許．可編程序控制器原理及應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社．2002.7． 謝克明，夏路易．可編程序控制器原理與程序設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002.8． 何衍慶，戴自祥，俞金壽．可編程序控制器原理及應(yīng)用技巧（第二版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.4． 齊占慶．機(jī)床電氣控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.5