退火炉温度控制系统课程设计Word文档下载推荐.docx
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3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。
（2天）
4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。
5、整理图纸、写课程设计报告。
五、课程设计报告内容
完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）
退火炉温度控制系统
六、参考书
1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992
2、陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998
3、张燕宾著SPWM变频调速应用技术
机械工业出版社1997
4、王兆义主编《可编程控制器教程》主编
5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编
6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社
第二部分
课
程
设
计
报
告
目录
一、退火炉温度控制系统概述1
二、控制系统方案设计2
2.1控制原理方案2
2.2主电路设计3
三、控制系统器件选择4
3.1温度变送器的选择4
3.1.1SBWR热电偶温度变送器介绍4
3.1.2SBWR技术参数4
3.1.3最后确定温度变送器的型号、类别：
6
3.2PLC的选型6
3.2.1PLC选型要求6
3.2.2PLC及其扩展模块选择结果8
3.3变频器的选型9
3.3.1变频器选型要求9
3.3.2变频器参数设置11
四、PLC外部接线图15
五、PLC实现PID的控制方式16
5.1PLC的PID程序介绍16
5.2PID梯形图程序18
六、小结与体会20
参考文献21
一、退火炉温度控制系统概述
退火炉温度控制系统由一台上位机操作台、一台SIEMENSS7-200PLC控制柜、一台变频器控制柜，3台风机，3台水煤浆输送泵组成。
加热段的三个炉段，各段于炉顶设一支热电偶，根据热电偶采集的炉温信号，与设定值比较，经PID计算后输出控制信号变频器调节水煤浆流量，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。
同时根据助燃风量的改变及空/燃比例阀的配比，手动调节助燃风流量燃气的流量，实现最佳空/燃配比。
本系统装有3套热电偶反馈的闭环流量控制系统，分别控制3台3.7KW变频器调节3台水煤浆输送泵化工泵转速，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。
满足退火炉的工艺要求、温度实时显示。
1）分析控制要求、控制原理设计控制方案；
画出温度自动控制系统结构框图；
2）PLC、变频器、温度传感器的选择；
3）画出该控制系统的原理图。
（主电路、plc控制电路、变频器控制电路）
4）PID原理分析与选用；
PID在PLC中实现。
二、控制系统方案设计
2.1控制原理方案
整个控制系统由一台上位机操作台、一台SIEMENSS7-200PLC控制柜、一台变频器控制柜，3台风机，3台水煤浆输送泵组成。
图
（2）退火炉控制系统原理组成
退火过程是个非常复杂的过程，受各种因素的影响，因此不能采用开环控制，容易产生稳态误差，而PID控制可以很好的消除稳态误差因此事较好的选择。
具体控制过程为：
由热电偶采集炉体温度，经温度变送器将温度信号转换为电信号送往PLC，PLC根据PID算法，计算出需要控制的对象该变量，经由变频器控制电动机的转速从而调节水煤浆的流量，从而控制炉体的温度。
图（3）闭环温度控制系统原理框图
2.2主电路设计
主电路部分为一台PLC控制三台变频器，分别用PLC的KM1、KM2、KM3三个输出触点控制变频器的投切。
PLC电源由变压器提供。
图（4）主电路图
三、控制系统器件选择
3.1温度变送器的选择
3.1.1SBWR热电偶温度变送器介绍
SBWR热电偶温度变送器、SBWZ热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。
它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。
将热电偶、热电阻信号变换成输入电信号或被测温度或成线性的4～20mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。
它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。
二、两线制热电阻温度变送器，其特点是采用两线传输，即电源与输出信号共用相同的两根普通导线。
变送器把测温元件所测得的微弱信号直接放大成（4～20）mADC信号，远传给控制室仪表，作指示、记录、调节之用，组成各种各样的检测，控制系统
3.1.2SBWR技术参数
一、输入信号：
热电阻
Pt100、Cu50、Cu100,测量间距10℃以上任何温度范围
输出信号：
电流:
（4～20）mA
DC
电压:
（1～5）V
DC
输出阻抗：
250Ω
允许负载变化0～500Ω
基本误差：
±
0.1%、±
0.5%
热电阻温变
温度漂移：
0.1%/10℃ 热电阻温度
传输方式：
两线制传输
工作环境温度：
温度
-10～75℃
湿度
≤90%
电
源：
24V
DC±
10%（或配电器、安全栅供电）
功
耗：
≤0.5W,
二、温度变送器特点
1、采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。
2、现场安装于热电阻、热电偶的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。
3、精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。
4、量程可调，并具有线性化较正功能，热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。
应用面广，既可与热电偶、热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装入检测设备中。
三、主要技术指标：
1、输入：
热电阻Pt100、Cu50、Cu100热电偶K、E、S、B、T、J、N2、输出：
在量程范围内输出4～20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；
可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。
2、基本误差：
0.2%、±
0.5%4、传送方式：
二线制
3、变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。
4、负载：
极限负二载电阻按下式计算RL（max）=50×
（Vmm-12）即24V时负载电阻可在0～600Ω范围内选用）额定负载250Ω。
注：
量程可调式变送器，改变量程时零点与满度需反复调试；
电偶型变送器在调试前须预热30分钟。
7、环境温度影响≤0.05%1℃8、正常工作环境：
a、环境温度-25℃～+80℃b、相对湿度5%～95%c、机械振动f≤55Hz振幅＜0.15mm
四、接线方式：
热电阻三线制变送器安装接线图热电阻二丝制变送器安装接线图热电偶变送器安装接线图导轨式变送器安装接线图一体化液晶显示变送器接线图
□热电偶温度变送器校验步骤
1、校验时，在输入端接入电位差计，输出信号为电动势，在输出端接上24VDC稳压电源并串接上标准电流表。
2、调零：
反接信号输入线，使电位差计输出校验现场室温对应电动势，调整电位器Z，使电流表读数为4mA。
3、调满：
正接信号输入线，使电位差计输出满量程对应电动势，调整电位器S，使电流表读数为20mA。
（该电动势为满度电动势减去室温对应电动势后的值）例：
在校验现场室温为7℃，输入信号为K，量程为0～1000℃的温度变送器标定，通过查表得知7℃对应电动势为0.277mV，1000℃对应电动势这41.269mV,反接后，电位差计输出0.277mV，调整电位器Z，使电流表读数为4mA；
正接后电位差计输出读数为40.992mV（41.269mV～0.277mV），调整电位器S，使电流表读数为20mA。
五、热电阻温度变送器校验步骤
1、标定时，按以上典型接线图接线，在输入端接入标准电阻箱（如ZX-25a），在输出端接上24VDC稳压电源并串接上标准电流表。
2、改变信号源发生器（电阻箱），使之等于量程的下限值，调整电位器Z，使电流表的读数为4mA，改变信号源，使之等于量程的上限值，调整电位器S，使电流表的读数为20mA即可。
例：
输入型号为Pt100量程为0～100℃的温度变送器。
正确接线后，电阻箱输出100Ω，调整电位器Z，使电流表读数为4mA；
电阻箱输出读数为138.50Ω（即热电阻在100℃时相对应的电阻值），调整电位器S，使电流表的读数为20mA。
型号
传感器分度号
最大量程规定
规定最小值量程范围（上限下限之差）
SBWR-2160
E
0～800℃
300℃
3.2PLC的选型
3.2.1PLC选型要求
一、输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
二、存储器容量的估算
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
三、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
四、机型的选择
（一）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；
按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
（二）输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；
可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
（三）电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。
重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
（四）存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
（五）冗余功能的选择
1．控制单元的冗余
（1）重要的过程单元：
CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。
2．I/O接口单元的冗余
（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。
3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
（六）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
根据系统所需I/O点数，系统程序所需存储容量以及系统需要用PID进行调节，
3.2.2PLC及其扩展模块选择结果
最后经过校验，选择西门子S7-200PLC,CPU为221，模拟量输入输出模块为EM235CN。
图（5）EM235CN端口连接图
3.3变频器的选型
3.3.1变频器选型要求
1、采用变频的目的；
恒压控制或恒流控制等。
2、变频器的负载类型；
如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3、变频器与负载的匹配问题；
1）电压匹配；
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
2）电流匹配；
普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
3）转矩匹配；
这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4、在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5、变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
综合以上情况，选择MICROMASTER420，经校验，满足要求。
MICROMASTER420框图如下：
图（6）MICROMASTER420框图
3.3.2变频器参数设置
1、控制方式选择
变频器控制方式的选择由负荷的力矩特性所决定，电动机的机械负载转矩特性根据下列关系式决定：
p=tn/9550
式中：
p--电动机功率（kw）
t--转矩（n·
m）
n--转速（r/min）
转矩t与转速n的关系根据负载种类大体可分为3种。
（1）即使速度变化转矩也不大变化的恒转矩负载，此类负载如传送带、起重机、挤压机、压缩机等。
（2）随着转速的降低，转矩按转速的平方减小的负载。
此类负载如风机、各种液体泵等。
（3）转速越高，转矩越小的恒功率负载。
此类负载如轧机、机床主轴、卷取机等。
变频器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。
v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。
将变频器参数p1300设为0，变频器工作于线性v/f控制方式，将使调速时的磁通与励磁电流基本不变。
适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。
将p1300设为2，变频器工作于抛物线特性v/f控制方式，这种方式适用于风机、水泵类负载。
这类负载的轴功率n近似地与转速n的3次方成正比。
其转矩m近似地与转速n的平方成正比。
对于这种负载，如果变频器的v/f特性是线性关系，则低速时电机的许用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率的严重下降。
为了适应这种负载的需要，使电压随着输出频率的减小以平方关系减小，从而减小电机的磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当的范围内。
可以进一步通过设置参数使v/f控制曲线适合负载特性。
将p1312在0至250之间设置合适的值，具有起动提升功能。
将低频时的输出电压相对于线性的v/f曲线作适当的提高以补偿在低频时定子电阻引起的压降导致电机转矩减小的问题。
适用于大起动转矩的调速对象。
变频器v/f控制方式驱动电机时，在某些频率段，电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护，使得电机不能正常启动，在电机轻载或转矩惯量较小时更为严重。
可以根据系统出现振荡的频率点，在v/f曲线上设置跳转点及跳转频带宽度，当电机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统能够正常运行。
从p1091至p1094可以设定4个不同的跳转点，设置p1101确定跳转频带宽度。
有些负载在特定的频率下需要电机提供特定的转矩，用可编程的v/f控制对应设置变频器参数即可得到所需控制曲线。
设置p1320、p1322、p1324确定可编程的v/f特性频率座标，对应的p1321、p1323、p1325为可编程的v/f特性电压座标。
参数p1300设置为20，变频器工作于矢量控制。
这种控制相对完善，调速范围宽，低速范围起动力矩高，精度高达0.01%，响应很快，高精度调速都采用svpwm矢量控制方式。
参数p1300设置为22，变频器工作于矢量转矩控制。
这种控制方式是目前国际上最先进的控制方式，其他方式是模拟直流电动机的参数，进行保角变换而进行调节控制的，矢量转矩控制是直接取交流电动机参数进行控制，控制简单，精确度高。
2、快速调试
在使用变频器驱动电机前，必须进行快速调试。
参数p0010设为1、p3900设为1，变频器进行快速调试，快速调试完成后，进行了必要的电动机数据的计算，并将其它所有的参数恢复到它们的缺省设置值。
在矢量或转矩控制方式下，为了正确地实现控制，非常重要的一点是，必须正确地向变频器输入电动机的数据，而且，电动机数据的自动检测参数p1910必须在电动机处于常温时进行。
当使能这一功能（p1910=1）时，会产生一个报警信号a0541，给予警告，在接着发出on命令时，立即开始电动机参数的自动检测。
3、加减速时间调整
加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。
加速时间和减速时间选择的合理与否对电机的起动、停止运行及调速系统的响应速度都有重大的影响。
加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内，不应使过电流保护装置动作。
电机在减速运转期间，变频器将处于再生发电制动状态。
传动系统中所储存的机械能转换为电能并通过逆变器将电能回馈到直流侧。
回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。
因此，减速时间设置的约束是防止直流回路电压过高。
加减速时间计算公式为：
加速时间:
ta=（jm+jl）n/9.56（tma-tl）
减速时间:
tb=（jm+jl）n/9.56（tmb-tl）
jm一电机的惯量
jl-负载惯量
n-额定转速
tma-电机驱动转矩
tmb-电机制动转矩
tl-负载转矩
加减速时间可根据公式算出来，也可用简易试验方法进行设置。
首先，使拖动系统以额定转速运行（工频运行），然后切断电源，使拖动系统处于自由制动状态，用秒表计算其转速从额定转速下降到停止所需要的时间。
加减速时间可首先按自由制动时间的1/2~1/3进行预置。
通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警，调整加减速时间设定值，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。
4、转动惯量设置
电机与负载转动惯量的设置往往被忽视，认为加减速时间的正确设置可保证系统正常工作。
其实，转动惯量设置不当会使得系统振荡，调速精度也会受到影响。
转动惯量公式：
j=t/dω/dt
电机与负载转动惯量的获得方法一样，让变频器工作频率在合适的值，5～10hz。
分别让电机空载和带载运行，读出参数r0333额定转矩和r0345电动机的起动时间，再将变频器工作频率换算成对应的角速度，代入公式，计算得出电机与负载转动惯量。
设置参数p0341（电动机的惯量）与参数p0342（驱动装置总惯量/电动机惯量的比值），这样变频器就能更好的调速。
西门子变频器M420实现PID调节参数设置：
注意：
端子18旁的AIN1拔到ON，5-9端子短接＋P2285延时启动，
9端=24V,28端=0V28与4短接
压力信号直接接入3端＋和4端－，两线制（有源）4-20MA输入
P756==2选择4-20MA输入
P757==4最小值4MA
P759==20最大值20MA
P761==4死区为4MA
P1000==1频率设定的选择即为面板
P2200==1允许PID进行闭环控制
P2231==1PID设定值的保存
P2240==52%（PID-MOP面板的设定值，允许用户以[%]值的形式
设定数字的PID设定值
P2253==2250（已激活的PID设定值）
P2257==20S加速时间
P2258==20S减速时间
P2264==755.0（模拟量输入1设定值）
P2280==0.5（PID比例增益系数）－－经验值
P2285==10S（PID积分时间）－－经验值
P2800==1
P2802==1
P2849==722.0
P2850==5秒
P2851==20
四、PLC外部接线图
PLC控制线路如图（7）所示，控制主电动机、空气压缩机正常运行、停车，以及控制变频器的投入与切出。
PLC经过PID运算后，得到控制量输出给变频器的数字输入端，控制主电动机的升、降速。
图（7）PLC接线图
五、PLC实现PID的控制方式
5.1PLC的PID程序介绍
1.PLC-PID控制器的实现
本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。
2.PID控制器的数字化
PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。
在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图7所示。
图7sp（t）是给定值，pv（t）是反馈量，c（t）是系统的输出量，PID控制的输入输出关系式为:
式中:
M（t）—控制器的输出量，M0为输出的初始值;
e（t）=sp（t）-pv（t）－误差信号;
KC比例系数;
TI－积分时间常数;
TD－微分时间常数。
图（7）连续闭环控制系统方框图
式
（1）的右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差，误差的积分和微分成正比。
如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。
假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t＝0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将公式1离散化，第n次采样时控制器的输出为:
（2）
en-1－第n-1次采样
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