基于PLC的窑温控制设计文档格式.docx

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（1）系统总的控制过程

按下总启动按钮后，允许两个炉窑按照各自的控制要求运行，如果按下总停止按钮，则禁止系统运行。

（2）每个炉窑具体的控制要求如下：

①按下启动按钮，启动风机电机，使炉窑内的热气流循环；

②打开进气阀，使热气流（蒸汽）进入炉窑；

③经过一定时间的恒温控制（如10h），关闭进气阀。

④打开排气阀，排出热气流；

⑤按下停止按钮，则关闭风机，延时10s后关闭排气阀；

⑥按下急停按钮，禁止各窑输出控制（即关闭风机电机、排气阀、进气阀）。

⑦每个炉窑的进气阀只有在总进气阀打开5s后才能打开；

⑧只要一个炉窑的进气阀需要排气，就要打开总排气阀；

⑨每个炉窑通过一只热敏电阻进行温度检测。

1.3炉窑内的温度控制

炉窑内的温度控制通常采用模糊控制算法或PID算法。

本设计要求采用PID算法，每个炉窑的进气阀采用电动阀（模拟量输出），通过调节电动阀门的开度来调节蒸汽进气量，完成恒温控制。

1.4设计任务分析

本设计需要对养护炉内的温度严格的控制，需要调控的量很多，最重要的就是对进气量的调节。

我们采用PID算法，对每个炉窑的进气阀采用电动阀（模拟量输出），炉内温度由传感器热敏电阻检测，被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经温度变送器将温度值转换成电压信号送入PLC模块。

PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，相应的控制可控调节阀，从而实现炉温的连续控制。

在恒温养护炉中，窑炉温度控制是一个非常重要的环节。

在温度变化的过程，炉窑的温度控制需通过调节电动阀的开度来控制的气流量来实现，必须对窑炉温度的升温、恒温和降温进行精确地控制。

对窑炉温度的控制好坏直接关系到恒温养护炉是否达到恒温要求。

第二章系统设计的方案

2.1概述

本课程设计炉内温度控制系统的具体指标要求是：

使窑炉温度保持恒定。

软件设计须能进行人工启动，考虑到本系统控制对象炉窑温度的控制，是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。

而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。

且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。

模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。

2.2系统组成总体结构

根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。

整个控制系统分为炉窑温度控制系统的原理示意图、温度系统硬件框图和软件程序设计。

整个控制系统是一个相对联系的结合体，但是又可以分开讨论。

当被控对象为炉内温度，温度传感器检测炉内的温度信号，经变送器将温度值转换成电压信号送入PLC模块。

PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PID运算后，发出控制信号，经可控阀门调控，从而实现炉温的连续控制。

图2.1温度系统硬件框图

炉窑温度控制系统流程图如下所示：

图2.2温度系统硬件框图

图2.3高炉煤气系统硬件框图

图2.4燃烧空气系统硬件框图

图2.5冷却空气系统硬件框图

图2.6皮带秤系统硬件框图

第三章系统硬件设计

3.1选取PLC的类型及容量

控制核心采用西门子PLC的CPU224，提供数字量输入点数14点，数字量输出点数10点（提供给扩展单元DC5V电流能力为660mA），完全满足系统的数字量和开关量输入输出点数的要求。

CPU224本身不具备模拟量输入和输出单元，

SiemensS7-200主要功能模块介绍：

（1）CPU模块S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元,电源以及数字I/O点,这些都被集成在一个紧凑,独立的设备中。

CPU负责执行程序,输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.从CPU模块的功能来看,CPU模块为CPU22*,它具有如下五种不同的结构配置CPU单元：

①CPU221它有6输入/4输出,I/0共计10点.无扩展能力,程序和数据存储容量较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数的控制系统。

②CPU222它有8输入/6输出，I/0共计14点，和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。

③CPU224它有14输入/10输出，I/0共计24点，和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以有7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S7-200产品。

④CPU226它有24输入/16输出,I/0共计40点,和CPU224相比,增加了通信口的数量,通信能力大大增强。

它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。

⑤CPU226XM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。

（2）开关量I/O扩展模块当CPU的I/0点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O扩展,I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。

通常开关量I/O模块产品分3种类型:

输入模块,输出模块以及输入/输出模块。

为了保证PLC的工作可靠性,在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。

如光电隔离,输入保护（浪涌吸收器,旁路二极管,限流电阻）,高频滤波,输入数据缓冲器等。

由于PLC要控制的对象有多种,因此输出模块也应根据负载进行选择,有直流输出模块,交流输出模块和交直流输出模块。

按照输出开关器件种类不同又分为3种：

继电器输出型,晶体管输出型和双向晶闸管输出型。

这三种输出方式中,从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出型居中；

若从与外部电路安全隔离角度看,继电器输出型最好。

在实际使用时，亦应仔细查看开关量I/O模块的技术特性，按照实际情况进行选择。

由于本系统是单回路的反馈系统，CPU224XP相比与其他型号具有更好的硬件指标，其上自带有模拟量的输入和输出通道，因此节省了元器件的成本，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：

表2.1模拟量I/O配置表

I/O信号信号类型

电压信号

电流信号

模拟量输入*2

±

10V

/

模拟量输出

0~10V

0~20mA

CPU224XP自带的模拟量输入通道有2个，模拟量输出通道1个。

在S7-200中，单极性模拟量的输入/输出信号的数值范围是0~32000，双极性模拟信号的数值范围是-32000~+32000

3.2温度传感器的选择

在此设计中,炉窑窑顶安装两个热电偶传感器进行炉内温度采集。

按照测温的范围，选择热电偶传感器。

热电偶传感器的测量范围为-50℃~1600℃，精度为±

（1%~5%）。

1号炉和2号炉的温度分别由两个热敏电阻传感器进行采集。

按照测温的范围，选择热敏电阻传感器。

热敏电阻：

由具有很高电阻温度系数的固体半导体材料构成的热敏类型的温度检测元件。

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。

热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。

正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

热电偶温度传感器的工作原理：

两种不同的金属A和B构成闭合回路,当两个接触端T﹥T0时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。

这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。

两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;

另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。

图3.1热电偶

流量传感器是对进入养护炉空气流量的检测部件，在此论文中选择法兰式V锥流量传感器FFM61S。

工作原理：

V锥流量计是由V锥传感器和差压变送器组合而成的一种差压流量计，可精确测量宽雷诺数（8×

103≤Re≤5×

107）范围内各种介质的流量。

其测量理论是：

由于实际流体都具有粘性，不是理想流体，当其在管道中流动时，在充分发展管内流动的前提下，具有层流和紊流两种流动状态。

根据连续流动的流体能量守恒原理和伯努力方程：

对于以层流状态流动的流体，其流速分布是以管道中心线为对称的一个抛物面，流体通过一定管道的压力降与流量成正比；

对于紊流状态流动的流体，其流速分布是以管道中心线为对称的一个指数曲面，流体通过一定管道的压力降与流量的平方成正比。

3.3控制开关及电动机的选择

电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。

随着工业领域的自动化程度越来越高正被越来越多的应用在各种工业生产林宇中。

与传统的气动调节阀相比具有明显的优点，节电，环保，安装便捷。

可控阀门是对进出炉窑内空气流量的控制部件，在此论文中选择电动调节阀。

风机电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。

电机使气流在炉窑内循环，因此应该考虑其功率和电流的大小，所以选择YCYCL系列的电动机。

第四章I/O地址的分配

4.1I/O地址的简介

输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。

对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；

对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。

4.2系统各元件对应的I/O地址

根据设计任务书所给资料和设计任务要求，现把各元器件对应的I/O地址列在下表：

I/O地址分配表

名称

代码

地址编号

总启动按钮

SF1

I0.0

二号进气阀

-

AIW1

总停止按钮

SF2

I0.1

一号排气阀

AQW0

一号炉急停

SF3

I0.2

二号排气阀

AQW1

二号炉急停

SF4

I0.3

总进气阀

AIW2

风机一启动

SF5

I0.4

总排气阀

AQW2

风机二启动

SF6

I0.5

风机一

MB1

Q0.0

风机一停止

SF7

I0.6

风机二

MB2

Q0.1

风机二停止

SF8

I0.7

一号炉

MB3

Q0.2

一号进气阀

AIW0

二号炉

MB4

Q0.3

第五章软件系统的设计

5.1S7—200软件的介绍

S7—200PLC编程软件是由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。

同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。

此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

梯形图中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误行前有红色叉，且错误处的下方加红色曲线。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：

有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。

离线方式：

有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。

如编程、编译和调试程序系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机上。

两者的主要区别是：

联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上载和下载用户程序和组态数据等；

而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后在下载到PLC中。

5.2系统PID算法及流程图

5.2.1PID算法的简介

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制：

比例控制是一种最简单,最常用的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分（I）控制：

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制：

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5.2.2PID算法的数字化处理

为了能让数字计算机处理这个控制式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下：

Mn=Kc*en+Ki*∑ex+Mintial+Kd*（en-en-1）

输出=比例项+积分项+微分项

其中：

Mn在采样时刻n，PID回路输出的计算值

KcPID回路增益

en采样时刻n回路的偏差值

en-1回路的偏差值的前一个值

ex采样时刻x的回路偏差值

Ki积分项的比例常数

Mintial回路输出的初始值

Kd微分项的比例常数

从这个公式可以看出，积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项是当前采样的函数，在数字计算机中，不保存所有的误差项，实际上也不必要。

MIn第n采样时刻积分项的值由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值，只要保存偏差前值和积分项前值。

作为数字计算机解决的重复性的结果，可以得到在任何采样时刻必须计算的方程的一个简化算式。

简化算式是：

Mn=Kc*en+Ki*en+MX+Kd*（en-en-1）

Mn在第n采样时刻，PID回路输出的计算值

en-1回路的偏差值的起一个值

MX积分项前值

CPU实际上使用以上简化算式的改进形式计算PID输出，这个改进型算式是：

Mn=MPn+MIn+MDn

Mn第n采样时刻的计算值

MPn第n采样时刻的比例项值

Min第n采样时刻的积分项值

MDn第n采样时刻的微分项值

比例项MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘积。

其中Kc决定输出对偏差的灵敏度，偏差（e）是给定值（SP）与过程变量值（PV）之差，S7-200解决的求比例项的算式是：

MPn=Kc*（SPn-PVn）

MPn第n采样时刻比例项的值

Kc增益

SPn第n采样时刻的给定值

PVn第n采样时刻的过程变量的值

积分项值MI与偏差和成正比。

S7-200解决的求积分的算式是：

MIn=Kc*Ts/Ti*（SPn-PVn）+MX

Ts采样时间间隔

Ti积分时间

MX第n-1采样时刻积分项（积分项前值）

积分和（MX）是所有积分项前值之和，在每次计算出MIn后，都要用MIn去更新MX。

其中MIn可以被调整或限制，MX的处置通常在第一次计算输出以前被设为Minitial（初值）。

积分项还包括其他几个常数：

增益（Kc），采样时间（Ts）和积分时间（Ti）。

其中采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。

微分项值Md与偏差的变化成正比，S7-200使用下列算式来求解微分项：

Mdn=Kc*Td/Ts*（（SPn-PVn）-（SPn-1-PVn-1））

为了避免给定值变化的微分作用而引起的跳变，假定给定值不变SPn=SPn-1，这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为：

Mdn=Kc*Td/Ts*（SPn-PVn-SPn+PVn-1）

或

Mdn=Kc*Td/Ts*（PVn-1+PVn）

Mdn第n采样时刻的微分项值

Kc回路增益

Ts回路采样时间

Td微分时间

SPn-1第n-1采样时刻的给定值

PVn-1第n-1采样时刻的过程变量的值

为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差，在第一采样时刻，初始化为PVn-1=PVn。

在许多控制系统中，只需要一两种回路控制类型。

例如只需要比例回路或者比例积分回路，通过设置常量参数，可以选择需要的回路控制类型。

如果不想要积分动作（PID计算中没有“I”），可以吧积分时间（复位）置为无穷大“INF”。

即使没有积分作用，积分项还是不为零，因为有初值MX。

如果不想要微分回路，可以把微分时间置为零。

如果不想要比例回路，但需要积分或积分微分回路，可以把增益设为0.0，系统会在计算积分项和微分项时，把增益当做1.0看待。

本系统设计采用PID算法闭环控制系统程序，优点是:

PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在、将来的主要信息，而且其配置几乎最优。

PID控制适应性好，有较强的鲁棒性，对各种工业应用场合，都可在不同的程度上应用。

PID算法简单明了，各个控制参数相对较为独立，参数的选定较为简单，形成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。

PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。

5.3梯形图程序

第六章课程设计总结

本论文设计的是炉窑温度控制系统的设计，能够在PLC的控制下，保持炉窑内部温度在100摄氏度。

此设计具有硬件少，结构简单，性能稳定可靠，成本低等特点。

设计的软件图全部使用STEP7MICRO/WIN32软件，是我明白这个软件对于我们专业的课堂设计的重要性。

好好的学习并利用我们所学的知识，综合运用各科知识，在这次的设计中，扮演重要的角色。

在完成这次PLC课程设计后，我更加了解了PLC的硬件结构和软件的设计，同时，我了解了PLC中的各扩展模块该如何接线，达到不同设计方案，得到不同的资源合理性应用，更加经济，通过本次课程设计，在王老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，这对我今后进一步学习这方面的知识有极大的帮助。

在此，忠心感谢王老师的指导和同学的帮助。

我解决了此次设计的困惑之处，很好的完成本次设计。

参考文献

[1]王永华编著.现代电气控制及PLC应用技术（第二版）.北京航空航天大学出版社，2008.2

[2]刘华波.西门子S-7200PLC编程及应用案例精选.北京：

机械工业出版社，2009.5

[3]李方园.西门子S7-200PLC从入门到实践.北京:

电子工业出版，2010.143.

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人民邮电出版社，2008.8.

[5]向晓汉等.西门子PLC高级应用实例精讲.北京：

机械工业出版社，2010.14~16.

[6]S7-200PLC可编程控制器系统手册.西门子公司,2004:

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