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砌砖养护窑窑温的自动控制

摘要：

本次毕业设计的内容主要是对砖窑养护窑的温度自动控制，砌砖在生产过程中最后一道工序是养护，养护窑养护不受气候的影响，通过自动控制进行养护，严格根据工艺要求实施控制，可以保证产品的质量及产品的生产进度，系统要求控制两个养护窑。

本文通过从分析任务、硬件配置选型及其相关软件需求和施工注意事项等方面，全面阐述了砖窑养护窑的温度自动控制任务设计过程。

同时，本文还针对目前现实工厂自动控制过程中集中控制需求对砖窑养护窑的温度自动控制作了集中监控系统作了初步设计。

关键词：

窑温，PLC自动控制，PID调

引言：

随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平的提高，各种住宅小区、商用建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。

建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块（砖）生产业的飞速发展与技术革新。

传统的砌块（砖）上在全自然的环境中生产出来的，加工周期长，成功率不高。

现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块（砖）养护窑，用来加快砌块（砖）的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。

对GJ型系列养护窑，整个控制系统是由新式窑体结构、热工供调系统、工业计算机控制系统组成的成套技术工艺设备，一般的其控制核心为单片机，这类控制系统虽然具有成本低、体积小、程序简短等优点，但只适合小型控制系统，对于较大型控制系统，不但成本大大增加，而且可靠性较差，对要求较高的系统难以实现。

PLC具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境的优点，是一种通用的自动控制装置，结合当今发展较快、应用越来越广的模糊控制技术，可实现较大型控制系统，且功能完善，效果好。

介绍一种以PLC为控制核心、以PID控制理论为依据的智能炉窑控制系统。

1．绪论：

1.1．养护窑控制技术简介

随着我国经济的发展，市场上建筑材料的需求也向着高质量、大数量方向展。

传统的建材制造工艺越来越显露出产品质量差，产量小，对环境污染严重的缺点。

砌块生产线养护温度控制是砌块（砖）生产质量控制的最后一环，也是最为重要的一环。

生产成型的砌块（砖）在不同的温度养护过程中进行养护，会有不同质量的砌块生产出来。

砌块生产线养护系统主要由蒸气发生装置、蒸气工艺管路、养护窑温度控制系统三部分组成。

温度养护原理是：

蒸气发生装置产生饱和水蒸气，通过固定管线输送到各养护窑内，对所生产的砌块进行温度养护，并由养护窑温度自动控制系统对各养护窑进行温度控制。

为了适应社会的发展和满足人们对产品最求的不断提高国内厂家开始引进国外技术。

1.2.养护窑控制技术的研究状况

随着我国经济的发展，市场上建筑材料的需求也向着高质量、大数量方向展。

传统的建材制造工艺越来越显露出产品质量差，产量小，对环境污染严重的缺点。

砌块生产线养护系统主要由蒸气发生装置、蒸气工艺管路、养护窑温度控制系统三部分组成。

温度养护原理是：

◆砌块（砖）生产线温度养护的控制方式可以采用以下几种方式

（1）定时器控制、

（2）可编程定时器控制、

（3）PLC控制

（4）工业控制机（IPC）控制等。

每种方式都各有优缺点。

定时器控制及可编程定时器控制优点是价格，缺点是只能分段控制，不能调节，且操作不便；PLC控制的优点是稳定可靠，缺点是显示及控制调整不便；

工业控制机（IPC）控制则具有PLC控制稳定的优点，又具有丰富的显示及控制调整的功能，并能实现砌块温度养护的特殊要求：

即按给定的温度曲线，对养护窑进行温度控制。

IPC控制系统可根据砌块养护的特点确定的温度曲线进行严格的温度控制，使养护窑温度按照所给定的温度曲线运行。

采用工业控制机进行控制，可实现温度自动采集显示功能及温度曲线的控制功能，并且系统运行稳定。

系统采用汉字操作界面，使用十分方便。

采用养护窑自动温度控制系统后，可提高养护温度控制精度，提高砌块（砖）产品质量，减轻操作员的劳动强度，并能取得良好的经济效益。

砌块生产线温度养护系统功能及主要技术指标。

◆系统实现以下功能

（1）养护窑温度自动采集显示功能

（2）温度曲线显示功能

（3）养护窑温度自动控制功能

（4）给定温度曲线，自动控制养护窑温度功能

（5）数据存储功能

◆主要技术指标：

（1）给定温度曲线控制功能；

（2）温度PID调节控制功能，P、I、D参数可调；

（3）温度采集精度：

±0.5%

（4）系统温度控制精度：

±0.5%

2设计任务概述

2.1工艺概况

砌块在生产过程中最后一道工序是养护。

目前养护的方法有两种。

一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。

这种养护方法投资少，养护成本低。

缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要求较高时，无法保证高质量与短生产周期。

尤其在我国北方地区的冬季，温度低，阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。

但是在一些规模较小的砌块加工场所还经常用到这种养护方法。

另一种养护方法就是在养护窑中进行养护。

用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。

养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。

它能保证产品质量，保证生产进度，不受天气影响。

本设计任务就是对养护窑的窑温用PLC实行自动控制，系统要求控制两个养护窑。

2.2系统控制对象

每个养护窑有：

3个开关量输入：

一个启动按钮，一个停止按钮，一个急停按钮；

2个开关量输出：

一个排气电磁阀控制热气的排出，一台送风电动机；

一个模拟量输入：

测温输入点（模拟量）；

一个模拟量输出：

进气电动阀（模拟量）；

整个系统还需一个总启动按钮，一个总停止按钮；

总的控制量：

开关量输入点8个，开关量输出点6个，模拟量输入点2个，模拟量输出点2个。

2.3系统控制任务

总启动按钮按下后，整个系统允许运行，总停止按钮按下后整个系统停止运行，每个窑都可以自行控制，按下各窑的启动按钮后，各窑开始运行，按下其停止按钮，各窑停止运行，按下紧停按钮后，禁止各窑输出控制。

具体流程控制要求：

启动电机，供风循环热气流；开启进气电动阀，调整其开度大小控制进气量，实现窑温的自动控制（温度设定100摄氏度），仅过一段时间（设恒温10小时），关闭进气阀门，打开排气阀门，排气，按下停止按钮，关闭风机，关闭排气阀，准备砌砖出窑。

只要有一个窑排气阀打开，总排气阀要打开；只有总进气阀打开才能启动各窑进气阀。

系统框图如下：

系统工艺流程框图

（一）

3系统设计

3.1系统控制对象的输入输出点地址分配表

（一）

输入输出点地址分配表

输入点

输出点

I0.0

总启动按钮

Q0.0

1#排气阀打开

I0.1

总停止按钮

Q0.1

1#风机启动

I0.2

1#窑启动按钮

Q0.2

2#排气阀打开

I0.3

1#窑停止按钮

Q0.3

2#风机启动

I0.4

1#窑急停按钮

Q0.4

总排气阀打开

I0.5

2#窑启动按钮

Q0.5

总进气阀打开

I0.6

2#窑停止按钮

QF2.1

1#窑进气阀控制

I0.7

2#窑急停按钮

QF2.2

2#窑进气阀控制

IR1.1

1#窑温度输入

IR1.1

2#窑温度输入

3.2系统控制对象的分析表

（二）

序号

名称

数据类型

输入/输出

信号

数据格式

配套元器件

控制功能

地址分配

模块

系统允许按钮

BOOL

Input

梯形图

0.0/0

1762-L24BWA

系统停止按钮

BOOL

Input

0.0/1

1762-L24BWA

总排气阀打开

BOOL

Output

0.0/4

1762-L24BWA

总进气阀打开

BOOL

Output

0.0/5

1762-L24BWA

1#窑启动按钮

BOOL

Input

0.0/2

1762-L24BWA

1#窑停止按钮

BOOL

Input

0.0/3

1762-L24BWA

1#窑紧急停止

BOOL

Input

紧停按钮

0.0/4

1762-L24BWA

1#窑排气阀打开

BOOL

Output

中间继电器

0.0/0

1762-L24BWA

1#窑送风启动

BOOL

Output

中间继电器

0.0/1

1762-L24BWA

1#窑温

REAL

Input

4~20ma

PID控制

100PT385热电阻（配置信号隔离器）

PID调节

1.1

1762-IR4

1#窑进气阀

REAL

Output

0~10V

0~100%

梯形图

2.1

1762-OF4

2#窑启动按钮

BOOL

Input

0.0/5

1762-L24BWA

2#窑停止按钮

BOOL

Input

0.0/6

1762-L24BWA

2#窑紧急停止

BOOL

Input

紧停按钮

0.0/7

1762-L24BWA

2#窑排气阀打开

BOOL

Output

中间继电器

0.0/2

1762-L24BWA

2#窑送风机启动

BOOL

Output

中间继电器

0.0/3

1762-L24BWA

2#窑温

REAL

Input

4~20ma

PID控制

100PT385热电阻（配置信号隔离器）

PID调节

1.2

1762-IR4

2#窑进气阀

REAL

Output

0~10V

0~100%

2.2

1762-OF4

1、处理器提供有一个RS232口、一个EtherNet/IP口，可满足系统通讯需求。

2、预留开关量6个输入，4个输出；两个热电阻输入通道，两个模拟量输出通道（A/V可选）。

3、软件：

RSLogix500，RSLINX；HIM采用RSview32

3.3硬件选型依据及说明：

3.3.1断路器的选型：

1）低压断路器的选择和应用低压断路器用途广泛，它不仅用于主干线、支路、电路末端等作线路（电缆、电线）及电气设备的不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障的保护，还应用于各种负载，如照明回路、电热回路、电动机回路、可控硅整流回路、电容器回路等的单独使用和保护。

负载的性质不同，选用断路器的额定电流和保护特性也有差异。

2）选择低压断路器应满足下列条件

①低压断路器的额定电压应不低于保护线路的额定电压。

②低压断路器的额定电流应不小于它所装的脱扣器的额定电流。

③低压断路器的类型应符合安装条件，保护性能及操作方式的要求。

①QF1的选择：

I30=19.99A,UN=380V，脱扣电流150A，极限通断能力COS∮≥0.4

根据国标选择QF1为C65H-65A/3P

②QF2，QF3的选择：

I301=I302=10.44A根据国标选择QF2、QF3为GV2-RS16C

③QF4的选择：

I=5A根据国标选择QF4为C65H-6A/2P

3.3.2接触器的选型：

接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器.接触器具有强大的执行机构,大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力.当系统发生故障时,能根据故障检测元件所给出的动作信号,迅速可靠的切断电源,并有低压释放功能.与保护电器组合可构成各种电磁启动器,用于电机的控制及保护。

选择接触器的类型：

根据电路中负载电流的种类选择。

交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。

选择接触器主触头的额定电压：

应等于或大于负载的额定电压。

选择接触器主触头的额定电流：

被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。

也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。

如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。

主触头额定电流由经验公式：

ICN=PN×103／KUN

K为常数取1～1.4,一般为1.2ICN—主触头额定电流（A）

PN—被控制的电动机的额定功率（KW）UN—电动机的额定电压（v）。

I301=I302=10.44A根据国标选择KM1、KM2为LC1-D1611M5

3.3.3热继电器的选型：

热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。

（1）类型选型：

一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。

对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。

（2）热继电器额定电流选择：

热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。

然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。

（3）热元件额定电流的选型和整定：

热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。

当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。

3.3.4中间继电器的选型:

中间继电器，实质是一种电压继电器，触头对数多，触头容量大（额定电流为5～10A）动作灵敏度高。

其主要用途为：

当其他继电器的触头对数或触头容量不够时，可借助中间继电器来扩展它们的触头或触头容量，起到信号中继作用。

HH52P/10DC24V。

3.3.5按纽的选型：

电寿命50×104次，绝缘电阻≥50MΩ，接触电阻≤50mΩ，相比漏电起痕指数CTI≥100，温度-20OC～55OC。

根据国标选择本系统按纽LA38-10/203、LA38-01/203、LA38-02MYX/203三种。

3.3.6电磁阀的选型：

（1）外漏堵绝，内漏易控，使用安全。

（2）系统简单，便接电脑，价格低廉。

（3）动作快递，功率微小，外形轻巧。

（4）调节精度受限，用介质受限。

（5）型号多样，用途广泛。

3.3.7窑风机、进气风阀、热电阻的选型：

详见电气元器件硬件选型表。

3.3.8电气元器件选型表（三）

序号

标识名称

型号

电气特性

机械特性

生产厂家

备注

总启动允许按钮（绿色）

LA38-10/203

电寿命：

50×104次绝缘电阻≥50MΩ

接触电阻≤50mΩ；相比漏电起痕指数CTI≥100;

机械寿命：

100×104次

江阴长江电气有限公司

“LA38”表示长江按钮型号；“10”1对常开点0对常闭点；“2032”：

开孔尺寸为22mm，圆形；设计序号为3；

1#窑启动按钮（绿色）

LA38-10/203

同上

2#窑启动按钮（绿色）

LA38-10/203

同上

总停止按钮（红色）

LA38-01/203

同上

“LA38”表示长江按钮型号；“02”0对常开点1对常闭点；“2032”：

开孔尺寸为22mm，圆形；设计序号为3；

1#窑停止按钮（红色）

LA38-01/203

同上

2#窑停止按钮（红色）

LA38-01/203

同上

1#窑紧急停止按钮（红色）

LA38-02MYX/203

钥匙旋转复位蘑菇钮停止按钮

同上

2#窑紧急停止按钮（红色）

LA38-02MYX/203

钥匙旋转复位蘑菇钮停止按钮

同上

1#进气风阀（风门与执行机构一体）

DZF-F

输入信号0~10V

天津贝尔

依据窑工艺需求和通风需求确定其尺寸

2#进气风阀（风门与执行机构一体）

DZF-F

输入信号0~10V

天津贝尔

同上

总进气风阀

220V,4A得电打开，断电关闭

天津贝尔

同上

总排气阀

220V,4A得电打开，断电关闭

天津贝尔

同上

1#排气风阀

220V,4A得电打开，断电关闭

天津贝尔

同上

2#排气风阀

220V,4A得电打开，断电关闭

天津贝尔

同上

1#窑风机

WHC7A-II

5.5KW，转速1460r/min

张家港市乘风特种风机有限公司

为确定电气元器件型号拟定5.5KW

2#窑风机

WHC7A-II

5.5KW，转速1460r/min

张家港市乘风特种风机有限公司

为确定电气元器件型号拟定5.6KW

中间继电器（K1~K10）

HH52PDC24V

触点容量：

AC220V,10A,2NO;2NC

OMROM（国产）

系统电源开关QF1

C65H-65A/3P

高分断

施耐德（国产）

1#窑风机电源QF2

C65H-16A/3P

处理器电源开关

C65H-6A/2P

高分断

施耐德（国产）

二次控制回路电源开关

C65H-10A/2P

高分断

施耐德（国产）

热循环风机电源开关

GV2-RS16C

负载功率5.5KW；热脱设定范围9-14A,磁脱扣170A

施耐德（国产）

热循环风机接触器

LC1-D1611M5

线圈电压等级AC220V

施耐德（国产）

热继电器FR1、FR2

热脱设定范围9-14A

施耐德（国产）

端子

UNK2.5

天津菲尼克斯（国产）

热电阻

WZP

分度号Pt100；测温范围-200-+500；精度等级A级；允许误差±（0.15+0.002）ltl

安徽天康（集团）股份有限公司

热电阻信号隔离器

PH-23-4-5

热电阻激励电流：

恒流800μA

输出阻抗：

电压型≥10KΩ　　电流型≤550Ω精度：

±0.2%　温度系数：

＜50PPM/℃环境温度：

－10℃－＋60℃绝缘电阻：

电源、输入、输出之间≥100MΩ（500VDC）；绝缘强度：

电源、输入、输出之间1500VAC/分钟；消耗功率：

＜1W

北京平和PH-23

3.3.9PLC硬件的选型及说明：

硬件的选购目前市场上的PLC产品众多，为我们提供了众多的选择余地。

因为每种品牌的PLC，会根据用户的不同需求，有多种型号可供选择。

在具体的选择过程中，还要遵循以下几条原则:

（1）确定最终控制对象的数量；

（2）分析确定控制目的、精度和控制方法；

（3）由安全生产角度和电气常规保护和控制角度初步确定所需必要元器件特性和数量；

（4）确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。

不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定用行是很重要；

（5）对控制对象将来扩展需求、通讯需求和工厂系统规划兼容性等方面需求进行初步考虑；

（6）使用者的需求（尺寸、环境、兼容等）和设计者对软硬件的熟练或熟悉程度对系统硬件的选型也有着致关重要的作用。

（7）经济实用性。

用户程序的存储容量和指令的执行速度是PLC性能比两个重要指标。

一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。

◆通过任务要求和分析可知，该系统主要对温度进行恒温100度控制，而对控制精度、系统响应速度并没有具体要求，同时系统对进风温度和进风阀开度都没有反馈信号需求，所以采用一般的PID控制和普通的逻辑语言或算法即可满足要求。

所以该系统的设计重点从恒温控制和安全生产的角度来进行考虑。

由于用户对控制所采用的关键器件PLC等没有特别要求，所以作者采用了自己更为熟系的AB公司PLC产品。

从预留量和日后扩展及通讯兼容需求考虑选择了适合该系统处理器1762-L24BWA。

◆AB公司的Micrologix1200系列小型可编程序控制器，它可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。

由于它多样的开放通讯功能，在大型网络控制系统和工厂控制兼容性中明显优于其他同档位的微型PLC。

◆Micrologix1200的可靠性、可用梯形图、语句表（即指令表）编程。

它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便,尤其适合初学者。

内置有高速计算器、高速输出、PID控制器。

同时Micrologix1200系列微型可编程控制器具有体积小、使用简单、通用性强、快速高效等特点。

它是一种经济的、结构紧凑的、具有增强功能的可编程控制器；控制器包括电源、处理器、集成的输入/输出端子、通信接口；并可通过1762系列I/O模板扩展其输入/输出的类型和能力，适合不同的应用；可支持最大I/O点数为136点，可以扩充6块数字量或模拟量I/O模板；可支持包括EtherNet/IP,DeviceNet,DH-485和RS-232等在内的多种通讯。

◆所选用的处理器1762-L24BWA本身不提供模拟量信号的输入输出，同时也为了满足系统10%的裕量，所以选择一个四通道RTD/热电阻输入模块1762-IR4，一个四个通道的模拟量模块输出模块1762-OF4。

本文所选用的处理器1762-L24BWA本身可提供一个RS-232端口和一个EtherNet/IP端口，而且通过扩展完全支持完全DeviceNet,DH-485和ContrNET等在内的多种通讯，完全可满足通讯和日后扩展或兼容需求。

◆RTD/热电阻输入模块1762-IR4具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，则会产生额外的误差，建议将和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方。

热电阻的接线方式有2线，3线和4线3种。

4线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，2线方式的精度最低，我们选用3线式热电阻接线方式。

需要说明，连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。

该PLC在改变配置后不必将可编程控制器断电再通电，只需通过软件选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。

新的设置就能起作用。

◆整个系统具有开关量输入14点预留6点，开关量输出10点预留4点，模拟量输出4点预留2点。

模拟量输入4点预留两点，这表明硬件点数完全满足当前工艺要求和预留要求。

◆从安全生产角度考虑，本设计紧急停止按钮采用推拉式紧停按钮，其两对常闭

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