plc生产奶粉的干燥器温度控制系统1本科学位论文.docx
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plc生产奶粉的干燥器温度控制系统1本科学位论文
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
测控技术与仪器
学号
070301041
学生姓名
黄修刚
专业班级
测控072
课程题目
生产奶粉的干燥器温度控制系统
课程设计（论文）任务
实现功能
设计一个基于PLC的奶粉干燥器温度控制系统。
干燥器的温度变化范围为0到400度，采用PID调节，使其温度恒定在75度。
设计任务及要求
1、根据设计任务，进行系统方案论证，输入量和输出量标准化采用双极性方案，采用PID调节；
2、选择合适的PLC及I/O扩展模块和模拟量模块等；
3、合理选择温度传感器和相应的变送器进行变量的检测和变送；
4、建立I/O分配表，完成梯形图程序设计并上机调试；
5、按统一的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
1、干燥塔直径：
3.300m；进风温度：
0-100℃；蒸发能力：
150KgH2O/h
2、温度设定值：
75℃；采样时间：
30S；输出为双极性模拟量，用以控制加热阀门的开度在0到100%间变化。
3、控制精度1%
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天）
2、确定系统的输入/输出信号和类型，选择PLC主机和扩展模块。
（1天）
3、建立I/O分配表，完成PLC与输入输出信号的外部接线。
（1天）
4、建立系统的控制要求，设计系统的梯形图。
（3天）
5、上机调试、修改程序、答辩。
（2天）
6、撰写、打印设计说明书。
（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。
干燥器是通过加热使物料中的湿分（一般指水分或其他可挥发性液体成分）汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。
干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。
在以PLC控制为核心，干燥器为基础的温度自动控制系统中，PLC将干燥器温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。
文章介绍了基于S7-200温度控制系统的PID调节器的实现。
关键词：
PLC温度控制PID调节器S7-200温度传感器
目录
第1章绪论5
1.1课题背景5
1.2研究的主要内容5
第2章课程设计的方案6
2.1概述6
2.2系统设计思路6
2.3系统参数选择7
2.4控制方案设计7
第3章硬件设计9
3.1S7-200PLC选型9
3.2温度传感器10
3.3模拟PID算法简介11
第4章软件设计13
4.1控制程序的组成13
4.2控制程序设计13
第5章系统测试与分析/实验数据与分析17
第6章课程设计总结19
参考文献20
第1章绪论
1.1课题背景
随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
其中，温度是一个非常重要的过程变量。
例如：
在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。
这方面的应用大多是基于单片机进行PID控制,然而单片机控制的DDC系统软硬件设计较为复杂,特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处,然而PLC在这方面却是公认的最佳选择。
随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的，通过采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此，PLC对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。
这也正是本课题所重点研究的内容。
1.2研究的主要内容
本课题的研究内容主要有：
温度的检测；
采用PLC进行恒温控制；
PID算法在PLC中如何实现；
PID参数对系统控制性能的影响；
第2章课程设计的方案
概述
本次设计是对生产奶粉的干燥器温度控制系统的设计，通过对PLC课程所学的基本理论和基本方法，来掌握简单的PLC系统设计的基本方法。
该系统主要应用于乳制品干燥过程，包括温度检测、电源、调节器和调节阀等部分。
系统功能介绍：
系统通过温度传感器测量干燥器出口温度，从而根据出口温度对奶粉含水量进行控制，是产品达到质量要求。
系统设计思路
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。
整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。
图2.1是喷雾式乳液干燥流程示意图，通过空气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉，已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器去掉凝结快，然后从干燥器顶部喷嘴喷出。
干燥空气经热交换器加热、混合后，通过风管进入干燥器与乳液充分接触，使乳液中的水分蒸发成为乳粉。
成品乳粉与空气一起送出进行分离。
图2.1乳化物干燥器干燥原理图
2.3系统参数选择
按照生产工艺要求，产品质量取决于乳粉的水分含量。
湿度传感器测量精度低、滞后大，要精确、快速测量乳粉的水分含量十分困难。
而乳粉的水分含量与干燥器出口温度关系密切，而且为单值对应关系。
实验表明，干燥器出口温度偏差小于±2℃时，乳粉质量符合要求，因而可选择干燥器出口温度为（间接）被控参数，通过干燥器出口温度控制实现产品质量控制。
影响干燥器出口温度的变量有乳液流量[记为f1（t）]、旁路空气流量[记为f2（t）]，、加热蒸汽流量[记为f3（t）]三个因素，并通过图2.1中的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。
选择其中的任意一个作为控制变量，都可实现干燥器出口温度（被控参数）的控制。
2.4控制方案设计
分别以三个控制变量作为控制变量，可得到如下三种不同的控制方案
方案一以旁通冷风流量f2（t）为控制变量（由调节阀2进行控制），对干燥器出口温度进行控制。
图2.2以旁路冷风流量为被控变量结构框图
从图2.3可以看出，由调节阀2控制的旁路冷风流量f2（t）经过混合和滞后[Gm（s）]之后进入干燥器。
由于一阶惯性环节Gm（s）时间常数Tm和纯滞后的滞后因素，控制通道有一定滞后，控制变量对干燥器出口温度的控制不够灵敏。
干扰f1（t）进入控制通道的位置距调节阀2较远，干扰通道环节少，故其引起的动差较大；干扰f3（t）进入控制通道的位置距调节阀2很近，干扰通道环节多，其引起的动差小而且平缓。
方案二以加热蒸汽流量f3（t）为控制变量（由调节阀3进行控制），对干燥器出口温度进行控制。
图2.3以加热蒸汽流量为控制变量结构框图
从图2.4可以看出，由调节阀3控制的蒸汽流量对流过热交换器的空气加热[Gh（s）]，热空气经过混合和滞后[Gm（s）]之后进入干燥器。
由于有Gh（s）两个时间常数Th1和Th2、Gm（s）的时间常数Tm、风管纯滞后多种因素共同影响，控制通道的时间滞后很大，控制变量f3（t）对干燥器出口温度的控制作用慢；干扰f2（t）进入控制通道的位置距调节阀3较远、干扰f1（t）进入控制通道的位置距调节阀很远，二者干扰通道环节少，引起的动差大。
综上，本次设计选方案一
第3章硬件设计
S7-200PLC选型
S7-200系列PLC是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用[2]
S7-200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。
并可以将这些模块安装在同一机架上。
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。
输入信号
输出信号
1
I0.0
启动按钮SB1
1
Q0.0
鼓风机
2
I0.1
停止按钮SB2
2
Q0.1
调节阀1
3
AIW0
温度传感器
3
Q0.2
调节阀2
4
AQW0
调节阀3
图3.1I/O地址分配表
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]
图3.2PLC控制电路
温度传感器
温度传感器有四种主要类型：
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。
其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。
其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。
校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值[4]。
常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。
常用的采样电路有两种：
一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。
本设计采用的就是三线制接线。
由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。
本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。
模拟PID算法简介
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[5]。
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[6]。
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（Steady-stateerror）。
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。
模拟PID控制系统框图：
图3.3PID模拟控制系统框图
PID控制器的微分方程和传递函数形式为:
第4章软件设计
硬件设计完成过后，就需要进行软件设计，通过软件设计使得系统能满足设计的要求，因此软件设计在设计的过程中也是相当的重要。
有了好的合适的程序才能使系统发挥其最大的优势，来调节加热炉的温度。
控制程序的组成
控制程序主要由温度采集程序、数据滤波程序、PID控制程序组成，温度采集程序的作用是将温度值转换成PLC能够识别的数值。
数据滤波程序是为了消除干扰对测量结果的影响，在PID控制前，需要对采集的数据进行处理，这样是为了避免由于外部的干扰而导致PID运算出错。
因此，滤波程序是非常的重要的。
控制程序设计
图4.1梯形图
第5章系统测试与分析/实验数据与分析
对于单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统的主动量来说，可按单回路控制系统的整定方法和要求来进行。
一般希望主动量回路的过渡过程变化缓慢一些，以便从动量得以跟踪上。
变比值控制系统结构上属于串级控制系统，因此其主调节器的参数可按串级控制系统进行整定。
而从动量回路实质上是一个随动系统，要求从动量能迅速、准确地跟踪主动量变化，而且不宜有过大超调。
从动量回路的过渡过程整定非周期临街状态为最佳，此时从动量回路的过渡过程既不震荡有反应最快。
从动量回路控制器参数整定步骤如下：
1、根据计算的比值系数K'在满足工艺生产流量比的情况下，将比值控制系统投入进行。
2、将积分时间厂商置于最大，有大到小改变调节器的比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程。
3、若有积分作用，则适当的加大比例度，投入积分作用，并减小积分时间，知道系统出现振荡与不振荡的临界过程。
空气流量测量仪表为线性单元，动态滞后可忽略，则有：
（5.1）
温度测量环节用一阶环节来近似：
（5.2）
假设
对于调节阀，由于其流量特性为直线和等百分比，故
对于调节阀控制流量对象，控制通道和扰动通道的动态特性为：
（5.3）
假设
，
，
，流量调节阀前压力波动为
对于流量控制干燥器温度对象，控制通道和扰动通道的动态特性为
（5.4）
假设
由此经过调试可得到仿真图
第6章课程设计总结
本设计研究了干燥器的温度控制系统，系统采用西门子的S7-200PLC为控制器，运用了PID算法对炉内温度进行控制，最后可在监控的触摸屏画面上准确的观测到温度的实时变化。
该系统采用S7-200PLC对电炉温度进行控制，通过学过的PLC课程，对S7-200有了基本的了解。
实际操作起来能够更好的掌握。
对于该类PLC配套的人机界面设计也是非常方便的，可以通过人机界面方便的监控PLC的运行状态。
本设计的系统虽说成功的实现了电炉内部的恒温控制，但在系统的设计中也存在一些问题，如：
PID参数的整定，利用PLC内部功能模块对PID参数进行整定的时，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数的自整定需要花很成长的时间；系统的硬件部分过于复杂，该系统在PLC的输入和输出端都需要加变送器，使得整个系统硬件过于繁杂。
这些问题都是需要进一步研究改进的。
参考文献
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机械工业出版社，2007.21~26.
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