李洪任炉窑温度控制系统的设计最终版.doc
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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）
辽宁工业大学
PLC技术及应用课程设计（论文）
题目：
炉窑温度控制系统的设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化072
学号：
070302039
学生姓名：
李洪任
指导教师：
（签字）
起止时间：
2010.12.22-2010.12.31
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
学号
070302039
学生姓名
李洪任
专业班级
自动化072
课程设计（论文）题目
炉窑温度控制系统的设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
石灰进入石灰窑烧制后形成熟石灰，石灰窑温度是决定熟石灰质量的关键因素。
石灰窑的温度控制需通过调节煤气和空气的流量来实现。
控制系统需完成以下功能：
1、完成高炉煤气的流量控制；2、完成燃烧空气的流量控制；
3、完成冷却空气的流量控制；4、完成上料皮带秤的启停控制；
5、完成炉窑的窑顶预热带、煅烧带和冷却带的温度检测。
设计任务及要求：
1、采用西门子公司200系列PLC；2、方案设计，I/O分配表；
3、硬件设计和软件开发；4、离线运行结果分析；
5、撰写课程设计说明书；
技术参数：
1、温度范围在800-1000℃，各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N；
2、上料皮带电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（1天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；4、程序开发（4天）；5、撰写课设论文（1.5天）；
6、设计结果考核（0.5天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
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
在石灰产品生产的流程中，窑炉烧制是一个非常重要的环节。
石灰窑烧制工业生产过程当中,需要调控的量有很多,最重要的就是高炉煤气流量的控制,燃烧空气流量的控制,冷去流量的控制及上料皮带秤的启停控制,PID调节作为经典控制理论中最典型的闭环控制方法。
本设计对石灰窑炉加热温度调整范围为800℃—1000℃，各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N。
软件设计须能进行人工启动，考虑到本系统控制对象为石灰窑炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。
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。
关键词：
炉窑温度控制；PID算法；PLC编程；
目录
第1章绪论 1
第2章课程设计的方案 2
2.1概述 2
2.2系统组成总体结构 2
第3章硬件设计 5
3.1PLC的选型和硬件配置 5
3.2传感器选择 6
3.3可控阀门及电动机选择 7
第4章基于PLC的炉温控制系统的软件设计 8
4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍 8
4.2系统PID算法及流程图 8
4.2.1PID算法简介 8
4.2.2PID算法的数字化处理 9
4.3I/O口分配 15
4.3主程序清单 15
第5章课程设计总结 23
参考文献 24
第1章绪论
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。
在石灰产品生产的流程中，窑炉烧制是一个非常重要的环节。
某种石灰烧制的工艺，要求窑炉温度从室温升高到1000℃左右，经过长时间恒定高温烧制，最后由1000℃左右降至室温。
在温度变化的过程，石灰窑的温度控制需通过调节煤气和空气的流量来实现，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石灰产品的质量、废品率和厂家的生产成本以及安全。
本文针对石灰窑炉快速升温和恒温的过程，在PID调节方法中，采用西门子S7—200PLC，实现了窑炉温度精确控制的效果。
在工业生产过程当中，常常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量和液位等连续变化的量。
PID调节是经典控制理论中最典型的用于闭环控制系统的调节方法。
第2章课程设计的方案
2.1概述
本PLC温度控制系统的具体指标要求是：
对石灰窑炉加热温度调整范围为800℃—1000℃，各种气体流量范围为2-5m3/h-2200N。
软件设计须能进行人工启动，考虑到本系统控制对象为石灰窑炉，是一个大延迟环节，且温度调节范围较宽，所以本系统对过渡过程时间不予要求。
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。
整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。
系统硬件框图结构如图所示:
石灰石
料斗
振动筛
单斗提升机
炉窑
烟气
除尘机
换热器
抽风机
排空
煤气流量传感器
空气流量传感器
出灰机
煤气
鼓风机
图2.1系统硬件框图
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。
当被控对象为煤气流量，流量传感器检测煤气输送管道内的流量信号，经变送器将流量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。
当被控对象为燃烧空气流量，流量传感器检测燃烧空气输送管道内的流量信号，经变送器将流量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。
当被控对象为冷却空气流量，流量传感器检测冷却空气输送管道内的流量信号，经变送器将流量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。
当被控对象为皮带秤石灰石上料量，皮带秤传感器检测皮带秤上的石灰石料量信号，经变送器将流量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。
可控阀门
石灰窑炉
温度传感器
给定温度
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.2温度系统硬件框图
可控阀门
煤气输送管道
煤气流量传感器
给定流量
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.3高炉煤气系统硬件框图
可控阀门
燃烧空气输送管道
燃烧空气流量传感器
给定流量
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.4燃烧空气系统硬件框图
可控阀门
冷却空气输送管道
冷却空气传感器
给定流量
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.5冷却空气系统硬件框图
可控阀门
上料皮带
皮带秤传感器
给定值
S7-200PLC
CPU运算处理
变送器
图2.6皮带秤系统硬件框图
第3章硬件设计
3.1PLC的选型和硬件配置
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。
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，CPU224XP自带的模拟量I/O规格如表：
表3.1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传感器选择
在此设计中,炉窑窑顶的预热带、燃烧带和冷却带温度由3个热电偶传感器进行采集。
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%）。
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热电偶测温系统简图
流量传感器是对高炉煤气,燃烧空气以及冷却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。
如图3.3。
图3.2法兰式V锥流量传感器FFM61S
3.3可控阀门及电动机选择
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。
可控阀门是对高炉煤气,燃烧空气以及冷却空气流量的控制部件，在此论文中选择电动调节阀。
上料皮带电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。
电机直接带动皮带的转动，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4章基于PLC的炉温控制系统的软件设计
4.1STEP7MICRO/WIN32软件介绍
STEP7-Micro/WIN32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。
4.2系统PID算法及流程图
4.2.1PID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。
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（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。
4.2.2PID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。
其中：
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）
输出=比例项+积分项+微分项
其中：
Mn在第n采样时刻，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回路的偏差值的起一个值
Ki积分项的比例常数
MX积分项前值
Kd微分项的比例常数
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
输出=比例项+积分项+微分项
其中：
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）
其中：
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
Kc增益
Ts采样时间间隔
Ti积分时间
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
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）
其中：
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第n采样时刻的给定值
SPn-1第n-1采样时刻的给定值
PVn第n采样时刻的过程变量的值
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
升级会员 