聚合釜温度控制系统的设计.docx
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聚合釜温度控制系统的设计
辽宁工业大学
PLC应用技术课程设计（论文）
题目：
聚合釜温度控制系统的设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
测控092班
学号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
2012.6.20～2012.7.3
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
学生姓名
专业班级
测控092班
设计题目
聚合釜温度控制系统的设计
课程设计（论文）任务
设计任务：
氯乙烯在夹套式聚合釜中进行聚合反应，生成聚氯乙烯并放出热量。
为了保证产品质量，工艺要求反应温度控制在51±0.3℃，为此采用调解夹套中流动的冷却水来控制反应温度。
冷却水流量和水温变化均为聚合反应温度的干扰因素，聚合釜容积大，时间常数大，容量时延较大，聚合反应速度比较快。
要求采用PLC作控制器。
采用PID控制算法，温度变送器测量信号为0～100℃，输出信号为4～20mA的电流信号。
设计要求：
1、实现炉温系统温度的PID调节，输入量和输出量标准化采用双极性方案；
2、根据设计任务，选择合适的PLC及I/O扩展模块和显示模块等，完成模拟量输入输出的扩展。
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、完成系统I/O分配表；完成设备、仪表选型；编写炉温控制的PID控制程序；完成监控画面草图；
5、系统的功能完善，结构合理；程序开发要有详细的软件说明书；监控画面友好；给出变频器参数设置的步骤；
6、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：
采用比例积分微分控制，设定值为0.5，回路增益为0.6，采样时间为0.1，积分时间为20，微分时间为10；输出为双极性模拟量，用以控制冷水阀门的开度，可以在0到100%间变化。
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、按系统的控制要求，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
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、反应炉和聚合釜的温度进行控制。
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。
本文分别就聚合釜的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、程序设计等几方面进行阐述。
通过改造聚合釜的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。
关键词：
聚合釜；传感器；PLC；PID调节
第1章绪论
温度测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。
在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
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。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。
温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
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，PLC在这方面却是公认的最佳选择。
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。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。
这也正是本课题所重点研究的内容。
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。
单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。
单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。
基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。
但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。
国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
工控机（IPC）即工业用个人计算机。
IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。
它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。
过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。
影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。
而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。
参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。
在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。
但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。
第2章
课程设计的方案
概述
本PLC温度控制系统的具体指标要求是：
设计一个温度检测调节系统，主要用于聚合釜温度控制。
本系统的给定值（目标值）可以预先设定后直接输入到回路中；过程变量由在冷却水中的一体化温度变送器和一体化流量变送器测量并经变送器给出，为双极性模拟量；用以控制冷水阀门的开度，可以在0到100%间变化。
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:
T
图2.1系统总体框图
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。
当被控对象为聚合釜内温度，温度传感器检测聚合釜内的温度信号，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，从而实现聚合釜温度的控制。
如图2.2所示。
图2.2聚合釜温度控制系统硬件框图
当被控对象为冷却水流量，流量传感器检测冷却水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，从而实现聚合釜温度的控制。
如图2.3所示。
图2.3冷却水流量检测控制硬件框图
当被控对象为冷却水的温度，流量传感器检测燃烧冷却水输送管道内的温度信号，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，从而实现聚合釜温度的控制。
如图2.4所示。
图2.4冷却水温度检测硬件框图
第3章硬件设计
PLC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，选用CPU224使电路控制简单、经济。
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。
系统需要检测一路温度，一路流量，故选择模拟量输入模块EM231。
模拟量输入模块EM231选择电流输入，双极性输出方式，即输入0~20mA电流信号，对应的数字量输出为-32000~+32000，EM231采用二线制—电流接法。
传感器的选择
一体化温度变送器（以下简称温度变送器）由温度传感器和信号转换器组成、信号转换器安装在温度传感器的冷端接线盒内，把温度传感器检测到的电压、电阻信号直接转换成4～20mA电流输出。
结构简单，安装、使用、维修方便，是新一代温度检测、控制仪表，深受广大设计人员和用户的欢迎。
目前已广泛用于石油、化工、冶金、电站、轻工等部门，与调节器、记录仪表、计算机等配套使用，组成各种测量控制系统。
JWB一体化温度变送器是一种接触式测量温度的现场用仪表，通常与其相应的二次仪表或计算机采集测量系统配套使用，可准确测量生产工作过程中各种介质或物体的温度（使用范围-200℃～1600℃）。
JWB一体化温度变送器是在装配式温度传感器的防水或隔爆接线盒内装入放大变送模块，与传感器连接形成一体化，标准输出4～20mADC（两线制）。
整个产品可靠、精确，非常适合各种环境现场的温度测量。
因此本系统选用JWB一体化温度变送器作为温度的检测器件。
图3.1JWB一体化温度变送器
MV10TC系列智能流量/差压/压力多变量变送器是美国KENT-INTRU公司在高精度电容式压力变送器基础上结合国际上通用的流量测量技术,采用现代数字化处理技术开发的新一代高科技产品,集成一体化的差压/压力/温度测量模块，内置各种节流装置数据库，其功能相当于三台现场变送器和一台流量积算仪之和。
本设计系统选用的流量一体化变送器的型号是AYG，具有长期稳定性，高可靠性，使用方便，测量精度高等优点。
图3.2AYG一体化流量变送器
变频器的参数设置
本次设计所选用的变频器是ABB变频器，变频器的参数设定步骤如下：
一、初始化
先按“MODE”键，“L00”改为“L73”,按ENTER键进入，将面板上“0”改为“1”，再按“ENTER”确定写入值。
二、加减速设定按“MODE”键，将面板上“b-00”改为“b-07”按“ENTER”进入，这时面板上显示是加速时间，一般时间大于160秒，设定完以后按“ENTER”确认；在按“上、下”键到“b-08”，按“ENTER”进入，这时显示的是减速时间，一般大于220秒。
再按上下键直到“b-15”的时候，按“ENTER”进入，将面板上“0”改为“1”，按“ENTER”确定写入值。
三、低、中、高三段速度设定1.低速：
按“MODE”键，在面板显示“L-00”时候，按上下键将显示改为“L-29”时候，按“ENTER”键进入，这时面板显示为低速频率，然后按“上、下”键修改数值，按“ENTER”确定写入值。
2、中速：
“L-30”时候是中速，步骤同上；3、高速：
“L-31”时候是高速，步骤同上。
四、频率到达幅度按“MODE”面板显示“L-00”时候，按上下键，改为“L-58”，再按“ENTER”进入，将显示数值改为0.1，按ENTER确定写入值。
第4章基于PLC温度控制系统软件设计
STEP7MICRO/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。
系统PID算法及流程图
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。
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。
PID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
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