生产奶粉干燥器温度控制系统1.docx
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生产奶粉干燥器温度控制系统1
辽宁工业大学
PLC课程设计（论文）
题目：
生产奶粉的干燥器温度控制系统
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
测控072班
学号：
070301041
学生姓名：
黄修刚
指导教师：
郑海英
起止时间：
2010.12.13-2010.12.24
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.
[2]李方园.西门子S7-200PLC从入门到实践[M].北京:
电子工业出版，2010.143.
[3]陈忠平，周少华，侯玉宝，李锐敏.西门子S-7200系列PLC自学手册[M].北京：
人民邮电出版社，2008.8.
[4]向晓汉等.西门子PLC高级应用实例精讲[M].北京：
机械工业出版社，2010.14~16.
[5]曾喜娟,庄其仁,吴志华.基于S7-200PLC的PID参数自整定方法[J].控制与检测.2010,1:
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人民邮电出版社，2007.323~325.
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机械工业出版社，2009.5
[8]胡文金.计算机测控应用技术[M].重庆：
重庆大学出版社，2003.6:
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[9]向晓汉等.西门子PLC高级应用实例精讲[M].北京：
机械工业出版社，2010.14~16.
[10]S7-200PLC可编程控制器系统手册[M].西门子公司,2004:
160-162
目录
第一章总论1
1.1项目名称与承办单位1
1.2研究工作的依据、内容及范围1
1.3编制原则3
1.4项目概况3
1.5技术经济指标5
1.6结论6
第二章项目背景及建设必要性8
2.1项目背景8
2.2建设的必要性9
第三章建设条件11
3.1项目区概况11
3.2建设地点选择错误！
未定义书签。
3.3项目建设条件优劣势分析错误！
未定义书签。
第四章市场分析与销售方案13
4.1市场分析13
4.2营销策略、方案、模式14
第五章建设方案15
5.1建设规模和产品方案15
5.2建设规划和布局15
5.3运输18
5.4建设标准18
5.5公用工程20
5.6工艺技术方案21
5.7设备方案21
5.8节能减排措施24
第六章环境影响评价25
6.1环境影响25
6.2环境保护与治理措施26
6.3评价与审批28
第七章项目组织与管理29
7.1组织机构与职能划分29
7.2劳动定员29
7.3经营管理措施30
7.4技术培训30
第八章劳动、安全、卫生与消防31
8.1编制依据及采用的标准31
8.2安全卫生防护原则31
8.3自然灾害危害因素分析及防范措施32
8.4生产过程中产生的危害因素分析及防范措施32
8.5消防编制依据及采用的标准34
8.6消防设计原则35
8.7火灾隐患分析35
8.8总平面消防设计35
8.9消防给水设计36
8.10建筑防火36
8.11火灾检测报警系统37
8.12预期效果37
第九章项目实施进度38
9.1实施进度计划38
9.2项目实施建议38
第十章项目招投标方案40
10.1招标原则40
10.2项目招标范围40
10.3投标、开标、评标和中标程序40
10.4评标委员会的人员组成和资格要求42
第十一章投资估算和资金筹措43
11.1投资估算43
11.2资金筹措及使用计划45
第十二章财务评价47
12.1费用与效益估算47
12.2财务分析48
12.3不确定性分析49
12.5财务评价结论50
第十三章建设合理性分析51
13.1产业政策符合性分析51
13.2清洁生产符合性分析51
13.3规划符合性分析51
13.4项目建设环保政策符合性分析51
13.5环境承载性分析51
13.6结论52
第十四章结论与建议53
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