plc生产奶粉的干燥器温度控制系统(1).doc

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：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：150Kg H2O/h2、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51.1 课题背景51.2 研究的主要内容5第2章 课程设计的方案62.1 概述62.2 系统设计思路62.3系统参数选择72.4 控制方案设计7第3章 硬件设计93.1 S7-200PLC选型93.2 温度传感器103.3 模拟PID算法简介11第4章 软件设计134.1 控制程序的组成134.2 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2.1 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。2.2 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t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t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3.1 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2S7-200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：CPU221 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。CPU222 它有8 输入/6 输出，I/0 共计 14 点，和 CPU 221 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。CPU224 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。CPU226 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。CPU226XM 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1I0.0启动按钮SB11Q0.0鼓风机2I0.1停止按钮SB22Q0.1调节阀13AIW0温度传感器3Q0.2调节阀24AQW0调节阀3图3.1 I/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032000，双极性模拟信号的数值范围是-32000+320003图3.2 PLC控制电路3.2 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-50600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。3.3 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-state error）。 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（System with Steady-state Error）。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3.3 PID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。4.1 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。4.2 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1 袁宏斌，刘斐，牛双国等.西门子S7-200PLC应用教程M.北京：机械工业出版社，2007.2126.2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，2010.1416.5 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.2010,1:4750.6 龚仲华. S7-200PLC/300/400PLC应用技术通用篇M.北京：人民邮电出版社，2007.323325.7 刘华波.西门子S7-200PLC编程及应用案例精选M.北京：机械工业出版社，2009.58 胡文金.计算机测控应用技术M.重庆：重庆大学出版社，2003.6:147-1499 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，2010.1416.10 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 可行性研究报告概述11.1项目名称11.2项目承担单位11.3项目建设地点11.4可研报告编制单位11.5项目概述及主要经济技术指标1第二章 编制目的、依据、原则和范围52.1编制目的52.2编制依据52.3编制原则52.4可行性研究的范围6第三章 建设的必要性73.1符合国家“十一五”规划纲要和循环经济要求73.2环境保护和节能降耗的需要83.3企业可持续发展的需要9第四章 项目建设条件104.1主体工程概况104.2厂址选择124.3公用设施及社会依托条件12第五章 改造规模与产品方案155.1改造规模155.2生产方案15第六章 生产设备节电技改方案166.1企业能耗现状分析166.2改造设备运行参数166.3技术方案、设备方案176.4项目建议改造方案226.5消耗定额256.6小结25第七章 项目实施机构和项目法人287.1项目实施机构287.2项目法人28第八章 环境保护28第八章 环境保护29第九章 社会经济效益319.1环境效益319.2社会效益31第十章 节约和合理利用能源3310.1节能依据及标准3310.2节能设计原则3310.3能耗分析3310.4节能措施及节能效果分析34第十一章 环境安全与劳动保护3511.1安全3511.2劳动保护36第十二章 生产管理与人员编制3812.1生产管理3812.2人员编制38第十三章 项目实施进度3913.1 建设工期3913.2 项目实施时期各阶段进度建议39第十四章 项目招标方案41第十五章 投资估算及资金筹措4215.1投资估算4215.2资金筹措43第十六章 经济评价4416.1项目周期4416.2成本参数4416.3损益类参数4416.4经济评价结果45第十七章 结论4717.1结论意见及总的评价、存在的问题和建议47