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导热油温度控制系统的设计

设计任务：
导热油主要用于化工生产过程的热载体，可以用于加热或者冷却。这个系统包括：冷油循环系统和热油循环系统。本课设要求设计热油泵和油加热器组成的热油循环系统，用蒸汽实现对导热油的换热过程，工作过程为：当导热油的温度过低时，利用采集的蒸汽流量信号来调节蒸汽的流量控制导热油的温度；当导热油温控制稳定后利用导热油温度控制蒸汽量大小，用以保护设备的安全。
设计要求：
1、根据控制要求进行方案选择论证，即分析系统功能，确定系统的输入/输出信号及类型，选择PLC主机、、流量传感器和蒸汽阀以及相应的PLC扩展模块，并设计PID算法；
2、根据输入/输出信号建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的的外部接线；
3、按系统的控制要求，设计系统的梯形图；
4、上机调试、完善程序；
5、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
1、温度测量范围：0—400℃ ；蒸汽流量检测精度：，±1%；
2、控制温度：260℃；控制精度：0.5％；
3、温度最大值：300℃，越限报警。

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，选择传感器型号。（1天）
3、建立I/O分配表，完成PLC与输入输出信号的的外部接线。（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）

平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字：
总成绩： 年 月 日
摘 要
本系统是基于PLC S7-200控制的导热油温度控制系统。
根据测温范围，选择热电偶温度传感器检测导热油温度，经温度信号经过扩展模块EM235传送到CPU224进行分析处理，由于热电偶输出的是微弱的电压信号，所以要经过放大器件和电压/电流转换器件,将信号放大并转换成电流信号才可传送到扩展模块。运用PID运算，实现对电动执行阀开度的控制。当导热油的温度过低时，阀门开度增大，蒸汽流量增大，温度升高。同时将法兰式V锥流量传感器FFM61S传送的流量值进行三位LED循环显示。
关键词：PID；热电偶；S7-200；

目 录
第1章 绪论 1
第2章 课程设计的方案 2
2.1 系统分析 2
2.2 PLC选型 2
2.3 扩展模块的选择 3
2.4 流量传感器的选择 3
2.5 调节阀的选择 3
2.6 PID算法 4
第3章 硬件设计 5
3.1 外部接线图 5
3.2 I/O分配 5
第4章 软件设计 6
4.1 初次上电 6
4.2 子程序 7
4.3 中断程序，PID的计算 8
第5章 系统测试与分析 11
第6章 课程设计总结 12
参考文献 13

绪论人类社会已经进入了工业高度发达的时代，现在我们对各种工业产品的要求已经从原来的量向质转变，对各种工业产品的要求越来越高，因此，对各种生产设备及过程控制的要求也越来越严格，对各种工业生产环境的要求也越来越高。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。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。
可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜， 可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。
目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍然是常规的PID控制。PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领 域的常青树。
本文导热油温度控制过程，在PID调节方法中，采用西门子S7-200 PLC，实现了导热油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法来控制温度、压力、流量和液位连续变化的量。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1章 课程设计的方案
1.1 系统分析PLC选型
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。
控制核心采用CPU224，提供数字量输入点数14点，数字量输出点数10点(提供给扩展单元DC5V电流能力为660mA)，完全满足系统的数字量和开关量输入输出点数的要求。CPU224本身不具备模拟量输入和输出单元，但与CPU221相比，CPU224可扩展七个模块，内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力。

图2.1 S7-200 CPU224主机
1.2 扩展模块的选择
在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。本文选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。EM235 模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±80mV范围。
CPU224
EM235

图2.1 CPU与EM235连接图
1.3 流量传感器的选择
流量传感器是蒸气流量的检测部件，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。
1.4 调节阀的选择
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。因此论文中选择电动调节阀。
1.5 PID算法
1.PID控制器的组成
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：
公式（3-1）
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋ偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋ太大时，系统会趋于不稳定。Ｋ太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋ可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋ的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋ的符号就一定要取反。

第2章 硬件设计
2.1 外部接线图
硬件外部接线如图3.1所示，CPU224输出端子Q0.1-Q0.6接发光二级管，用来显示流量值。Q0.7接红灯，用来作为报警显示。1L、2L、3L接L1，然后接220V电源。启动开关接L+。

图3.1 外部接线图
2.2 I/O分配
表3.2 I/O分配表
模块名称
地址编号
信号名称

CPU224
I0.0
启动按钮
Q0.0
段码显示A段
Q0.1
段码显示B段
Q0.2
数码显示C段
Q0.3
段码显示D段
Q0.4
段码显示E段
Q0.5
段码显示F段
Q0.6
段码显示G段
Q0.7
报警指示灯
EM235
AIW0
流量信号输入
AIW2
温度信号输入
第3章 软件设计
3.1 初次上电
1)读入模拟信号，并把数值转化显示锅炉的当前电压
2)判断导热油温度是否在正常范围，打亮温度越上限报警指示灯

调用子程序

3.2 子程序
1）输入设定温度
2）把设定温度、P值、I值、D值都导入PID
3）每100ms中断一次子程序进行PID运算

3.3 中断程序，PID的计算

把流量值进行段码显示。

第4章 系统测试与分析

图5.1 实验现象图

第5章 课程设计总结
温度控制一直是工业控制中的一个最重要最常见的被控变量，随着PLC的发展，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，适应温控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。
在设计中，采用功能强、安全系数高的德国SIEMENS SIMATIC S7-200可编程控制器来实现印染定型机温度控制系统控制，西门子最大的优点就是稳定性好、安全系数高，常常可以无故障工作好几年，而且就算是哪里坏了也只要换其中的一个模块，既方便又经济。
根据环境的需要，选用K型热电偶做为温度传感器，较之其他温度传感器，热电偶能直接测量液体表面温度，减小人为误差，并且满足测量温度范围，化学性质稳定，较低温度漂移和零点漂移。有较强的实用性和经济性，在工业生产中应用广泛。设计基本上达到了设计目的,利用PLC实现了对的各种控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了温度控制系统的可靠性。
该温度控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时我们用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。还有人机界面内容不够丰富，若再加上报表系统、打印功能的话，那就更完美了。
通过本次课程设计，主要培养了我的综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计，进行工程知识和工程技能的综合训练，使我们一走上工作岗位，就具有较强的应用生产现场正在使用和近期可能推广使用的技术去解决工程实际问题的能力。

参考文献
[1] 卢金鼎．机电一体化技术[M]．北京：中国轻工业出版社，1988: 38-135
[2] 张凤珊.电气控制及可编程序控制器（第二版）．北京：中国轻工业出版社，1999:4-100
[3] 吴丽.电气控制与PLC实用教程.北京.黄河水利出版社，1997:40-155
[4] 梅丽凤，郑海英.电气控制与PLC应用技术.北京.机械工业出版社，2011:278-286
[5] 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术.北京.高等教育出版社，2009:12-89
[6] 胡林芳.定型机温度检测系统设计—《仪器仪表用户》2006年05期