课程设计基于PLC的电加热炉温度控制系统设计.docx
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课程设计基于PLC的电加热炉温度控制系统设计
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。
因为其效率高、无污染、自动
化程度高,稳定性好的优点,冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用
电加热炉对温度进行控制。
而传统的加热炉普遍采用继电器控制。
由于继电器控
制系统中,线路庞杂,故障查找和排除都相对困难,而且花费大量时间,影响工
业生产。
随着计算机技术的发展,传统继电器控制系统势必被 PLC 所取代。
二十
世纪七十年代后期,伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展,也使得PLC
具有了计算机的功能,成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置,在温度
控制领域可以让控制系统变得更高效,稳定且维护方便。
在过去的几十年里至今,PID 控制已在工业控制中得到了广泛的应用。
在工
业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)中位居第一。
由于其原理简
单 、使用方便、适应能力强,在工业过程控制中 95%甚至以上的控制回路都采
用了 PID 结构。
虽然后来也出现了很多不同新的算法,但 PID 仍旧是最普遍的规
律。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅
炉,中国到八十年代中期才开始起步,对电加热炉的生产过程进行计算机控制的
研究。
直到九十年代中期,不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉,可以
说发展缓慢,而且对于国内的温度控制器,总体发展水平仍不高,不少企业还相
当落后。
与欧美、日本,德国等先进国家相比,其差距较大。
目前我国的产品主
要以“点位”控制和常规PID 为主,只能处理一些简单的温度控制。
对于一些过
程复杂的,时变温度系统的场合往往束手无策。
而相对于一些技术领先的国家,
他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂,参数时变的温度控制
系统。
并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。
近年来,伴随着科学技术的不断快速发展,计算机技术的进步和检测设备及
性能的不断提升,人工智能理论的实用化。
因此,高精度、智能化、人性化必然
是国内外必然的发展趋势。
1.3 项目研究内容
以 PLC 控制为核心,PLC 将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的
偏差,经过 PID 运算后得到的信号控制输出电压的大小,采用 PID 算法,运用
PLC 编程语言编程,从而调节加热器加热,实现温度的自动控制。
由两个或两个以上的控制器串联,一个控制器的输出是另一个控制器的设定
而组成的串级控制系统。
改善了主回路的响应速度。
主调节器具有“细调”作用,
副调节器具有“粗调”作用,从而改善了系统的品质。
第二章 系统设计
2.1 系统的过程控制设计
在本系统中若采用以原料出口温度为被控量的单回路系统,由于在加热炉的
过程控制中存在着时间滞后和容量滞后,系统不能立即感知。
直到经过大容量滞
后,才能反映到原料的温度变化。
系统的控制作用才开始反映,但为时已晚。
同
样,控制器的动作也必须经过较大的容量滞后才能开始对输出的改变做出调整,
导致系统的品质变差。
因此,增设炉膛温度作为另一个被控参量,构成串级控制系统,如图
5-1
+
+
C2
C1
主调节器
副调节器
可控硅 炉膛
出口
—
—
副变送器
主变送器
图 5-1 串级系统控制框图
当原料温度变化时,首先使得炉膛温度 C2 发生变化。
而出口处的原料温度 C1
还没有发生变化。
因此,主调节器输出不变,炉膛温度测量值发生变化。
通过副
变送器反馈到副调节器。
通过可控硅控制加热元件的电流大小,使电炉保持在设
定的温度工作状态。
与此同时,炉膛温度的变化也会引起管壁的温度变化,从而影响出口 C1 温度
的变化,使主调节器的输出发生变化。
由于主调节器的输出就是副调节器的输入,
而副调节器的输出直接控制可控硅导通角的大小,进一步加速了控制系统的调节
过程,使主被控量即加热炉出口温度恢复到设定值。
2.1.1 控制系统的性能[1]
⑴对二次扰动的抑制能力强,当二次扰动产生后,副被控量首先检测到扰
动的影响并及时控制操作变量,使副被控量恢复到设定值。
从而使扰动对主被控
量的影响减小,即副回路对扰动进行粗调,主回路对扰动进行细调。
⑵串级控制系统由于有副回路的存在改善副对象的动态特性,从而提高了
整个系统的动态特性。
⑶串级控制系统由于副回路性能的改善,主控制器的比例带可以变得更窄,
从而提高了系统的工作频率,即提高了系统的快速响应能力。
⑷有一定的自适应能力。
在副回路的作用下,包括控制阀在内的副对象在
操作条件和负荷变化时,其特性变化对系统的影响显著地削弱了。
2.2 控制器的设计
2.2.1 控制器的控制规律选择
PID 控制器是应用最广泛的一种控制器。
包括 P 控制器、PD 控制器,PI 控制
器及完整的 PID 控制器。
P 的作用是增加开环增益,降低系统的稳态误差,提高
控制精度,但缺点是会使系统变得不稳定。
I 的作用是消除静差,但有过调现象
且不及时。
D 的作用是增加系统的稳定性,但同时也放大了系统的高频噪声。
可
见,合理运用才能使系统的效益最大化。
1)比例(P)控制
比例控制是最简单的工作方式。
其控制器输入与输出的误差信号成比例关系。
比
例控制器的传递函数为:
G (S)=K
c
P
(2.1)
其中:
Kp 称为比例系数或增益。
其倒数称为比例带,也称比例度。
2)比例积分(PI)控制
具有比例加积分的控制规律的控制称为比例积分控制,即 PI 控制。
可减少或消
除系统的稳态误差,改善系统的稳态性能,但存在过调现象而且不及时,存在滞
后。
PI 控制的传递函数及输出信号为:
G (S)=K +K /Ti·1/S=K (S+1/Ti)/S(2.2)
cPPP
u(t)=K e(t)+K /Ti∫ te(t)d(t)(2.3)
pP0
其中:
Kp 为比例系数Ti 称为积分时间常数
3)比例微分(PD)控制
具有比例加微分的控制规律的控制称为比例微分控制,即 PD 控制。
它能改善系
统的动态特性,但具有放大高频噪声的缺点。
PD 控制的传递函数及输出信号为:
G (s)=K +K τS(2.4)
cPP
u(t)=K e(t)+K τde(t)/dt(2.5)
PP
其中:
K 为比例系数τ 为微分时间常数
P
4)比例积分微分(PID)控制
具有比例加微分和积分的控制规律的控制称为比例积分微分控制,即 PID 控制。
PID 控制具有提高系统稳定性能的优点外,还可以还改善系统的动态性能,消除
误差,缩小超调量,加快反映速度。
PID 控制的传递函数及输出信号为:
G (S)=K +K /Ti·S+K τs(2.6)
cPPP
u(t)=K e(t)+K /Ti∫ te(t)dt+K τde(t)/dt (2.7)
PP0p
其中:
K 为比例系数Ti 称为积分时间常数τ 称为微分时间常数三者都是
P
可调常数。
因为采用串级控制,所以有主副调节器之分。
主调节器起定值作用,副调节
器起随动作用。
原料的出口温度是系统的重要指标,它的允许波动的范围小,且
温度控制系统是容量滞后较大的系统,故主控制器选用 PID 控制,而副控制量采
用 P 控制,因为副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格,允许有余差,故
副控制器选用 P 控制就行。
这时如果引入积分就可能会降低副回路反应的快速性
影响控制效果。
2.2.2 主、副控制器的正反作用选择
副调节器作用方式的确定:
从锅炉的设备和安全出发,一旦系统故障就应自
动切断燃料供应。
所以可控硅输出电压选用气开式,调节阀的静态放大系数 Kv
大于 0。
然后确定副被控过程的 K2。
当可控硅的导通角增大,电压增大,炉膛水
温上升,被控对象为正作用,所以 K2 大于 0。
再确定副调节器,为保证回路是
负反馈,各环节的静态放大系数极性相乘必须为负,所以副调节器 K2 小于 0,
副调节器的作用方式为反作用方式
主调节器作用方式的确定:
炉膛水温升高,出口温度也升高,被控对象为正
作用,所以 K1 大于 0。
为保证主回路为负反馈,各环节的放大系数相乘必须为
负,所以主调节器的放大系数 K1 小于 0。
主调节器的作用方式为反作用方式。
2.3 系统组成
本系统的结构框如图 2-2 所示
变送器热电偶
锅
P
L
C
炉
可控硅
图 2-2 系统组成的结构框图
系统选用 S7-300PLC 为控制器,用热电偶检测炉温,温度变送器将热电偶输
出的微弱信号转换为标准信号。
然后送给模拟量输入模块,经 A/D 转换成数字量。
CPU 将它与温度设定值作比较,并按 PID 控制算法对误差进行运算,将结果送给
模拟量输出模块,经 D/A 转换变为模拟信号。
用来控制可控硅的导通角大小,从
而调节电热丝的加热,改变温度大小。
第三章 硬件设计及网络结构
3.1 可编程控制器概述
可编程控制器简称 PLC,它几乎完全占领了工业控制领域。
由于 PLC 的应用
面广、功能强大、使用维护方便,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一,在
工业生产的所有领域得到了广泛的使用。
PLC 有两种工作状态,即运行(RUN)状态和停止(STOP)。
其中运行状态是
执行应用程序的状态,在 CPU 执行启动操作时,清除没有保持功能的位存储器,
定时器和计数器,清除堆栈内容等。
再执行一次启动组织块 OB100,它由用户编
写,即完成对指定的初始化操作。
之后反复不断地重复执行用户程序。
停止状态
一般用于程序的编制与修改。
除了执行用户程序外,PLC 还要完成启动循环时间监,数据写入输出模块,
读取输入模块状态,并存入输入过程映像区;在系统循环结束时,接着执行所有
挂起的任务。
最后返回第一阶段。
各个阶段如图 3-1 所示
执行 OB100
启动循环时间监控
数据写入输出模块
读取输入模块状态
执行用户程序
执行其他任务
图 3-1 扫描过程
PLC 的特点如下:
⏹可靠性高,抗干扰能力强,适应性强。
⏹系统的安装、设计和调试工作量小,维护方便。
⏹硬件配套齐全,编程方便易学,操作方便。
⏹体积小,功能强大,能耗低,性价比高。
3.2 S7-300 的输入输出模块
S7-300 属于模块式 PLC,主要由 CPU 模块、电源模块、输入输出模块组成(图
3-2)。
各种模块安装在机架上,通过通信模块,PLC 可以与计算机,其他 PLC 或
其他设备进行通信。
电源模块接口模块扩展机架
输
入
模
块
CPU
模块
通信接口
输
出
模
块
通信网络
其他设备
其他 PLC 计算机
图 3-2 PLC 基本结构
➢模拟量输入模块
在温度控制系统中,传感器将检测到的温度信号转换成 4~20mA 的电流信号。
模拟量输入模块 SM331 用于将模拟量信号转换为 CPU 内部处理的数字信号。
其主
要组成部分是 A/D 转换器。
模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器的标
准输出信号。
为了减少电磁干扰,传送模拟信号时使用双绞屏蔽电缆。
模拟信号电缆的屏
蔽层两端接地,如果电缆两端存在电位差,将会造成对模拟信号的干扰。
在这种
情况下,将电缆的屏蔽层一点接地。
➢模拟量输出模块
模拟量输出模块 SM332 用于将 CPU 送给执行元件的数字信号转换成成比例的
电流信号,其主要部件是 D/A 转换器、
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流或电压,模拟信号使用屏蔽电缆或
双绞线电缆来传送。
➢数字量输入模块
数字量输入模块 SM321 用于连接外部的机械触点和电子式传感器,比如接近
开关,二线式开关等。
数字量输入模块把外部传来的数字信号转换为 PLC 的内部
信号,输入电路中一般含有 RC 滤波器,防止由于外部干扰而引起的错误信号输
入。
输入电流一般为几毫安。
➢数字量输出模块
数字量输出模块 SM322 用于驱动接触器,灯等小功率电机负载。
数字量输
出模块将 PLC 的内部信号转换为控制过程所需的外部信号。
具有隔离和功率放大
作用,其功率放大元件如大功率晶体管和场效应晶体管,固态继电器,驱动交流
负载的双向晶体管等。
输出电流一般为 0.5~2A
3.3 温度传感器
温度传感器是最早开发,应用最广的一种传感器。
它是把检测到的温度转化
为电量的装置。
按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶,热电偶是
将温度转化为电势的变化,而热电阻是将温度的变化转化为电阻的变化。
✧ 热电阻
热电阻是金属导体的电阻随温度的增加而增加的这一特性来测量温度的,是
测量低温的温度传感器,一般测量温度在-200~800℃。
热电阻由金属材料制成,
应用最广的是铂和铜。
热电阻式温度传感器有如下特点:
优点:
1)准确度高 2)输出信号大,灵敏度高。
3)测量范围广,稳定性好。
4)输出线性好 缺点:
1)抗机械冲击与振动性能差 2)元件结构复杂,热响应时
间长,不适宜测量温度瞬变区域。
✧ 热电偶
将两种不同的金属导体焊接在一起,构成闭合回路。
在焊接端(测量端)加
热产生温差,就会在回路里产生热电流,相应地产生热电动势。
这种以测量
热电动势的方法来测量温度的元件称为热电偶。
一般测量范围在400 ~
1800℃。
热电偶温度传感器有如下特点:
优点:
1)结构简单,制造容易 2)价格便宜 3)准确度高 4)测量范围广,
能适应各种测量对象的要求,远距离测量和控制 5)具有极高的响应速度,
可以测量极速变化的过程 缺点:
灵敏度较低,容易受到环境干扰的影响。
本设计使用镍镉-镍硅 N 型热电偶,具有线性度好,热电动势大,灵敏度
稳定性均较好的优点。
3.4 温度变送器
变送器用于将传感器提供的电量转换为标准量程的直流电流或直流电压
信号。
例如 DC0~10V 和 4~20mA。
变送器分为电流输出型和电压输出型。
PLC
模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高。
如果变送器距离 PLC 较远,
传送模拟量电压信号时抗干扰能力会很差。
当 PLC 的模拟量输入模块输入电
流时,产生的干扰较小,所以模拟量电流信号适合于远距离传送。
本设计选
用电流输出型。
3.5 温度控制器
本设计采用可控硅作为开关元件,可以避免传统继电器的频繁吸合造成
损坏的问题。
而且具有动作快,寿命长,可靠性好等优点。
通过将可控硅的
导通角大小来调节输出功率,从而控制主回路加热元件电流大小,使加热炉
保持在设定温度工作状态。
可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成,主
回路由可控硅、快速熔断器,加热元件等部分组成。
控制回路由电源、热电
偶、PID 调节器等部分组成。
3.6 系统网络结构
西门子的 STMATIC NET 网络系统可分为四层,如图 3-3
工业以太网
工业以太网
管理层
单元层
现场层
执行器—传感器
图 3-3 网络系统
Profibus
Profibus
AS-i
1.现场层是通过连接如分布式 I/O、执行机构、传感器和开关等现场设备,完
成现场设备控制及设备的连接控制。
西门子网路系统将执行器与传感器单独分一
层,并使用 AS-i 网络。
2.单元层 单元层又称车间监控层,用来连接车间的生产设备,实现车间级设
备的监控,设备故障报警及维护等。
单元层(车间监控)网络采用 PROFIBUS-FMS
或工业以太网。
PROFIBUS-FMS 是一个多主网络,能传送大量信息。
3 管理层 车间操作员工作站可以通过集线器与车间办公管理网连接。
通过工
业以太网将车间产生的数据传送到车间管理层。
工厂管理层通常采用 TCP/IP 通
信协议标准,即符合 IEC802.3 标准的以太网。
S7-300PLC 有 PROFIBUS-DP 和工业以太网的通信模块以及点对点通信模块。
通过 PROFIBUS-DP 或 AS-i 现场总线,CPU 与分布式 I/O 模块之间周期性地自动
交换数据。
3.6.1 PROFIBUS 现场总线
现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的
数字式串行多点式通信的数据总线,具有如下优点:
1)现场总线使自动控制设备和系统组成了一个信息网络
2)多个控制设备可共用一对双绞线,便于节省费用。
3)具有维护方便,系统可靠性高。
4)用户可以灵活地自由集成系统。
工业现场总线 PROFIBUS 是用于车间级监控(单元层)和现场层的通信系统。
PROFIBUS 是不依赖于生产厂家、开放式的现场总线,各种各样的自动化设备都
可以通过同样的接口交换信息。
PROFIBUS 由三部分组成,即分布式外围设备
PROFIBUS-DP,用于自动化系统中单元级控制设备与分布式 I/O 的通信;报文规范
PROFIBUS-FMS,它定义了主站与主站之间的通信模型,用于系统级和车间级的不
同级之间供应商的自动化系统之间传输数据;过程自动化 PROFIBUS-PA,用于过
程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输。
其中 PROFIBUS-DP 应用最广。
S7-300PLC 可以通过集成在 CPU 上的 PROFIBUS-DP 接口连接到 PROFIBUS-DP
网络上,具有快速、高效、低成本等优点及可以进行组态、诊断和报警处理。
PROFIBUS-DP 设备可以分为三类不同类型的设备:
1 类 DP 主站(DPM1)是系统的
中央控制器,与 DP 从站循环地交换信息,对总线通信进行控制和管理;2 类 DP
主站(DPM2)是 DP 网路中的编程、诊断和管理设备,除了具有 DPM1 的功能外,
在与一类 DP 主站进行数据通信时可以读取 DP 从站的输入/输出数据和当前组态
数据,可以给 DP 从站分配新的总线地址;3 类 DP 从站是进行输入信息采集和输
出信息发送的外围设备,它只与组态它的 DP 主站交换用户数据,可以向该主站
报告本地诊断中断和过程中断。
[]
本系统采用插有 PROFIBUS 网卡的 PC 机作为 1 类主站,PC 机上装有程序编程
软件 STEP7,用 PC 机和 MCGS 组态软件作监控操作站,连接在 PROFIBUS 总线上,
可以完成远程编程组态以及在线监控功能。
西门子 ET-200M 作为从站,ET-200M
是模块化分布式 I/O,具有集成的模块诊断功能。
3.6.2 MPI 网络
MPI 是多点接口的总称,每个 S7-300CPU 都集成了多点接口的通信协议,其
物理层是 RS-485,最大传输速率为 12M bit/s, 两个相邻节点最大传输距离为
50m。
PLC 通过 MPI 可以访问功能模块,可以自动广播其总线参数组态,可以与
多个设备同时建立通信连接,连接的设备有运行 STEP7 的 PC 机,HMI,及西门子
其他型号的 PLC。
联网的 CPU 可以通过 MPI 接口实现全局数据(GD)服务,周期性地相互进行数
据交换。
西门子有两种 MPI 连接器,一种有 PG(编程器)接口,另一种则没有
PG 接口,在 PC 机上插上了一块 MPI 卡或使用 PC/MPI 适配器。
3.6.3 AS-i 网路
执行器传感器接口 AS-i 网路,用于传感器和执行器的双向数据通信网路。
位
于自动控制系统最底层的网路。
AS-i 用于连接需要传送开关量的传感器和执行
器,比如读取温度开关的状态,控制各种阀门等,也可以传送模拟量数据。
AS-i 属于主从式网路,每个网段只能有一个主站,主站是网路通信的中心,
用于网路的初始化,设置从站的地址和参数等。
AS-i 从站是 AS-i 系统的输入通
道和输出通道。
CP343-2 通信处理器用于 AS-i 主站。
AS-i 的从站由专用的 AS-i
通信芯片和传感器、执行器部分组成,带有集成的 AS-i 连接的传感器和执行器
可以直接连接到 AS-i 上。
第四章 软件设计
4.1 STEP7 编程软件
STEP7 编程软件是由西门子公司设计开发,具有提供编程、测试、参数设置、
通信组态、维护,监控和参数设置的标准工具。
本系统采用的是 SETP7 V5.4 版。
4.1.1 STEP7 的硬件接口
为了在 PC 机上使用 STEP7,应配置 PC/MPI 通信适配器。
连接计算机的 RS-232
接口和 PLC 的 MPI 接口,将计算机连接到 MPI 或 PROFIBUS 网络。
计算机一侧的
通信速率为 19.2Kbit/s,PLC 一侧的通信速率为 19.2Kbit/s~1.5Mbit/s。
“
在 STEP7 的管理器中执行菜单命令:
选项”→“设置PG/PC 接口”。
在打开
的对话框中可以选择实际使用的硬件接口。
如图 4-1,单击“选择”,可以安装
上述选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。
图 4-1
4.1.2 STEP7 的编程功能
STEP7 的编程语言有梯形图(LAD)、功能图(FBD)、语句表(STL)。
梯形图
(LAD)是 STEP7 编程语言的图形表示,适合于电气行业的用户;语句表(STL)
是文本编程语言,与机器代码类似,能够节省输入时间和存储区域,适合于计算
机技术领域的用户;功能块(FBD)也是 STEP7 编程语言的图形表示,用逻辑框
表示逻辑功能,类似于数字门电路,适合于电路工程领域的用户
STEP7 通过符号编辑器,可以管理所有的全局变量,用于设置符号名称、定
义数据类型、注释及排序功能。
STEP7 的测试和服务功能具有设置断点、强制输
入输出、调用块等,同时检测几个块的状态的功能,还有帮助功能,包括在线帮
助及从帮助菜单获得帮助。
4.2 STEP7 项目的创建
在 STEP7 中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。
STEP7 用 SIMATIC
管理器对项目进行集中管理,它可以方便地浏览 SIMATIC S7、M7、C7 和 WinAC
的数据。
使用向导来创建项目,双击 Windows 桌面上的 SIMATIC 管理器图标,进入
SIMATIC Manager 窗口。
如下图:
图 4-2
●下一步,CPU 类型中选择 CPU315-2DP,MPI 缺省值为 2。
如下图:
图 4-3
●下一步,块名称 OB1 作为主程序的组织块,所选的语言为 LAD。
如下图:
图 4-4
下一步,输入项目名称,按“完成”生成项目,如
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- 关 键 词:
- 课程设计 基于 PLC 加热炉 温度 控制系统 设计