基于PLC的电阻炉控制系统.doc

本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 基于工控组态软件的电阻炉温度控制系统设计 学生姓名 李江伟 学号 1017014094 所在院(系) 电气工程学院 专业班级 自控104班 指导教师 曹立学 20 14年 3 月 15 日题 目基于工控组态软件的电阻炉温度控制系统设计一、选题的目的及研究意义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。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。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。 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控制系统有相当的意义。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应。5二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等研究现状1974年，国内一些高校、科研单位开始研制顺序控制器，大多使用分立元件。随着我国改革开放政策的落实，同时国外PLC人大量进入我国市场，一部分随成套设备进口，一部分直接引进中小型PLC产品(大多为GE公司、西门子公司、三菱公司、立石公司等)，开始进入以8位微处理器为核心的PLC时代。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，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，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。发展趋势 随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：(1)向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。(2)向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。可编程控制器输入输出容量已超过32K，扫描速度小于1mS/千步。（3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。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的趋势。研究方法PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。 “应用领域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。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。4 可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明 本设计要解决的主要问题，一是课题如何设计本课题的研究原理；二是设计一个简单安全使用的硬件，；三是如何设计个高效稳定的软件。解决问题的思路与方法以电阻炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：1熟悉被控对象，制定控制方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。2确定IO设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的IO点数。3选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、IO模块、电源的选择。4分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部IO接线图和编制程序。5设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。6联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件“组态王“设计方案PLC控制系统的硬件设计主要是通过实验的需要选择硬件。然后将选择的硬件组成控制系统，根据任务的要求选择西门子的S7-200的PLC，TKPLC-2型加热炉等硬件，硬件选择完成后，跟据所选择的硬件选择合适的软件进行程序设计，只有拥有完整的硬件和软件的系统才能所需要的功能。下面就仔细的介绍在设计中运用到的硬件和软件。 PLC型号的选择本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。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。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长3。 模拟量输入/输出模块模块在温度控制系统中，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。在这里我们选择西门子的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。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。系统整体设计方案和电气连接图系统选用了PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为010mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。整体设计方案如图:PLC控制器的设计控制器的设计是整个控制系统设计中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。最后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 控制系统数学模型的建立 在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由PLC的串级控制系统框图PID控制及参数整定 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。 2.主、副回路控制规律的选择 采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器一般选PI或PID控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。3.主、副调节器正、反作用方式的确定副调节器作用方式的确定： 首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0 。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以 K02 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 2 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数 K1 0，主调节器作用方式为反作用方式7。4.采样周期的分析采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s20s，本系统采样17s 经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。 理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。 对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。 PLC控制系统的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。PLC程序设计的一般步骤1绘制系统的功能图。2设计梯形图程序。3根据梯形图编写指令表程序。4对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，组态王，力控，易控，MCGS等。本设计采用亚控的组态王软件进行组态的设计。组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。程序设计思路PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是17秒，TT1(出口水温温度传感器)将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT2(炉膛水温传感器)将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的电压，完成对温度的控制。 PID指令向导可编程控制器是是一热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。温度控制算法在工程实际中，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。 PID算法的种类PID的基本算式有：位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型式。设u(n)为本周期PID控制器的输出（控制量），e(n)为本周期的PID输入偏差信号，e(n-1)为上一个周期的偏差信号，e(n-2)为上上个周期的偏差信号。KP 为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，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。温度采集程序设计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。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1邵裕森,巴筱云. 过程控制及仪表. 机械工业出版社, 1999 2邵裕森,戴先中