养护窑自控系统电气设计--毕业设计

养护窑自控系统电气设计 1 引言 . 2 第一章 绪论 . 4 1.2 养护窑控制技术的研究状况 . 5 第二章 控制系统的总体设计 . 6 2.1 工艺流程图的设计 . 6 2.2 方案设计简介 . 7 2.2.1 模糊控制方案设计简介 . 7 2.2.2 PWM 控制方案设计简介 . 9 2.2.3 PID 控制方案设计简介 . 8 第三章 主电路的设计 .11 3.1 主电路图的设计 .11 3.2 主电路电气元件的选择 . 12 3.2.1低压隔离开关选择： . 12 3.2.2低压熔断器选择： . 13 3.2.3低压断路器： . 13 3.2.4接触器的选择： . 14 3.2.5 热继电器的选择： . 15 3.2.6 中间继电器的选择 . 15 第四章 控制电路的设计 . 16 4.1 控制方式的选择 . 16 4.2 PLC、 I/O 点统计及扩展模块的选择 . 17 4.2.1 I/O 点统计 . 17 4.2.2 西门子 S7-200 的控制性能的优点如下： . 18 4.2.3 SIMATIC S7-200 PLC 功能介绍 . 18 4.3 PID 控制算法简介 . .17 4.4 PLC I/O 接线图的设计 . 22 4.4.1 元器件的选择 . 22 4.4.2 I/O 接线图 . 25 第五章 元器件布置图及安装接线 图的设计 . 25 5.1 元器件布置图的设计 . 25 5.1.1 第一、二种方案 . 25 5.1.2 第三种方案 . 26 5.1.3 外部元器件布置图 . 26 5.2 安装接线图的设计 . 26 5.3 输入输出地址和内存变量分配表 . 27 第六章 控制系统的软件设计 . 27 6.1 程序流程图的设计 . 27 6.1.1 模糊控制的流程图设计 . 27 6.1.2 PWM 控制的流程图设计 . 28 6.1.3 PID 控制的流程图设计 . 29 6.2 梯形图程序的设计 . 29 第 七 章 控制系统的抗干扰措施 . 29 第八章 三种方案的比较 . 30 8.1 模糊控制方案优缺点 . 30 养护窑自控系统电气设计 2 8.2 PWM 控制方案优缺点 . 30 8.3 PID 控制方案优缺点 . 31 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢信 . 33 养护窑自控系统电气设计 3 引言 随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平的提高，各种住宅小区、商用建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块生产业的飞速发展与技术革新。传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的，加工周 期长，成功率不高。现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑，用来加快砌块的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。对 GJ型系列养护窑，整个控制系统是由新式窑体结构、养护窑自控系统电气设计 4 热工供调系统、工业计算机控制系统组成的成套技术工艺设备，一般的其控制核心为单片机，这类控制系统虽然具有成本低、体积小、程序简短等优点，但只适合小型控制系统，对于较大型控制系统，不但成本大大增加，而且可靠性较差，对要求较高的系统难以实现。 PLC 具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境的优点，是一种通用的自动控制装置，结合当今发 展较快、应用越来越广的模糊控制技术，可实现较大型控制系统，且功能完善，效果好。下面介绍一种以 PLC 为控制核心、以模糊控制 、 PWM 控制、 PID 控制 理论为依据， 通过模糊算法、 PID 算法等优化算法来实现养护 窑温度控制。 第一章 绪论 1.1 养护窑控制技术简介 随着我国经济的发展，市场上建筑材料的需求也向着高质量、大数量方向展。传统的建材制造工艺越来越显露出产品质量差，产量小，对环境污染严重的缺点。砌块生产线养护温度控制是砌 块生产质量控制的最后一环，也是最为重要的一 环。生产成型的砌块在不同的温度养护过程中进行养护，会有不同质量的砌块生产出来。养护窑自控系统电气设计 5 砌块生产线养护系统主要由蒸气发生装置、蒸气工艺管路、养护窑温度控制系统三部分组成。温度养护原理是：蒸气发生装置产生饱和水蒸气，通过固定管线输送到各养护窑内，对所生产的砌块进行温度养护，并由养护窑温度自动控制系统对各养护窑进行温度 控 制。 为了适应社会的发展和满足人们对产品最求的不断提高国内厂家开始引进国外技术。例如： 华泰的这条生产线具有 MBS 数控系统和远程传感技术，计量准确，成型主机由世界先进的模箱振动产生强劲激振力复合而成，全自 动监控的蒸汽养护窑，采用气流循环原理，高效节能，温度均衡， 10 小时内使砌块坯体迅速得到养护，保证产品质量。 曲靖华泰新型墙材有限公司是云南省曲靖越钢集团有限公司控股的高新技术新型墙材生产企业，位于曲靖市麒麟区越州镇。公司全套引进并消化吸收美国哥伦比亚机械公司 1600HF型高强彩色混凝土空心砌块自动化生产线，年生产能力 10万立方米，这在云南乃至西南地区都是第一家。 1.2 养护窑控制技术的研究状况 随着我国经济的发展，市场上建筑材料的需求也向着高质量、大数量方向展。传统的建材制造工艺越来越显露出产品质量差，产量 小，对环境污染严重的缺点。 砌块生产线养护系统主要由蒸气发生装置、蒸气工艺管路、养护窑温度控制系统三部分组成。温度养护原理是：蒸气发生装置产生饱和水蒸气，通过固定管线输送到各养护窑内，对所生产的砌块进行温度养护，并由养护窑温度自动控制系统对各养护窑进行温度控制。 砌块生产线温度养护的控制方式可以采用以下几种方式： 定时器控制、 可编程定时器控制、 PLC 控制 工业控制机（ IPC）控制等。 每种方式都各有优缺点。定时器控制及可编程定时器控制优点是价 格，缺点是只能分段控制，不能调节，且操作不便； PLC 控制的优点是稳定可靠，缺点是显示及控制调整不便； 工业控制机（ IPC）控制则具有 PLC 控制稳定的优点，又具有丰富的显示及控制调整的功能，并能实现砌块温度养护的特殊要求：即按给定的温度曲线，对养护窑进行温度控制。 IPC 控制系统可根据砌块养护的特点确定的温度曲线进行严格的温度控制，使养护窑温度按照所给定的温度曲线运行。采用工业控制机进行控制，可实现温度自动采养护窑自控系统电气设计 6 集显示功能及温度曲线的控制功能，并且系统运行稳定。系统采用汉字操作界面，使用十分方便。 采用养护窑自动温度控制系统后，可提高养护温度控制精度，提高砌块产品质量，减轻操作员的劳动强度， 并能取得良好的经济效益。 砌块生产线温度养护系统功能及主要技术指标 1系统实现以下功能： 养护窑温度自动采集显示功能 温度曲线显示功能 养护窑温度自动控制功能 给定温度曲线，自动控制养护窑温度功能 数据存储功能 2主要技术指标： 给定温度曲线控制功能； 温度 PID 调节控制功能， P、 I、 D参数 可调； 温度采集精度： 0.5% 系统温度控制精度： 0.5% 砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有两种。一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。这种养护方法 投资少，养护成本低。缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要求较高时，无法保证高质量与短生产周期。尤其在我国北方地区的冬季，温度低，阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。但是在一些规模较小的砌块加工场所还经常用到这种养护方法。另一种养护方法就是在养 护窑中进行养护。用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。它能保证产品质量，保证生产进度，不受天气影响。 第二章 控制系统的总体设计 2.1 工艺流程图的设计 控制过程应该满足如下要求：总起动按钮按下以后，整个系统允许运行。按下总停止按钮，整个系统停止运行。每个窑都可以自行控制。按下各窑的起动按钮后，各窑开始运行，按下其停止按钮，各窑停止运行，按下急停按钮，禁止各窑的输出控制。 每个窑的具体流程控制要求：启动 电动机，供风循环热气流；开启进气阀门，养护窑自控系统电气设计 7 供热气控温；经过一定时间（设恒温 10h），关闭进气阀门；按下急停安钮，停止进气阀、排气阀和风机；打开排气阀门，排气；按下停止按钮，关风机，关排气阀，准备砌块出窑。连锁要求只要有一个窑排气，总排气阀要打开，只有总进气阀打开，才能起动各窑进气阀。窑温控制示意图如图 2.1 所示 : 2.2 方案设计简介 2.2.1 模糊控制方案设计简介 模糊逻辑控制 (Fuzzy Logic Control)简称模糊控制 (Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推 理为基础的一种计算机数字控制技术。 1965 年，美国的 L.A.Zadeh 创立了模糊集合论； 1973 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。 1974 年，英国的 E.H.Mamdani 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。 模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广 泛的推广应用。近20 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如 ： 在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。 养护窑自控系统电气设计 8 二、模糊控制基础 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表 达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器 (Fuzzy Controller，即 FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点： 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 三、模糊控制应用研究现状 模糊 控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。 常规模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。由于模糊 规则和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制，自适应和自学习模糊控制，以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。 四、模糊控制研究方向展望 模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是 :如何获得模糊规则 及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行 ;以及如何保证模糊系统的稳养护窑自控系统电气设计 9 定性。 大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为： 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系 ;控制器的鲁棒性分析，系统的可控性和可观测性判定方法等。 模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题 ;进一步则要求我们给出 模糊控制器的系统化设计方法。 模糊控制器参数最优调整理论 的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。 模糊动态模型的辨识方法。 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。 神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。 模糊控制算法改进的研究 :由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则 ;然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。 最优模糊控制器设计的研究 :依据恰当提出的性能指标，规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。 2.2.2PWM 控 制方案设计简介 PWM 脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用 PWM 逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。 PWM 变频电路具有以下特点： 1). 可以得到相当接近正弦波 的输出电压 2). 整流电路采用二极管，可获得接近 1的功率因数 3). 电路结构简单 4). 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应 PWM 基本原理 : 脉宽调制（ PWM） : 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐养护窑自控系统电气设计 10 波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压 的大小，也可改变输出频率。 在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。 单周控制法又称积分复位控制（ Integration Reset Control，简称 IRC），是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技 术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是 RS 触发器，其控制原理如图 2.2所示。图中 K 可以是任何物理开关，也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号。 图 2.2 单周控制原理图 单周控制在控制电路中不需要误差综合 ,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的 PWM 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开 关频率恒定、鲁棒性强等优点，此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。 2.2.3PID 控制方案设计简介： 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 70 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，养护窑自控系统电气设计 11 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。 (1) 比例（ P）控制： 比例控制是一种最简单的控制方式。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）。 (2) 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。 (3) 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。 选择 PID 的参数，以及相互间的配合，可以影响 PID 控制的稳定性。如采样时间过短对外部信号的变化有可能检测不到，而过长的采样时间显然不能满足控制精度的要求。又如过大的增益又会造成控制的震荡。在调试程序时要注意这些参数的设置，慢慢调试以至达到稳定的 PID 控制。 第三章 主电路的设计 3.1 主电路图的设计 一般说来， 7.5KW 以下的小容量感应电动机，都可以直接启动；对于 7.5KW 以上的电 动机，就要考虑过大的直接启动电流对供电系统的影响，一般按下列的经验公式养护窑自控系统电气设计 12 来核定： NHNQPSII443 式中 IQ 为直接启动时的定子线电流； IN 为电动机的额定电流； SH为供电电源的总容量（ KVA）； PN 为电动机额定功率（ KW）。如果上面公式能够满足，则该机允许直接启动；如果不能满足，则必须采取措施限制启动电流。 由于本设计采用的是两台 5.5KW 的电动机，符合直接启动的要求，所以本设计采用直接启动的方式启动。 1）该主电路由接触器 KM1 、 QF2 控制 1号风机， KM2 、 QF3 控制 2号风机； 2） FR1， FR2 是对 1 号风机、 2号风机进行过载保护； 3）由 QF1、 FU、 QS来控制主干线并对干线进行保护； 4）由 QF4 来控制 PLC 的通断。 3.2 主电路电气元件的选择 3.2.1低压隔离开关选择： 主要作用是： 1)分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。 2)根据运行需要，换接线路。 养护窑自控系统电气设计 13 3)可用来分、合线路中的小电流，如套管、母线、连接头、短电缆的充电电流，开关均压电容的电容电流，双母线换接时的环流 以及电压互感器的励磁电流等。 4)根据不同结构类型的具体情况，可用来分、合一定容量变压器的空载励磁电流。 户外刀闸按其绝缘支柱结构的不同可分为单柱式，双柱式和三柱式。其中单柱式刀闸在架空母线下面直接将垂直空间用作断口的电气绝缘，因此，具有的明显优点，就是节约占地面积，减少引接导线，同时分合闸状态特别清晰。在超高压输电情况下，变电所采用单柱式刀闸后，节约占地面积的效果更为显著。 计算：已知 P=5.5KW、功率因数 COS =0.8 Tanarccos =0.75 同期系数： K P=0.95,P=K P Pi K Q=0.97,P=K Q Qi 主回路： P30=0.95 (5.5+5.5) =0.95 11=10.45KW Q30=0.97 (5.5 0.75 2) =0.97 8.25=8KW 其型号为 HD11-100/31 3.2.2低压熔断器选择： ）根据使用条件确定熔断器的类型。 ）选择熔断器的规格时，应首先选定熔体的规格，然后再根据熔体去选择熔断器的规格。 ）熔断器的保护特性应与被保护 对象的过载特性有良好的配合。 ）在配电系统中，各级熔断器应相互匹配，一般上一级熔体的额定电流要比下一级熔体的额定电流大倍。 ）对于保护电动机的熔断器，应注意电动机起动电流的影响，熔断器一般只作为电动机的短路保护，过载保护应采用热继电器。 ）熔断器的额定电流应不小于熔体的额定电流；额定分断能力应大于电路中可能出现的最大短路电流。 根据电流 I30=19.99A 和上述要求 根据国标选择 FU为 NG700-25/380 3.2.3低压断路器： 1).低压断路器的选择和应用 低压断路器用途广泛，它不仅用于 主干线、支路、电路末端等作线路（ 电缆 、电线）及 电气 设备的不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障的保护，还应用于各种负载，如 照明 回路、电热回路、电动机回路、 可控硅整流回路、电容器回路等的单独使用和保护。负载的性质不同，选用断路器的额定电流和保护特性也有差异。 养护窑自控系统电气设计 14 2).选择低压断路器应满足下列条件 低压断路器的额定电压应不低于保护线路的额定电压。 低压断路器的额定电流应不小于它所装的脱扣器的额定电流。 低压断路器的类型应符合安装条件，保护性能及操作方式的要求。 QF1 的选择： I30=19.99A,UN=380V，脱扣电流 150A，极限通断能力 COS 0.4 根据国标选择 QF1 为 DW10-200/3 QF2， QF3 的选择： I301=I302 = 10.44A 根据国标选择 QF2、 QF3 为 C45N-D-380/16 QF4 的选择： I=5A 根据国标选择 QF4 为 C45N-D-220/6 3.2.4接触器的选择： 接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器 .接触器具有强大的执行机构 ,大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力 .当系统发生故障时 ,能根据故障检测元件所给出的动作信号 ,迅速可靠的切断电源 ,并有低压释放功能 .与保护电器组合可构成各种电磁启动器 ,用于电机的控制及保护。 接触器的结构及工作原理 : 接触器由磁系统 ,触头系统 ,灭弧系统 ,释放弹簧机构 ,辅助触头及基座等几部分组成 . 接触器的基本工作原理 :利用电磁原理通过控制电路和可动衔铁的运动来带动触头控制主电路通短的 . 选择接触器的类型： 根据电路中负载电流的种类选择。交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果控制系统中主要是交流负载，直流电动机或直流负载的容量较小，也可都选用交流接触器来控制，但触点的额定电流应选得大一些。 选择接触器主触头的额定电压：应等于或大于负载的额定电压。 选择接触器主触头的额定电流： 被选用接触器主触头的额定电流 应不小于负载电路的额定电流。 也 可根据所控制的电动机最大功率进行选择。如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。 主触头额定电流由经验公式： ICN=PN 103 KUN K为常数取 1 1.4,一般为 1.2 ICN 主触头额定电流 (A) PN 被控制的电动机的额定功率 (KW) UN 电动机的额定电压 (v)。 I301=I302 = 10.44A 根据国标选择 KM1、 KM2 为 CJ20-16 养护窑自控系统电气设计 15 3.2.5 热继电器的选择 ： 热继电器 是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。 (1)类型选择： 一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。 (2)热继电器额定电流选择： 热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。 (3)热元件额定电流的选择和整定： 热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。当电动机启动电流为其额定电流的 6 倍及启动时 间不超过 5S 时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的 1.1-1.15 倍。RTI=（ 0.95 1.05） NI 1RTI=11NI=1 10.44A=10.44A 型号选择为 ： JR16 30/3 3.2.6 中间继电器的选择 中间继电器，实质是 一种电压继电器，触头对数多，触头容量大（额定电流为 510A）动作灵敏度高。其主要用途为：当其他继电器的触头对数或触头容量不够时，可借助中间继电器来扩展它们的触头或触头容量，起到信号中继作用。 1). 用途 该继电器使用于各种自动化线路中，以扩大被控的电路，应用这种继电器的线路，其供电电源为直流电，电压不超过 110V。 2). 动作原理及结构特点 . 动作原理 当在继电器的线圈加以直流电压时，线圈中有电流通过因而使铁心磁化将动片吸住，接触片被动片的另一端所推动使动合触点闭合，使动断触点断开。 当线圈断电时，磁力消失，而动片受接触系统的压力而回到原来位置。 . 结构特点 本继电器为电磁式快速动作之中间继电器，继电器由铁芯，磁轭板，动片，线圈及触点系统等四部分所组成。 继电器采用插入式结构，插座内有片状弹簧以保证可靠的接触，使用时将继电器插入插座上。为了防止震动引起继电器滑出插座外面，因此继电器与插座之间装有弹簧环，如系固定安装也可以不用插座，直接将接线焊与 继电器的底板上。 养护窑自控系统电气设计 16 继电器具有透明塑料制成的外壳，以便观察继电器的动作情况。 3). 技术数据 . 继电器基本参数及线圈阻值表 1。 型 号 触点数 额定电压（ V） 电阻（ V ） 动合 动断 转换 DZ-122 DZ-144 DZ-160 DZ-106 6 6 2 4 6,12 24 48 110 52K 正负 5.2,185K 正负18.5 700K 正负 70 2500K 正负 225 150 15000K 正负 2250 . 继电器在 80%之额定电压下应 可靠地动作。 . 继电器在额定电压的动作时间不大于 0.01s。 . 在长期的额定电压下，线圈的功率消耗应不大于 1W。 . 继电器的线圈能长期耐受 110%的额定电压。 . 继电器的介质强度：绕组对磁轭板应能耐受交流 50Hz 电压 500V 历时 1min 应无击穿或闪络现象。 . 触点容量与寿命：直流 100V， 0.3A 电阻负载 100 万次。 本设计采用的是 DZ-144 中间继电器。 第四章 控制电路的设计 4.1 控制方式的选择 在养护窑控制系统的设计中，控制系统的核心采用可编程序控制 器（ PLC），这是因为：控制系统的工作环境非常恶劣，工作环境潮湿 ,尘土较多 ,工作温度高于常温，由于 PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出 ； PLC 的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小养护窑自控系统电气设计 17 规模不同、功能复杂程度及现场环境各异的各种控制要求 ， 为控制系统的硬件设计提供了方便、快捷的途径，可以大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资 ； PLC 维护操作方便，扩展容易 ， 具有较好的性能和较高的可靠性，能在恶劣的工业环境下正常运行 ， 一般平均无故障时间可达几 万小时以上 ， PLC 具有较高的性能价格比 。 另外， PLC 还具有较完善的自诊断、自测试功能。 所以采用可编程序控制器来实现系统的控制。 4.2 PLC、 I/O 点统计及扩展模块的选择 4.2.1 I/O 点统计 因为 PLC 系统的设计主要涉及到 PLC 的选型和软件编制。 PLC 选型时主要考虑如下几个方面： 1） 多少个开关量输入，电压分别为多少； 2） 有多少个开关量输出，输出功率为多少； 3） 有多少个模拟量输入输出点； 4） 是否有特殊控制要求，如高速计数器等； 5） 机房与现场的最远距离为多远； 6） 现场对 PLC 的响应速度有何要求（扫描速度）； 7） 内存的估计； 8） I/O 模块配置及系统电源容量校验。 第一 ,二种方案 : 本系统中控制对象的 I/O 点数如下： 总进气阀：开关输入 1个； 总排气阀：开关输入 1个； 一号风机： 开关输入 3 个； 二号风机： 开关输入 3 个； 电磁阀：开关输出 6 个； 风机运行 : 开关输出 2个； 热敏电阻温度采集 :模拟量输入 2个； 总计：模拟输入 2 个，开关量输入输出共 16 个； I/O 口共 18 个。所以选用 CPU224和 EM231 四路模拟输入模块。 第三种方案 : 本系统中控制对象的 I/O 点数如下： 总进气阀：开关输入 1个； 总排气阀：开关输入 1个 ； 一号风机： 开关输入 3 个； 养护窑自控系统电气设计 18 二号风机： 开关输入 3 个； 电磁阀：开关输出 4 个； 风机运行 : 开关输出 2个； 热敏电阻温度采集 :模拟量输入 2个； 进气电动阀 :模拟量输出 2个； 总计：模拟输入 2 个，模拟量输出 2 个 ,开关量输入输出共 14 个； I/O 口共 18个。所以选用 CPU224、 EM231 四路模拟输入模块和 EM232 两路模拟量输出模块。 本设计通过 PID 算法结合模糊控制、 PWM 控制、 PID 控制来实现对养护窑的温度控制。 4.2.2 西门子 S7-200 的控制性能的优点如下： (1)采用了先进的网络技术及控制 设备，控制系统性能优越。 (2)实时的数据采集及数据归档，包括过程数据、设备状态信息等。 (3)很好的适应了远距离通讯（ 1100 米左右），抗干扰能力强，控制性能优越。 (4)采用了多主站、多从站的多段 DP网络控制，数据交换实时准确。 (5)工业现场总线技术，提