DZ100基于DDC控制的加热炉温度控制系统2
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毕业设计
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DZ100基于DDC控制的加热炉温度控制系统2,毕业设计
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目 录 第 2 章 控制方案的设定 2 2.1系统总体方案 第 3 章 加热炉温度控制系统的硬件设计 3.1 DDZ-电动温度变送器 3.2 电动执行器 3.3 控制台组成结构 第 4 章 MCGS 组态软件的设计 4.1 制造工程画面 4.2 动画连接 4.3 定义数据对象 4.4程序的设计 第 5 章 调试 设计总结心得 参 考 文 献 nts 2 一 .系统总体方案选择与说明 1.1 设计内容 利用 DDC 控制系统来设计一个加热炉温度控制系统，其温度控制系统流程图如下图 1-1 所示。 图 1-1 温度控制系统流程图 在生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行 加热，工 艺要求热物料温度必须维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化。 冷物料以恒定的流量通过管道输送到加热炉中进行加热变成热物料输出，热物料温度信号通过温度变送器转变成电压信号送给温度控制器，再通过调节调节阀的开度以控制燃料的进给流量来保证热物料温度的恒定。 1.2 设计思路 该系统为单输入单输出过程控制系统， 结构简单只 采用了一个测量变送器 监测被控过程 、一个调节器 来保持一个被控参数恒定或在很小的范围内变化 ， 其输出也只控制一个调节阀，故采用单回路控制系统。 1） 被控参数的选择 根据设计要求可知 ，加热炉的温度要求保持在一恒定值。所以，可以直接选取加热炉的温度作为被控参数。 2） 控制参数的选择 TCC TT 燃料 冷物料 加热炉 热物料 nts 3 影响加热炉的温度有两个量，一是冷物料的流量。二是燃料的流量。调节这两个流量的大小都可以改变温度的变化，这样构成加热炉温度控制系统就有两种控制方案。一般采用燃料的流量控制作为控制参数较好。 3） 调节阀的选择 本设计 选 用 电动调节阀。 4） 控制规律的选择 一般言之，用比例（ P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（ PI）调节器，由于积分的作用， 不仅能实现系统无余差，而且只要参数， Ti 调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（ PID）调节器是在 PI 调节器的基础上再引入微分 D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。 如上所诉我们设计的加热炉温度控制系统根据工艺要求，温度保持恒定，精度要求比较高（上下偏差在 0.5+0.5）所以该系统要 采用 比例积分（ PI） 控制 ；由于温度控制系统滞后比较大，故必须采用比例微分（ PD）控制。因此我们采用比例积分微分（ PID）控制。其单回路控系统框图如下图 1-2 所示。 加热炉温度信号经过 7024 的 A/D 转换，转换为 15V 的电压信号 ，然后 与设定值比较得到电压偏差信号 ，输给 PID 控制器进行调节，然后将控nts 4 制器的输出电压信号经过 7024 的 D/A 转换，转换为 420mA 的电流信号，作用调节阀，来调节燃 料 的流量，从而调节加热炉温度，反复循环，使加热炉温度达到 设定值的要求 。 二 .加热炉温度控制系统的硬件设计 2.1 ICP-7017 8 通道模拟量输入模块。表 1 为 ICP-7017 的技术指标。 型号 功能 I-7107 模 拟 量 输 入 分辨率 16bit 输入通道 8路差动 采样率 10Hz 电压输入 +/-150mV +/-500mV +/-1mV +/-5V +/-10V 电流输入 +/-20mA 表 1 ICP-7017 模块 24V 供电，面板上提供了 4 通道的输入端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持 485 通讯。 2.2 ICP-7024 4 通道模拟量输出模块。表 2 为 ICP-7017 的技术指标。 nts 5 型号 功能 I-7024 模 拟 量 输 出 分辨率 14bit 输出通道 4路差动 电压输出 +/-10V +/-5V 0 10V 0 5V 电流输出 0 20mA 4 20mA 表 2 ICP-7024 模块 24V 供电，提供了 4 通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持 485 通讯。 2.3 DDZ-电动温度变送器 温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元。它的作用是将热电偶、热电阻的检验信号转变成统一信号，如 420 mA 直流电流、 15V 直流电压输出给显示仪表或调节器，实现对温度的显示、记录或自动控制。温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成标准统一信号输出。 DDZ-电动温度变送器的输出为 420 mA 直流电流、 15V 直流电压信号。 温度变送器输入信号有热电偶、热电阻和直流毫伏信号三种，其结构框图如图 3-1 所示 。其基本结构由三部分组成，输入桥路、放大电路及反馈电路。 nts 6 图 2-1 电动温度变送器的方框图 在 AE2000B2 过程控制系统中，我们采用 Pt100 热电阻作为温度传感器对系统中的温度进行检测。 工作原理：利用 Pt 电阻阻值与温度之间的良好线性关系。 图 2-2 Pt100 热电阻接线图 接线说明：连接两端元件热电阻采用的是三线制接法，以减少测量误差。在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化。为了消除由于这种变化而产生的测量误差，采用三线制接法。即在两端元件的一端引出一条导 线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图 1.2-4 中所示的 a、 b、 c。它们与温度变送器输入电桥相连接时，导线a 和 c 分别加在电桥相邻的两个桥臂上，导线 b 在桥路的输出电路上，因此，a 和 c 阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消， b 阻值的变化量对仪表输入阻抗影响可忽略不计。 感温元件 输入电桥 放 大 电 路 反馈电路 Et T 输出电流 I0 被测温度 nts 7 2.4 电动执行器 电动 执行器 是调节系统中的一个重要部分。它接收来自调节器的420mA 的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。 电动执行器有角行 程、直行程和多转式等类型。角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移，这种执行机构适用于操纵 蝶阀、挡板之类的旋转式调节阀。直行程执行机构接收输入的支流电流信号后，使电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种调节阀和其他的直线式调节机构。多转式电动执行结构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，由于它的电机功率比较大，最大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。 我们使用的执行器是 ： QSTP-16K 智能电动单座调节阀 主要技术参数： 执行机构 型式：智能型直行程执行机构 输入信号： 010mA/420mADC/05VDC/15VDC 输入阻抗： 250 /500 输出信号： 420mADC 输出最大负载： 100 then；如果热物料温度大于 100 热物料温度 PV=100；热物料温度等于 100 endif 热物料温度 SV=sv； AOch0=(OPS+25)/6.25；温度控制百分比信号转变为 420mA 电流信号 nts 14 AOch1=(OPA+25)/6.25；阀门开度信号转变为 420mA 电流信号 if run=0 then ；如果是自动状态 Qp=0 ；比例项为零 Qi=0 ；积分项为零 Qd=0 ；微分项为零 pvx=0 ； 前 项为零 else ；如果是手动状态 ei=sv-(pv1-1000)*0.025 ；偏差信号 if k=0 and Ti=0 and Td=0 then ；如果 k,、 Ti 、 Td 都为零 Qp=0 Qi=0 Qd=0 endif if k0 then ；如果 k,、 Ti 不为零 Qp=k*ei ；比例项为 k,乘以偏差值 mx=k*0.2*ei/Ti ；积分项为 k*0.2*ei/Ti Qd=k*Td*(pvx-pv1)*0.025)/0.2; endif if k=0 then Qp=0 mx=0.2*ei/Ti; Qd=Td*(pvx-pv1)*0.025)/0.2 endif if Ti=0 then Qp=k*ei Qi=0 mx=0 nts 15 Qd=k*Td*(pvx-pv1)*0.025)/0.2 endif if mx5 then ；积分项总和的幅值为 -55 endif if mx0 and OPS=100 then Qi=Qi else Qi=Qi+mx；将此时的 Qi 和 mx 相加赋给 Qi endif if ei100 then OPS=100 endif endif 四 .调试 锅炉温度控制系统可采用实验台上的 锅炉内胆水温 PID 整定实验 来代nts 16 替 ， 其中冷物料、热物料、加热炉、调节阀、分别用冷水、热水、 锅炉内胆 、 单相 SCR 可控调压装置来模拟， 调 试 内容包括 设备的连接与检查 ,启动实验装置 , PID 参数调试。 图 4-1 实验接线图 图 4-2、实验软件界面 nts 17 按 F5 使监控画面进入运行状态，加热炉温度输出值显示 -25 ，把温度设定于某给定值（如：将水温控制在 40），设置各项参数，使调节器工作在比例（ P）调节器状态，此时系统处于开环状态。运行 MCGS 组态软件，进入相应的实验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值 后，将调节器的开关由“手动”位置拔至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。 此时可以在设定值下面看到一条接进于设定值的稳定曲线 ， 该曲线与设定值 有一点余差 需要消除，此时要引入积分，积分开始设置比较大，然后慢慢减小。观察曲线的变化，直到找到最佳积分参数为止。由于温度控制系统的温度会滞后，引入积分会使曲线波动很大，因此要引入微分，来改善系统的动态性能 ，微分 系数引入过大 对系统的动态性能影响很大。有可能使系统不稳定，因此使微风时间系数尽量从小慢慢加大，来观察曲线的变化 ，当 曲线 能够平稳 不再变化时，便找到了 P， I ， D 三 个参数的比例关系， 经过反复调试，当 P=30， I=200，D=0.1 时， 得到的实时曲线 以及监控画面图 如下图 4-3、 4-4 所示： 图 4-4 监控画面 nts 18 图 4-3 实时曲线 nts 19 设计总结心得 为期两周的 过程控制 课程设计马上就要结束了，遗憾的是时间太短，无法达到自己所预期的学习效果，不过给我的总体感触还是很深的。通过这两周的认真学习和研究，我增强了个人独立完成一项工作的流程和解决问题的方法的能力，增加了 对 MCGS 组态软件的认识与应用 ，特别是关于这个组态软件的编程有了一定的了解 。 提高了我的学习能力以及掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识，开阔了视野， 这无论是对毕业设计、还是将来的工作都积累了不少的经验。最重要的是，我更加深刻的认识到：体会到在学校里学的知识仅仅是个理论上的东西，而要把学过的知识应用到生产技术当中去却是一个相当复杂的过程。一名出色的高级工程师不是光凭一点书本知识就能造就的。所以我们今后走进企业的第一件是就是从基层做起，积累了一定的经验和动手操作能力以后，再认真领悟书本知识和实际工作之间的差别，使理论实际联系起来。通过这次实习，我对专业前景的充满了信心，使我的事业观更加的明确。 我热爱这个专业，并且决心作好这一行。经过两周的亲自动手，虽然过程控制 的知识 学了一个学期 ，但实际应用的机会很少，因此在设计的过程中遇到了很多问题，需要翻阅很多资料和参考书，一方面锻炼了我查找资料的能力，另一方面也培养了我解决问题的能力。 最后我要感谢我们的 沈细群 指导老师，感谢 她 在这段时间里 的辛勤指导 ，我们认真学习， 锻炼了我分析问题与解决问题的能力，提高了我的学习能力以及掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识， 开阔了视野， 积累 了不少的知识和经验 ，同时也体验到社会竞争的残酷，对于如何适应这个快速发展的社会有了初步的认识，总之 通过了自己的努力，此次设计取得了圆满的成功。 往后我将牢记老师的教会，认真工作，使自己成为一名优秀的工程师。 nts 20 参 考 文 献 1.过程控制（系统、仪表、装置） 林锦国 东南大学出版社 . 2001 年 3月 2.工业生产过程控制 何衍庆 俞金寿 化学工业出版社 . 2004 年 2月 3.过程控制工程（第二版） 邵裕森 戴先中 机械工业出版社 . 2000 年 5月 nts 21 电气
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