基于PLC的加热炉温控制系统设计.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题 目 目 基于基于 PLC 的加热炉温控制系统设计的加热炉温控制系统设计 学学 院 院 电子信息学院电子信息学院 专业班级 专业班级 06 自动化 自动化 2 指导教师 指导教师 康涛康涛 职称 职称 讲师讲师 学生姓名 学生姓名 雷颖倩雷颖倩 学学 号 号 40604010225 西安工程大学本科毕业设计 论文 摘 要 在现代工业生产过程中 一些温度等作为被控参数的过程 往往其容量滞后 较大 控制要求又较高 若采用单回路控制系统 其控制质量无法满足生产要求 本文针对锅炉的结构特点以及船机控制能够有效的改善过程的动态特性 提高工 作频率 减小等效过程时间常数和加快响应速度等 提出了锅炉温度串级控制的 解决方案 本系统以电加热锅炉为被控对象 以锅炉出口水温为主被控参数 以炉 膛内水温为福被控参数 以加热炉电阻丝电压为控制参数 以 PLC 为控制器 构 成锅炉温度控制系统 完成了系统的硬件设计和 PLC 程序设计 经过调试 PLC 程序实现了数据采集 A D 转换 PID 运算和 D A 转换等 达 到了设计要求 关键词 锅炉 温度 串级控制 PLC PID 西安工程大学本科毕业设计 论文 ABSTRACT In modern industrial production some course s capacity often lags behind relatively largely control also expect relatively much regarding temperature etc if adopt the control system of single circuit its quality of control is unable to meet the production requirement Because the bunches of control can improve the dynamic characteristic of the course effectively improve operating frequency reducing the time constant of the equivalent course and accelerating the response speed etc This text have proposed one bunch of solutions of control of boiler temperature This system leaves target of accusing of on boiler with electricity export water temperature With boiler for accuse of parameter mainly regard the burner hearth water temperature as one pair of parameters of accusing of regard voltage of resistance wire of the heating furnace as the control parameter regard PLC as the controller form one bunch of control systems of boiler temperature Finish the designing of systematic hardware and the program with PLC Through debugging PLC procedure has realized the data gathering A D changing PID operation and D A changing etc has reached the designing requirement KEYWORDS boiler temperature bunches of control plc pid 西安工程大学本科毕业设计 论文 前前 言言 随着我国国民经济的快速发展 锅炉的使用范围越来越广泛 而锅炉温度控 制是工业生产过程中经常遇到的过程控制 有些工艺过程对其温度的控制效果直 接影响着产品的质量 因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常必要的 而 锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统 因此 对锅炉温度进行控制 是工业过程控制中一个重要而且困难的问题 由于 PLC 具有高可靠性 易于实现 等优点 在工业控制领域中得到了广泛的应用 进入 21 世纪以来 PLC 已经由原 来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力 通讯能力的标准工控设备 用 其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势 本设计以锅炉为被控对象 以锅炉水温为主被控参数 以加热炉电阻丝电压为 控制参数 以 PLC 为控制器 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 本文对锅炉温度控制系统的硬件和软件都进行了介绍 全文主要有 5 个部分 第 1 部分是对锅炉温度控制系统的总体方案的介绍 控制总体方案的设计是 系统设计的核心 若设计方案设计不正确 则无论选用何种先进的过程控制仪表 或计算机系统 其安装如何细心 都不可能使系统在工业生产过程中发挥良好的 作用 甚至系统不能运行 第 2 部分是对锅炉温度控制系统控制算法的选择和参数的设置进行了介绍 采用合适的控制算法能更好地对整个系统进行控制 第 3 部分是锅炉液位控制系统硬件的设计 对选择的仪表 设备等的性能 使用方法和接口要求等进行了介绍 第 4 部分是对锅炉液位控制系统软件程序的编制 主要是采用 PLC 梯形图编 程语言进行编程 并写出相应的流程图和地址分配 第 5 部分是对锅炉温度控制系统的调试与实验 其中包括单元电路调试 程 序调试 系统调试 系统试验和结果分析 由于本人水平有限 错误和疏漏之处在所难免 敬请各位老师和同学批评指正 西安工程大学本科毕业设计 论文 目 录 第 1 章 控制系统总体方案 1 1 1 概述 1 1 2 控制方式的确定 2 1 3温度传感器的选择 3 1 4微型计算机的选择 5 1 5 系统的原理框图 7 第 2 章 控制算法的选择和参数计算 8 2 1 控制算法的选择 8 2 2 参数的计算 8 2 2 1 PID 算法 9 2 2 2 PID 参数的整定 10 第 3 章 系统硬件设计及软件编制 14 3 1 概述 14 3 2 系统的硬件设计 14 3 2 1 温度检测电路单元 14 3 2 2 PLC 及其配套的 EM231 15 3 2 3 固态继电器 16 3 2 4 模块式 PLC 的基本结构 18 3 3 软件设计概述 21 3 4 程序流程图 23 3 5 采样信号和控制量分析 24 3 6 程序设计 25 第 4 章 控制系统的调试与实验 26 4 1 单元电路调试 26 4 1 1 数据采集的调试 26 4 1 2 运行结果的分析 26 4 2 程序调试 26 4 3 系统调试 27 4 4 系统实验和结果分析 27 第 5 章 设计总结 28 5 1 系统具备的主要功能 28 5 2 系统的测量精度 28 5 3 存在的问题及改进措施 28 参考文献 30 致 谢 31 西安工程大学本科毕业设计 论文 附 录 32 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 第 1 章 控制系统总体方案 1 1 概述 随着我国国民经济的快速发展 锅炉的使用范围越来越广泛 而锅炉温度控 制是工业生产过程中经常遇到的过程控制 有些工艺过程对其温度的控制效果直接 影响着产品的质量和产量 现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化 这就为 锅炉的自动化提供了有利条件 锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措 施 目前 锅炉的自动化主要包括自动检测 自动调节 程序控制 自动保护和 控制计算五个方面 实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性 经济性和劳动 生产率 改善劳动条件 减少运行人员 锅炉是工业企业重要的动力设备 其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水 以 满足负荷的需要 锅炉设备是一个复杂的控制对象 燃气燃油锅炉主要输入变量 包括负荷 给水 燃料量 送风和引风量等 主要调节变量包括水位 温度及压 力 烟气氧量和炉膛负压等 电加热锅炉主要输入变量包括负荷 锅炉给水和电 阻丝电压等 主要调节变量包括水位和温度等 锅炉生产过程的各个主要参数都 必须严格控制 锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统 因此 对锅 炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题 在锅炉自动控制系统中 除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系 统以外 计算机技术的应用也越来越普及 由于 PLC 具有高可靠性 易于实现等 优点 在工业控制领域中得到了广泛的应用 进入 21 世纪以来 PLC 已经由原 来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力 通讯能力的标准工控设备 用 其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势 本设计以电加热锅炉为被控对象 以锅炉水温为被控参数控参数 以加热炉 电压为控制参数 以PLC为控制器 构成锅炉温度控制系统 实现锅炉水温的定 值控制 西安工程大学本科毕业设计 论文 2 1 2 控制方式的确定 自动控制方式一般有两种 即开环控制和闭环控制 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作 没有反向联系的控 制过程 按这种方式组成的系统称为开环控制系统 其特点是系统的输出量不会对 系统的控制作用发生影响 没有自动修正或补偿的能力 开环控制没有反馈环节 系统的稳定性不高 响应时间相对来说很长 精确度不高 使用于对系统稳定性精确 度要求不高的简单的系统 人工控制一般是开环控制 比如人工转换电扇档位实 现转速的控制 闭环控制有反馈环节 从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端 控制输入量 一般这个取出量和输入量相位相反 所以叫负反馈控制 通过反馈 系统使系统的精确度提高 响应时间缩短 适合于对系统的响应时间 稳定性要求高 的系统 自动控制通常是闭环控制 比如家用空调温度的控制 PID 就是应用最广泛的闭环控制器 如图 1 1 所示 系统是用于电加热炉温 度控制系统的闭环控制系统的 PID 闭环控制系统 系统目标设定值为期望的加热 炉温度 闭环控制器的反馈值通过温度传感器测得 并经 A D 变换转换为数字量 目标设定值与温度传感器的反馈信号相减 其差送入 PID 控制器 经比例 积分 微分运算 得到叠加的一个数字量 该数字量经过上限 下限限位处理后进行 D A 变换 输出一个电压信号去控制固态继电器 以控制加热炉的温度 该系统 的 PID 控制器一般采用 PLC 提供的专用模块 本系统采用 FB58 模块 也可以 采用编程的方法 如 PLC 编程 高级语言编程或组态软件编程等 生成一个数 字 PID 控制器 同时 其它功能如 A D D A 都由 PLC 实现 加热炉的反馈信 号直接送 PLC 采集 控制固态继电器的电压信号也由 PLC 送出 从而控制加热 炉的温度 西安工程大学本科毕业设计 论文 3 图图 1 11 1 电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例电加热炉温度控制系统的闭环控制系统应用实例 综上所述 根据系统工艺要求 决定在系统设计中采用闭环控制方式 1 3温度传感器的选择 温度是一个基本的物理量 自然界中的一切过程无不与温度密切相关 温度 传感器是最早开发 应用最广的一类传感器 根据美国仪器学会的调查 1990 年 温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器 从 17 世纪初伽利略发明 温度计开始 人们开始利用温度进行测量 真正把温度变成电信号的传感器是 1821 年由德国物理学家赛贝发明的 这就是后来的热电偶传感器 50 年以后 另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计 在半导体技术的支持下 本世纪相继 开发了半导体热电偶传感器 PN 结温度传感器和集成温度传感器 与之相应 根据波与物质的相互作用规律 相继开发了声学温度传感器 红外传感器和微波 传感器 这里我们主要介绍热电阻和热电偶 1 热电偶 工业热电偶作为测量温度的传感器 通常和显示仪表 记录仪表和电子调节 器配套使用 它可以直接测量各种生产过程中不同范围的温度 若配接输出 4 20mA 0 10V 等标准电流 电压信号的温度变送器 使用更加方便 可靠 对 于实验室等短距离的应用场合 可以直接把热电偶信号引入 PLC 进行测量 热电偶的工作原理是 两种不同成份的导体 两端经焊接 形成回路 直接测 量端叫工作端 热端 接线端子端叫冷端 当热端和冷端存在温差时 就会在 回路里产生热电流 这种现象称为热电效应 接上显示仪表 仪表上就会指示所 产生的热电动势的对应温度值 电动势随温度升高而增长 热电动势的大小只和 西安工程大学本科毕业设计 论文 4 热电偶的材质以及两端的温度有关 而和热电偶的长短粗细无关 根据使用场合的不同 热电偶有铠装式热电偶 装配式热电偶 隔爆式热电 偶等种类 装配式热电偶由感温元件 热电偶芯 不锈钢保护管 接线盒以及 各种用途的固定装置组成 铠装式热电偶比装配式热电偶具有外径小 可任意弯 曲 抗震性强等特点 适宜安装在装配式热电偶无法安装的场合 它的外保护管 采用不同材料的不锈钢管 可适合不同使用温度的需要 内部充满高密度氧化绝 缘体物质 非常适合于环境恶劣的场合 隔爆式热电偶通常应用于生产现场伴有 各种易燃 易爆等化学气体的场合 如果使用普通热电偶极易引起气体爆炸 则 在这种场合必须使用隔爆热电偶 热电偶传感器有自己的优点和缺陷 它灵敏度比较低 容易受到环境干扰信 号的影响 也容易受到前置放大器温度漂移的影响 因此不适合测量微小的温度 变化 由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关 用非常细的材料也能 够做成温度传感器 也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性 这种细微 的测温元件有极高的响应速度 可以测量快速变化的过程 如燃烧和爆炸过程等 对一般的工业应用来说 为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损 总是装在厚厚 的护套里面 外观就显得笨大 对于温度场的反应也就迟缓得多 使用热电偶的 时候 必须消除环境温度的波动对测量带来的影响 有的把它的自由端放在不变 的温度场中 有的使用冷端补偿器抵消这种影响 当测量点远离仪表时 还需要 使用热电势率和热电偶相近的导线来传输信号 这种导线称为补偿导线 2 热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度测量元件 热电阻是基于金属导体的电 阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的 当电阻值变化时 二次仪 表便显示出电阻值所对应的温度值 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其 中铂热电阻的测量精度是最高的 铂热电阻根据使用场合的不同与使用温度的不同 有云母 陶瓷 簿膜等元 件 作为测温元件 它具有良好的传感输出特性 通常和显示仪 记录仪 调节 仪以及其它智能模块或仪表配套使用 为它们提供精确的输入值 若做成一体化 温度变送器 可输出 4 20mA 标准电流信号或 0 10V 标准电压信号 使用起来更 西安工程大学本科毕业设计 论文 5 为方便 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 此外 现在已开 始采用铬 镍 锰和铑等材料制造热电阻 根据使用场合的不同 热电阻也有铠 装式热电阻 装配式热电阻 隔爆式热电阻等种类 与热电偶类似 铂电阻的工作原理是 在温度作用下 铂热电阻丝的电阻值随温度变化而变 化 且电阻与温度的关系即分度特性符合 IEC 标准 分度号 Pt100 的含义为在 0 时的名义电阻值为 100 目前使用的一般都是这种铂热电阻 此外还有 Pt10 Pt200 Pt500 和 Pt1000 等铂热电阻 Cu50 Cu100 的铜热电阻等 本 设计选用镍铬 镍硅 N 型热电偶 1 4微型计算机的选择 工业中常用的控制器有工业控制计算机 单片机和可编程控制器等 与其它 几种控制器相比较 可编程控制器是综合了计算机技术 自动化技术与继电器逻 辑控制概念而开发的一代新型工业控制器 是专为工业环境应用而设计的 它可 以取代传统的继电器完成开关量的控制 比如 将行程开关 按钮开关 无触点 开关或敏感元器件作为输入信号 输出信号可控制电动阀门 开关 电磁阀和步 进电机等执行机构 它采用可编程的存储器 在其内部存储 执行逻辑运算 顺 序控制 定时计数和算术运算等操作的指令 通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械和生产过程实现自动化 工业控制采用 PLC 显示了突出的 优越性 因它可对用户提出的生产控制要求和意见 能方便地在现场进行程序修 改和调试 使系统的灵活性大大增强 内部的软继电器使系统在控制中能严格地 起到互锁作用 增加了系统的可靠性 简化设备 维修方便 而且 随着 PLC 的发展 在硬件 软件方面都会有更先进的计数出现 针对系统的特点 分析各 控制器的优缺点 采用 PLC 作为本次设计的控制器 具体比较如下 首先 PLC 和 PC 控制相比 具有以下优点 1 对低端应用 PLC 具有极大的性能价格比优势 工控机的价格较高 将它用于 小型开关量控制系统以取代继电器控制 无论是在体积和价格上都很难接受 可靠 性也远不如 PLC 2 PLC 的可靠性无可比拟 故障停机时间最少 基本 西安工程大学本科毕业设计 论文 6 WindowsNT 2000 XP 操作系统的 IPC 控制系统 在实时任务处理 长期稳定运行 抗病毒和恶意攻击等方面还存在较 大的问题 IPC 控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同 3 PLC 是专为工厂现场应用环境设计的 结构上采取整体密封或插件组合型 对印制板 电源 机架 插座的制造和安装 均采取了严密的措施 4 PLC 是使用专门为工业设计的编程语言 这些语言简单易学 工控机如果用 VB VC 等语言来编程 需要花更多时间来学习 编程的效率也没有 PLC 高 如果使 用 Windows 操作系统 其稳定性远远不如 PLC 时间控制精度也较差 5 与 PC 机发展太快相比 PLC 产品可以长期供货 并提供长期的技术支持 6 PLC 有庞大的有经验的设计人员 维护人员和技术支持系统 其次 与单片机相比 具有以下优点 1 由专业大公司精心设计的硬件和软件系统 功能强大 可靠性好 2 编程方法简单易学 即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制 系统 3 抗干扰能力强 适用于环境恶劣的工业控制场合 4 有丰富的扩展模块和联网能力 可以做成大型复杂的工业控制系统 再次 目前在张力 速度 液位特别是温度等过程控制中 经常使用温控器等 专用控制器或用户自制设备 这些控制器虽然使用和设置比较简单且控制针对性 强 但是用途比较单一 控制范围有限 同时用户自身的经验技巧不易应用到其 中 近年来 随着技术的发展 PLC 的处理速度越来越快 功能也越来越丰富 因此 采用 PLC 进行 PID 控制可以逐渐取代一些传统的控制手段 就以温度为例 可以比较出采用 PLC 的优点 通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制 而 PLC 可以 实现多回路的整体控制 相比主要有以下的特点 在多点加热时 可以错开加热 导通时序 避免同时导通引起的大电流 在控制过程中可以自由简便地修改设定值 及其它参数 可以定时自动执行所需的控制曲线 可以使用相位控制 降低冲击 电流 峰值电流 减少加热器频繁冷热变化引起的热压力 可以同时控制系统或 机械中的其它动作 可以实现多种报警功能等等 西安工程大学本科毕业设计 论文 7 最初的 PLC 主要是用于取代继电器进行顺序控制 其后又逐步扩充了数值运 算 模拟量 电机控制 网络通信 从发展趋势看 PID 控制特别是温度控制将 是今后 PLC 应有的功能 综上 针对系统的工艺机构及要求 最后选择了 S7 200 的小型机 CPU221 和模拟量 EM231 等模块 1 5 系统的原理框图 加热炉温度控制系统基本构成如图 1 2 所示 它由 PLC 主控系统 固态继电 器 加热炉 温度传感器等 4 个部分组成 图图 1 21 2 加热加热炉炉温度温度控制控制系统系统基本组成基本组成 加热炉温度控制实现过程是 首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号 PLC 主控系统内部的 A D 将送进来的电压信号转化为西门子 S7 200PLC 可识别 的数字量 然后 PLC 将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID 运算处理后 给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导 通与否从而使加热炉开始加热或停止加热 既加热炉温度控制得到实现 其中 PLC 主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用 西安工程大学本科毕业设计 论文 8 第 2 章 控制算法的选择和参数计算 2 1 控制算法的选择 在温度自动控制中 比较常见的几种算法有 PID 控制 模糊控制 纯滞后补 偿 智能控制等 PID 控制是比例 积分和微分三种动作的合成作用 其作用是使被控制对象 达到并保持于设定值 SV 当 SV 发生变化时 能使受控对象快速达到新的目 标值 通常 在控制系统中有一定容量的储能元件 因此系统中常会有一定的惯 性和时间上的滞后 负载的变化以及电源系统的干扰都会给控制带来影响 造成 系统参数的变化 从而使控制性能改变 采用 PID 调节 可对系统偏差进行比例 调节 引入积分环节 对偏差进行积分 提高了系统控制精度和抗外界干扰能力 引入微分环节 用于克服系统的惯性滞后 从而提高系统的稳定性 这就大大提 高了控制系统的性能和品质 PID 调节是经典控制理论中最典型的控制规律 在以往的模拟控制系统中得 到了广泛的应用 对相应的控制对象进行控制时获得了比较满意的结果 作为一种非常简便 有效的控制方法 PID 控制长期以来一直被广泛用于温 度 液位 张力 压力 速度等过程控制系统中 虽然在多年的实际应用中 也 出现了多种改进型的 PID 算法 例如模糊 PID 控制 智能 PID 控制等 但是常 规的 PID 控制算法对大多数控制系统已经能够满足误差精度要求 因此许多用于 过程控制的设备都采用常规的 PID 控制算法 此次方案的设计也不例外 2 2 参数的计算 在工业生产中 一般用闭环控制方法来控制温度 压力 流量 速度这一类 连续变化的模拟量 无论是使用模拟调节器的模拟控制系统还是使用计算机 包 括 PLC 的控制系统 PID Proportional Integral Differential 即比例 积分 西安工程大学本科毕业设计 论文 9 微分调节 都因其良好的控制效果 得到了广泛的应用 利用可编程序控制器 PLC 实现对模拟量的 PID 闭环控制 具有性能价格比高 用户使用方便 可靠 性高 抗干扰能力强等特点 用 PLC 对模拟量进行数字 PID 控制时 可采用 3 种方法 使用 PID 过程控制模块 使用 PLC 内部的 PID 功能指令 或者用户自己 编制 PID 控制程序 前两种方法要么价格昂贵 在大型控制系统才使用 要么算 法固定 不够灵活 因此 如果有的 PLC 没有 PID 功能指令 或者虽然可以使 用 PID 指令 但是希望采用其他的 PID 控制算法 此时只能采用第三种方法 即自编 PID 控制程序 在此研究的正是这种方法 采用 PID 控制时 Kp Ts Td 的设置直接影响最终的控制技术 分别或组合改变这三个参数 可以使受控对象 的响应时间 超调 稳态误差等指标达到用户要求 因此 Kp Ts Td 这三个参 数的确定是 PID 控制的一个重要环节 2 2 1 PID 算法 在过程控制系统中 PID 调节器的输入输出关系式为 mv t Kp ev t ev t dt TDdev t dt M TI 1 式中 误差信号 ev t sv t pv t mv t 是调节器的输出信号 KP 是调节器的 比例系数 TI 和 TD 分别是积分时间常数和微分时间常数 M 是偏移量 式 3 1 中 等号右边的前 3 项分别是比例 积分 微分部分 它们分别与误差 误差的积分 和微分成正比 如果取其中的一项或两项 就可以组成 P PI 或 PD 调节器 基于 PLC 的闭环控制系统如图 3 1 所示 虚线部分在 PLC 内 图中的 sv n pv n ev n mv n 均为第 n 次采样时的数字量 pv t mv t c t 为模拟量 假 设采样周期为 TS 系统开始运行的时刻为 t 0 用矩形积分近似精确积分 用差 分近似精确微分 将式 3 1 离散化 第 n 次采样时控制器的输出为 mv n Kpev n KI KD ev n ev n 1 M n j jev 0 3 2 式中的 KI Kp TS TI KD Kp TD TS 分别是积分系数和微分系数 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 0 2 2 2 PID 参数的整定 1 确定整定方法 假设采样周期为 T 系统开始运行的时刻为 t 0 则第 k 次采样时控制器的 输出为 u k kp e k T M 3 3 TI 1 k i eiT 0D T keke 1 这即是 PID 规律的离散化形式 应指出的是 按式 3 3 计算 u k 时 为 PID 位置控制算式 其输出值与过去所有状态有关 计算时要占用大量的内存和花费 大量的时间 u k u k u k 1 kp e k e k 1 e k e k 2e k 1 e k 2 TI T T TD M 3 4 按式 3 4 计算在时刻 k 时的输出量 u k 只需用到采样时刻 k 的偏差值 e k 以及向前递推一次及两次的偏差值 e k 1 e k 2 和向前推一次的偏差 u k 1 此式即为增量形式的 PID 采样调节的控制方程 这大大节约了内存和计算时间 为此 可选控制式 u k u k 1 kp e k e k 1 e k e k 2e k 1 e k TI T T TD 2 M 3 5 参数整定的实质是通过改变调节器的参数 使其特性和过程特性相匹配 以 改善系统的动态和静态指标 取得最佳的控制效果 自动调节系统的整定是一个 很重要的问题 它的任务是选择合理的调节器参数 以便获得最佳品质指标要求 的调节过程 调节器参数的整定有两种方法 一是计算法 一是工程整定法 计 算法是以调节对象的动态特性为依据的 而多数情况下由于缺乏足够的调节对象 的动态特性资料 使计算法无法进行 工程整定法有经验试凑法 衰减曲线法 临界比例度法等 经过大量整定实践证明 工程整定法行之有效 故得到了广泛 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 1 应用 工程整定法不需要事先知道过程的数学模型 方法简单 计算简便 易于 掌握 虽然是一种近似方法 所得整定参数不一定为最佳 但却相当实用 故而 采用工程整定法 在工程实践中 串级控制系统常用的整定方法有两步整定法 逐步逼近法 衰减曲线法 临界比例度法 经验法 反应曲线法等 下面就此作一些介绍 两步整定法 根据控制系统的过程的时间常数应适当匹配 要求其时间常数之 比 T01 T02 在 3 到 10 范围内 这样 回路的工作频率和操作周期相差很大 其 动态联系很小 可忽略不计 两步整定法的整定步骤为 1 在工况稳定回路闭合 调节器都在纯比例作用的条件下 调节器的比例度置于 100 用单回路控制系统的衰减 如 4 1 曲线法整定 2 将调节器的比例度置于所求得的数值 2s 上 求取调节器的比例度 1s 和操 作周期 T1s 3 根据求得的 1s T1s 2s T2s 数值 4 先比例后积分的整定程序 设置调节器的参数 再观察过渡过程曲线 必要 时进行适当调整 直到系统质量达到最佳为止 逐步逼近法 对过程的时间常数相差不大的控制系统 由于主回路与副回路的 动态联系比较密切 则系统整定必须反复进行 逐步逼近 具体整定步骤如下 1 让调节器参数的积分系数 I 0 微分系数 D 0 控制系统投入闭环运行 由 小到大改变比例系数 P 让扰动信号作阶跃变化 观察控制过程 直到获得满意 的控制过程为止 2 取比例系数 P 为当前的值乘以 0 83 由小到大增加积分系数 I 同样让扰 动信号作阶跃变化 直至得到满意的控制过程 3 积分系数 I 保持不变 改变比例系数 P 观察控制过程有无改善 如有改善 则继续调整 直到满意为止 否则 将原比例系数 P 增大一些 再调整积分系数 I 力求改善控制过程 如此反复试凑 直到找到满意的比例系数 P 和积分系数 I 为止 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 2 4 引入适当的微分系数 D 此时可适当增大比例系数 P 和积分系数 I 和前述 步骤相同 微分系数的整定也需反复调整 直到控制过程满意为止 需要注意的是 仿真系统所采用的 PID 调节器与传统的工业 PID 调节器有所不同 其各个参数之间是相互隔离的 因而互不影响 用其观察调节规律十分方便 经 验法实质上是一种试凑法 它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法 并在 现场中得到了广泛的应用 经验法简单可靠 但需要有一定的现场运行经验 整 定时易带有主观片面性 当采用 PID 调节器时 由于有多个整定参数 反复试凑 的次数增多 因此增加了得到最佳整定参数的难度 2 确定 PID 控制器参数 经验试凑法是目前应用较广泛的方法 它是把调节器参数先按经验定在某些 数值上 然后再将调节系统投入 并施加一定扰动 观察过渡过程曲线的形状 若曲线形状不能令人满意 就按一定程序凑试参数值 直到调节质量合格 该方 法可在对象动态特性不易测试的情况下使用 参数的试凑程序有两种 一种是先 凑比例 再加积分 最后加微分 即先按表 3 1 所列数值选一个 逐步试凑 直到曲线形状较好后 再加积分作用 加入积分后再试凑 试凑的原则是过程曲 线振荡过强 则加大比例度和积分时间 恢复过慢 则所缩小比例度和积分时间 如果需要加微分作用 在加入微分作用后可把 缩小 20 Ti 也可缩小一些 微分作用也要经过试凑 以便使过渡过程的时间最短 过调量最小 另一种试凑 程序是先将 Ti 和 Td 定下来 即先在表 3 1 所列数值中取定某个 Ti 需加微分作 用时 取 Td 1 3 1 4 Ti 然后再对 值进行试凑 为使试凑见效快 顺利完成整定工作 就必须能正确判断过渡过程曲线 并 能根据曲线改变调节器参数 参数改变后还应预先估计出过程变化趋势 的影 响比 Ti 大 因此要求 值能够试凑得准确一些 Ti 值的准确程度可以差一些 因为它对调节过程的影响较小 Ti 偏大一些关系不太大 Ti 偏小则不利 这是因 为 Ti 偏小时的有利影响 指短期最大偏差减小 不大 而不利影响 使调节过程 变得不稳定 却比较大 因此 在没有把握时 宁可选较大一些的 Ti 值 根据选定的控制度 查表求得 T Kp TI TD 的值 设控制度为 1 05 根据 经验取临界比例度 k 20 临界振荡周期 Tk 60s 得参数整定初始值 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 3 T 0 14Tk 0 84s Kp 0 63 k 0 126 T1 0 49Tk 29 4s KI KP 0 0036 TI T 边观察系统的运行 边修改参数直到满意为止 一般情况下 增大比例系数 KP 会加快系统的响应速度 有利于减少静差 但过大的比例系数会使系统有较大 的超调 并产生振荡使稳定性变差 减小积分系数 KI 将减少积分作用 有利于减 少超调使系统稳定 但系统消除静差的速度慢 增加微分系数 KD 有利于加快系 统的响应 使超调减少 稳定性增加 但对干扰的抑制能力会减弱 在试凑时 一 般可根据以上参数对控制过程的影响趋势 对参数实行先比例 后积分 再微分 的步骤进行整定 参数整定顺序为先比例 后积分即可 比例部分整定 首先将积分系数 KI 取零 即取消积分作用 采用纯比例控制 将比例系数 KP 由小到大变化 观察系统的响应 直至速度快 且有一定范围的 超调为止 如果系统静差在规定范围之内 且响应曲线已满足设计要求 那么只 需用纯比例调节器即可 积分部分整定 如果比例控制系统的静差达不到设计要求 这时加入积分作用 在整定时将积分系数 KI 由小逐渐增加 积分作用就逐渐增强 观察输出会发现 系统的静差会逐渐减少直至消除 反复试验几次 直到消除静差的速度满意为止 注意这时的超调量比原来加大 应适当的降低一点比例系数 KP 按上述步骤整定之后 得到参数最终的整定值分别为 T 15sTk 0 90s Kp 0 60 k 0 135 T1 0 54Tk 25 8s KI KP 0 0047 TI T 经验试凑法的优点是方法简单可靠 对那些记录曲线不规则 外界干扰频繁 的调节系统 使用这种方法最为合适 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 4 第 3 章 系统硬件设计及软件编制 3 1 概述 随着微处理器 计算机和数字通信技术的飞速发展 计算机控制已经广泛地 应用在所有的工业领域 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应 生产出 小批量 多品种 多规格 高质量的产品 为了满足这一要求 生产设备和自动 化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性 可编程序控制器 Programmable Logic Controller 正是顺应这一要求出现的 它是以微处理 器为基础的通用控制装置 本章主要介绍西门子 S7 200 系列 PLC 以及其它硬件 的组成与选型 3 2 系统的硬件设计 3 2 1 温度检测电路单元 检测器件的选择 系统检测部分采用镍铬 镍硅热电偶测量输入信号 镍铬硅 镍硅热电偶 N 型热 电偶 为廉金属热电偶 是一种最新国际标准化的热电偶 是在 70 年代初由澳 大利亚国防部实验室研制成功的它克服了 K 型热电偶的两个重要缺点 K 型热电 偶在 300 500 间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定 在 800 左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定 正极 NP 的名 义化学成分为 Ni Cr Si 84 4 14 2 1 4 负极 NN 的名义化学成分为 Ni Si Mg 95 5 4 4 0 1 其使用温度为 200 1300 N 型热电偶具有线性度好 热电动势较大 灵敏度较高 稳定性和均匀性较 好 抗氧化性能强 价格便宜 不受短程有序化影响等优点 其综合性能优于 K 型热电偶 是一种很有发展前途的热电偶 N 型热电偶不能直接在高温下用于硫 还原性或还原 氧化交替的气氛中和 真空中 也不推荐用于弱氧化气氛中 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 5 使用注意事项 通常在使用温度传感器时 应该考虑下述一些技术问题 测量温度的范围 被测物体材料的性质和尺寸 检测点的数目 测温元件的安装位置和方向 温度 是否有时间性变化 是采用接触性测量还是采用非接触性测量等等 正确的使用 应同时掌握和考虑温度传感器和测量系统的特性 下面简要介绍测温时一些注意 事项 1 测温元件的安装应与被测介质形成逆流 即安装时测温元件应迎着介质 的流向插入 至少也应与被测介质形成顺流 2 测温元件 传感器 的感温点应位于能够真正代表被测介质温度的地方 3 为防止热损失 减少测量误差 测温元件露在设备外的部件应尽可能短 4 高温工作的热电偶 应尽可能地垂直安装 以防止保护管在高温下变形 5 用热电偶测量炉膛温度时 应避免热电偶与火焰直接接触 否则会使测 量值偏高 6 热电偶与热电阻的接线盒盖子要朝上 以免雨水 灰尘与赃物等侵入 7 加保温层 并要注意热电极与补偿导线的连接处温度应低于 100 8 温度传感器安装在负压管道 锅炉的烟道 上时 必须保证安装处的密 封性 9 在具有强的电磁场干扰源的场合安装感温元件时 应防止干扰的侵入 10 如被测介质中有尘类 粉物 为保护感温元件不受磨损起见 应加装保 护层 如煤粉输送管中 或加装保护外套管 11 在安装瓷和氧化铝保护管的热电偶时 应选择适宜的位置 避免加热制 品的移动而损坏保护管 在插入或取出热电偶时 应避免急冷急热 以免保 护管破裂 12 传感器安装的位置应便于维护 校验 修理 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 6 3 2 2 PLC 及其配套的 EM231 在本次设计中选用的是西门子公司推出的CPU221型可编程控制器 SIMATIC S7 200系列PLC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 S7 200系列出色表现在以下几个 方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集 成功能 实时特性 强劲的通讯功能 丰富的扩展模块 S7 200系列PLC可提供4 个不同型号的8种CPU供给使用 EM231配置如下表所示为如何用DIP开关设置EM231模块 开关1 2和3可选择 模拟量输入范围 所有的输入设置成相同的模拟量输入范围 下表中 ON为接通 OFF为断开 EM231选择模拟量输入范围的开关表 单极性 SW1SW2SW3 满量程输入分辨率 OFFON 0到10V 2 5MV 0到5V 1 25MV ON ONOFF 0到20MA 5 a 双极性 SW1SW2SW3 满量程输入分辨率 OFFON 5V2 5MVOFF ONOFF 2 5V1 25MV 3 2 3 固态继电器 固态继电器 Solid State Relay 简称 SSR 与机电继电器相比 是一种没 有机械运动 不含运动零件的继电器 但它具有与机电继电器本质上相同的功能 SSR 是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件 他利用电子元器件的点 磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离 利用大功率三极管 功率场效应管 单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性 来达到无触点 无火花地接通和断 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 7 开被控电路 它是一种四端有源器件 其中两端为输入控制端 另外两端为输出 受控端 如图 3 1 所示 图 3 1 固态继电器模块示意图 当输入端有控制信号 输出端从关断状态变为导通状态 控制信号撤消后 输出端变为关断状态 从而实现自动控制的用途 固态继电器的输入端 输出端之间采用光电隔离技术 使得弱电和强电隔离 因此从计算机等弱电设备输出的信号可以直接加在固态继电器的控制端上 无需 另外的保护电路 固态继电器有三部分组成 输入电路 隔离 耦合 和输出电路 按输入电压 的不同类别 输入电路可分为直流输入电路 交流输入电路和交直流输入电路三 种 有些输入控制电路还具有与 TTL CMOS 兼容 正负逻辑控制和反相等功能 固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种 固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路 交流输出电路和交直流输出电路 等形式 交流输出时 通常使用两个可控硅或一个双向可控硅 直流输出时可使 用双极性器件或功率场效应管 固态继电器的优点 a 高寿命 高可靠 SSR 没有机械零部件 由固体器件完成触点功能 由于没有运 动的零部件 因此能在高冲击 振动的环境下工作 由于组成固态继电器的元器 件的固有特性 决定了固态继电器的寿命长 可靠性高 b 灵敏度高 控制功率小 电磁兼容性好 固态继电器的输入电压范围较宽 驱动 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 8 功率低 可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器 c 快速转换 固态继电器因为采用固体器件 所以切换速度可从几毫秒至几微秒 d 电磁干扰小 固态继电器没有输入 线圈 没有触点燃弧和回跳 因而减少了电 磁干扰 大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关 在零电压处导通 零电 流处关断 减少了电流波形的突然中断 从而减少了开关瞬态效应 固态继电器的缺点 a 导通后的管压降大 可控硅或双相控硅的正向降压可达 1 2V 大功率晶体管的 饱和压降在 1 2V 之间 一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻 大 b 半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流 因此不能实现理想的电隔 离 c 由于管压降大 导通后的功耗和发热量也大 大功率固态继电器的体积远远大 于同容量的电磁继电器 成本也较高 d 电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差 耐辐射能力也较差 如 不采取有效措施 则工作可靠性低 e 固态继电器对过载有较大的敏感性 必须用快速熔断器或 RC 阻离电路对其进行 过载保护 固态继电器的负载与环境温度明显有关 温度升高 负载能力将迅速 下降 由于加热炉的功率只有 1000W 所以选用 40A 的固态继电器就完全可以达 到控制要求 3 2 4 模块式 PLC 的基本结构 这里我们主要介绍的是西门子 S7 200 西门子的 PLC 以其极高的性价比 在 国内占有很大的市场份额 在我国的各行各业得到了广泛的应用 S7 300 模块式 PLC 主要由机架 CPU 模块 信号模块 功能模块 接口模块 通信处理器 电 源模块和编程设备组成 各种模块安装的机架上 通过 CPU 模块或通信模块上的 通信接口 PLC 被连接到通信网络上 可以与计算机 其它 PLC 或其它设备通信 图 3 2 是 PLC 控制系统的示意图 CPU 模块 CPU 模块主要由微处理器和存储器组成 S7 200 将 CPU 模块简称 为 CPU 在 PLC 控制系统中 CPU 模块相当于人的大脑和心脏 它不断的采集输 西安工程大学本科毕业设计 论文 1 9 入信号 执行用户程序 刷新系统的输出 模块中的存储器用来存储程序和数据 信号模块 输入 Input 模块和输出 Output 模块一般简称为 I O 模块 开关量输入 输出模块简称为 DI 模块和 DO 模块 模拟量输入 输出模块简称为 AI 模块和 AO 模块 在 S7 200 中统称为信号模块 信号模块是系统的眼 耳 手 脚 是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁 输入模块用来接收和采集输入信号 开关量输入模块用来接收从按钮 选择开关 数字拨码开关 限位开关 接近开 关等来的开关量输入信号 模拟量输入模块用来接收电位器 测速发电机和各种 变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号 开关量输出模块用来控制接触器 电磁阀 电磁铁 指示灯 数字显示装置和报警装置等输出设备 模拟量输出模 块用来控制电动调节阀 变频器等执行器 在信号模块中 用光耦合器 光敏晶 闸管 小型继电器等器件来隔离 PLC 的内部电路和外部的输入 输出电路 功能模块 为了增强 PLC 的功能 扩大应用领域 减轻 CPU 的负担 PLC 厂 家开发了各种各样的功能模块 主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高 的控制任务 接口模块 CPU 模块所在的机架称为中央机架 如果一个机架不能容纳全部 模块 可以增设一个或多个扩展机架 接口模块用来实现中央机架和扩展机架之 西安工程大学本科毕业设计 论文 2 0 间的通信 有的接口模块还可以为扩展机架供电 通信处理器 通信处理器用于 PLC 之间 PLC 与远程 I O 之间 PLC 与计算 机和其他智能设备之间的通信 可以将 PLC 接入 MPI PROFIBUS DP AS i 和工 业以太网 或者用于点对